Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc nền đoạn tuyến từ km 1346+700 km 1353+164 dự án nâng cấp mở rộng quốc lộ 1 qua phú yên, thiết kế giải pháp xử lý nền phù hợp

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các yếu tố cấu trúc nền đất và giải pháp xử lý khi xây dựng nền đường trên đất yếu... Nội dung nghiên cứu - Để đạt

-

PHÍ HOÀNG NAM

NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC NỀN ĐOẠN TUYẾN TỪ KM1346+700 - KM 1353+164 DỰ ÁN NÂNG CẤP, MỞ RỘNG QUỐC LỘ 1 QUA PHÚ YÊN, THIẾT KẾ GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN PHÙ HỢP

LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

Hµ néi - 2015

-

PHí HOàNG NAM

NGHIấN CỨU ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC NỀN ĐOẠN TUYẾN TỪ KM1346+700 - KM1353+164 DỰ ÁN NÂNG CẤP, MỞ RỘNG QUỐC LỘ 1 QUA PHÚ YấN, THIẾT KẾ GIẢI PHÁP XỬ Lí NỀN

PHÙ HỢP

ngành: kỹ thuật địa chất Mã số: 60520501

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Người hướng dẫn khoa học

Ts Tô xuân vu

Hà nội, tháng 10 năm 2015

C¸c kÕt qu¶ sè liÖu nªu trong luËn v¨n lµ trung thùc vµ ch­a tõng ®­îc ai c«ng

bè trong bÊt kú c«ng tr×nh nµo kh¸c

Hµ Néi, ngµy th¸ng n¨m 2015

T¸c gi¶

PhÝ Hoµng Nam

Mục lục

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 5

2 Mục tiêu của đề tài 5

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 5

4 Nội dung nghiên cứu 6

5 Phương pháp nghiên cứu 6

6 Ý nghĩa khoa học thực tiễn 6

7 Cơ sở tài liệu 7

8 Cấu trúc luận văn 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC NỀN VÀ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 8 1.1 Khái niệm về cấu trúc nền 8

1.2 Phân chia cấu trúc nền trong xây dựng đường giao thông 11

1.3 Các giải pháp xử lý nền đất yếu khi xây dựng đường giao thông 13

1.3.1 Cọc cát 14

1.3.2 Cọc cát đầm 15

1.3.3 Gia tải trước 16

1.3.4 Bệ phản áp 17

1.3.5 Gia cường bằng vải địa kỹ thuât 17

1.3.6 Cọc đất vôi 18

1.3.7 Cọc đất xi măng 18

1.3.8 Giếng cát 19

1.3.9 Bấc thấm 22

1.4 Thực trạng xây dựng đường giao thông ở Việt Nam và các giải pháp xử lý nền đường 25

CHƯƠNG 2: PHÂN CHIA CẤU TRÚC NỀN VÀ DỰ BÁO CÁC VẤN ĐỀ ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH ĐOẠN TUYẾN 30

2.1.2 Địa tầng và tính chất cơ lý 30

2.1.3 Nước dưới đất 34

2.2 Phân chia cấu trúc nền đoạn tuyến 35

2.2.1 Nguyên tắc phân chia cấu trúc nền 35

2.2.2 Các kiểu cấu trúc nền và đặc điểm của chúng 36

2.3 Dự báo các vấn đề địa kỹ thuật công trình 38

2.3.1 Thông số đoạn tuyến 38

2.3.2 Lựa chọn mặt cắt tính toán 39

2.3.3 Đánh giá ổn định trượt của nền đất 42

2.3.3.1 Tính toán ổn định do lún trồi 42

2.3.3.2 Tính toán ổn định trượt cục bộ nền đắp 46

2.3.4 Đánh giá ổn định biến dạng lún của nền đất 50

2.3.4.1 Tính độ lún cuối cùng 50

2.3.4.2 Tính độ lún theo thời gian 55

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ XỬ LÝ NỀN ĐOẠN TUYẾN NGHIÊN CỨU 57

3.1 Luận chứng giải pháp xử lý 57

3.2 Cơ sở lý thuyết của các phương pháp xử lý nền 58

3.3 Lựa chọn các thông số của đất nền để thiết kế 69

3.4 Thiết kế xử lý bằng bấc thấm cho đoạn tuyến từ Km1346+700 đến Km1349+048 (cấu trúc nền kiểu I) 74

3.4.1 Yêu cầu xử lý 74

3.4.2 Xác định chiều dày lớp đệm cát 74

3.4.3 Chiều sâu xử lý nền đất yếu 74

3.4.4 Khoảng cách bố trí bấc thấm 75

3.4.5 Chiều cao đắp phòng lún 76

3.4.6 Chiều cao đắp theo giai đoạn khi xử lý bằng bấc thấm 77

3.4.7 Thời gian chờ giữa hai giai đoạn đắp 80

3.4.8 Quan trắc địa kỹ thuật 82

3.4.9.2 Kỹ thuật thi công 88

3.5 Thiết kế xử lý bằng cọc cát cho đoạn tuyến từ Km1351+896 đến Km1353+000 (cấu trúc nền kiểu III) 93

3.5.1 Xác định chiều sâu cần xử lý 93

3.5.2 Tính toán diện tích cần xử lý 93

3.5.3 Tính toán đường kính và khoảng cách giữa các cọc 94

3.5.4 Số lượng cọc 94

3.5.5 Kiểm tra chất lượng đất nền sau xử lý 95

3.5.6 Thi công cọc cát 96

3.5.6.1 Yêu cầu vật liệu 96

3.5.6.2 Thiết bị thi công 97

3.5.6.3 Kỹ thuật thi công 98

KẾT LUẬN 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu Đơn vị Giải thích

a1-2 cm2/kG Hệ số nén lún của đất trong khoảng áp lực nén 1-2 KG/cm2

gc g/cm3 Khối lượng thể tích khô của đất

gw g/cm3 Khối lượng thể tích tự nhiên của đất

Cu kG/cm2 Lực dính kết không thoát nưóc

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Các phương pháp xử lý nền đất yếu 13

Bảng 2.1: Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý lớp 2 30

Bảng 2.2: Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý lớp 3 31

Bảng 2.3: Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý lớp 4 32

Bảng 2.4: Bảng tính hệ số ổn định theo phương pháp Mandel và Salencon 45

Bảng 2.5: Bảng tính hệ số A, B theo Goldstein 46

Bảng 2.6: Bảng kết quả tính hệ số ổn định theo phương pháp Bishop 48

Bảng 2.7: Bảng tra các hệ số tính toán theo phương pháp Goldstein 49

Bảng 2.8: Bảng kết quả tính hệ số ổn định theo phương pháp Goldstein 49

Bảng 2.9: Ứng suất phụ thêm, ứng suất bản thân dưới tim nền công trình 52

Bảng 2.10: Kết quả tính toán độ lún tại mặt cắt điển hình cấu trúc nền kiểu I 54

Bảng 2.11: Kết quả độ lún cố kết Sc và độ lún cuối cùng S của kiểu cấu trúc nền I, II và III 55

Bảng 2.12: Kết quả độ lún theo thời gian của kiểu cấu trúc nền I, II và III 56

Bảng 3.1: Độ cố kết Uv theo nhân tố thời gian Tv 61

Bảng 3.2: Góc ma sát trong và tỷ lệ phân chia ứng suất theo tỷ lệ thay thế 68

Bảng 3.3: Lựa chọn cường độ chống cắt không thoát nước của đất ở trạng thái tự nhiên 71

Bảng 3.4: Mối quan hệ giữa m và chỉ số dẻo -Ip của các lớp đất 72

Bảng 3.5: Cường độ chống cắt của cát 72

Bảng 3.6: Các thông số của đất đưa vào tính toán 73

Bảng 3.7: Chỉ tiêu vật liệu đắp nền đường 73

Bảng 3.8: Độ cố kết của đất nền với các cự ly cắm bấc thấm khác nhau 76

Bảng 3.9: Độ lún cuối cùng của nền tương ứng với các chiều cao đắp Hr 77

Bảng 3.10: Thời gian chờ cố kết giữa các giai đoạn 81

Bảng 3.11: Tổng hợp quá trình thi công đắp theo giai đoạn tại mặt cắt ngang điển hình cấu trúc nền kiểu I 82 Bảng 3.12: Ứng suất tại tim đường sau khi gia cố 86 Bảng 3.13: Thiết bị quan trắc 96

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1-1: Xử lý nền bằng cọc vôi, cọc xi măng 19

