Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc nền đất yếu tuyến đường trục thuộc dự án phát triển giao thông đô thị thành phố hải phòng và đề xuất giải pháp xử lý thích hợp

Vấn đề xây dựng nền đắp trên đất yếu là một đề tài được nhiều nước trên thế giới quan tâm và tiến hành nghiên cứu có hệ thống, bởi đây là một hiện tượng rất thường gặp trong quá trình xâ

Lê thị hồng lĩnh

Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc nền đất yếu tuyến đường trục thuộc dự án phát triển giao thông đô thị thành phố hảI phòng và đề xuất giảI pháp xử lý thích hợp

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hà nội - 2014

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học mỏ địa chất

Lê thị hồng lĩnh

Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc nền đất yếu tuyến đường trục thuộc dự án phát triển giao thông đô thị thành phố hảI phòng

Pgs.ts lê trọng thắng

Hà nội - 2014

chương 1 tổng quan các nghiên cứu về đất yếu, nền đất

yếu và các phương pháp xử lý nền đường đất yếu .4

2.1 Đặc điểm địa lý 13

2.1.1 Vị trí địa lý 13

2.1.2 Đặc điểm địa hình 13

2.1.3 Khí hậu 14

2.1.4 Sông ngòi, Hải văn 14

2.1.5 Dân cư, kinh tế 15

2.2 Đặc điểm địa chất khu vực 15

2.3 Đặc điểm địa chất thủy văn 18

2.3.1 Tầng chứa nước trầm tích phụ hệ tầng trên, hệ tầng Thái Bình (a 3 IV Q tb) 18 2.3.2 Tầng chứa nước trầm tích hệ tầng Lệ Chi (aQIlc) 19

Chương 3 Nghiên cứu đặc điểm cố kết và đánh giá khả năng biến dạng của đất yếu tuyến đường trục thuộc dự án phát triển giao thông đô thị thành phố hảI phòng 20

3.1 Nghiên cứu đặc điểm cố kết của đất loại sét 20

3.2 Dự báo độ lún của nền đất yếu khu vực tuyến đường 24

3.3 Đặc điểm cố kết của nền đất yếu tuyến đường dọc trục thuộc Dự án phát triển giao thông đô thị thành phố Hải Phòng 36

Chương 4 đặc điểm cấu trúc nền đất yếu tuyến đường trục thuộc dự án phát triển giao thông đô thị thành phố hảI phòng 38

4.1 Đặc điểm địa tầng và các đặc tính cơ lý của các lớp đất khu vực nghiên cứu 38

4.3 Đặc điểm Địa chất công trình của các loại cấu trúc nền đất yếu 49 Chương 5 đề xuất giảI pháp xử lý nền đất yếu thích hợp 52 5.1 Luận chứng giải pháp xử lý nền đất yếu 52 5.2 Tính toán thiết kế biện pháp xử lý nền đất yếu cho các kiểu cấu trúc nền 55 Kết luận 75 Tài liệu tham khảo 76 phụ lục 75

ĐCCT Địa chất công trình

CPTu Thí nghiệm xuyên đo áp lực nước lỗ rỗng

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

N30 Búa Sức kháng xuyên tiêu chuẩn

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

Bảng 3.1: Kết quả thí nghiệm nén cố kết .21

Bảng 3.2: Tính ứng suất dưới tim nền đường đắp tại mặt cắt hố khoan HP56 .32

Bảng 3.3: Tính độ lún cố kết dưới tim nền đường tại mặt cắt hố khoan HP56 .34

Bảng 4.1: Giá trị tiêu chuẩn các đặc trưng cơ lý của lớp 1 38

Bảng 4.2: Giá trị tiêu chuẩn các đặc trưng cơ lý của lớp 1b 39

Bảng 4.3: Giá trị tiêu chuẩn các đặc trưng cơ lý của lớp 2 40

Bảng 4.4: Giá trị tiêu chuẩn các đặc trưng cơ lý của lớp 3 42

Bảng 4.5: Giá trị tiêu chuẩn các đặc trưng cơ lý của lớp 4 43

Bảng 4.6: Giá trị tiêu chuẩn các đặc trưng cơ lý của lớp 5 .43

Bảng 5.1: Các chỉ tiêu tính toán bấc thấm cấu trúc nền đất yếu kiểu I 53

Bảng 5.2: Tính ứng suất dưới tim nền đường đắp tại mặt cắt hố khoan HP93 54

Bảng 5.3: Bảng các thông số kỹ thuật của loại bấc thấm Mebradrain 57

Bảng 5.4: Các tính chất cơ học của bấc thấm Mebradrain 57

Bảng 5.5: Độ cố kết đạt được tùy thuộc vào nhân tố Tv; Uv=f(T) 64

Bảng 5.6: Các thông số tính toán cọc cát cấu trúc nền đất yếu kiểu II 58

Hình 3.1: Biểu đồ xét sự biến đổi các thông số nén cố kết theo chiều sâu 23

hình 3.2: Sơ đồ xếp xe để xác định tải trọng xe cộ tác dụng trên đất yếu 25

Hình 3.3: Sơ đồ tính lún tại mặt cắt ĐCCT điển hình hố khoan HP33 .28

Hình 3.4: Biểu đồ phân bố ứng suất dưới tim nền đường đắp tại mặt cắt hố khoan HP33 33

Hình 4.1: Mặt cắt ĐCCT điển hình tại các đoạn tuyến 44

Hình 4.2: Mặt cắt ĐCCT điển hình tại các đoạn tuyến 45

Hình 4.3: Mặt cắt ĐCCT điển hình tại đoạn tuyến: Km 0+000 - Km 0+652 45

Hình 4.4: Mặt cắt ĐCCT điển hình tại các đọan tuyến 46

Hình 4.5: Mặt cắt ĐCCT điển hình cấu trúc nền đất yếu kiểu I 48

Hình 4.6: Mặt cắt ĐCCT điển hình cấu trúc nền đất yếu kiểu II 49

Hình 5.1: Sơ đồ tính toán bấc thấm cấu trúc nền đất yếu kiểu I 52

Hình 5.2: Biểu đồ phân bố ứng suất dưới tim nền đường đắp tại mặt cắt hố khoan HP93 55

Hình 5.3: Sơ đồ bố trí bấc thấm mạng hình vuông 56

Hình 5.4: Toán đồ J Mandel (TCXD 245-2000) 59

Hình 5.5: Biểu đồ phân kỳ thi công xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm 67

Hình 5.6: Sơ đồ tính toán cọc cát cấu trúc nền đất yếu kiểu II 67

mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nền móng của các công trình xây dựng như nhà ở, đường xá, đê điều, đập chắn nước và một số công trình khác trên nền đất yếu thường đặt ra một loạt các vấn

đề giải quyết như sức chịu tải của nền thấp, độ lún lớn Việt Nam được biết đến là nơi có nền đất yếu phân bố phức tạp, đặc biệt ở lưu vực sông Hồng và sông Mê Kông Nhiều thành phố và đô thị quan trọng được hình thành và phát triển trên khu vực có nền đất yếu gây nhiều khó khăn, phức tạp cho công tác xây dựng Các thành phố như Hà Nội, Hải Phòng, thành phố Hồ Chí Minh đều nằm trên lưu vực sông Hồng và sông Mê Kông, là khu vực có tầng đất phù sa khá dày và tập trung đất sét yếu, nên đặc điểm cố kết của đất nền công trình diễn biến khá phức tạp Với mục tiêu phát triển công tác xây dựng, quy hoạch các đô thị, rất cần phải đưa ra các giải pháp và công nghệ thúc đẩy quá trình cố kết của nền đất thích hợp cho điều kiện của Việt Nam Do vậy, đề tài “ Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc nền đất yếu tuyến đường trục thuộc Dự án phát triển giao thông đô thị thành phố Hải Phòng và đề xuất giải pháp xử lý thích hợp” mang tính cấp thiết, có ý nghĩa không chỉ về kỹ thuật mà còn

về kinh tế

2 Mục đích của đề tài

Làm rõ đặc điểm cấu trúc nền đất yếu, lựa chọn và đưa ra giải pháp xử lý nền

đất yếu tại tuyến đường trục thuộc Dự án phát triển giao thông đô thị thành phố Hải Phòng phù hợp, hiệu quả, phục vụ cho công tác xây dựng công trình

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là cấu trúc nền đất yếu

Phạm vi nghiên cứu là Tuyến đường dọc trục thuộc Dự án phát triển giao thông đô thị thành phố Hải Phòng

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Để thực hiện được các mục đích trên, đề tài phải giải quyết các nhiệm vụ sau: Làm sáng tỏ đặc điểm cấu trúc nền đất yếu tuyến đường trục thuộc Dự án phát triển giao thông đô thị Thành phố Hải Phòng

