Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
8.1. Vài nét về tình hình xây dựng nền đường trên đất yếu ở Việt Nam
- Ở Việt Nam nền đường là một trong những loại công trình xây dựng lâu đời và thường gặp nhất. Trong hệ thống hàng nghìn kilômet đường ôtô, đường sắt đắp qua vùng đồng chiêm trũng của đồng bằng sông Hồng hay cắt qua các kênh rạch chằng chịt của đồng bằng sông Cửu Long có tỷ lệ không nhỏ các nền đắp xây dựng trên đất yếu.
- Về kỹ thuật xây dựng thì ngoại trừ một số đoạn đường do Mỹ nâng cấp mở rộng trong chiến tranh ở Việt Nam như QL1A đoạn Đông Hà − Sài Gòn − Bạc Liêu, quốc lộ 9 đoạn Đông Hà − Tân Lâm, quốc lộ 19 đoạn Quy Nhơn − An Khê − Ban Mê Thuột, đường Sài Gòn − Đà Lạt − Vũng Tàu, ...) cùng một vài đoạn ngắn mới được nâng cấp mở rộng xung quanh Hà Nội, Hải Phòng, ... được thi công theo phương pháp cơ giới hiện đại (đắp bằng đất tốt vận chuyển từ xa có đầm nén cẩn thận theo từng lớp, có áp dụng các biện pháp xử lý khi đắp qua nền đất yếu...) còn đại bộ phận các đường còn lại đều được xây dựng theo phương pháp thủ công đắp bằng đất tại chỗ. Chính vì vậy chất lượng của hệ thống đường ôtô hiện nay không cao.
CHƯƠNG 8: THIẾT BỊ NÉN BẤC THẤM VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
Với các nền đắp thường gặp những hư hỏng sau đây:
1. Nền đường không đủ cường độ, bị lún nhiều và lún không đều, do đó làm hư hỏng rất nhanh kết cấu mặt đường xây dựng trên đó.
2. Nền đường mất ổn định bị lún sụt hoặc trượt trồi trong hoặc sau khi xây dựng.
Để khắc phục tận gốc các hư hỏng trên, biện pháp cải tạo nền đất yếu bằng các công nghệ tiên tiến là giải pháp kỹ thuật thích hợp đang được ứng dụng phổ biến trên thế giới; trong đó có công nghệ cải tạo đất bằng thiết bị tiêu nước thẳng đứng. Thiết bị tiêu nước thẳng đứng chế tạo sẵn bằng vật liệu tổng hợp bao quanh trụ chất dẻo và có các đặc điểm sau:
− Cho nước trong lỗ rỗng của đất thấm vào trong thiết bị.
− Tạo đường dẫn để nước lỗ rỗng tập trung có thể chuyển động dọc theo chiều dài của thiết bị lên trên. Bao lọc làm bằng polyeste không dệt, vải địa cơ polypropylene hay giấy vật liệu tổng hợp. Nó là hàng rào vật lý phân cách lòng dẫn của dòng chảy với đất sét bao quanh và là một bộ lọc hạn chế cát hạt mịn đi vào lõi làm tắc thiết bị.
CHƯƠNG 8: THIẾT BỊ NÉN BẤC THẤM VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
Trong số các thiết bị tiêu nước thẳng đứng chế tạo sẵn thì việc dùng bấc thấm là phổ biến nhất (hình 8.1):
Hình 8.1. Bấc thấm tiêu nước theo phương thẳng đứng
CHƯƠNG 8: THIẾT BỊ NÉN BẤC THẤM VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
8.2. Công nghệ xử lý nền yếu bằng bấc thấm 8.2.1. Khái niệm về bấc thấm
- Bấc thấm: (Còn được gọi là bản nhựa) là các băng có lõi bằng prolipropilen có tiết diện hình răng bánh xe hoặc hình đáy ống kim, bên ngoài được bọc áo lọc cũng bằng vải prolippropilen không dệt. Bấc thấm là một giải pháp nhân tạo cải tạo đất bằng thiết bị tiêu nước thẳng đứng để xử lý đất yếu được dùng để thay thế cọc cát (giếng cát) làm phương tiện dẫn nước cố kết từ dưới nền đất yếu lên tầng đệm cát phía trên và thoát nước ra ngoài, nhờ đó tăng nhanh tốc độ lún của nền đất trên đất yếu, tăng tốc độ cố kết của bản thân đất yếu. Bấc thấm mới được sử dụng từ những năm 1980 trở lại đây và đang được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới (đặc biệt là Hà Lan). Ở nước ta, lần đầu tiên sử dụng bấc thấm trong xây dựng nền đường là dự án nâng cấp mở rộng QL5 Hà Nội − Hải Phòng và sử dụng trên một số tuyến đường ở Đồng bằng sông Cửu Long...