Hình 1-2: Sơ đồ cấu tạo giếng cát 20

Hình 1-3: Hình ảnh hiện trường thi công bấc thấm 21

Hình 1-4: Sơ đồ nguyên lý phương pháp cố kết hút chân không 22

Hình 1-5: Sơ đồ công nghệ phương pháp MVC 23

Hình 1-6: Sơ đồ công nghệ phương pháp Beaudrain 24

Hình 2-1: Mặt cắt ĐCCT cấu trúc nền kiểu I 35

Hình 2-2: Mặt cắt ĐCCT cấu trúc nền kiểu II 36

Hình 2-3: Mặt cắt ĐCCT cấu trúc nền kiểu III 37

Hình 2-4: Mặt cắt ngang điển hình tuyến đường 38

Hình 2-5: Mặt cắt điển hình cấu trúc nền kiểu I 39

Hình 2-6: Mặt cắt điển hình cấu trúc nền kiểu II 40

Hình 2-7: Mặt cắt điển hình cấu trúc nền kiểu III 41

Hình 2-8: Sơ đồ tính toán theo phương pháp phân mảnh của Bishop 42

Hình 3-1: Sơ đồ thiết kế xử lý nền bằng bấc thấm 66

Hình 3-2: Sơ đồ bố trí mặt bằng lưới cọc cát 70

Hình 3-3: Tổng hợp số liệu thí nghiệm sức kháng cắt không thoát nước của các lớp đất 71

Hình 3-4: Các giá trị m từ thí nghiệm CU và giá trị kiến nghị dùng cho thiết kế 76

Hình 3-5: Biểu đồ xác định chiều cao phòng lún 76

Hình 3-6: Biểu đồ chiều cao phòng lún tại mặt cắt ngang điển hình kiểu I 77

Hình 3-7: Sơ đồ kiểm toán trượt sau khi đắp giai đoạn 1 78

Hình 3-8: Sơ đồ kiểm toán trượt sau khi đắp giai đoạn 2 79

Hình 3-9: Cấu tạo thiết bị đo lún 83

Hình 3-10: Sơ đồ kiểm toán trượt sau xử lý 97

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Quốc lộ 1 (QL1) bắt đầu từ cửa khẩu Hữu Nghị (Lạng Sơn) đến Năm Căn (Cà Mau) có tổng chiều dài 2300km Từ những năm 1993, bằng các nguồn vốn ODA, tuyến đường đã được nâng cấp theo tiêu chuẩn đường cấp III, quy mô 2 làn

xe Giai đoạn từ năm 2003, một số đoạn có lưu lượng lớn đã được mở rộng lên 4 làn

xe (khoảng 476 Km) và xây dựng 18 tuyến tránh qua các khu đô thị (khoảng 164 Km) Tuy nhiên, đến nay một số đoạn trên QL1 đã quá tải, đặc biệt các đoạn từ Hà Nam – Ninh Bình – Thanh Hóa – Hà Tĩnh và một số đoạn qua đô thị lớn, một số đoạn sẽ tiếp tục quá tải trong thời gian tới như đoạn Cần Thơ – Phụng Hiệp, Đồng Nai – Phan Thiết

Dự án đầu tư xây dựng công trình mở rộng QL1 đoạn từ Km1265 đến hầm Đèo Cả tỉnh Phú Yên đã được Bộ trưởng Bộ GTVT cho phép thực hiện bằng Quyết định số 790/QĐ-BGTVT ngày 12/04/2012 Khu vực tuyến đi qua có cấu trúc địa chất phức tạp, gặp đất yếu có diện và chiều sâu phân bố biến đổi mạnh, cần phải xử

lý Vì vậy, việc nghiên cứu phân chia cấu trúc nền và lựa chọn biện pháp xử lý nền đất yếu phù hợp cho đoạn tuyến là rất quan trọng, đề tài: “Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc nền đoạn tuyến từ Km1346+700 - Km1353+164 dự án nâng cấp, mở rộng Quốc lộ 1 qua Phú Yên, thiết kế giải pháp xử lý nền phù hợp” là cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn

2 Mục tiêu của đề tài

Làm sáng tỏ các kiểu cấu trúc nền đoạn từ Km1346+700 đến km 1353+164 tỉnh Phú Yên, từ đó lựa chọn và thiết kế giải pháp xử lý nền thích hợp cho đoạn tuyến

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các yếu tố cấu trúc nền đất và giải pháp

xử lý khi xây dựng nền đường trên đất yếu

- Phạm vi nghiên cứu là nền đường, nơi xảy ra quan hệ tương tác giữa công trình và nền đất thuộc dự án cải tạo QL1 đoạn từ Km1346+700 đến km1353+164, tỉnh Phú Yên

4 Nội dung nghiên cứu

- Để đạt được mục tiêu nghiên cứu của đề tài, nội dung nghiên cứu của luận văn bao gồm:

- Phân tích tổng quan các vấn đề nghiên cứu điều kiện tự nhiên khu vực đoạn tuyến đi qua;

- Làm sáng tỏ điều kiện ĐCCT đoạn tuyến: địa hình địa mạo, địa tầng tính chất cơ lý của đất nền, địa chất thủy văn ;

- Phân chia cấu trúc nền đoạn tuyến từ km1346+700 đến km1353+164 QL1, tỉnh Phú Yên;

- Đánh giá khả năng xây dựng và luận chứng chọn giải pháp xử lý nền cho mỗi kiểu cấu trúc;

- Thiết kế giải pháp xử lý nền đất yếu cho các đoạn tuyến

5 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu được áp dụng bao gồm:

· Thu thập, tổng hợp, phân tích tài liệu: làm rõ đặc điểm cấu trúc nền và áp dụng giải pháp xử lý;

· Địa chất: phân tích đánh giá điều kiện ĐCCT đoạn tuyến;

· Phương pháp thống kê: tổng hợp, xác định giá trị chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất;

· Tính toán: đánh giá các vấn đề ĐCCT và thiết kế xử lý nền đất yếu;

· Ứng dụng công nghệ thông tin vào tính toán xử lý nền đất yếu

6 Ý nghĩa khoa học, thực tiễn

Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể áp dụng khi xây dựng tuyến đường thuộc

dự án cải tạo QL1, đoạn tuyến từ Km1353+700 đến Km1346+164 và các tuyến đường có điều kiện ĐCCT tương tự và làm phong phú thêm trong việc áp dụng các giải pháp xử lý nền đất yếu trong xây dựng đường giao thông ở Việt Nam

7 Cơ sở tài liệu

Luận văn được thực hiện trên các tài liệu sau:

- Báo cáo khảo sát địa chất công trình “dự án đầu tư mở rộng QL1 đoạn từ Km1346+700 – Km1353+164”;

- Các tài liệu liên quan tới thiết kế của dự án;

- Các bài báo, công trình khoa học, luận văn, luận án trong và ngoài nước liên quan đến vấn đề xử lý nền đất yếu

- Các tiêu chuẩn xây dựng đường giao thông hiện hành;

8 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm 3 chương, tổng cộng có 104 trang với 23 hình vẽ và 27 bảng

Luận văn được hoàn thành tại Bộ môn Địa chất công trình, Trường Đại học

Mỏ - Địa Chất, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Tô Xuân Vu

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy trong Bộ môn Địa chất công trình, Phòng Đào tạo Sau đại học thuộc trường Đại học Mỏ - Địa chất đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn này

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Tô Xuân Vu, người thầy đã tận tâm hưóng dẫn khoa học trong suốt quá trình từ khi lựa chọn đề tài, xây dựng đề cương cho đến khi hoàn thành luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp công tác tại Tổng công ty công trình Giao thông vận tải (TEDI) đã cung cấp những số liệu cần thiết và tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành luận văn này

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC NỀN

VÀ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 1.1 Khái niệm về cấu trúc nền

Khi nghiên cứu về thành phần và tính chất của đất yếu cũng phải nghiên cứu đánh giá các lớp đất liền kề trên và dưới nó Bởi vậy, để đánh giá đúng vai trò của đất yếu trong cấu trúc nền cần tìm hiểu khái niệm cấu trúc nền, đặc biệt là cấu trúc nền đất yếu

Trong địa chất công trình, khái niệm cấu trúc nền được một số tác giả sử dụng

để điển hình hóa điều kiện địa chất công trình của nền công trình Tác giả Vũ Cao Minh (1984) đã đưa ra khái niệm “Cấu trúc địa cơ” và quan niệm: “Những thể địa chất có lịch sử phát triển và bản chất cơ học xác định được gọi là những Cấu trúc địa cơ” [8] GS TSKH Nguyễn Thanh (1984) coi “Cấu trúc nền công trình” là tầng đất được sử dụng làm nền cho xây dựng, được đặc trưng bằng những quy luật phân

bố theo chiều sâu, các thành tạo đất đá có liên kết kiến trúc, nguồn gốc, tuổi, thành phần, cấu trúc, bề dày, trạng thái và tính chất địa chất công trình không giống nhau” [16] TS Lê Trọng Thắng (1995) đã định nghĩa “Cấu trúc nền là phần tương tác giữa công trình và môi trường địa chất, được xác định bởi quy luật phân bố trong không gian, khả năng biến đổi theo thời gian của các thành tạo đất đá, có tính chất ĐCCT xác định, diễn ra trong vùng ảnh hưởng của công trình” [17].GS TSKH Phạm Văn