Đề xuất giải pháp xử lý thích hợp cho từng loại cấu trúc nền đất yếu

5 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu phân loại cấu trúc nền đất yếu tuyến đường trục thuộc Dự án phát triển giao thông đô thị thành phố Hải Phòng

- Đánh giá đặc điểm ĐCCT và khả năng xây dựng của các đơn vị cấu trúc nền phân chia

- Đánh giá khả năng áp dụng các giải pháp xử lý nền đất yếu cho các kiểu cấu trúc nền

- Đề xuất giải pháp xử lý thích hợp

- Tính toán thiết kế giải pháp xử lý để minh hoạ

6 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong luận văn bao gồm:

Phương pháp phân tích hệ thống: Hệ thống hóa các tài liệu thu thập được và xác định các nguyên tắc chung tiến hành nghiên cứu đề tài

Phương pháp thực nghiệm: Khảo sát, lấy mẫu và phân tích các mẫu đất trong phòng thí nghiệm và tiến hành thí nghiệm hiện trường xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất nền

Phương pháp toán học thống kê: Chỉnh lý các kết quả thí nghiệm

Phương pháp phân tích tính toán lý thuyết: Sử dụng phương pháp mô hình toán – công nghệ thông tin đánh giá ổn định về cường độ và biến dạng của nền đất

đắp trong phạm vi nghiên cứu

7 ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Kết quả nghiên cứu sẽ bổ sung thêm vào phương pháp luận nghiên cứu đặc

điểm cấu trúc nền đất yếu khu vực Hải phòng

Từ kết quả nghiên cứu, đề xuất được giải pháp xử lý nền đất yếu thích hợp và góp phần đem lại hiệu quả tối ưu cả về kinh tế và kỹ thuật cho Dự án

8 Cơ sở tài liệu của luận văn

Luận văn được thực hiện dựa trên các tài liệu sau:

Tài liệu khảo sát ĐCCT ( Địa chất công trình) tuyến đường trục thuộc Dự án phát triển giao thông đô thị thành phố Hải Phòng do đội khảo sát thuộc Công ty cổ phần tư vấn đầu tư và xây dựng Hải Phòng (TCIC) thực hiện

Tài liệu thiết kế kỹ thuật tuyến đường trục thuộc Dự án phát triển giao thông

đô thị thành phố Hải Phòng do Công ty SMEC Hải Phòng thực hiện

9 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm phần: Mở đầu, 5 chương, phần kết luận được trình bày trong

75 trang với 15 bảng và 16 hình vẽ

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu về đất yếu, nền đất yếu và các phương pháp xử lý nền đường đất yếu

Chương2: Đặc điểm tự nhiên khu vực Hải Phòng

Chương3: Nghiên cứu đặc điểm cố kết của đất yếu tuyến đường trục thuộc

Dự án phát triển giao thông đô thị thành phố Hải Phòng

Chương4: Đặc điểm cấu trúc nền đất yếu tuyến đường trục thuộc Dự án phát triển giao thông đô thị thành phố Hải Phòng

Chương5: Đề xuất giải pháp xử lý nền đất yếu thích hợp

Kết luận

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

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

Mỏ - Địa Chất Hà Nội, dưới dự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Lê Trọng Thắng

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Lê Trọng Thắng, người thầy tận tâm hướng 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 bạn đồng nghiệp đ€ giúp đỡ, cung cấp tài liệu cần thiết để hoàn thành bản luận văn này

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 Hà Nội đ€ giúp đỡ và tạo

điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành bản luận văn này

chương 1 tổng quan các nghiên cứu về đất yếu, nền đất yếu và các

phương pháp xử lý nền đường đất yếu

Luận văn đề cập đến đặc điểm cấu trúc nền trúc nền đất yếu, đồng thời luận chứng giải pháp xử lý nền đất yếu thích hợp phục vụ cho công tác thi công, sử dụng công trình trên nền đất yếu được thuận lợi, an toàn, đảm bảo tính tối ưu về kinh tế và

kỹ thuật

Vấn đề xây dựng nền đắp trên đất yếu là một đề tài được nhiều nước trên thế giới quan tâm và tiến hành nghiên cứu có hệ thống, bởi đây là một hiện tượng rất thường gặp trong quá trình xây dựng, nếu không có biện pháp xử lý thích hợp thường dễ bị mất ổn định toàn khối dẫn đến lún sụt, sụp đổ công trình

ở nước ta, vấn đề nghiên cứu xử lý đất yếu dưới nền đắp cũng đ€ và đang

được rất nhiều nhà Địa chất công trình quan tâm thông qua các đề tài luận văn Thạc

Sỹ, luận án tiến sỹ Hàng loạt các công trình nghiên cứu Địa chất công trình khu vực

đồng bằng Bắc Bộ, trong đó có khu vực Hải Phòng đ€ đề cập tương đối chi tiết đến các tính chất đặc trưng của đất yếu và nền đất yếu

Vấn đề nghiên cứu chủ yếu đối với đất yếu là nghiên cứu quá trình cố kết diễn ra trong đất Dưới tác dụng của tải trọng nén, đất bị biến dạng thể tích Trong

đất b€o hòa nước, lỗ rỗng được lấp đầy nước không bị nén ép, tải trọng ngoài tác dụng vào đất, truyền lên nước lỗ rỗng và cốt đất Biến dạng chỉ xảy ra khi nước thoát khỏi lỗ rỗng và khi đó có sự sắp xếp lại các hạt đất Quá trình biến dạng của đất b€o hòa nước dưới tác dụng của tải trọng không đổi gọi là quá trình cố kết Quá trình cố kết được quy ước chia thành hai giai đoạn: giai đoạn 1 - cố kết thấm (quá trình ép nước tự do ra khỏi lỗ rỗng của đất) và giai đoạn 2 - cố kết từ biến (quá trình sắp xếp lại các hạt đất dưới tác dụng của ứng suất hữu hiệu không đổi) ở đất loại sét, nhất

là đất yếu b€o hòa nước, quá trình cố kết thường diễn ra trong một thời gian dài Quá trình cố kết có thể xảy ra dưới tác dụng của áp lực địa tầng hay của tải trọng công trình và còn phụ thuộc và nhiều yếu tố khác của môi trường xung quanh Từ trước đến nay, đ€ có nhiều công trình nghiên cứu về cố kết và giải các bài toán liên quan đến lún do cố kết của đất

K.Terzaghi là người đầu tiên nghiên cứu về hiện tượng cố kết của đất và là người khởi thảo ra lý thuyết cố kết thấm (cố kết sơ cấp) (1925) Ông đ€ đưa ra mô hình cố kết thấm và dựa trên mô hình đó thiết lập phương trình vi phân cố kết thấm một chiều trong điều kiện không nở hông của lớp đất sét b€o hòa nước dưới tác dụng của tải trọng, là quá trình thoát nước tự do khỏi lỗ rỗng của đất Như vậy, đất sét

được xem như một hệ hai pha, gồm các hạt rắn của đất và nước chứa đầy trong lỗ rỗng, khi đó áp lực truyền vào đất được phân ra làm hai phần: áp lực tác dụng lên hạt đất (áp lực hay ứng suất hữu hiệu) và áp lực tác dụng lên nước lỗ rỗng (áp lực nước lỗ rỗng hay áp lực trung tính)

Trong cuốn “Lý thuyết cố kết, lưu biến và ổn định – Bài giảng cao học ngành

Địa chất công trình” của nhóm tác giả PGS.TS Nguyễn Huy Phương, PGS.TS Tạ

Đức Thịnh, GS.TS Phan Trường Phiệt [5] đ€ tổng kết: Hiện tượng cố kết tiếp tục

được nghiên cứu và lý thuyết cố kết ngày càng được hoàn chỉnh và đề cập tới nhiều vấn đề thực tế hơn như trong các công trình nghiên cứu của N.M.Gerxevanov (1937), D.E.Polsin (1948), V.A.Florin (1948-1951), N.A.X-tovich (1934), N.M.Verigin & L.Rendulic (1935-1937), N.J.Carrilo(1942), R.A.Barron (1947), R.E.Gibson, D.Taylor

Các công trình đó đ€ đề cập tới nhiều vấn đề của lý thuyết cố kết như:

- Giải bài toán cố kết thấm trong trường hợp cố kết hai chiều, cố kết ba chiều,

cố kết đẳng hướng;

- Giải bài toán cố kết thấm có xét đến biến dạng của cốt liệu đất và của nước;

- Phát triển lý thuyết cố kết thấm khi hệ số thấm kt, hệ số nén lún a thay đổi trong quá trình cố kết theo thời gian

N.M.Gerxevanov (1937) và D.E.Polsin đ€ phát triển thêm lý thuyết cố kết để nâng cao độ chính xác khi tính lún theo thời gian cho một số trường hợp cụ thể

