CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về vấn đề đất yếu. Khái niệm đất yếu Đất yếu là một khái niệm mang tính tương đối, phụ thuộc vào trạng thái vật lý của đất cũng như tương quan giữa khả năng chịu lực của chính bản thân đất nền với tải trọng từ công trình truyền xuống. Trong xây dựng, nền đất yếu được hiểu là nền đất gồm các tầng đất yếu có khả năng chịu lực kém, phải xử lý, gia cố mới có thể dùng làm nền cho móng công trình xây dựng.
Các loại nền đất yếu thường gặp trong xây dựng là nền đất sét, đất sét pha cát và đất cát pha sét ở trạng thái chảy và bùn. Nguyên nhân làm nền đất yếu: Đất yếu trong định nghĩa của là đất có độ bền cơ học, thủy lực không cao, dễ bị biến dạng khi gặp tải trọng. Như vậy tác nhân làm ra đất yếu có thể qui về ba nhóm chính: Yếu vì kết cấu: Nguyên nhân này thường gặp ở các điều kiện địa chất đất sỏi, đá cuội, đá tảng. Các phần tử đất đá gối lên nhau không chắc chắn, ở một số tải trọng nhất định, công trình lún ít do đất biến dạng không nhiều, ở các tải trọng lớn hơn xảy ra đứt gẫy hoặc lún lệch làm công trình đổ sập như đập Malpasset ở Pháp.
Hoặc do yếu tố thay đổi về kết cấu chịu lực của vùng như sập một vài mỏ khai thác đá ở Việt nam trong những năm gần đây có thể tính một phần là do yếu tố này. Cũng có trường hợp đất sét tạo gối nước trong lòng đất, công trình đặt lên làm nền đất biến dạng từ từ, hoặc khoan cọc móng tại vùng địa chất bên cạnh, dẫn tới nứt ra những khe ngang làm nước thoát đi, độ lún biến đổi đột ngột, một số nhà cao tầng ở Thành phố Hồ Chí Minh có thể tính một phần là vì lí do này mà lún sập. Yếu do độ ẩm: Nguyên nhân này thường gặp ở đất cát và đất sét, nước trong đất tồn tại dưới hai dạng chủ yếu là tự do và liên kết. Đây là các tác nhân chính gây ra hiện tượng đàn hồi thủy lực và tính nén của đất.
Các nhân tố này gây ra sự khó khăn lớn trong thi công, cản trở việc lắp đặt và sử dụng thiết bị gia cố. Hiện tượng này phổ biến ở các vùng 4 đồng bằng ven sông, ven biển, các vùng rừng lâu năm và là yếu tố chính đối với các công trình thi công trên biển. Yếu do đặc tính sinh hóa. Nguyên nhân này thường gặp ở các điều kiện địa chất đã được gia cố.
Trải qua thời gian, do các tác động sinh hóa, như phản ứng hóa học trong thành phần của chất gia cố với nước, hoạt động của sinh vật và vi sinh vật, đất đã được gia cố trở nên yếu đi. Đây là một vấn đề tương đối khó khăn đối với các công trình sử dụng biện pháp hóa học để gia cố đất như xi măng, thủy tinh… 1. Phân biệt đất yếu Theo TCXD 245:2000, các chỉ tiêu cơ lý của nền đất yếu thông thường có giá trị như : Độ sệt >1,0 ; hệ số rỗng e >1,0 ; góc nội ma sát nhỏ (φ<10o); lực dính theo kết quả cắt nhanh không thoát nước nhỏ (Cu<0,35 daN/cm2); sức chống mũ xuyên tĩnh thấp (qc<0,1MPa); và chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT nhỏ (N<5). Các loại nền đất yếu chủ yếu và thường gặp Đất sét mềm: Gồm các loại đất sét hoặc á sét tương đối chặt, ở trạng thái bão hòa nước, có cường độ thấp.