Tỵ (1999) đã đưa ra khái niệm hoàn chỉnh về cấu trúc nền: “Cấu trúc nền được hiểu

là quan hệ xắp xếp không gian của các thể điạ chất (lớp đất) cấu tạo nền đất, số lượng, đặc điểm hình dạng, kích thước, thành phần, trạng thái và tính chất của các yếu tố cấu thành này”

Kết quả nghiên cứu thành phần và tính chất của đất, đặc biệt đối với đất yếu chưa thể phản ánh đúng khả năng xây dựng của chúng trong tự nhiên Khả năng xây dựng của đất chỉ có thể được đánh giá đúng trên cơ sở nghiên cứu đầy đủ các đặc điểm cấu trúc của nền Trong luận văn, thuật ngữ “Cấu trúc nền” được sử dụng để chỉ nền đất công trình có nhấn mạnh đến đặc điểm cấu trúc nền và môi trường địa chất có quan hệ mật thiết và tác động qua lại lẫn nhau theo cả thời gian và không

gian Bởi vậy khái niệm “ Cấu trúc nền” không những chỉ phản ánh những đặc điểm cấu trúc địa chất tồn tại một cách khách quan trong phạm vi ảnh hưởng của công trình, mà còn phải phản ánh các đặc điểm ĐCCT khác của đất đá trong mối quan hệ biến đổi cả về không gian và thời gian của chúng Cấu trúc nền là phần tương tác giữa công trình và môi trường địa chất, được xác định bởi quy luật phân bố trong không gian, khả năng biến đổi theo thời gian của các thành tạo đất đá, có tính chất ĐCCT xác định, diễn ra trong vùng ảnh hưởng của công trình

Cấu trúc nền đất yếu là cấu trúc nền có liên quan trực tiếp với các thành tạo đất yếu Đất yếu đóng vai trò trung tâm và có ý nghĩa quyết định đến đặc tính và khả năng xây dựng nền Thật vậy, thành phần, tính chất, bề dày của đất yếu cũng như sự biến đổi của chúng trong không gian và mối quan hệ giữa lớp đất yếu với các lớp đất khác trong đất nền rất có ý nghĩa đối với đặc tính và khả năng xây dựng của nền đất Cùng với quy mô công trình, chúng sẽ quyết định việc chọn giải pháp

xử lý nền mặt khác cũng cần thấy rõ, vị trí tồn tại trong không gian của cấu trúc nền đất yếu trong môi trường địa chất cũng có ý nghĩa to lớn Cùng một kiểu cấu trúc nền đất yếu, cùng đặc điểm quy mô và kết cấu công trình, tùy thuộc khoảng cách đến các khu vực hạ thấp mực nước ngầm cũng như các hướng biến đổi đặc tính ĐCCT của cấu trúc nền, mà khả năng biến dạng của công trình sẽ khác nhau Như vậy, ảnh hưởng của môi trường địa chất đến cấu trúc nền đất yếu và công trình phụ thuộc vào điều kiện tồn tại cụ thể của chúng Đối với cấu trúc nền đất yếu, vùng ảnh hưởng có thể là ranh giới lớp đất yếu trực tiếp ảnh hưởng đến công trình, trong trường hợp ranh giới này lớn hơn vùng hoạt động của công trình

Như vậy, nghiên cứu cấu trúc nền hiểu đầy đủ là mối quan hệ địa tầng với các thành tạo đất đá; kết quả tương tác giữa các yếu tố công trình - cấu trúc nền và môi trường địa chất, mỗi lớp đất đá đóng vai trò nhất định trong nền và được đặc trưng bởi thành phần, kiến trúc, cấu tạo, trạng thái và tính chất riêng biệt Tổ hợp các đất nền hình thành nên một kiểu cấu trúc nền Về mặt không gian, cấu trúc nền công trình được giới hạn bởi phạm vi ảnh hưởng của công trình chủ yếu theo chiều sâu Nếu chiều sâu nghiên cứu khác nhau, việc phân chia cấu trúc nền không thống nhất

được Vì vậy, tùy theo từng khu vực nghiên cứu, tùy mục đích, nhiệm vụ nghiên cứu, tùy số lượng và chiều sâu công trình thăm dò đã có, xác lập chiều sâu cần đạt đến để phân chia các kiểu cấu trúc nền khác nhau

Ý nghĩa của việc nghiên cứu cấu trúc đất nền là để đánh giá tài nguyên đất xây dựng nói chung và tính năng xây dựng của nền nói riêng, cấu trúc nền là cơ sở địa chất công trình để quy hoạch hợp lý các công trình xây dựng Trong giới hạn của luận văn thì ý nghĩa của nghiên cứu cấu trúc nền là để thiết kế đường, thiết kế xử lý nền đường đất yếu

Các nghiên cứu về cấu trúc nền công trình được đề cập trong nhiều nghiên cứu khác nhau Ở Việt Nam các nghiên cứu sâu về cấu trúc nền trước hết phải kể đến là bài:”Về việc phân loại và thành lập bản đồ cấu trúc nền các công trình xây dựng ở Việt Nam” của tác giả Nguyễn Thanh Bài viết đã đưa ra định nghĩa về cấu trúc nền công trình Theo nguyên tắc phân chia, tác giả đã tổng hợp các lớp đất đá khác nhau hình thành nên các cấu trúc nền với 5 mức cấu trúc khác nhau [16] Bài viết: “Cấu trúc địa cơ” của tác giả Vũ Cao Minh đưa ra định nghĩa về cấu trúc địa cơ và nêu lên những ý tưởng, quan điểm nghiên cứu của mình [8] Điều cần chú ý là trong định nghĩa cấu trúc nền công trình và cấu trúc địa cơ, các tác giả đều chưa đề cập đến yếu tố biến đổi của cấu trúc nền, cũng như các tác động của môi trường địa chất Với những quan niệm hình thành về cấu trúc nền công trình nói chung và cấu trúc nền đất yếu nói riêng, năm 1991, tác giả Lê Trọng Thắng có bài: "Một số dạng cấu trúc nền đất yếu ở khu vực Hà Nội và những nguyên nhân gây biến dạng công

trình liên quan với chúng" Trên cơ sở bước đầu tổng hợp những kiểu, dạng cấu trúc

nền đất yếu đặc trưng ở khu vực thành phố Hà Nội, tác giả phân tích một số nguyên nhân lún nứt công trình liên quan với chúng [17] Quá trình nghiên cứu của tác giả được hoàn thiện hơn trên cơ sở phân loại cấu trúc nền đất yếu được thể hiện trong bài: “Phân tích nguyên nhân biến dạng công trình liên quan đến một số dạng cấu trúc nền đất yếu ở khu vực Hà Nội" [17] Một số tác giả khác cũng có nghiên cứu liên quan đến cấu trúc nền như GS TS Phạm Văn Tỵ, đã tiến hành phân vùng cấu trúc nền ở khu vực Hà Nội khi thành lập bản đồ ĐCCT tỷ lệ 1/50.000 do đoàn 64

thực hiện Trong bài: "Vấn đề sử dụng hợp lý môi trường địa chất khi xây dựng các

đô thị", PTS Đoàn Thế Tường đã đánh giá các tác động biến đổi môi trường ở khu vực Hà Nội do các hoạt động của con người gây nên Bài viết đưa ra một số dạng sơ

đồ cấu trúc nền đất yếu và kiến nghị các giải pháp móng thích hợp [15]…

Do đất yếu là đối tượng nghiên cứu phổ biến, nên trên thế giới cũng như Việt Nam có rất nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến chúng nhưng không có điều kiện trình bày hết Tuy vậy, các công trình nghiên cứu trên cũng chỉ đề cập sâu đến từng khía cạnh của cấu trúc nền đất yếu Việc nghiên cứu tổng hợp các nội dung về cấu trúc nên đất yếu nhìn chung ít được chú ý

1.2 Phân chia cấu trúc nền trong xây dựng đường giao thông

Nét đặc trưng của các công trình đường giao thông là có dạng tuyến, kéo dài qua nhiều vùng có đặc điểm địa hình, địa chất khác nhau Trên các tuyến đường thường xây dựng nhiều công trình như cầu, cống, các công trình bảo đảm an toàn cho tuyến đường như hệ thống thoát nước, công trình chống trượt, đá đổ, đá lăn … Đặc biệt, trên các tuyến đường xây dựng các hệ thống nhà ga cũng như các công trình phụ trợ khác bảo đảm cho sự hoạt động của hệ thống đường

Tuyến đường giao thông có thể áp dụng nhiều dạng thiết kế khác nhau như: đường đặt trên nền địa hình tự nhiên, đường đặt trên nền đắp nền đào, nền nửa đào, nửa đắp

Tuyến đường có thể đi qua nhiều vùng phát triển các quá trình và hiện tượng địa chất như karst, trượt lở, đá đổ, lầy, có đất nền yếu không thích hợp cho việc xây dựng công trình