V A.Florin (1961) đ€ nghiên cứu và cho lời giải đầy đủ các bài toán nén chặt

đất hai chiều và ba chiều dưới tác dụng của tải trọng bản thân, tải trọng ngoài và của dòng thấm Ông còn giải bài toán có kể đến độ bền liên kết kiến trúc, građient ban

đầu, sự thay đổi hệ số thấm, từ biến của cốt đất, tính nén ép của nước lỗ rỗng, hàm lượng khí trong đất và sự thay đổi áp lực pháp theo thời gian

N.N.Verigin cho rằng ở ngay thời điểm ban đầu khi mới đặt tải, nước lỗ rỗng

và hạt đất đều đồng thời chịu tác dụng của tải trọng ngoài, khác với lý thuyết cố kết thấm của K.Terzaghi

Tuy nhiên, theo ý kiến của N.A.X-tôvich cũng như nhiều tác giả khác, đối với các đất loại sét yếu, b€o hoà nước, chưa được nén chặt hoặc với các loại đất không có liên kết ximăng, để tính lún theo thời gian có thể áp dụng lý thuyết cố kết thấm của Terzaghi

ở Việt Nam, đ€ có các công trình nghiên cứu về cố kết của đất Nguyễn Công Mẫn đ€ xác định được các trị số áp lực nước lỗ rỗng và độ cố kết theo thời gian trong trường hợp bài toán cố kết thấm ba chiều[1] Ngoài ra còn có một số tác giả khác đ€ giải bài toán cố kết thấm ba chiều trong trường hợp tải trọng thay đổi theo thời gian, tính thấm của đất và tải trọng thay đổi đều trong quá trình nén chặt,

có xét đến ảnh hưởng của từ biến đối với nền đất dùng giếng cát

T.S Nguyễn Viết Tình (2001) trong luận án tiến sĩ “ Đặc tính địa chất công trình các thành tạo trầm tích Holoxen dưới – giữa nguồn gốc hồ - đầm lầy phụ hệ tầng Hải Hưng dưới, đánh giá khả năng sử dụng và dự báo biến đổi của chúng dưới tác dụng của các hoạt động công trình và phát triển đô thị, lấy ví dụ cho khu vực Hà Nội”[10] đ€ tiến hành nghiên cứu xác định độ bền liên kết kiến trúc, áp lực tiền cố kết, gradient ban đầu và các thông số đặc trưng trong quá trình cố kết thấm của trầm tích phụ hệ tầng Hải Hưng dưới Tác giả nghiên cứu đặc tính biến dạng- cố kết bằng thiết bị nén cố kết một trục không nở hông (phương pháp cố kết tiêu chuẩn) và cố kết đẳng hướng trên máy nén ba trục với các sơ đồ khác nhau cho đất bùn sét hữu cơ, bùn sét pha hữu cơ và đất than bùn hoá

T.S Bùi Đức Hải (2003) trong luận án tiến sĩ “ Đặc điểm từ biến của đất yếu phụ hệ tầng Hải Hưng dưới ở Hà Nội, ứng dụng kết quả nghiên cứu trong bài toán

dự báo lún” [2]đ€ tiến hành nghiên cứu đặc điểm cố kết từ biến của trầm tích phụ hệ tầng Hải Hưng dưới trên thiết bị nén một trục có đo áp lực nước lỗ rỗng mà tác giả

tự chế tạo và ứng dụng các kết quả nghiên cứu để dự báo lún cho công trình Tác giả

đưa ra kết luận, trong đó nêu rõ cố kết từ biến đóng vai trò quan trọng trong việc gây biến dạng lún cho công trình, đặc biệt là đối với đất bùn chứa hữu cơ

Th.S Nguyễn Thị Nụ (2003) trong công trình “Nghiên cứu đặc điểm cố kết của đất sét pha trạng thái dẻo mềm, dẻo chảy thuộc phụ hệ tầng Thái Bình dưới phân

bố ở khu vực nội thành Hà Nội và kiến nghị ứng dụng kết quả nghiên cứu để dự báo lún cho công trình” [4] đ€ tiến hành nghiên cứu đặc điểm cố kết của đất sét pha trạng thái dẻo mềm, dẻo chảy thuộc phụ hệ tầng Thái Bình dưới (aQ23tb1) phân bố ở khu vực nội thành Hà Nội và kiến nghị ứng dụng kết quả nghiên cứu để dự báo lún cho công trình

Năm 2005, tác giả Phạm Thị Hải Yến dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Tạ Đức Thịnh đ€ hoàn thành luận văn thạc sỹ với nội dung đề tài: “ Nghiên cứu đặc điểm cố kết nền đất yếu bến Container Chùa Vẽ – Dự án nâng cấp cảng Hải Phòng giai đoạn II và đề xuất giải pháp tăng nhanh quá trình cố kết”[13] Thông qua luận văn cho thấy tác giả đ€ dựa trên các kết quả thí nghiệm nén cố kết và thí nghiệm xuyên CPTu để kết luận các đặc trưng cố kết đất nền khu vực bến Container Chùa Vẽ của thành phố Hải Phòng biến đổi có quy luật theo chiều sâu Cụ thể tác giả đ€ đưa ra kết luận: Càng xuống sâu hệ số cố kết Cv và hệ số thấm K càng tăng;

hệ số nén lún a, chỉ số nén Cc càng giảm; tốc độ cố kết của nền đất diễn ra rất chậm

do các lớp sét phân bố trong khu vực có chiều dày lớn, hầu hết chỉ có một hướng thoát nước

Các nghiên cứu về cấu trúc nền công trình cũng được đề cập trong nhiều công trình nghiên cứu trong nước và nước ngoài Năm 1995, tác giả Lê Trọng Thắng trong luận án Phó tiến sĩ khoa học Địa lý - Địa chất “Nghiên cứu các kiểu cấu trúc nền đất yếu khu vực Hà Nội và đánh giá khả năng sử dụng chúng” đ€ tiến hành nghiên cứu các kiểu cấu trúc nền đất yếu khu vực Hà Nội và đánh giá khả năng sử dụng chúng trong xây dựng[9] Từ các kết quả nghiên cứu, tác giả Lê Trọng Thắng

đưa ra kết luận: Nghiên cứu cấu trúc nền đất yếu cho phép đánh giá đầy đủ khả năng xây dựng của nền đất yếu trong điều kiện tự nhiên Cấu trúc nền đất yếu vừa chịu tác

động trực tiếp của tải trọng công trình, vừa rất nhạy với tác động biến đổi môi trường địa chất Ngoài ra, một số tác giả khác cũng đề cập đến cấu trúc nền đất yếu trong công trình nghiên cứu của mình Chẳng hạn, công trình nghiên cứu “Phân tích lựa chọn giải pháp xử lý nền cho một số kiểu cấu trúc nền đất yếu trên tuyến quốc lộ

10 và 18 đánh giá hiệu quả về mặt kỹ thuật của việc lựa chọn bằng ví dụ cụ thể” của tác giả Nguyễn Song Thanh[7]; công trình “Phân tích, đánh giá sức chịu tải của cọc

bê tông cốt thép, thi công ép tĩnh bằng các phương pháp khác nhau, trên một số cấu trúc nền ở Hà Nội của tác giả Ths Trần Ngọc Sang[6]; công trình “Nghiên cứu đặc tính Địa chất công trình của đất sét yếu khu vực cảng Thị Vải – Cái Mép, Bà Rịa – Vũng Tàu, luận chứng giải pháp xử lý nền thích hợp cho khu xây dựng các hạng mục đường nội bộ, b€i Container và kho cảng” của Ths.Nguyễn Thu Huyền[3]

Từ những sự cố đáng tiếc xảy ra khi xây dựng công trình trên nền đất yếu đ€

đặt ra nhiều thách thức rất lớn cho việc nghiên cứu nhằm tìm ra giải pháp xử lý nền

đất yếu tối ưu trước khi thi công công trình và đưa công trình vào làm việc Dưới đây

là một số nhóm các phương pháp xử lý nền đất yếu thường được sử dụng trong xử lý nền đất yếu

* Nhóm các phương pháp thi công, thay đổi ứng suất dưới nền đường đắp + Đắp đường theo giai đoạn:

Khi cường độ nền đất yếu không đảm bảo cho việc đắp một lần, cần áp dụng biện pháp làm tăng dần cường độ của nó bằng cách chia việc đắp nền đường thành nhiều giai đoạn Lợi dụng khối lượng đắp của giai đoạn trước làm tải trọng lèn ép làm cho nước thoát đi, làm tăng C, ϕ đủ điều kiện đắp giai đoạn tiếp theo Quá trình

đắp theo giai đoạn cho đến khi đất đắp đạt được cao độ thiết kế Tuy nhiên, biện pháp này cần có thời gian chờ đợi giữa hai giai đoạn, nên nếu nền đất có thời gian cố kết lâu sẽ ảnh hưởng đến thời gian thi công Vì vậy, thường áp dụng kết hợp với một

số biện pháp thoát nước làm tăng nhanh quá trình cố kết của nền đất (giếng cát, bấc thấm…)