Đất bùn: Các loại đất tạo thành trong môi trường nước, thành phần hạt rất mịn, ở trạng thái luôn no nước, hệ số rỗng rất lớn, rất yếu về mặt chịu lực. Đất than bùn: Là loại đất yếu có nguồn gốc hữu cơ, được hình thành do kết quả phân hủy các chất hữu cơ có ở các đầm lầy (hàm lượng hữu cơ từ 20 -80%). Cát chảy: Gồm các loại cát mịn, kết cấu hạt rời rạc, có thể bị nén chặt hoặc pha loãng đáng kể. Loại đất này khi chịu tải trọng động thì chuyển sang trạng thái chảy gọi là cát chảy.
Đất bazan: là loại đất yếu có độ rỗng lớn, dung trọng khô bé, khả năng thấm nước cao, dễ bị lún sụt. Theo Masaki Kitazume, khái niệm Đất yếu không chỉ đơn thuần dựa trên các đặc tính địa kỹ thuật và có thể được hiểu nền đất yếu là nền đất không đáp ứng được yêu cầu chịu tải của công trình hoặc có mức độ biến dạng, lún trong quá trình xây dựng và khai thác quá mức cho phép. Theo quan điểm đó, một số chỉ tiêu cơ bản của nền đất yếu như chỉ ra trong bảng dưới đây.1: Một số chỉ tiêu cơ lý đặc trưng của nền đất yếu Đường ô tô Đường sắt Nhà cửa Hàm Chiều Sức chịu lượng qu SPT SPT dày tải nước (kN/m2) (N) (N) (m) ( kN/m2) (% ) Đất hữu cơ >100 <50 <4 - >2 <100 Đất cát pha sét >50 <50 <4 <2 >5 <100 Đất sét pha cát >30 - <10 <4 >10 - 1. Phạm vi áp dụng Ở nước ta, khi xây dựng công trình ở các vùng đồng bằng châu thổ Sông Hồng, vùng đồng bằng ven biển và đầm phá miền trung, vùng đồng bằng châu thổ sông Cửu Long chúng ta cũng thường luôn phảI đương đầu với nền đất yếu.
Thực tế, một số dự án công trình xây dựng trên nền đất yếu ở Việt Nam, do chưa có điều kiện hoặc chưa giành được sự quan tâm thích đáng đến việc cải tạo nền đất yếu nên sau khi xây dựng đã phải tiến hành các biện pháp xử lý rất tốn kém mới có thể khai thác sử dụng bình thường. Một số sự cố công trình xây dựng ở Việt Nam xẩy ra trong những năm gần đây cũng có nguyên nhân liên đến nền đất yếu. Các phương pháp xử lý nền đất yếu trên thế giới 1. Giải pháp thay đất Đây là giải pháp thường được sử dụng với những đoạn đường đắp trực tiếp trên nền đất yếu có chiều cao nền đắp nhỏ, chiều dày lớp đất yếu bên dưới không lớn và mực nước ngầm ở dưới sâu.
Trong những trường hợp như vậy, người ta đào bỏ lớp đất yếu ở phía trên và thay thế bằng các lớp đệm cát, đệm đất có cường độ chống cắt lớn hơn. Có thể sử dụng vật liệu địa phương tại chỗ để cải thiện tính chất của nền đất yếu. Khi sử dụng phương pháp thay đất, thường kết hợp với vải địa kỹ thuật lót ở đáy lớp đệm cát để tạo sự phân bố lực của đất đắp xuống nền đều hơn, giảm áp suất cục bộ lên đất nền, giữ nền đường ít bị lún cục bộ, tăng độ ổn định của nền đường và đồng thời có thể tạo mặt bằng phục vụ thi công nền đường. Cơ sở lý thuyết: Giải pháp thay đất là thay thế một phần hoặc toàn bộ lớp đất yếu dưới nền đường bằng lớp đất khác có cường độ, sức chịu tải tốt hơn so với lớp đất yếu trước đây.