Các vấn đề địa chất công trình đường giao thông thường xảy ra là ổn định của nền đất yếu, ổn định của nền đường đắp, đường đào, vấn đề thoát nước mặt, xói lở

và đặc biệt là vấn đề trượt, đá đổ, đá lở …

Trong quá trình xây dựng đường qua khu vực đồng bằng, khu vực ven biển, nơi tuyến đường đi qua các vùng có địa chất là nền đất yếu và diễn biến khá phức tạp, xuất hiện đòi hỏi phải có những giải pháp kỹ thuật phù hợp nhằm đáp ứng được

yêu cầu tiến độ cũng như vấn đề ổn định lâu dài đồng thời đảm bảo yếu tố kinh tế -

kỹ thuật cho toàn bộ tuyến đường

Những yếu tố đất yếu ảnh hưởng đến ổn định đường giao thông: sức chịu tải thấp, tính biến dạng lớn, các trạng thái giới hạn của nền, cụ thể một số tính chất cơ

lý của đất nền yếu như: hệ số rỗng, độ chặt, tính nén lún, trị số modun biến dạng, cường độ chống cắt của đất, thường có trị số nhỏ, không đảm bảo các trạng thái giới hạn bền của nền đường với công trình

Để xây dựng công trình giao thông trên nền đất yếu thì phải có các biện pháp

kỹ thuật để cải tạo khả năng chịu lực của đất nền Kỹ thuật cải tạo đất yếu cần thiết đưa ra các cơ sở lý thuyết và phương pháp, công nghệ để cải thiện khả năng chịu tải của đất sao cho phù hợp với yêu cầu của từng loại công trình khác nhau Nền đất sau khi xử lý gọi là nền nhân tạo

Việc xử lý nền đất yếu khi xây dựng công trình phụ thuộc vào điều kiện như: đặc điểm quy mô và loại công trình, đặc điểm của cấu trúc nền, Với từng điều kiện cụ thể mà người thiết kế đưa ra các giải pháp xử lý hợp lý

Phân chia cấu trúc nền trong xây dựng đường giao thông cần được xem xét trên cơ sở quy luật phân bố các lớp đất nền, tính chất cơ lý của chúng Như vậy, cần phân tích đặc điểm biến đổi của đất nền theo không gian và theo chiều sâu để có thể xây dựng tiêu chí phân chia phù hợp Đất yếu trong xây dựng đường giao thông chưa có một khái niệm rõ ràng và thống nhất, bởi vì trong mối quan hệ tương tác với công trình có quy mô và tải trọng khác nhau nền đất sẽ ứng xử khác nhau; có khi đất nền là yếu với cấp loại công trình này, lại không yếu với cấp loại công trình khác Đặc tính của địa chất công trình của đất yếu rất phức tạp, 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 Thông thường trong phạm vi nền đất có xuất hiện các lớp đất yếu ảnh hưởng đến công trình, làm mất ổn định công trình được gọi

là nền đất yếu

Công trình đường Quốc lộ 1 là một công trình trọng điểm quốc gia Do tính chất đặc thù của công trình trải dài từ Bắc vào Nam, đi qua nhiều vùng địa chất phức tạp Nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển giao thông ngày một cao hơn, xuất phát

từ thực tế sản xuất, chỉ nói riêng đến vấn đề xây dựng nền đường đã nảy sinh nhiều vấn đề bức xúc về mặt kỹ thuật cần phải được nghiên cứu giải quyết Một trong những vấn đề kỹ thuật và công nghệ mới được đặt ra, đó là bảo đảm sự ổn định nền đường khi xây dựng tuyến đường đi qua các vùng đất yếu

1.3 Các giải pháp xử lý nền đất yếu khi xây dựng đường giao thông

Việc xử lý nền đất yếu khi xây dựng các công trình giao thông phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Đặc điểm của công trình, cấu trúc nền đất, nước dưới đất, điều kiện thi công, hiệu quả kinh tế…Với từng điều kiện cụ thể mà người thiết kế đưa ra những giải pháp xử lý phù hợp

Các giải pháp xử lý nền đất yếu thường đang được ứng dụng rộng rãi như bảng 1.1 sau đây:

Bảng 1.1: Các phương pháp xử lý nền đất yếu

Khả năng Các phương pháp xử lý nền đất yếu

Tăng khả năng chống trượt

• Gia tải trước

• Giếng cát

• Bấc thấm

1.3.1 Cọc cát

Cọc cát xuất phát từ cọc đá Ballast là loại cọc được cấu tạo từ vật liệu rời đặt trong đất tham gia cùng đất nền chống đỡ tải trọng công trình, đã gọi là cọc, nên bản thân cọc cát phải được tạo thành từ những loại cát đồng nhất, tiết diện liên tục theo chiều sâu, sức chịu tải của cát được chọn phải lớn hơn đất nhiều lần so với đất nền

tự nhiên Vật liệu làm cọc không thể hòa lẫn vào đất (chìm dần vào đất yếu) Do đó, không phải loại đất yếu bất kỳ nào cũng có thể sử dụng cọc cát để xử lý

Cần phải phân biệt cọc cát với các cọc cứng khác như cọc bằng bê tông cốt thép, bằng thép , cọc cứng là một bộ phận của kết cấu móng làm nhiệm vụ truyền tải trọng công trình xuống nền đất còn cọc cát làm nhiệm vụ lèn chặt và thoát nước cho nền đất làm tăng sức chịu tải cho nền

Dưới tác dụng của tải trọng, cọc cát và vùng đất được nén chặt xung quanh cọc cùng làm việc đồng thời đất được nén chặt đều trong khoảng cách giữa các cọc Việc sử dụng cọc cát được nhà bác học Nga M.X.Voikow đề nghị đầu tiên vào năm 1840 và sau đó là giáo sư V.I kurdyumov năm 1886 Qua hơn một thập kỷ phương pháp này đã được tiếp tục nghiên cứu, bổ sung và được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới như Liên Xô, Trung Quốc, Anh, Pháp, Hà Lan và Mỹ

Khi dùng cọc cát, trị số môđun biến dạng trong cọc cát cũng như ở vùng đất được nén chặt xung quanh sẽ giống nhau ở mọi điểm Vì vậy sự phân bố ứng suất trong nền đất được nén chặt bằng cọc cát có thể xem như là nền thiên nhiên

Khi dùng cọc cát, quá trình cố kết của nền đất diễn biến nhanh hơn nhiều so với nền đất thiên nhiên hoặc nền đất dùng cọc cứng Bởi vì lúc này cọc cát làm việc như các giếng thoát nước, nước trong đất có điều kiện thoát ra nhanh theo chiều dài cọc dưới tác dụng của tải trọng ngoài Phần lớn độ lún của nền đất có cọc cát thường kết thúc trong quá trình thi công, do đó tạo điều kiện cho công trình mau chóng đạt đến giới hạn ổn định

Sử dụng cọc cát về mặt kinh tế rẻ hơn so với khi sử dụng các phương án cọc khác như: cọc bêtông, cọc bêtông cốt thép Vật liệu làm cọc cát rẻ hơn nhiều so với thép, bêtông cốt thép dùng trong cọc cứng và không bị ăn mòn nếu nước ngầm có tính xâm thực Biện pháp thi công cọc cát tương đối đơn giản, không đòi hỏi những thiết bị phức tạp

Nén chặt bằng cọc cát là một phương pháp có hiệu quả khi xây dựng các công trình có tải trọng lớn trên nền đất yếu Khi chiều dày lớp đất yếu nhỏ hơn 10m có thể dùng cọc cát nén chặt được

Khuyến cáo một số trường hợp không nên dùng cọc cát là đất quá nhão yếu không thể lèn chặt đất được (khi hệ số rỗng nén chặt enc>1 chứng tỏ hiệu quả nén chặt của cọc cát rất ít) hoặc đất có hàm lượng chất hữu cơ cao

1.3.2 Cọc cát đầm

Nén chặt đất bằng cọc cát đầm được sử dụng rộng rãi để tăng nhanh quá trình

cố kết của đất nền, làm cho nền đất có khả năng biến dạng đều và nhanh chóng đạt đến giới hạn ổn định về lún

Phương pháp này thường được sử dụng khi xây dựng các công trình có tải trọng lớn đặt trên nền đất yếu và chiều dày lớp đất yếu lớn Khi chiều dày lớp đất yếu lớn hơn 2,0m có thể dùng cọc cát đầm để nén chặt được

Dưới tác dụng của tải trọng, cọc cát đầm và vùng đất được nén chặt xung quanh cọc cùng làm việc đồng thời đất được nén chặt đều trong khoảng cách giữa các cọc

Khi dùng cọc cát đầm, chỉ số mođul biến dạng ở trong cọc cát đầm cũng như ở vùng đất được nén chặt xung quanh sẽ giống nhau ở mọi điểm Vì vậy sự phân bố ứng suất trong nền đất được nén chặt bằng cọc cát đầm có thể xem như là nền thiên nhiên