CHƯƠNG 8: THIẾT BỊ NÉN BẤC THẤM VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi 8.2.2. Ưu nhược điểm
Ưu điểm:
Tăng nhanh quá trình cố kết của đất yếu, rút ngắn thời gian lún (có thể kết thúc cố kết ngay trong khoảng thời gian thi công mà không phải chờ đợi lâu dài).
+ Ít làm xáo động các lớp đất tự nhiên.
+ Thoát nước một cách đảm bảo và chủ động.
+ Tốc độ lắp nhanh (dễ cơ giới hóa khi thi công) năng suất có thể đạt 4000−6000m/ngày/máy cắm bấc, ít công nhân sử dụng máy.
+ Chủ động giảm bớt thời gian cố kết khi cần thiết bằng cách giảm cự ly giữa các bấc thấm hoặc dùng biện pháp hút chân không.
+ Chiều sâu sử dụng bấc có thể đạt đến 40m (cho nền đắp cao).
+ Hoạt động thoát nước tốt trong các điều kiện khác nhau.
Nhược điểm.
+ Hiện tại ta chưa sản xuất được bấc thấm, còn phải nhập ngoại.
+ Hiệu quả chưa đạt yêu cầu mong muốn cho một số điều kiện nền đắp thấp và một số điều kiện địa chất khác.
+ Bản thân bấc thấm không tham gia vào thành phần chịu tải trọng.
CHƯƠNG 8: THIẾT BỊ NÉN BẤC THẤM VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
8.2.3. Cấu tạo chung của bấc thấm
Hình 8.2. Một số dạng cấu trúc của bấc thấm.
CHƯƠNG 8: THIẾT BỊ NÉN BẤC THẤM VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi 8.3. Máy nén cọc bấc thấm xử lý nền yếu
8.3.1. Giới thiệu chung
− Máy nén bấc thấm (MNBT) còn có tên gọi là máy cắm "cọc" bấc thấm, "cọc" ở đây là một kết cấu được dìm sâu vào nền đất theo phương đứng. Thực chất của công nghệ này là xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm thay cho việc gia cố nền yếu bằng cọc cát vốn được hạ bằng búa rung qua ống thép.
− Nhiệm vụ của bấc thấm ở đây là hút nước từ đất trong nền yếu rồi đưa nước lên mặt đất theo nguyên tắc thẩm thấu qua bấc. Với số lượng bấc thấm khá lớn trên 1 đơn vị diện tích nền thì sau khi "thấm nước", nền yếu sẽ được tăng cường độ chịu lực do lượng nước trong nền đất đã được giảm đi đáng kể.
− Bấc thấm dùng trong công nghệ này là loại đặc biệt, chúng có tiết diện giới hạn là B × b = 100 × 4 và kết cấu dạng màng xốp có tính chất hút nước rất nhanh (hình 8.2). Bấc thấm được cuộn thành lô tròn có thể treo trên 1 trục ngang.
− Để nén (nhấn) được bấc thấm vào nền đất yếu, người ta dùng một thiết bị chuyên dùng gá đặt trên máy xúc, thường là máy xúc bánh xích có dung tích gầu V = 0,8 − 1,6m3 và có tự trọng từ 22T − 40T.
CHƯƠNG 8: THIẾT BỊ NÉN BẤC THẤM VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
Bấc thấm được kéo xuyên qua lõi của một "cọc ống thép" có dạng dẹt hoặc hình thoi và có định vị ở đầu cuối của ống cọc này.