Giải pháp thay đất có ưu điểm là tăng cường ổn định, giảm độ lún và thời gian chờ lún khi thiết kế xử lý nền đất yếu. Giải pháp thay đất rất hiệu quả trong trường hợp bề dày đất yếu nhỏ hơn so với vùng ảnh hưởng của tải trọng đắp. Tính toán chiều sâu thay đất căn cứ vào thời gian cố kết dự kiến, yêu cầu về độ ổn định nền đắp cần đạt được để xác định chiều sâu thay đất. Khi kiểm toán thiết kế nền đất yếu bằng giải pháp thay đất, cần phải kiểm tra 2 điều kiện là: Biến dạng lún và ổn định trượt để xác định chiều sâu thay đất; Độ lún còn lại và độ ổn định trượt trước, sau khi thay đất.
Cần chú ý rằng, sau khi thay đất, xem như phần đất yếu được thay bằng lớp đất tương ứng với bề dày bằng bề dày đất yếu được thay và chỉ tiêu cơ lý của đất thay thế để tính toán ổn định và lún. Khi thiết kế thay đất, với mặt cắt ngang phần đất yếu phải đào, thiết kế dạng hình thang với đáy nhỏ ở phía sâu dưới đất yếu và có bề rộng bằng phạm vi bề rộng mặt đáy nền đường, còn đáy lớn ở trên vừa bằng phạm vi tiếp xúc của nền đắp với mặt đất yếu khi chưa đào (phạm vi giữa hai bên chân ta luy nền đắp). Trong trường hợp đặc biệt, nếu đường đỏ nằm gần mặt địa hình tự nhiên thì phạm vi thay đất có thể ở phía ngoài chân ta luy nền đất đắp. Thi công đào thay đất, có thể dùng sơ đồ đào đất yếu bằng máy xúc gầu dây, đào đến đâu thì đắp lấn đến đó.
Chiều sâu đào thay đất có thể lên tới (2 – 3)m, đặc biệt có thể tới 4,0m. Trong một số trường hợp nhất định, nên kết hợp giải pháp thay đất với giải pháp gia tải thêm để tăng cường ổn định nền đường và đảm bảo độ lún còn lại theo yêu cầu. Ưu điểm, nhược điểm: Ưu điểm: Tăng cường ổn định, giảm độ lún và thời gian chờ lún khi thiết kế xử lý nền đất yếu. Giải pháp thay đất thi công đơn giản, tăng khả năng ổn định của nền đất đắp và đã được sử dụng tương đối rộng rãi.
Nhược điểm: Giải pháp thích hợp với những đoạn đường đắp trực tiếp trên nền đất yếu có 7 chiều cao nền đắp nhỏ, chiều dày lớp đất yếu bên dưới không lớn và mực nước ngầm ở dưới sâu. Phạm vi áp dụng: Giải pháp đào thay đất được áp dụng trong các trường hợp sau: - Khi thời hạn yêu cầu đưa công trình đường vào sử dụng là rất ngắn và đào bỏ đất yếu là một giải pháp tốt để tăng nhanh quá trình cố kết. - Khi các đặc trưng cơ lý, đặc biệt là sức chịu tải của đất yếu là rất nhỏ mà việc cải thiện nó bằng cố kết là không có hiệu quả để đạt được chiều cao thiết kế của nền đắp. - Khi cao độ thiết kế gần với cao độ tự nhiên, không thể đắp nền đường đủ dày để đảm bảo cường độ cần thiết dưới kết cấu mặt đường.
- Bề dày lớp đất yếu nhỏ từ 2m trở xuống thì nên đào bỏ toàn bộ lớp đất yếu này để đáy nền đường tiếp xúc với tầng đất không yếu. - Đất yếu là than bùn loại I hoặc loại sét, á sét dẻo mềm, dẻo chảy. Trường hợp này nếu chiều dày đất yếu vượt quá (4 – 5)m thì có thể đào một phần sao cho phần đất yếu còn lại có bề dày nhiều nhất chỉ bằng 1/2 - 1/3 chiều cao đất đắp (kể cả phần đắp chìm trong đất yếu).