Khi dùng cọc cát đầm, quá trình cố kết của nền đất diễn biến nhanh hơn nhiều

so với nền đất thiên nhiên hoặc nền đất dùng cọc cứng Phần lớn độ lún của nền đất

có cọc cát đầm thường kết thúc trong quá trình thi công, do đó tạo điều kiện cho công trình mau chóng đạt đến giới hạn ổn định Bởi vì lúc này cọc cát đầm làm việc như các giếng thoát nước, nước trong đất có điều kiện thoát ra nhanh theo chiều dài cọc dưới tác dụng của tải trọng ngoài Điều này không thể có được đối với nền đất thiên nhiên hoặc nền đất dùng cọc cứng

Tính ưu việt của cọc cát đầm về mặt kinh tế còn thể hiện ở vật liệu cọc Cát dùng trong cọc là loại vật liệu rẻ hơn nhiều so với gỗ, thép, bêtông cốt thép dùng trong cọc cứng và không bị ăn mòn nếu nước ngầm có tính xâm thực

Biện pháp thi công cọc cát đầm tương đối đơn giản, không đòi hỏi những thiết

bị phức tạp

Do những ưu việt kể trên, nên giá thành xây dựng khi dùng cọc cát đầm thường rẻ hơn so với một số phương án khác như cọc gỗ, cọc bêtông và bêtông cốt thép Sử dụng cọc cát đầm kinh phí giảm đi vào khoảng 40% so với dùng cọc bêtông và giảm hơn 20% so với dùng phương án đệm cát

Tuy nhiên kỹ thuật thi công cọc cát đầm khá phức tạp, đòi hỏi phải có thiết bị chuyên dụng và có thể gây ảnh hưởng xấu đến các công trình lân cận

Kinh nghiệm xây dựng cũng như những kết quả đã nghiên cứu cho thấy rằng:

xử lý nền đất yếu bằng cọc cát đầm có phạm vi áp dụng khá lớn, có thể áp dụng cho các loại đất yếu có chiều dày lớn như các loại đất cát nhỏ, cát bụi rời ở trạng thái bão hòa nước, các đất cát có xen kẽ những lớp bùn mỏng, các loại đất dính yếu (sét, sét pha cát và cát pha sét) cũng như các loại đất bùn và than bùn

1.3.3 Gia tải trước

Mục đích của giải pháp gia tải trước là làm tăng khả năng chịu tải, tăng tốc độ

cố kết của đất nền

Trong một số trường hợp phương pháp chất tải trước không dùng giếng thoát nước thẳng đứng chỉ thành công nếu điều kiện đất nền có tính thấm lớn như cát bụi, bùn cát pha, bùn sét pha Tải trọng gia tải trước có thể bằng hoặc lớn hơn tải trọng công trình dự kiến xây dựng Trong thời gian chất tải độ lún và áp lực nước lỗ rỗng được quan trắc Lớp đất đắp để gia tải được dỡ khi độ lún kết thúc hoặc đã cơ bản kết thúc

Giải pháp gia tải trước nhằm giảm chi phí nếu xử lí trên phạm vi rộng lớn Tuy nhiên, giải pháp này có nhược điểm là thời gian chờ cố kết của đất nền thường lâu

từ vài tháng cho đến vài năm

Phương pháp gia tải trước được dùng để xử lý Quốc lộ 1A đoạn Cà Mau – Năm Căn, Quốc lộ 5, Quốc lộ 18, Quốc lộ 10, dự án đường cao tốc Sài Gòn – Trung Lương…

1.3.5 Gia cường bằng vải địa kỹ thuật

Mục đích của giải pháp gia cường bằng vải địa kỹ thuật là tăng khả năng chống trượt của đất nền

Vải địa kĩ thuật là tấm vải có tính thấm, khi sử dụng lót trong đất nó có khả năng phân cách, lọc, bảo vệ, gia cường và thoát nước Loại vải này thường được sản xuất từ polypropylene hoặc polyester và được sử dụng nhiều trong các ngành kĩ thuật như thủy lợi, giao thông, môi trường.Vải địa kỹ thuật dùng để Gia cường, phân cách, bảo vệ, dùng để tiêu thoát nước và lọc ngược trong kết cấu kỹ thuật trên nền đất yếu

Vải địa kĩ thuật có tác dụng sau phân cách các loại vật liệu khác nhau; gia cố nền đất yếu do vải địa kĩ thuật có tính tăng cường lực chịu kéo và ứng suất cao nên ngăn chặn và triệt tiêu các sụt trượt tiềm năng của của phần đất cao, chống xói mòn- lọc và tiêu thoát nước, liên kết cọc trong trường hợp có đóng cọc gia cố ổn định nền đường đất yếu

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

Sau khi xử lý bằng cọc vôi nền đất được cải thiện đáng kể: độ ẩm của đất giảm 5-8%; lực dính tăng lên khoảng 1,5-3,0 lần Hiện nay có hai công nghệ thi công cọc đất xi măng là công nghệ phun khô và công nghệ phun ướt

Cọc đất vôi có khả năng xử lý sâu, lên đến 50m, thích hợp với nhiều loại đất yếu Thi công được trong nhiều điều kiện kể cả khi nền ngập nước hoặc mặt bằng thi công chật hẹp Cọc đất vôi thi công nhanh, kỹ thuật thi công không phức tạp Cọc đất vôi được áp dụng khi công trình đắp tải trọng lớn trên nền đất yếu, nền đất yếu có chiều dày khá lớn

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

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

Hình 1-1: Xử lý nền bằng cọc vôi, cọc xi măng

Ưu điểm của phương pháp cọc đất xi măng là tốc độ thi công cọc rất nhanh,

kỹ thuật thi công không phức tạp, tiết kiệm thời gian thi công đến hơn 50% do không phải chờ đúc cọc và đạt đủ cường độ, giá thành hạ hơn nhiều so với phương

án xử lý khác, thi công được trong điều kiện mặt bằng chật hẹp, mặt bằng ngập nước, khả năng xử lý sâu (có thể đến 50m), đất nền là cát pha rất phù hợp với công nghệ gia cố ximăng, độ tin cậy cao, hiệu qủa kinh tế cao

Cọc xi măng đất được áp dụng rộng rãi trong việc xử lý móng và nền đất yếu cho các công trình xây dựng giao thông, thuỷ lợi, sân bay, bến cảng…như: làm tường hào chống thấm cho đê đập, sửa chữa thấm mang cống và đáy cống, sử dụng tường chắn, gia cố đất xung quanh đường hầm, chống trượt đất cho mái dốc, gia cố nền đường, mố cầu dẫn…Rất thích hợp cho công tác xử lý nền, xử lý móng cho các công trình ở các khu vực đất yếu như: bãi bồi, ven sông, ven biển

1.3.8 Giếng cát

Biện pháp thoát nước thẳng đứng bằng giếng cát được áp dụng phổ biến để xử

lý đất yếu có bề dày lớn Giếng cát được dùng thường có đường kính từ 20 - 60cm, bằng cát hạt trung hoặc thô Áp dụng biện pháp xử lý bằng giếng cát đạt được hai mục đích sau:

· Tăng nhanh độ cố kết, làm cho nền đất có khả năng biến dạng đồng đều do

đó giảm được thời gian lưu tải;

· Tăng cường độ của đất nền, đảm bảo độ ổn định của nền đường đắp trên các đoạn đất yếu

Cần lưu ý rằng khi sử dụng giếng cát gia cố nền đất yếu cần đảm bảo đạt được

độ đồng đều của cát trong suốt chiều dài giếng cát, tránh hiện tượng đứt đầu giếng cát dưới tác dụng các loại tải trọng

GiÕng c¸t

§Êt yÕu q

TÇng kh«ng thÊm

GiÕng c¸t

GiÕng c¸t

Hình 1-2: Sơ đồ cấu tạo giếng cát

Xử lý nền đất yếu bằng giếng cát sẽ phát huy hiệu quả cao nếu đất yếu có hàm lượng hữu cơ không lớn (thường <10%) và tải trọng đắp lớn hơn áp lực tiền cố kết của đất yếu Khi ứng dụng giếng cát cũng cần chú ý rằng, nếu nền đất có trị số độ dốc thủy lực ban đầu và độ bền cấu trúc lớn thì hiệu quả giếng cát sẽ có phần bị hạn chế

Giếng cát đóng vai trò thoát nước là chính nên gia cố bằng giếng cát thường phải đi kèm với biện pháp gia tải trước để nước thoát ra nhanh hơn