Khi ống cọc được nén sâu vào nền sẽ kéo theo bấc thấm, rút vỏ ống lên, bấc sẽ ở lại trong nền. Các bước thi công nén cọc bấc thấm được mô tả trên hình 8.3.
8.3.2. Các bước thi công cọc bấc thấm
Hình 8.3. Các bước thi công cọc bấc thấm 1. Định tâm; 2, 3. Nén cọc và bấc đến độ sâu đã định.
4. Rút cọc. 5. Cắt bấc, quay máy đến vị trí mới.
CHƯƠNG 8: THIẾT BỊ NÉN BẤC THẤM VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi 8.3.3. Máy cắm bấc thấm dùng hệ puly cân bằng cáp
8.3.3.1. Cấu tạo chung
Hình 8.4. Tổng thể máy cắm bấc thấm có cột dạng ống
1. Máy xúc cơ sở; 2. Cần nâng; 3. Xi lanh điều chỉnh cột; 4. Tai treo cột; 5. Chốt; 6. đoạn cột trên; 7. đỉnh cột; 8. Con lăn dẫn bấc; 9. Cụm puli và giá nối cọc thép; 10. Hộp thép rỗng; 11. Các tai đỡ định vị cọc; 12. Giá đỡ cuộn bấc thấm; 13. Puli dẫn hướng cáp; 14. đế cột; 15. Bộ tời cáp kéo − nén cọc; 16. Cáp thép; 17. Xi lanh nâng hạ giá cột; 18. Cầu thang; 19. Puli; 20 đoạn cột dưới; 21. Lõi cọc thép; 22. Pulycân bằng cáp kéo − nén cọc.
CHƯƠNG 8: THIẾT BỊ NÉN BẤC THẤM VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
8.3.3.2. Sơ đồ mắc cáp dùng puly cân bằng độ dài cáp
Hình 8.5. Sơ đồ mắc cáp trên máy ép cọc bấc thấm dùng cụm puly để cân bằng cáp
1. Bộ tời thủy lực; 2. Puly dẫn hướng; 3. Cọc thép rỗng; 4. Ụ puly; 5. Puly cân bằng cáp; 6.
Puly đỉnh cột; 7. Cáp.
CHƯƠNG 8: THIẾT BỊ NÉN BẤC THẤM VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
8.3.4. Máy nén cọc bấc thấm dùng đối trọng cân bằng cáp 8.3.4.1. Sơ đồ mắc cáp dùng đối trọng cân bằng độ dài cáp
Hình 8.7. Sơ đồ mắc cáp ở máy ép cọc bấc thấm có dùng vật nặng để cân bằng độ dài hai nhánh cáp.
1. Bộ tời; 2. Cáp thép; 3. Puly dẫn cáp; 4. Vật nặng; 5. Puly tre vật nặng. 6. Chốt giữ cáp; 7.
Cọc thép rỗng; 8. Puly đầu cột.
CHƯƠNG 8: THIẾT BỊ NÉN BẤC THẤM VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
8.3.4.2. Cấu tạo cơ bản của máy
Hình 8.8. Kết cấu thép đoạn dưới máy ép bấc dạng dàn có bố trí bộ tời.
1. Đế; 2. Môtơ thuỷ lực; 3. Tang cáp; 4. Cột; 5.
Puly; 6. Giá puly; 7. Bích nối.
CHƯƠNG 8: THIẾT BỊ NÉN BẤC THẤM VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
CHƯƠNG 8: THIẾT BỊ NÉN BẤC THẤM VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
8.4.1. Sơ đồ tính toán cọc thép
Dưới tác dụng của lực căng cáp, cọc thép được ép (nén) vào nền, mang theo lõi bấc bên trong; sau đó lại được rút lên và để lại bấc thấm trong nền đất. Có thể mô tả hai trạng thái chịu lực trong 1 chu kỳ làm việc của cọc thép theo sơ đồ sau:
Hình 8.9. Sơ đồ lực tác dụng lên cọc thép khi ép (a) và khi rút cọc (b);
(c) mặt cắt ngang của cọc.