+ Đắp bệ phản áp:

Khi cường độ chống cắt của nền đường đất yếu thấp, hoặc thời gian cố kết quá dài so với thời hạn thi công dự kiến, thì có thể áp dụng biện pháp này để tăng độ

ổn định, giảm khả năng trồi đất ra hai bên

Bệ phản áp có vai trò là đối trọng, tăng độ ổn định và cho phép đắp nền

đường mới có chiều cao lớn hơn Do đó đạt được độ lún cuối cùng trong thời gian

ngắn nhất Tuy nhiên, muốn cho bệ phản áp phát huy được hiệu quả để có thể xây dựng được nền đắp một giai đoạn thì diện tích của bệ phản áp phải rất lớn Vì vậy, phương pháp này chỉ thích hợp với vật liệu đắp rẻ tiền và phạm vi đất đắp không bị hạn chế

+ Làm đệm cát:

Lớp đệm cát dùng có hiệu quả nhất khi lớp đất yếu ở trạng thái b€o hoà nước

và chiều dày nhỏ hơn 3m Đất yếu được đào bỏ một phần hay toàn bộ, sau đó dùng cát thay thế vào Sau khi thay thế lớp đất yếu nằm ngay dưới công trình, lớp đệm cát

có vai trò là lớp chịu lực, có khả năng tiếp thu tải trọng của công trình và truyền tải trọng đó xuống nền Khi dùng đệm cát, làm giảm độ lún và độ lún không đồng đều của công trình đồng thời tăng sự ổn định của công trình có tải trọng ngang

Biện pháp thi công đệm cát đơn giản, không đòi hỏi thiết bị phức tạp Nhưng khi lớp đất yếu dày hơn 3m và có tầng nước ngầm có áp trong phạm vi đệm cát, thì phương pháp này có hiệu quả nhỏ, cần được kết hợp với các phương pháp khác

* Nhóm các phương pháp thi công làm tăng độ chặt của đất yếu

+ Cọc cát:

Cải tạo đất bằng cọc cát là phương pháp có hiệu quả khi xây dựng các công trình chịu tải trọng lớn trên nền đất yếu Cọc cát có tác dụng làm cho lỗ rỗng, độ ẩm của đất nền giảm đi, trọng lượng, thể tích, mô đun biến dạng, lực dính và góc ma sát trong tăng lên, làm cho nền đất bị nén chặt lại, do đó sức chịu tải của đất tăng lên,

độ lún và độ biến dạng không đồng đều của đất dưới nền móng công trình giảm đi Ngoài ra, thành phần của cọc cát là vật liệu rời nên có tính thấm cao, cọc còn làm tăng nhanh độ lún cố kết và làm giảm trị số độ lún của công trình sau khi xây dựng Cọc cát sử dụng hiệu quả trong cấu trúc nền đất yếu có các loại đất cát hạt nhỏ, cát bụi rời rạc, b€o hoà nước, các lớp đất loại cát có xen kẹp các lớp bùn mỏng, các loại

đất dính yếu(sét pha, cát pha) cũng như các loại đất bùn, than bùn

Dưới tác dụng của tải trọng, cọc cát và vùng đất được nén chặt xung quanh cọc cát cùng làm việc đồng thời, giảm độ chênh lệch giữa trị số modul biến dạng ở trong cọc cát và vùng đất được nén chặt xung quanh cọc, đất trong khoảng cách giữa các cọc cát cũng được nén chặt Vì vậy, phân bố ứng suất trong nền đất được nén

chặt bằng cọc cát có thể xem như là nền tương đương, với các đặc trưng chung về chỉ tiêu cơ lý do cọc cát và đất nền sau gia cố quyết định Tính chất này không thể

có được ở cọc cứng, vì modul biến dạng của đất xung quanh cọc nhỏ hơn nhiều so với thân cọc nên toàn bộ tải trọng của công trình do móng tiếp thu sẽ truyền lên cọc, lên các lớp đất ở mũi cọc và xung quanh các cọc Do đó các các lớp đất giữa các cọc hầu như không tham gia chịu lực

Tính ưu việt của cọc cát, cả về mặt kinh tế do cát là vật liệu rẻ tiền, biện pháp thi công đơn giản, nên giá thành xây dựng thường rẻ hơn các phương pháp cọc cứng

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

+ Cọc vôi:

Cọc vôi thường được dùng để nén chặt đất yếu b€o hòa nước và đất than bùn Khi vôi sống được đưa vào trong nền đất, nó có tác dụng hút nước làm giảm độ ẩm của đất và toả nhiệt thúc đẩy các phản ứng hoá lý, đồng thời nở ra có tác dụng làm chặt đất Cọc vôi được sử dụng trong xây dựng dân dụng và công nghiệp

Phương pháp thi công cọc vôi đơn giản, giá thành rẻ đem lại hiệu quả kinh tế cao Nhưng chất lượng cọc vôi phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng, thành phần hoá học của vôi, thành phần hỗn hợp của đất, môi trường nước lỗ rỗng

* Nhóm các phương pháp xử lý đất yếu bằng chất kết dính

Khi đưa vào đất các chất kết dính như vôi, xi măng, bitum…sẽ xẩy ra những tương tác phức tạp về mặt hóa lý và hóa học giữa đất với chất kết dính Kết quả là làm thay đổi về bản chất và tính chất cơ lý của đất

Do các quá trình hóa học, hóa lý xẩy ra trong đất mà các mối liên kết kiến trúc mới được hình thành, nhưng khá bền vững và đồng thời mật độ của đất cũng tăng lên

Tác dụng của phương pháp này là:

- Tăng độ bền và độ ổn định của đất

- Giảm khả năng thấm nước

- Chống được sự trương nở, co ngót và tan r€ của đất sau cải tạo

+ Phương pháp trộn vôi xi măng

Khi trộn vôi vào đất có hai tác dụng chính:

- Hút ẩm đối với đất phân tán nhỏ có độ ẩm cao, làm giảm độ ẩm của đất

- Vôi đóng vai trò là chất kết dính làm tăng cường độ của đất nền Sau khi dùng cọc vôi tính nén lún của đất nền giảm đi đáng kể (môđun tổng biến dạng tăng nhiều) và lực dính tăng đáng kể

Hiệu quả của phương pháp này còn phụ thuộc vào hàm lượng vôi và hàm lượng nhóm hạt sét, thành phần khoáng vật của nó Khi hàm lượng nhóm hạt sét và khoáng vật của chúng có tính chứa nước cao thì liều lượng vôi trộn vào trong đất phải tăng lên, nhưng nếu lượng vôi quá cao thì độ bền cũng giảm

+ Phương pháp phụt dung dịch

Phụt dung dịch (dung dịch xi măng, dung dịch silicat, dung dịch bitum) là một trong những phương pháp hiệu quả để gia cường nền đất Khi áp dụng phương pháp này có thể làm tăng khả năng chịu tải của đất nền, đảm bảo ổn định về mặt cường độ khi thi công công trình chịu tải trọng ngang lớn Tạo màng chống thấm dưới nền các công trình thủy công, làm giảm tính thấm và áp lực đẩy nổi của nước ngầm tác dụng vào móng công trình, gia cường mặt tiếp giáp giữa nền và móng để chống thấm và chống trượt

* Nhóm các phương pháp xử lý đất yếu bằng thiết bị tiêu nước thẳng đứng + Bấc thấm:

Bấc thấm là tên chung của các băng chất dẻo được cắm vào trong đất bằng các thiết bị chuyên dụng, nhằm mục đích tăng nhanh quá trình cố kết của đất yếu và

độ bền nhanh đạt được yêu cầu nhằm nâng cao sự ổn định của công trình trên nền

đất yếu Khi bấc thấm được cắm vào đất, nước lỗ rỗng thoát ra trong quá trình cố kết của đất, do tải trọng nén trước gây ra gradien thuỷ lực vượt quá độ bền liên kết kiến trúc của đất Nước thoát ra, chảy ra theo phương ngang về phía thiết bị tiêu nước, rồi sau đó theo phương thẳng đứng dọc các bấc thấm về phía các lớp đất dễ thoát nước Như vậy, bấc thấm có tác dụng như một tầng lọc ngược làm giảm chiều dài đường thấm và dẫn đến giảm thời gian hoàn thành quá trình cố kết

Bấc thấm được sử dụng trong công trình giao thông với chiều dày tầng đất yếu lớn, có thể lên đến 40m Bấc thấm được thi công với thiết bị chuyên dụng, tốc

độ thi công nhanh, bảo đảm kỹ thuật, khả năng thoát nước nhanh và dễ kiểm tra chất lượng nên giá thành rẻ

+ Giếng cát:

Đất yếu như bùn, than bùn và các loại đất dính trạng thái b€o hoà nước, có biến dạng lớn, kéo dài thời gian và sức chịu tải thấp Khi xây dựng các công trình trên nền đất này đòi hỏi rút ngắn giai đoạn lún để sau khi hoàn thành xong công việc xây dựng và đưa công trình vào sử dụng, thì độ lún gây ra tiếp đó không vượt quá giới hạn cho phép trong quy phạm thiết kế Giếng cát là một trong những phương pháp tốt, rẻ tiền đáp ứng được yêu cầu và tăng cường độ của đất nền Giếng cát có tác dụng tăng tốc độ cố kết của đất nền, làm cho công trình nhanh ổn định về độ lún,

đồng thời làm cho nền có khả năng biến dạng đồng đều, làm tăng độ chặt của đất và

do đó sức chịu tải của đất tăng một cách đáng kể

Tóm lại nghiên cứu về đất yếu và nền đất yếu ở Việt Nam và trên thế giới rất

được quan tâm Mỗi kiểu cấu trúc nền đất yếu được đặc trưng bởi các lớp đất có thành phần và tính chất khác nhau, có khả năng xây dựng khác nhau và các mối quan hệ địa tầng nhất định Bởi vậy, việc lựa chọn giải pháp xử lý nền đường đất yếu trên cơ sở phân tích đặc điểm cấu trúc nền đất yếu là có tính khoa học

b Địa hình đồi núi thấp:

Phân bố ở phía bắc huyện Thủy Nguyên, chiếm diện tích khoảng 80km2 Các dải đồi núi thấp chạy dài theo hướng Đông – Tây, cao độ thay đổi từ 10m-110m,

được cấu thành bởi các đá trầm tích lục nguyên xen lẫn đá sét vôi, vôi silic Đá bị phong hóa mạnh, nhiều r€nh, mương xói mới đang phát triển, mức độ lộ đá kém

Trong các địa hình trên có nhiều đồi núi đứng riêng lẻ là kiểu địa hình đồi núi sót Kiểu địa hình đồi núi thấp nằm rải rác ở huyện Kiến An, Thủy Nguyên, có cao độ tuyệt đối từ 15-140m Các d€y núi được cấu thành bởi các trầm tích lục nguyên, đá vôi bị phong hóa và nứt nẻ mạnh, chạy dài theo hướng Đông – Tây,

Đông Bắc – Tây Nam Thảm thực vật kém phát triển, mức độ lộ đá tốt

c Địa hình Karst:

Kiểu địa hình này phân bố ở Bắc huyện Thủy Nguyên và trên phần lớn diện tích huyện đảo Cát Bà, chiếm khoảng 220km2 Cấu tạo nên địa hình này là núi đá vôi, có độ cao tuyệt đối từ 10 - 322m, có thảm thực vật tương đối dày nhưng không

đều, mức độ lộ đá tốt Địa hình Karst hiểm trở, nhiều vách đá dựng đứng lại nằm trên biển nên gặp nhiều khó khăn trong nghiên cứu

2.1.3 Khí hậu

Theo phân vùng khí hậu miền Bắc Việt Nam của Tổng cục khí tượng thủy văn, khí hậu vùng Hải Phòng đặc trưng cho khí hậu vùng nhiệt đới gió mùa, có hai mùa rõ rệt Mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 10, mùa khô từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau

Về mùa mưa nhiệt độ trung bình khoảng 260C, tối đa lên tới 300C Mùa khô nhiệt độ trung bình khoảng 200C, thấp nhất xuống tới 90C Chênh lệch nhiệt độ giữa ngày và đêm khoảng 60C

Lượng mưa trung bình năm khoảng 1600mm, nhưng phân bố không đều vào các tháng trong năm, thường mùa mưa lượng mưa chiếm khoảng 80-85% lượng mưa cả năm

Lượng bốc hơi trung bình năm khoảng 780mm, có năm từ tháng 10 đến tháng

2 lượng bốc hơi cao hơn lượng mưa

Hải Phòng chịu ảnh hưởng của chế độ gió mùa, mùa hạ hướng gió là Đông Nam, mùa đông hướng gió là Đông Bắc Tốc độ gió trung bình các tháng trong năm khoảng 3,6m/s Hải Phòng nằm ven biển nên thường xuyên chịu ảnh hưởng của các cơn b€o với sức gió cấp 9-10

2.1.4 Sông ngòi, Hải văn

+ Sông ngòi:

Hải Phòng có mạng lưới sông ngòi khá dày đặc, tổng chiều dài sông ngòi chảy qua thành phố khoảng 280km Các con sông lớn thường bắt nguồn từ hướng Tây- Tây Bắc chảy theo hướng đông nam ra biển Phía đông và đông nam có sông Văn úc, sông Luộc, sông Thái Bình Đây là hệ thống sông lớn ở miền Bắc nước ta với lưu lượng trung bình 3000m3/s Phía bắc thành phố Hải Phòng có các sông Kinh Thầy, sông Tam Bạc, sông Bạch Đằng, phía Đông có sông Cấm Do gần biển nên

các sông chảy qua thành phố Hải Phòng có độ dốc nhỏ, dòng chảy quanh co, uốn khúc, mực nước sông chịu ảnh hưởng của thủy chiều

+ Hải văn:

Trong phạm vi khu vực Hải Phòng, đường bờ biển có chiều dài 132km Bờ biển đang có xu thế bào mòn ở cửa Nam Triệu, cửa sông Thái Bình và đang bồi tụ ở cửa sông Cấm, cửa sông Văn úc Thủy triều vùng biển ở đây theo chế độ bán nhật triều, mỗi tháng hai lần nước cường và hai lần nước kém Nước lên xuống mạnh và

có thể đạt tới 0,5m/h, độ chênh lệch thủy triều từ 3,0- 3,9m Chế độ nhiệt và độ mặn của nước thay đổi theo mùa, nhiệt độ nước mặt và không khí chênh nhau 10-20C

2.1.5 Dân cư, kinh tế

Hải Phòng là thành phố cảng lớn có vai trò, vị trí quan trọng trong nền kinh

tế nước ta Dân cư chủ yếu là người kinh, tập trung đông đúc ở thành phố Hải Phòng

và ven các đường quốc lộ Theo tài liệu mới nhất, hiện nay Hải Phòng có dân số là 1.692.589 người, mật độ dân số 1124 người/km2

Cảng Hải Phòng có công suất bốc dỡ hiện nay là 4-5 triệu tấn hàng/năm Hiện nay cảng đang được nâng cấp và mở rộng để tàu có trọng tải 10.000DWT cập cảng an toàn và thuận tiện

Không những phát triển mạnh về ngành vận tải thủy, thành phố Hải Phòng

đang rất phát triển với các ngành công nghiệp cơ khí, đóng tàu, khu công nghiệp ( Khu công nghiệp Nomura, khu kinh tế Đình Vũ, nhà máy xi măng ChinFon) tạo

điều kiện thuận lợi phát triển kinh tế của thành phố Ngoài ra Hải Phòng còn có nghề đánh bắt và nuôi trồng hải sản ở các huyện ngoại thành

Hải Phòng có hệ thống giáo dục khá phát triển và đa dạng với đầy đủ các cấp học Cơ sở hạ tầng (điện, đường, trường, trạm) phục vụ đời sống của nhân dân đang

được đầu tư xây dựng, bên cạnh đó Hải Phòng còn đầu tư phát triển khu nghỉ mát, nhà văn hóa, khu vui chơi giải trí phục vụ khách du lịch trong nước và nước ngoài

2.2 Đặc điểm địa chất khu vực

Tham khảo tại tờ bản đồ địa chất Hải Phòng – tỷ lệ 1/200.000 (F-48-XXIX) của Đoàn địa chất Hà Nội do Ngô Quang Toàn làm chủ biên, đặc điểm địa chất Đệ

tứ khu vực Thành phố Hải Phòng đi qua từ dưới lên trên như sau:

Thống Pleitoxen dưới, hệ tầng Lệ Chi (amQIlc)

Hệ tầng Lệ Chi do Ngô Quang Toàn xác lập năm 1987 khi nghiên cứu trầm tích Đệ tứ thành phố Hà Nội Trầm tích của hệ tầng Lệ Chi không lộ ra trên mặt, chỉ phân bố trong những hố sụt kiến tạo ở vùng Vĩnh Bảo, Tiên L€ng, dọc sông Thái Bình, sông Văn úc Thành phần thạch học bao gồm: Cát hạt trung đến thô, lẫn sạn sỏi, cuội màu xanh, xám xi măng, thuộc tướng lòng sông Kích thước cuội 1-2.5cm, chúng xen kẹp các lớp đất mỏng bột sét cát hạt mịn màu xám Thành phần khoáng vật là thạch anh, fenspat, mica, gowtit Bề dày trầm tích hệ tầng Lệ Chi thay đổi từ 13-17m, theo hướng tây bắc - đông nam bề dày tăng dần Hệ tầng Lệ Chi có nguồn gốc hỗn hợp sông biển, tướng lòng sông ngắn, dốc, gần biển ở phần dưới và tướng