Ưu điểm của giếng cát là giúp 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 giếng cát (bao gồm giếng cát và đất giữa các giếng) được tăng lên, thi công đơn giản bằng vật liệu rẻ tiền (cát thô,

sạn sỏi) nên chi phí thấp hơn loại móng cọc, giếng cát sử dụng thích hợp để xử lý nền đất yếu >3m, không nên dùng giếng cát trong trường hợp đất quá nhão (khi hệ

số rổng nén chặt ), giếng cát không thể lèn chặt đất được và khi lớp đất yếu có chiều dày mỏng < 2 nên dùng đệm cát thì tốt hơn

1.3.9 Bấc thấm

Mục đích của giải pháp bấc thấm nhằm tăng nhanh tốc độ cố kết của đất nền Bấc thấm là thiết bị tiêu nước thẳng đứng chế tạo sẵn Giải pháp xử lý đất yếu bằng bấc thấm chỉ phát huy hiệu quả cao ở những khu vực có bề dày không quá lớn (thường < 25m) Đối với giải pháp này, cần thiết phải có áp lực đủ lớn để nước trong đất yếu thoát ra ngoài, làm tăng tốc độ cố kết và cường độ đất nền

Giải pháp này có ưu điểm là không cần lượng cát lớn trong xử lý Nếu áp dụng giải pháp này cần có điều tra nghiên cứu chi tiết về đất yếu như hàm lượng hữu cơ, thành phần khoáng hóa của đất vì nếu như đất có chưa hàm lượng hữu cơ lớn thì khả năng thoát nước từ đất yếu của bấc thấm rất khó khăn và hiệu quả không cao Mặt khác, thoát nước thẳng đứng bằng bấc thấm cần có thời gian lưu tải tương đối dài để cố kết thấm cũng như phải khống chế tiến trình đắp

Hình 1-3: Hình ảnh hiện trường thi công bấc thấm Giải pháp bấc thấm thường kết hợp với gia tải trước hoặc hút chân không để tạo ra áp lực thấm thoát nước dưới đất và đẩy nhanh quá trình cố kết

Bản chất của giải pháp bấc thấm kết hợp với hút chân không là sử dụng áp lực chân không truyền vào trong đất thông qua một hệ thống tiêu thoát nước đứng (là bấc thấm) được bố trí trong nền đất, nhờ đó mà nước và khí ở các lỗ rỗng trong đất được bơm thoát ra khỏi nền, đẩy nhanh quá trình cố kết của nền đất Khi đất được cố kết thì các tính chất cơ lý của chúng được biến đổi theo chiều hướng có lợi: tính biến dạng giảm, tính thấm giảm, sức chịu tải và tính ổn định của đất tăng,

Các nguyên lý cơ bản của phương pháp hút chân không được Kjellman giới thiệu vào đầu những năm 1950 Từ năm 1952, Kjellman đã đề xuất ý tưởng dùng phương pháp hút chân không để xử lý nền đất yếu khi cho nền các công trình xây dựng Đã có một số tác giả công bố về phương pháp này như Holtz (1975); Chen và Bao (1983); Bergado và công sự (1998); Chu và cộng sự (2000); Indraratna và cộng

sự (2005) Bằng phương pháp kết hợp thiết bị mới với công nghệ mới, phương pháp này đã có những cải thiện rõ rệt Theo những nét chung thì sự thoát nước trong nền đất sử dụng bấc thấm đã phân bố áp lực chân không và làm thoát ra nước lỗ rỗng

Hình 1-4: Sơ đồ nguyên lý phương pháp cố kết hút chân không

Hiện nay, các công nghệ hút chân không, gồm:

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

Hình 1-5 : Sơ đồ công nghệ phương pháp MVC Theo công nghệ này, sau khi thi công cắm bấc thấm và rải lớp đệm cát phía trên sẽ lắp đặt các ống dẫn nước ngang vào hệ thống tiêu thoát nước thẳng đứng Sau đó, các ống dẫn nước ngang này nối với gờ của hào dung dịch bentonite ở biên khu vực xử lý Các hệ thống này được bao kín bằng màng kín khí (thường là màng địa kỹ thuật geo-membrane) trên toàn bộ khu vực thi công

- Công nghệ thi công không có màng kín khí (phương pháp Beaudrain) Đây là phương pháp do công ty xây dựng Cofra (Hà Lan) nghiên cứu và cải tiến từ năm 1997 đến năm 2004 Nguyên tắc của công nghệ thi công không có màng kín khí dựa trên việc đơn giản hóa phương pháp MVC bằng cách bỏ đi màng kín khí Thay vào đó, nhóm phương pháp này yêu cầu đắp lớp gia tải cao hơn để bù đắp

sự thiếu hụt về áp lực gia tải; bấc thấm được nối kín với hệ thống ống tập trung nước dưới mặt đất (phương pháp beaudrain) hoặc nối trên mặt đất sau đó đắp lớp gia tải phủ lên trên (phương pháp beaudrain -S) Sơ đồ công nghệ như hình 1-6

Hình 1-6 : Sơ đồ công nghệ phương pháp Beaudrain Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ cố kết hút chân không kết hợp với bấc thấm ở Việt Nam chủ yếu được áp dụng cho các công trình trọng điểm quốc gia, chưa phổ biến áp dụng rộng rãi cho các địa phương, rất ít công ty phát triển công nghệ này trong thi công

Những đặc điểm vượt trội của công nghệ hút chân không kết hợp với bấc thấm so với các phương pháp thông thường đó là: tốc độ nhanh, thời gian thi công ngắn; chi phí thi công chỉ bằng 30 - 50%; có thể kiểm soát được chất lượng căn cứ vào các điều kiện địa chất khác nhau để thiết kế nên các thông số thi công phù hợp; thi công đảm bảo vệ sinh môi trường Tại Trung Quốc, công trình sửa chữa, mở rộng đường băng số 2 Sân bay Quốc tế Phố Đông Thượng Hải Sau khi sử dụng công nghệ này không chỉ giải quyết được vấn đề lún sâu của nền đất trên bờ biển

mà còn tiết kiệm được cả tiền vốn đầu tư Hơn nữa chất lượng công trình được các chuyên gia đánh giá “tốt, vượt xa yêu cầu thiết kế”

Giải pháp cố kết hút chân không kết hợp với bấc thấm được ứng dụng tại nhiều nước trên thế giới như Nga, Đức, Canada, Pháp, Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc, Malaysia, Thái Lan,… Năm 2008 công nghệ này bắt đầu được ứng dụng trong xử lý nền đất yếu tại Việt Nam cho một số công trình Nhà máy khí điện đạm

Cà Mau, nhà máy DAP, nhà máy sợi Polyeste Đình Vũ, nhà máy điện chu trình hỗn hợp Nhơn Trạch II, cảng Đình Vũ Hải Phòng, dự án đường cao tốc Long Thành – Dầu Giây,… đã đạt hiệu quả cố kết trong thời gian ngắn, đảm bảo tốt các yêu cầu

kỹ thuật Sơ đồ công nghệ như hình 1-4

1.4 Thực trạng xây dựng đường giao thông ở Việt Nam và các giải pháp xử lý nền đường

Theo thống kê thì tính đến hết năm 2013, Việt Nam có hệ thống đường bộ gồm các quốc lộ, tỉnh lộ, huyện lộ…có tổng chiều dài khoảng 222.000 km, phần lớn các tuyến đường quốc lộ và tỉnh lộ đều được trải nhựa và bê tông hóa, chỉ có một số

ít các tuyến đường huyện lộ tại các tỉnh vùng sâu, vùng xa đang còn là các con đường đất Nhìn chung, sau khi đổi mới, ngành đường bộ Việt Nam cũng đã đạt được nhiều thành tựu lớn, góp phần quan trọng trong sự nghiệp phát triển kinh tế ngày càng lớn mạnh của nước nhà Một vài thành tựu rất đáng tự hào: hoàn thành

cơ bản việc nâng cấp toàn tuyến trục dọc “xương sống” của đất nước là Quốc lộ

1 từ Lạng Sơn đến Cần Thơ, trong đó nổi lên 02 công trình qui mô và hiện đại là Hầm đường bộ đèo Hải Vân và cầu Mỹ Thuận Cùng với trục dọc này, một trục dọc thứ hai cũng đã hình thành Đó là đường Hồ Chí Minh đã hoàn tất giai đoạn 1 (đoạn

từ Hoà Lạc đến Ngọc Hồi) Đường Hồ Chí Minh sẽ nối kết hơn 100 tuyến đường ngang trong đó có các trục hành lang Đông-Tây, nối liền với QL 1A ở phía Đông, gắn với hệ thống cảng biển nước sâu dọc bờ biển miền Trung, hệ thống các sân bay trên cao nguyên hình thành một mạng lưới giao thông hoàn chỉnh từ Bắc vào Nam

và liên thông với các nước láng giềng Ngoài 2 trục dọc trên, Ngành giao thông vận tải Đường bộ đã hoàn thành các tuyến quốc lộ chính yếu nối đến các cảng biển và cửa khẩu quốc tế như QL5, QL18, QL10, QL22, QL51, QL14B Đồng thời, đã và đang nâng cấp các tuyến quốc lộ hướng tâm và vành đai phía Bắc, phía Nam; các tuyến quốc lộ ở Đông Nam Bộ và Đồng bằng sông Cửu Long Trên các tuyến đường mới, hàng loạt các cầu đã được xây dựng như: cầu Kiền, cầu Tô Châu, Tạ Khoa, Bến Lức, cầu Tuần và tuyến tránh thành phố Huế, cầu Tân An và tuyến tránh Tân An, cầu Yên Lệnh nồi liền 2 tỉnh Hà Nam và Hưng Yên tạo tiền đề phát triển

kinh tế 2 bên bở sông Hồng phía nam khu vực đồng bằng sông Hồng; cầu Tuyên Nhơn (tuyến N2); các cầu thuộc dự án cầu QL1: Đà Rằng, Diêu Trì, Tam Giang; Sông Vệ, Câu Lâu, Trà Khúc, Cây Bứa, Bồng Sơn và Bàn Thạch; cầu Sông Rộ (dự