CHƯƠNG 8: THIẾT BỊ NÉN BẤC THẤM VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
a) Trường hợp ép cọc đến độ sâu h:
- Một cách gần đúng, có thể coi lực ma sát f của nền tác dụng lên bề mặt quanh cọc là không đổi trên suốt chiều dài cọc h và lấy f = ftc; khi ép cọc, còn xuất hiện lực cản đầu cọc R, coi R = Rtc. Dưới tác dụng của cáp kéo trên bộ tời, cọc sẽ chịu 1 lực nén Nn, lực Nn sẽ tăng dần theo chiều sâu h và sẽ đạt giá trị lớn nhất khi cọc ở độ sâu hc là chiều dài làm việc tối đa của cọc.
Lực Nn có thể tính theo công thức thực nghiệm khi xác định lực nén cọc như sau:
8.4.2. Tính sức chịu của cọc bằng công thức kinh nghiệm
- Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy sức chịu lực của cọc gồm hai phần: Một là lực ma sát của đất ở chung quanh thân cọc, hai là lực kháng của đất dưới chân cọc. Đối với loại cọc đóng trong đất mà chân cọc tựa lên tầng đá cứng thì tải trọng của cọc chủ yếu là do tầng đá chịu, ta gọi là cọc chống. Nếu chân cọc không tựa lên tầng đá, khi đó thường phần sức kháng do ma sát trên thân cọc lại là chủ yếu, loại này gọi là cọc ma sát hay cọc treo, hình 8.10.
CHƯƠNG 8: THIẾT BỊ NÉN BẤC THẤM VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
R’
Hình 8.10
1. Cọc chống; 2. Cọc ma sát
CHƯƠNG 8: THIẾT BỊ NÉN BẤC THẤM VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
- Sức kháng của đất dưới chân cọc phân bố trong một phạm vi không lớn, vì vậy thường được giả thiết là phân bố đều trên diện tích tiết diện ngang. Lực ma sát trên thân cọc trái lại rất phức tạp, do chiều dài cọc tương đối lớn so với kích thước tiết diện, ngoài ra cọc lại đóng qua nhiều lớp đất, trong quá trình đóng cọc đất còn bị tác dụng của nhiều hiện tượng vật lý và cơ học như sự chấn động, sự nén chặt, sự thấm nước v.v... cho nên quy luật phân bố lực ma sát rất khó xác định. Để đơn giản hóa và dễ tính toán người ta thường giả định là lực ma sát phân bố đều trên thân cọc đối với từng lớp đất.
- Với các giả thiết trên người ta tiến hành nhiều thí nghiệm với tải trọng tĩnh trong các loại đất khác nhau. Khi thí nghiệm cần có loại cọc có cấu tạo đặc biệt để có thể đo riêng lực ma sát và sức kháng chân cọc. Ngoài ra còn căn cứ trên kinh nghiệm thiết kế lâu năm cho mỗi loại đất ở các vùng khác nhau mà qui định lực ma sát và sức kháng chân cọc. Sau đây giới thiệu công thức thực nghiệm để xác định sức chịu tải tính toán của một cọc theo qui trình thiết kế cầu cống theo trạng thái giới hạn 1979 của Bộ Giao thông vận tải Việt Nam:
CHƯƠNG 8: THIẾT BỊ NÉN BẤC THẤM VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
CHƯƠNG 8: THIẾT BỊ NÉN BẤC THẤM VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
b) Trường hợp rút cọc
- Khi rút cọc sẽ không còn lực cản đầu cọc, coi lực ma sát bó cọc khi rút cọc bằng lực ma sát khi ép cọc, các lực tác dụng lên cọc được mô tả theo hình 8.10.b. Do đó lực nhổ cọc cần thiết được tính theo công thức:
Nói chung: Pk ≤ Pn.
Ý nghĩa của các tham số như ở công thức (8.1)
CHƯƠNG 8: THIẾT BỊ NÉN BẤC THẤM VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
8.4.3. Tính chọn cáp thép
− Tính chiều dài cáp: căn cứ vào sơ đồ mắc cáp, chiều cao cột, chiều dài cọc thép, khoảng cách giữa các puly, khoảng cách giữa tang với puly dẫn hướng ở chân cột, đường kính tang và số vòng cáp dự trữ.