đồng bằng châu thổ ở phần trên

Thống Pleitoxen giữa - trên, hệ tầng Hà Nội (aQII-IIIhn)

Hệ tầng Hà Nội do Hoàng Ngọc Kỷ xác lập năm 1973 và được chia thành 2 phụ hệ tầng:

- Phụ hệ tầng dưới (aQ1IIưIII hn2): Trầm tích nguồn gốc sông, phân bố ở độ sâu 40-70m không lộ trên mặt Thành phần thạch học gồm: Cuội, sạn sỏi nhỏ lẫn cát hạt thô đến hạt trung, màu xám vàng

- Phụ hệ tầng trên (amQ1IIưIII hn2): Trầm tích hỗn hợp sông biển, thành phần thạch học gồm: Bột sét, cát hạt mịn màu xám, xám xanh, xám sẫm có chứa hóa đá Foraminifera Độ sâu phân bố ở trung tâm đến 50m ở vùng đồng bằng, trầm tích có chứa trữ lượng nước lớn, nhiều vùng ven biển nước bị nhiễm mặn

Thống Pleistocene trên, Hệ tầng Vĩnh Phúc (QIII vp)

Trong diện tích toàn vùng Hải Phòng, hệ tầng Vĩnh Phúc không chỉ gặp trong các hố khoan sâu mà còn lộ trên mặt của bắc Thủy Nguyên, thung lũng Trung Trang Đặc điểm hệ tầng này có bề mặt Laterit hóa yếu, màu loang lổ và có sự chuyển đổi ngang về thành phần thạch học Hệ tầng này do Hoàng Ngọc Kỷ và Nguyễn Đức Tâm xác lập năm 1973, được chia thành các phụ hệ tầng sau:

-Phụ hệ tầng dưới (a 1

2

vp

Q IIưIII ): Thành phần thạch học là cát hạt trung đến thô lẫn ít sạn sỏi, bột sét lẫn ít tàn tích thực vật màu xám, xám vàng Thành phần khoáng vật chủ yếu gồm thạch anh, fenspat, chiều sâu phân bố từ 35-40m

-Phụ hệ tầng dưới (mb 1

2 1

hh

Q IVư ) có thành phần là cát hạt nhỏ, cát mịn lẫn vảy mica Bề dày trầm tích khoảng 8m

-Phụ hệ tầng trên (m 1 2 2

hh

Q IVư ) : Thành phần thạch học gồm sét bột, bột sét lẫn tàn tích thực vật màu xám, xám vàng bị phong hóa nhẹ, lộ ra trên diện tích rộng vùng An Hải, Bắc Thủy Nguyên Bề dày trầm tích khoảng 6m

Thống Holocene, bậc trên, hệ tầng Thái Bình (QIV3

tb):

Đây được coi là các thành tạo trẻ nhất được xác định tuổi Holoxen muộn, có mặt chủ yếu ở khu vực tuyến đường dọc trục đô thị thành phố Hải Phòng đi qua Hệ tầng TháI Bình hiện nay gồm nhiều nguồn gốc thành tạo, phân bố trên diện tích rộng ven biển và nằm dọc theo các con sông lớn Bề dày trầm tích 0-17m

Trầm tích nguồn gốc sông biển (amQIV3

tb) Phân bố ở khu vực Hải Phòng và đông nam Hải Dương, có bề mặt cao hơn

địa hình xung quanh 0,5-1m, gồm 3 tập:

- Tập 1 (17-7m): Sét bột lẫn ít cát mịn, dày 10m

- Tập 2 (7-2m): Bột sét lẫn cát màu xám, ít vảy nhỏ muscovit và tàn tích thực vật, dày 5m

- Tập 3 (2-0m): Bột sét lẫn ít cát hạt mịn màu xám vàng nâu, lẫn vảy muscovit và tàn tích thực vật, dày 2m

2.3 Đặc điểm địa chất thủy văn

Với mục đích nghiên cứu phục vụ cho việc đánh giá điều kiện địa chất công trình, trong phần này chỉ đề cập đến phức hệ chứa nước trong trầm tích Đệ Tứ Dựa vào thành phần thạch học, đặc điểm thủy lực, mức độ chứa nước, có thể chia phức

hệ này làm hai tầng chứa nước:

2.3.1 Tầng chứa nước trầm tích phụ hệ tầng trên, hệ tầng Thái Bình (a 3

IV

Q tb) Trầm tích tầng này phân bố trên các b€i bồi ven sông Thành phần là cát hạt nhỏ đến trung, bề dày trung bình từ 1 đến 10m Đây là tầng chứa nước không áp,

động thái phụ thuộc vào điều kiện địa chất thủy văn toàn vùng, lưu lượng nước không lớn Nguồn cung cấp chủ yếu là nước mưa và nước mặt

Kết quả phân tích các mẫu nước trong tầng chứa nước này được biểu diễn theo công thức Cuoclop như sau:

2 , 7 48 48 13 3 87 2

004 , 0 4 ,

Mg Ca

Cl HCO CO

2.3.2 Tầng chứa nước trầm tích hệ tầng Lệ Chi (aQIlc)

Trầm tích hệ tầng Lệ Chi phân bố hầu hết trong vùng, thành phần là cát hạt thô lẫn mica và tàn tích thực vật, dưới cát là lớp cuội sỏi chứa nước, đây là tầng chứa nước tương đối phong phú Nước tầng này có chất lượng khá tốt, lưu lượng lớn, có quan hệ thủy lực trực tiếp với sông Hiện nay, thành phố Hải Phòng đang tiến hành khai thác nước ở tầng này phục vụ cho sinh hoạt và công nghiệp Việc khai thác nước ngầm quá nhiều gây hạ thấp mực nước có thể sẽ ảnh hưởng xấu đến sự ổn định của công trình

Kết quả phân tích các mẫu nước trong tầng chứa nước này được biểu diễn theo công thức Cuoclop như sau:

2 , 7 25 35 25

31 4 34 3 35 2

20

Na Mg Ca

Cl SO HCO CO

Chương 3 Nghiên cứu đặc điểm cố kết và đánh giá khả năng biến dạng của đất yếu tuyến đường trục thuộc dự án phát triển

giao thông đô thị thành phố hảI phòng

Do cấu trúc nền đất khu vực tuyến đường dọc trục thuộc Dự án phát triển giao thông đô thị thành phố Hải Phòng tồn tại lớp đất sét, sét pha trạng thái mềm yếu, bề dày biến đổi mạnh, chỗ lớn nhất dày đến hơn 20m, phân bố ngay gần bề mặt, nên với tải trọng theo thiết kế thì nền đất phải được xử lý mới có khả năng đảm bảo ổn định cho công trình

Việc nghiên cứu đặc tính cố kết của nền đất yếu khu vực tuyến đường dọc trục thuộc Dự án phát triển giao thông đô thị thành phố Hải Phòng chủ yếu dựa vào kết quả thí nghiệm nén cố kết trong phòng được thực hiện của Dự án

3.1 Nghiên cứu đặc điểm cố kết của đất loại sét

Kết quả của rất nhiều thí nghiệm cho thấy, đối với đất bùn và đất loại sét b€o hòa nước nén ép yếu có trạng thái chảy và dẻo chảy, toàn bộ tải trọng ngoài tác dụng hay là phần lớn tải trọng ngoài tác dụng được truyền lên nước chứa trong lỗ rỗng và gây nén ép thoát nước ra khỏi lỗ rỗng của đất Khi đó, quan sát được giá trị áp lực nước lỗ rỗng cực đại ở gần ngay sát thời điểm tác dụng tải trọng Đối với đất có trạng thái dẻo mềm, thể hiện rõ liên kết kiến trúc, tải trọng nén được nước lỗ rỗng và cốt đất tiếp nhận, áp lực nước lỗ rỗng phát triển một cách từ từ, lúc đầu tăng lên đến giá trị cực đại nào đó, sau đó giảm xuống về không hoặc đến một giá trị dư nào đó Sau khi áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán hết, đất vẫn tiếp tục biến dạng do kết quả của từ biến cốt đất

Quá trình biến dạng thể tích của đất b€o hòa dưới tác dụng của tải trọng có thể phân biệt thành hai dạng: quá trình biến dạng do giảm thể tích lỗ rỗng của đất khi nước trong các lỗ rỗng bị ép thoát ra ngoài (quá trình cố kết thấm) và quá trình biến dạng của đất dưới tác dụng của ứng suất hữu hiệu không đổi (quá trình cố kết

từ biến)