án Đường HCM về quê Bác); cầu Gò Chai (dự án Đường xuyên Á)cầu Hoà Mạc, cầu Kênh Tiêu, cầu Hà Nha, cầu Giát (QL38) Đặc biệt, dù gặp phải sự cố sập nhịp cầu dẫn trong quả trình xây dựng (26.9.2007), sau hơn 5 năm khởi công xây dựng và hoàn thiện, công trình cầu Cần Thơ đã chính thức khánh thành đi vào hoạt động vào ngày 24 tháng 4 năm 2010., đánh dấu sự hoàn tất các cầu trên Quốc lộ 1 - huyết mạch giao thông của đất nước

Với sự phát triển nhanh và đồng bộ các tuyến đường huyết mạch trong cả nước, công tác đảm bảo chất lượng công trình đường giao thông được đặt lên hàng đầu, trong đó giai đoạn xử lý nền đất yếu chiếm 1 phần hết sức quan trọng trong quá trình tăng độ cố kết của đất nền, tăng sức chịu tải giúp đất nền ổn định hơn Các tuyến đường thường trải dài qua nhiều khu vực có điều kiện địa chất khác nhau, ở Việt Nam, có những tuyến đường trải dài từ miền núi đến đồng bằng, điều kiện địa chất công trình thay đổi theo từng vùng, phạm vi xây dựng đường giao thông trên nền đất yếu thường chiếm tỷ lệ tương đối lớn, do đó xử lý nền đất yếu đảm bảo yêu cầu thiết kế, giá thành hợp lý hết sức quan trọng

Ở Việt Nam điều kiện địa chất công trình phức tạp, thay đổi theo từng vùng và phân chia cấu trúc nền phụ thuộc vào mối tương tác giữa công trình và nền đất đặt

ra nhiều giải pháp cho từng phạm vi đất yếu, để đảm bảo yêu cầu về kỹ thuật cũng như về điều kiện kinh tế chúng ta phải xem xét ưu nhược điểm của từng biện pháp

xử lý để đưa ra hướng giải quyết thích hợp Một số biện pháp xử lý nền đất yếu thường được xử dụng phổ biến như: Bấc thấm kết hợp gia tải trước, cọc cát, giếng cát…

Từ các khu vực châu thổ Bắc bộ, Thanh - Nghệ Tĩnh, ven biển Trung bộ, đến đồng bằng Nam Bộ đều có những vùng đất yếu nhưng chủ yếu tập trung ở hai vùng đồng bằng châu thổ lớn ở đồng bằng Bắc Bộ và đồng bằng Nam Bộ

Trong lĩnh vực nghiên cứu và xử lý nền đường đắp trên đất yếu trên các tuyến đường của Việt Nam đã ứng dụng nhiều công nghệ mới để xử lý hàng trăm ki lô mét đường bộ đắp trên đất yếu và đã thu được những kết quả đầy khích lệ

Khi xây dựng công trình đường bộ hoặc các công trình khác trên đất yếu mà thiếu các biện pháp xử lý thích đáng và hợp lý thì sẽ phát sinh biến dạng thậm chí gây hư hỏng công trình Nghiên cứu xử lý đất yếu có mục đích cuối cùng là làm tăng độ bền của đất, làm giảm tổng độ lún và độ lún lệch, rút ngắn thời gian thi công và giảm chi phí đầu tư xây dựng

Các phương pháp cổ điển dùng giếng cát thoát nước thẳng đứng và cọc cát làm chặt đất kết hợp với việc chất tải tạm thời là phương pháp đơn giản nhất nhưng vẫn đạt hiệu quả cao cả về kỹ thuật, thời gian và kinh tế Trong thực tế, phương pháp này đã được ngành giao thông vận tải áp dụng phổ biến từ năm 1990 để xử lý nền đất yếu Công trình có quy mô lớn đầu tiên áp dụng giếng cát để xử lý nền đất yếu được triển khai trên đường Thăng Long - Nội Bài (Hà Nội) và đoạn Km 93 QL5 (đoạn Cảng Chùa Vẽ, Hải Phòng), sau này được áp dụng đại trà trên nhiều tuyến QL khác nữa, trong đó có đường Láng - Hoà Lạc (Hà Nội), đường Pháp Vân - Cầu Giẽ

Từ những năm 1990 trở lại đây, Việt Nam đã áp dụng phổ biến vải địa kỹ thuật với 6 chức năng cơ bản là: ngăn cách, lọc nước, gia cường đất yếu để tăng khả năng chịu tải của đất nền, làm lớp bảo vệ và ngăn nước Phương pháp sử dụng vải địa kỹ thuật cũng đã được áp dụng lần đầu tiên tại Việt Nam từ cuối những năm 90 của thế kỷ 20 trên QL5, QL51, QL10 và đường Láng - Hoà Lạc (Hà Nội)

Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc đất - Vôi/ xi măng là một công nghệ mới được thế giới biết đến và áp dụng từ những năm 1970 nhưng đạt được công nghệ hoàn chỉnh và phát triển mạnh mẽ phải tính từ những năm 1990 trở lại đây Phương pháp cọc đất Vôi/ xi măng có thể được chia ra làm 2 loại : phương pháp trộn khô, phun khô và phương pháp trộn phun ướt - mà thực chất phương pháp này

là phun vữa Đối với Việt Nam, công nghệ cọc đất - Vôi/ xi măng lần đầu tiên được Thuỵ Điển chuyển giao công nghệ cho Bộ Xây dựng vào những năm 1992-1994, sử

dụng trong gia cường nền nhà và công trình xây dựng dân dụng Tại nhiều nước trên thế giới, việc sử dụng công nghệ cọc đất - Vôi / xi măng cho gia cố nền đất yếu trong các dự án đường bộ, đường sắt đã cho hiệu quả rất cao Do vậy, nếu nghiên cứu để áp dụng cho các dự án đường bộ đắp trên nền đất yếu khu vực đồng bằng sông Cửu Long thì rất có thể sẽ là một trong các phương pháp hiệu quả góp phần giải quyết tình trạng lún kéo dài và kém ổn định của nền đường tại khu vực này

Từ những năm 90 của thập kỷ trước, cạnh phương pháp cổ điển, lần đầu tiên công nghệ mới xử lý đất yếu bằng phương pháp bấc thấm thoát nước thẳng đứng (PVD) kết hợp gia tải trước đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trên thế giới Tại Việt Nam, công nghệ mới bấc thấm này đã được sử dụng trong xử lý nền đất yếu cho Dự

án nâng cấp QL5 trên đoạn Km 47 - Km 62 vào năm 1993, sau đó dùng cho QL51 (TP Hồ Chí Minh đi Vũng Tàu) và đường Láng - Hoà Lạc Từ 1999 - 2004, phương pháp này đã được sử dụng rộng rãi để xử lý đất yếu trong các dự án nâng cấp và cải tạo QL1A, QL18, QL60, QL80

Theo báo cáo về các sự cố công trình nền đường ôtô xây dựng trên vùng đất yếu trong những năm gần đây, các vấn đề mắc phải của nền đường đắp trên đất yếu trong thời gian qua ở Việt Nam chủ yếu dưới dạng nền đường bị lún sụt - trượt trồi

và ở dạng lún kéo dài ảnh hưởng lớn đến chất lượng khai thác đường Gần đây, nhiều đoạn nền đường đắp trên đất yếu tuyến Pháp Vân - Cầu Giẽ trên QL1A (đoạn cửa ngõ Hà Nội), mặc dù đã được xử lý và không xuất hiện các vết nứt nhưng biến dạng lún vẫn còn kéo dài Theo số liệu đo đạc quan trắc cho thấy, sau một năm đưa vào khai thác, nền vẫn lún thêm khoảng 40-60 cm, ảnh hưởng lớn đến khai thác