− Tính chọn đường kính cáp theo lực kéo đứt và hệ số an toàn (tương tự như trong tính toán máy trục):
Lực kéo cáp lớn nhất:
Với η = p . η1
Trong đó: p − số puly dẫn hướng cho một bộ tời;
η1 = 0,92 − 0,95 − hiệu suất truyền động của 1 puly;
Kiểm tra độ bền cáp theo điều kiện an toàn khi kéo đứt cáp:
Smax . n ≤ Sđ
Với n = 5 ÷ 6, Sđ tra theo bảng ứng với đường kính cáp đã chọn.
n − hệ số an toàn, Smax − lực căng cáp lớn nhất.
CHƯƠNG 8: THIẾT BỊ NÉN BẤC THẤM VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
8.4.4. Tính bền cọc thép
- Cọc thép sẽ ở trạng thái chịu lực bất lợi nhất khi đầu cọc gặp vật cản trong nền và không ăn sâu vào nền được nữa trong khi vẫn chịu lực ép xuống; khi này, có thể coi cọc như một thanh chịu nén thuần túy. Do đó ta cần kiểm tra bền của cọc theo điều kiện ổn định của thanh chịu nén qua ứng suất tới hạn σtn hay độ mảnh λx.
- Theo công thức Ơ le:
Hay:
Cọc sẽ mất ổn định trong mặt phẳng mà độ mảnh của nó lớn nhất, do đó:
Trong đú: à − hệ số tớnh đổi chiều dài cọc chịu nộn, à = 1 ứng với sơ đồ cọc như hình vẽ;
l − chiều dài cọc (m);
F − diện tích mặt cắt cọc (m ) Jx − mômen quán tính nhỏ nhất của mặt cắt cọc (m ).
2
4
CHƯƠNG 8: THIẾT BỊ NÉN BẤC THẤM VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi
Công thức trên xét cho cọc thép bị uốn trong giới hạn đàn hồi, do đó ứng suất tới hạn tính ra phải thỏa mãn điều kiện:
CHƯƠNG 8: THIẾT BỊ NÉN BẤC THẤM VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
Bộ môn Kỹ thuật Hệ thống công nghiệp – Khoa Cơ khí – ĐH Thủy Lợi 8.5. Thi công ấn đặt bấc thấm
1. Có thể thi công ấn đặt bấc thấm ngay sau khi làm xong tầng đệm cát theo trình tự sau:
− định vị tất cả các điểm sẽ phải ấn đặt bấc thấm bằng các máy đo đạc thông thường theo hàng dọc và hàng ngang đúng với đồ án thiết kế, dùng vè tre cắm đánh dấu vị trí, công việc này cần làm cho từng ca máy.
−đưa máy ấn bấc thấm vào vị trí theo đúng hành trình đã được vạch ở sơ đồ di chuyển
làm việc, xác định vạch xuất phát trên trục tâm (cọc ống thép) để tính chiều dài bấc thấm được ấn vào đất; kiểm tra độ thẳng đứng của trục tâm theo dây dọi hoặc thiết bị con lắc treo (đặt) trên giá.
− Lắp bấc thấm vào trục và điều khiển máy đưa đầu trục tâm đến vị trí đặt bấc.
− Gắn đầu neo vào đầu bấc thấm với chiều dài bấc được gấp lại tối thiểu là 30 cm và được ghim bằng ghim thép nhờ máy dập cầm tay.
− Ấn trục tâm lõi thép đã được lắp bấc thấm đến độ sâu cần thiết với tốc độ đều từ 0,15−0,6 m/s sau đó lại kéo trục tâm lên (lúc này đầu neo sẽ giữ bấc thấm lại trong đất; khi trục tâm được kéo lên hết, dùng kéo cắt đứt bấc thấm sao cho còn 20 cm đầu bấc nhô lên trên mặt tầng đệm cát và quá trình lại bắt đầu từ đầu đối với một vị trí đặt bấc thấm tiếp theo.