Khi lớp đất chịu tác dụng của tải trọng thẳng đứng phân bố đều trên một diện tích rộng thì có thể xem là quá trình nén lún một chiều Trong phòng thí nghiệm đất

được nén lún một chiều trong thiết bị đặc biệt gọi là thiết bị nén không nở hông hoặc thiết bị nén cố kết

Thí nghiệm nén cố kết nhằm mục đích nghiên cứu quá trình cố kết theo lý thuyết K.Terzaghi Thí nghiệm xác định độ lún do quá trình thoát nước lỗ rỗng trong một mẫu đất dưới tải trọng đứng

Mẫu đất được lấy vào trong một dao vòng bằng thép không gỉ, cứng, có đường kính 70mm, cao 20mm, được đưa vào hộp nén với hai tấm đá xốp trên và dưới, cả hộp

được để chìm trong nước Hộp nén được đặt trong hệ khung đặc biệt, có thể gia tải qua cánh tay đòn, trên đó treo các quả cân có các trọng lượng khác nhau tùy theo cấp tải trọng Đo chuyển vị thẳng đứng bằng đồng hồ đo gắn liền với khung Khi hộp mẫu

đ€ lắp đặt vào vị trí, tiến hành gia tải theo từng cấp, cấp sau gấp đôi cấp trước, thời gian quan trắc từ 24-48 giờ theo đúng qui trình nén cố kết tiêu chuẩn

Đất yếu khu vực tuyến đường dọc trục thuộc Dự án phát triển giao thông đô thị thành phố Hải Phòng phân bố chủ yếu gần bề mặt, chúng được xếp vào lớp 1 và lớp 3 đều có thành phần là bụi, bụi dẻo, sét béo, sét gầy trạng thái mềm yếu Các đặc trưng nén lún của nền đất yếu thu được qua kết quả thí nghiệm nén cố kết một trục tại một số hố khoan điển hình và được trình bày chi tiết trong phụ lục bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý và được tóm tắt ở bảng sau:

Hệ số nén lún av (10-1 cm2/kG)

Chỉ số nén Cc

Hệ số cố kết

Cv(10-3cm2/s)

Hệ số thấm K (10-7cm/s)

Từ kết quả thí nghiệm, lập các biểu đồ biến đổi của các đại l−ợng nghiên cứu theo chiều sâu, hình 3.1

Hình 3.1: Biểu đồ xét sự biến đổi các thông số nén cố kết của đất nền theo độ sâu

Nhìn vào bảng kết quả thí nghiệm nén cố kết (bảng 3.1) và biểu đồ xét sự biến đổi các thông số nén cố kết theo độ sâu (Hình 3.1) của một số hố khoan điển hình trên tuyến đường dọc trục thuộc Dự án phát triển giao thông đô thị thành phố Hải Phòng cho thấy:

- Hệ số nén lún (av) của nền đất khu vực nghiên cứu thay đổi từ 0,27 ữ2,73.10-1cm2/kG và có quy luật giảm dần theo chiều sâu

- Chỉ số nén Cc của khu vực nghiên cứu thay đổi từ 0,12 đến 0,88 và có quy luật giảm dần theo chiều sâu

- Hệ số cố kết (Cv) của nền đất khu vực nghiên cứu biến đổi từ 0,26 đến 1,62.10-3cm2/s và có quy luật tăng dần theo chiều sâu

- Hệ số thấm (K) của nền đất khu vực nghiên cứu thay đổi từ 0,15 đến 0,72.10-7cm/s và có quy luật tăng dần theo chiều sâu

Nhìn chung, các đặc trưng cố kết của nền đất khu vực tuyến đường dọc trục thuộc Dự án phát triển giao thông đô thị thành phố Hải Phòng đi qua có sự biến đổi

rõ rệt theo chiều sâu và có quy luật rõ nét Càng xuống sâu hệ số cố kết Cv và hệ số thấm K càng tăng; hệ số nén lún av và chỉ số nén Cc càng giảm

3.2 Dự báo độ lún của nền đất yếu khu vực tuyến đường

Nhằm làm rõ phương pháp tính toán ổn định lún của nền đất tuyến đường dọc trục thuộc Dự án phát triển giao thông đô thị thành phố Hải Phòng, chọn đoạn tuyến

từ Km 4 + 300 – Km 9+155 ( Gói thầu CW1A – LOT 2) Theo nhiệm vụ khảo sát địa chất của dự án (TOR), đ€ được PMURTW phê duyệt: Tại CW1A – LOT 2 khoan 27

hố tại tim, 35 vị trí xuyên CPT và CPTu (trong đó cứ 1 km có 1 vị trí CPTu) được bố trí tại các trắc ngang và 15 vị trí cắt cánh trong lỗ khoan

Bụi, bụi dẻo, sét béo, sét gầy, trạng thái rất mềm yếu (MH, CH, CL)

Sét béo, sét gầy trạng thái mềm yếu(CH, CL)

Sét gầy, sét béo, trạng thái nửa cứng (CL, CH)

Hình 3.2: Sơ đồ tính toán tại mặt cắt ĐCCT điển hình hố khoan HP33 Dựa vào mặt cắt dọc địa chất, địa tầng đất yếu gồm các lớp đất loại sét gầy, sét béo, trạng thái mềm yếu đến rất mềm yếu với bề dày từ 20 – 25m Trong tầng đất yếu

có xen kẹp lớp đất 1b có thành phần là cát sét, cát bụi, trạng thái rời rạc, b€o hòa nước Các lớp đất yếu có ảnh hưởng đến lún và ổn định nền đường là các lớp đất 1 và lớp đất 3 Các lớp đất phía dưới đó là sét gầy, sét béo, trạng thái cứng vừa (lớp 4) hoặc cát sét, cát bụi, kết cấu chặt vừa đến chặt (lớp 5) Cụ thể để tính toán, chọn mặt cắt

điển hình tại Km 4+300 (Hố khoan HP33), chiều dày đất yếu khoan qua lên tới 22m; chiều cao đắp là 4,6m Khối lượng thể tích tự nhiên của đất đắp γđ = 1,85(T/m3); lực dính C = 0 KG/cm2; góc ma sát trong ϕ=300 Địa tầng các lớp đất được thể hiện chi tiết tại hình 3.2 Đây là đoạn điển hình do có chiều dày lớp đất yếu tương đối dày, chiều cao đắp lớn Do vậy, việc tính toán thiết kế và thi công cần đảm bảo độ chính xác và độ ổn định cao, tránh trường hợp nền bị lún nhiều khi đưa vào sử dụng

Quá trình cố kết của đất yếu thường diễn ra trong thời gian dài và phần lớn độ lún của đất yếu b€o hòa nước là do quá trình này gây ra Việc nghiên cứu quá trình

cố kết trong đất yếu là hết sức quan trọng, nó giúp ta có biện pháp thi công hợp lý, tránh được những sự cố cho công trình xây dựng

Biến dạng đàn hồi là quá trình diễn ra trong đất một cách tức thời khi có tải trọng tác dụng, trong đất chưa diễn ra quá trình thoát nước ra ngoài Tương tự như biến dạng đàn hồi của các vật rắn, sau khi biến dạng đàn hồi xảy ra, nếu dỡ tải thì

đất có xu hướng trở lại trạng thái ban đầu Trong đất yếu b€o hòa nước, biến dạng

đàn hồi thường nhỏ và xảy ra thường ngay sau khi có tải trọng tác dụng Độ lún gây

ra bởi quá trình biến dạng đàn hồi được gọi là độ lún tức thời

Theo khái niệm ở phần trên, có thể thấy quá trình cố kết là quá trình phát triển rõ rệt trong những tầng đất yếu khi tải trọng ngoài thay đổi, có thể mất nhiều năm quá trình cố kết mới kết thúc và nền đất đạt độ lún cuối cùng Khi quá trình cố kết kết thúc, đất có thể tích là một hằng số và ứng suất không đổi, ta gọi là đất hoàn toàn cố kết Trường hợp đất hiện nay ở trạng thái ứng với áp lực cố kết cuối cùng

được gọi là đất cố kết thông thường Trường hợp khi áp lực phủ hiện nay nhỏ hơn áp lực cố kết dưới lớp phủ mà hiện nay không còn lớp phủ đó hoặc ở nơi mà một phần phủ nguyên thủy đ€ bị rửa trôi do xói mòn

Đất nhạy cảm nhất với quá trình cố kết là đất bùn, đất sét cố kết bình thường

và một số loại đất đắp b€o hòa nước Than bùn và đất than bùn hóa có tính nén lún khá cao, khi có áp lực vừa phải tác dụng, bề dày của lớp giảm xuống nhiều, có thể tới 20%

Khi có tác dụng của tải trọng ngoài, trong tầng đất yếu xảy ra quá trình cố kết, nước trong đất thoát ra ngoài, đồng thời xảy ra quá trình nén chặt Độ lún đất (S) khi chịu tải gồm 3 thành phần:

S= Si+Sc+Ss (3.1) Trong đó: Si- Độ lún tức thời

Sc- Độ lún cố kết ( Phụ thuộc thời gian)

Ss- Độ lún do từ biến ( Cũng phụ thuộc vào thời gian)

- Độ lún tức thời được xác định theo lý thuyết đàn hồi

- Độ lún cố kết là kết quả của quá trình cố kết xảy ra trong đất dính b€o hòa

có hệ số thấm thấp và phụ thuộc vào thời gian Tốc độ lún phụ thuộc vào tốc độ thoát nước lỗ rỗng

- Độ lún thứ cấp cũng phụ thuộc vào thời gian, sinh ra khi ứng suất có hiệu không đổi và áp lực nước lỗ rỗng sau đó cũng không đổi

Quá trình nén lún của nền đất diễn ra là do sự nén chặt đất kết hợp với quá trình nước, không khí thoát khỏi lỗ rỗng Khi nước và không khí bị ép ra khỏi lỗ rỗng dưới tác dụng của tải trọng ngoài, các hạt đất được sắp xếp lại đến vị trí ổn

định hơn và kết quả là hệ số rỗng của đất giảm, nền đất bị lún Quá trình này diễn ra nhanh hay chậm phụ thuộc vào độ thấm của đất Sự sắp xếp của các hạt đất và sự nén lún phụ thuộc vào độ cứng cũng như kết cấu cốt đất

Khi đất sét chịu tải, do độ thấm tương đối thấp nên độ nén lún của nó được kiểm tra bằng tốc độ nước thoát ra khỏi lỗ rỗng Quá trình này chính là sự cố kết của nền đất, là một quá trình liên quan đến ứng suất – biến dạng – thời gian Biến dạng

có thể kéo dài hàng tháng, hàng năm hoặc vài thập kỷ

Tuyến được thiết kế theo tiêu chuẩn đường cao tốc (TCVN 5729 - 1997)và một số chỉ tiêu kỹ thuật như sau:

- Quy mô mặt cắt ngang đoạn tuyến Km 4+300- Km 9+155 thuộc gói thầu CW1A – LOT 2 được thiết kế như sau:

đất yếu là:

Hệ số mái dốc 1: 2

Tổng tải trọng tác dụng tại tim đường:

Ptt = Pd + P ht ; (T/m2) (3.2) Trong đó:

Pd – Tải trọng đất đắp, Pd = H.γđ;

Pht – Tải trọng do phương tiện giao thông gây ra

Tải trọng xe cộ được xem là tải trọng của số xe nặng tối đa cùng một lúc có thể đổ kín khắp bề rộng nền đường phân bố đều trên 1 m chiều dài đường

Theo tiêu chuẩn khảo sát, thiết kế đường ô tô trên đất yếu 22TCN262 – 2000, tải trọng này được xác định theo công thức sau:

a Mặt cắt ngang tuyến đường;

Chọn tải trọng xe tối đa G = 30 (tấn) → l = 6,6 (m);

n = 19 (xe);

→B = 19.1,8 + (19 - 1).1,3 + 2.0,5 = 58,6 (m);

B < 60 (m) nên giá trị n được chọn thoả yêu cầu;

) / ( 474 , 1 6 , 6 6 , 58

30

m T Bl

474,1

m P

Độ lún của nền đắp trên đất yếu là độ lún của toàn bộ nền đắp sau khi kết thúc lún dưới tác dụng của tải trọng, gồm độ lún của bản thân nền đất đắp và độ lún của nền đất yếu dưới nền đường ở đây không xét tới độ lún của bản thân nền đắp, xem như đất đắp đ€ được đầm chặt tốt, vì vậy việc tính lún quy về tính độ lún tổng cộng của nền đất yếu dưới nền đắp

Khi thiết kế nền đắp trên đất yếu cần phải biết được độ lún tổng cộng để tính chính xác khối lượng và kích thước nền đắp ( trong đó có chiều cao phòng lún),

đồng thời cần phải biết được tốc độ lún để khống chế thời gian lún cho nó kết thúc trước khi xây dựng tuyến đường

• Độ lún tức thời được xác định theo tiêu chuẩn 22TCN262 – 2000:

Si = ( m – 1)ScTrong đó: m – Hệ số dự đoán theo kinh nghiệm, m = 1,1 – 1,4

• Độ lún cố kết của nền đất được tính theo phương pháp cộng lún từng lớp

- Trong đó, độ lún của phần đất yếu, tính theo chỉ số nén lún, tuỳ từng trường hợp mà tính theo các công thức sau:

+ Nếu σbt > σc đất cố kết bình thường và chưa cố kết:

i i C e

H

σ

σ σ lg

1 (3.5)

+ Nếu σbt < σc đất quá cố kết có hai trường hợp xảy ra:

(3.6) Tổng σbt + σz > σc thì:

c

i z i bt i c n

i

i i

C C

e

H

σ

σ σ

σ σ

lg lg

- a0i: Hệ số nén lún rút đổi của lớp phân tố thứ i;

Hệ số nén lún rút đổi được xác định;

i

i i

e

a a

0

2 1 0

1 +

- ai

1-2: Hệ số nén lún của lớp đất thứ i;

hi – Chiều dày lớp phân tố thứ i;

σi – ứng suất phụ thêm ở giữa lớp thứ i, tính bằng trung bình cộng giữa ứng suất phụ thêm ở đỉnh và ở đáy lớp phân tố thứ i;

βi- Hệ số tra bảng phụ thuộc vào loại đất lớp phân tố thứ i;

Ei- Mô đun tổng biến dạng của đất lớp phân tố thứ i;

áp lực bản thân của đất tại các điểm đáy lớp được tính theo công thức:

σi

bt = γi.hi (3.10) ứng suất phụ thêm tại các điểm đáy lớp được tính theo công thức:

σi

Trong đó: pgl - áp lực gây lún;

pgl = Pđ = γđ.(hđ+htđ)

Độ lún S được tính đến lớp phân tố cuối cùng nằm trong vùng hoạt động nén

ép Vùng hoạt động nén ép được xác định đến độ sâu mà tại đó σbt ≤ 5σgl

Để đơn giản trong việc tính toán, tải trọng đất đắp tác dụng lên nền đường

được quy về tải trọng hình chữ nhật với chiều rộng trung bình

Trong phạm vi chiều sâu lỗ khoan, phân chia nền đất thành các phân lớp nhỏ:

-Chia lớp 1 là lớp bụi, bụi dẻo, sét béo, sét gầy,trạng thái rất mềm yếu, có bề dày khoảng 0,5m thành 1 lớp phân tố có bề dày 0,5m Các thông số cơ lý:

γ=1,68(T/m3); c=0,08(kG/cm2); ϕ=3009’; e=1,44; a12=0,12(cm2/kG); σc=6,7(T/m2);

Cc=0,43; Cv=0,52.10-3(cm2/s); av=0,12(cm2/kG); Cr=0,07

-Chia lớp 1b cát bụi, cát sét, có chiều dày khoảng 4m thành 4 lớp phân tố có

bề dày 1,0m Các thông số cơ lý: γ=1,73(T/m3); c=0,11(kG/cm2); ϕ=300’; e=1,24; a12=0,008(cm2/kG); σc=6,7(T/m 2); Cc=0,22; Cv=0,10.10-3(cm2/s); av=0,06(cm/kG);

Cr=0,02

-Chia lớp 3 là lớp sét béo, sét gầy,trạng thái mềm có chiều dày khoảng 18,0m thành 18 lớp phân tố có bề dày 1,0m Các thông số cơ lý: γ=1,74(T/m3); c=0,13(kG/cm2); ϕ=4050’; e=1,29; a12=0,0076(cm2/kG); σc=8,4(T/m2); Cc=0,37; Cv=0,72.10-3(cm2/s); av=0,11(cm2/kG); Cr=0,07

-Chia lớp 4 lớp sét gầy, sét béo, trạng thái nửa cứng khoan vào tới chiều dày 1,5m thành 2 lớp phân tố có bề dày từ 0,5m – 1,0m Các thông số cơ lý:

γ=1,91(T/m3); c=0,27(kG/cm2); ϕ=12011’; e=0,83; a12=0,04(cm2/kG);

Với các lớp đất loại sét, khối lượng thể tích được lấy để tính toán là khối lượng thể tích tự nhiên của đất Với lớp đất loại cát, khối lượng thể tích được lấy

để tính toán là khối lượng thể tích đẩy nổi

Việc phân chia lớp và kết quả tính ứng suất được trình bày trong bảng sau: Bảng 3.2: Tính ứng suất dưới tim nền đường đắp tại mặt cắt hố khoan HP33

10.19 7.79

15.9

23.38

30.86

42.08 45.36

0.84 1