Về nguyên tắc, mỗi một phương pháp xử lý đất yếu đều có phạm vi áp dụng thích hợp; đều có những ưu điểm và nhược điểm nói riêng Do đó, căn cứ vào điều kiện cụ thể của nền đất yếu, địa hình, điều kiện địa chất, phương pháp thi công và kinh nghiệm của tư vấn thiết kế mà có thể lựa chọn ra phương pháp hợp lý nhất

CHƯƠNG 2: PHÂN CHIA CẤU TRÚC NỀN VÀ DỰ BÁO CÁC VẤN ĐỀ ĐỊA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH ĐOẠN TUYẾN

2.1 Điều kiện địa chất công trình đoạn tuyến 2.1.1 Địa hình, địa mạo

Địa hình đoạn tuyến thấp dần từ Tây sang Đông, chủ yếu là ruộng lúa nước bị chia cắt bởi một vài kênh rạch

Kết quả khảo sát, đo vẽ địa hình và công tác khoan thăm dò cho thấy, khu vực đoạn tuyến đi qua tương đối bằng phẳng, địa hình thay đổi không nhiều, cao độ thay đổi từ 0,51m (hố khoan Km1349+400) đến 4,17m (hố khoan Km1347+615).Với đặc điểm địa hình đi qua chủ yếu là ruộng do vậy chiều cao đắp nền trung bình là 4,5m

2.1.2 Địa tầng và tính chất cơ lý

Căn cứ vào kết quả công tác khảo sát gồm khoan, thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn, cắt cánh hiện trường và thí nghiệm trong phòng, địa tầng khu vực xây dựng được phân chia thành các lớp như sau:

Lớp 1: Đất đắp

Đất đắp đê, bờ đầm, bờ đê, thành phần chủ yếu là sét, sét chứa cát, trạng thái cứng vừa đến cứng Cao độ bề mặt lớp biến đổi từ +0.51m đến +4.17m Bề dày của lớp biến đổi từ 0.50m đến 1.60m, bề dày trung bình 1,1m

Lớp 2: Sét lẫn ít vỏ sò, xám xanh, xám ghi, trạng thái dẻo chảy

Lớp 2 phân bố chủ yếu từ Km1346+700 đến Km1349+048 và từ Km1351+411 đến cuối tuyến Cao độ mặt lớp biến đổi từ -0.99m đến 3.17m Ở đoạn từ Km1346+700 đến Km1349+048, bề dày trung bình của lớp là hơn 21,3m,

do các hố khoan ở đoạn này chưa khoan hết chiều sâu lớp, ở đoạn từ Km1351+411 đến cuối tuyến bề dày của lớp thay đổi từ 3,9m đến 7,2m, bề dày trung bình là 5,6m Thành phần của lớp là bùn sét lẫn ít vỏ sò, xám xanh, xám ghi, trạng thái dẻo chảy Kết quả thí nghiệm SPT cho giá trị N trung bình là 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 0,12 đến 0,25 kG/cm2;

· Sức kháng cắt không thoát nước của đất phá hủy biến đổi từ 0,06 đến 0,16 kG/cm2

Trong lớp đã lấy và thí nghiệm 32 mẫu, kết quả giá trị trung bình ở bảng 2.1

Bảng 2.1: Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp 2

STT Chỉ tiêu Kí hiệu Đơn vị Giá trị trung

bình

15

Thí nghiệm nén 3 trục (sơ đồ CU)

Lớp 3: Cát bụi, xám trắng, kết cấu rời

Lớp 3 phân bố ở giữa tuyến từ Km 1349+400 đến Km 1351+111 Cao độ mặt lớp biến đổi từ -0,99m đến 1,95m Bề dày của lớp biến đổi từ 1,9 m đến 3,1m, bề dày trung bình 2,6m Thành phần của lớp là cát bụi, xám trắng, kết cấu rời rạc Kết quả thí nghiệm SPT cho giá trị N trung bình là 5

Trong lớp đã lấy và thí nghiệm 8 mẫu, kết quả giá trị trung bình ở bảng 2.2

Lớp 4: Sét pha, xám xanh, trạng thái dẻo mềm

Lớp 4 phân bố từ Km 1349+400 đến cuối tuyến Cao độ mặt lớp biến đổi từ -5,46m đến -0.05m Bề dày lớp chưa xác định do chưa khoan hết chiều dày lớp Thành phần của lớp là sét pha, xám xanh, trạng thái dẻo mềm

Kết quả thí nghiệm SPT cho giá trị N trung bình là 4

Trong lớp đã lấy và thí nghiệm 14 mẫu, kết quả giá trị trung bình ở bảng 2.3

Theo tài liệu điều tra năm 2009 đã xảy ra trận lũ lịch sử, các vết lũ do người được điều tra cung cấp cho thấy đoạn này không bị ngập tràn đường QL.1; Ở trận lũ này không bị ngập tràn đường là do sau trận lũ năm 1993, đoạn tuyến được đắp cao,

bổ sung thêm cống, tăng khẩu độ, , nên không gây ngập đường Cao độ mực nước thượng lưu (bên phải tuyến theo hướng Hà Nội – Cần Thơ) thấp hơn mặt đường khoảng 20cm Riêng đoạn Km1347+00 đến K1347+350 mực nước bên phải tuyến cao hơn bên trái tuyến từ 0.7m đến 1m

Khu vực tuyến đi qua hầu như không xảy ra nhiều hiện tượng bão lũ, mực nước

lũ hàng năm tại các nhánh suối chủ yếu do ảnh hưởng của hiện tượng mưa bão dồn theo lưu vực chảy vào các khe suối Lượng mưa lớn nhất trong năm tập trung chủ yếu từ tháng IX đến tháng XII hàng năm Tại vị trí các suối mà tuyến đi qua mực nước xuống đến gần đáy về mùa khô

Theo tài liệu khoan khảo sát, tại các hố khoan của đoạn tuyến có thể thấy mực nước ngầm nằm khá nông, cao độ thay đổi từ -1,16m đến +3,27m, mức độ biến đổi nhỏ qua các đoạn tuyến có địa hình khác nhau Nước dưới đất tồn tại chủ yếu trong lớp đất lấp, nguồn cung cấp cho nước dưới đất ở đây là nước mặt do nước ở ao hồ, nước mưa ngấm xuống

Qua kết quả phân tích mẫu nước thực hiện tại vị trí các hố khoan trên đoạn tuyến cho thấy nước không thể ăn mòn axit nhưng có khả năng ăn mòn cacbonic, ăn mòn rửa lũa Cho nên trong quá trình thi công và thiết kế xử lý nền móng của công

trình xây dựng bằng vật liệu, bê tông cốt thép cần chú ý đến đặc tính ăn mòn của nước

2.2 Phân chia cấu trúc nền đoạn tuyến 2.2.1 Nguyên tắc phân chia cấu trúc nền

Các loại đất đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu cấu trúc nền Để nghiên cứu đất đá theo khu vực, điều quan trọng là phải hệ thống hóa và phân chia chúng thành các thể địa chất có đặc tính ĐCCT và khả năng xây dựng tương tự nhau Việc phân chia cấu trúc nền phải đảm bảo được các yêu cầu sau:

· Sự phân chia phải phản ánh được các quy luật chung của đất nền;

· Các đơn vị phân chia phải phù hợp với điều kiện tồn tại tự nhiên của đất nền khu vực;

· Kết quả phân chia phải đáp ứng được yêu cầu nghiên cứu là phục vụ cho thiết kế xử lý nền đường;

Như vậy, việc phân chia cấu trúc nền trong phạm vi nghiên cứu của đề tài cần phải dựa vào sự có mặt, phân bố trong không gian và quan hệ địa tầng của đất yếu Bởi chúng có vai trò quyết định ổn định nền và sử dụng cũng như lựa chọn giải pháp xử lý phù hợp

Theo kết quả khảo sát địa chất công trình đoạn tuyến từ Km1346+700 đến Km1353+300 đã phân chia đất nền thành 4 lớp theo thứ tự từ trên xuống dưới như

đã trình bày ở trên:

· Lớp 1: Đất lấp

· Lớp 2: Sét lẫn ít vỏ sò xám xanh, xám ghi, trạng thái dẻo chảy

· Lớp 3: Cát hạt mịn, xám trắng, kết cấu rời

· Lớp 4: Sét pha, xám xanh, trạng thái dẻo mềm

Trong số những lớp đất trên, lớp 2-sét lẫn ít vỏ sò xám xanh, xám ghi, trạng thái dẻo chảy là lớp đất yếu, đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc nền đoạn tuyến

từ Km1346+700 đến Km1353+164 Với đoạn tuyến nghiên cứu, nền đất yếu được phân chia dựa vào đặc điểm cấu trúc địa chất, tức là dựa vào sự có mặt, sự phân bố trong không gian và quan hệ địa tầng của lớp đất yếu-lớp 2 Tại đoạn từ Km1346+700 đến Km1349+048 lớp 2 nằm dưới lớp 1 cao độ mặt lớp biến đổi từ