Đặt vấn đề nghiên cứu, ý nghĩa thực khoa học và thực tiễn của đề tài Đất sét mềm bão hòa nước là một trong các loại đất có thành phần trạng thái và tính chất đặc biệt. Để xây dựng công trình ở khu vực có loại đất này, nhất thiết phải có các biện pháp xử lý nền móng để đảm bảo điều kiện làm việc ổn định. Thực vậy, độ lún của công trình trên nền đất sét mềm bão hòa nước thường có giá trị lớn và gây mất ổn định, không đảm bảo điều kiện sử dụng công trình, đặc biệt là các công trình cơ sở hạ tầng gây tải trọng trực tiếp lên đất sét mềm bão hòa nước. Cho đến những năm đầu thế kỷ này, ở nước ta nói chung và các tỉnh thành phía Nam nói riêng, biện pháp xử lý nền thường được lựa chọn là bấc thấm hay giếng cát kết hợp gia tải trước hoặc bơm hút chân không, cột đất trộn xi măng để gia cường hay cọc bê tông cốt thép với công trình có tải trọng lớn.
Việc xử lý nền bằng cọc vật liệu rời đã được nghiên cứu thử nghiệm và áp dụng nhiều nơi trên thế giới từ lâu nhưng áp dụng trong thực tế tại nước ta chưa nhiều. Trong những năm 80 của thế kỷ trước, việc nghiên cứu cọc vật liệu rời (cọc cát) để xử lý nền đất yếu được GS. Hoàng Văn Tân đề cập đến trong tài liệu của mình và một số bài giảng ở bậc cao học. Do đó, việc nghiên cứu ứng dụng cọc vật liệu rời cho công trình cụ thể ở khu vực phía Nam là việc làm cần thiết giúp bổ sung, hoàn chỉnh các phương pháp xử lý nền tùy theo điều kiện cấu tạo địa chất của từng khu vực cụ thể.
Kết quả nghiên cứu này có thể giúp các kỹ sư và các nhà quản lý xây dựng có thêm những chọn lựa phương pháp xử lý nền thích hợp với điều kiện công trình cụ thể cũng như rút ngắn tiến độ xây dựng. Thực tế, phương pháp sử dụng cọc vật liệu rời để xử lý nền đất yếu thường có thời gian thi công ngắn, chất lượng thi công được kiểm soát chặt chẽ, giá thành tương đối hợp lý so với các phương pháp khác như cột đất trộn xi măng hay cọc bê tông cốt thép. Do đó, cọc vật liệu rời có thể là phương pháp đáng để xem xét đánh giá và nghiên cứu trong quá trình thiết kế và lập dự án đầu tư. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài Nghiên cứu về công nghệ thi công cọc vật liệu rời sử dụng đầm rung sâu.
Lịch sử hình thành, biện pháp thi công, quản lý chất lượng. ‐2‐ Tổng hợp các phương pháp tính toán thiết kế cọc vật liệu rời được áp dụng trên thế giới. Áp dụng tính toán, thi công và kiểm tra chất lượng cho công trình thực tế theo điều kiện địa chất khu vực. Kết quả được so sánh với kết quả quan trắc.
Ngoài ra, việc đánh giá ứng xử ứng suất – biến dạng của nền được xử lý bằng cọc vật liệu rời còn được thực hiện bằng cách mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D. Phương pháp nghiên cứu Tổng hợp và phân tích kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm liên quan đến phương pháp cọc vật liệu rời. Nghiên cứu các ứng dụng thực tế của phương pháp này cho các công trình thực cụ thể thông qua các kết quả nghiên cứu đã có. Trên cơ sở lý thuyết có xét đến điều kiện thực tế tại Việt Nam, tiến hành tính toán áp dụng cho công trình cụ thể sử dụng cọc vật liệu rời để gia cố nền đất yếu.
So sánh phương pháp tính toán lý thuyết và kết quả quan trắc. Trên cơ sở lựa chọn cấu tạo địa chất điển hình của khu vực phía Nam, tiến hành tính toán bài toán công trình đắp trên nền đất yếu được xử lý bằng cọc vật liệu rời. Cùng với đó, việc mô phỏng bằng phần tử hữu hạn cho bài toán này cũng sẽ được tiến hành nhằm so sánh đánh giá kết quả tính toán dựa trên phương pháp giải tích. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU Do đất yếu có khả năng chịu tải thấp, mức độ biến dạng lớn nên cần thiết phải có các biện pháp xử lý trước khi xây dựng công trình bên trên.
Đối với công trình đường và công trình đắp ở Việt Nam hiện nay, các biện pháp xử lý được phân chia làm 2 nhóm chính: Các biện pháp gia cường thường được áp dụng như: Vải địa kỹ thuật, lưới địa kỹ thuật, đất trộn vôi, trộn ximăng, silicat. Trong trường hợp này, đất nền và đất trong khối đắp sau khi được gia cường có khả năng chịu tải cao hơn, tính biến dạng giảm, từ đó độ ổn định của công trình được gia tăng và đảm bảo điều kiện làm việc của công trình. Trong điều kiện thực tế ở Việt nam, các biện pháp vải địa kỹ thuật, đất trộn ximăng thường được sử dụng nhiều nhất. Các biện pháp xử lý thường được áp dụng như giếng cát, bấc thấm kết hợp gia tải trước hoặc bơm hút chân không.
Trường hợp này, thời gian cố kết được rút ngắn, đất nền nhanh đạt độ lún ổn định để có thể đưa vào sử dụng công trình. Ngoài ra, việc chọn lựa chiều cao đắp hay bố trí kích thước công trình hợp lý cũng có tác dụng làm thay đổi trạng thái ứng suất của đất nền, đảm bảo điều kiện làm việc ổn định. Các biện pháp thường được sử dụng trong trường hợp này là: Đệm cát, làm xoải mái taluy, bệ phản áp. Các phương pháp xử lý nền 1.
Xử lý nền đất yếu bằng giếng cát kết hợp gia tải trước Để rút ngắn thời gian cố kết, người ta thường dùng thiết bị tiêu nước thẳng đứng, giếng cát là một trong những dạng đó. Với hệ số thấm lớn hơn nhiều so với nền đất sét, khi bố trí giếng cát trong nền đất và kết hợp gia tải, dưới tác dụng của tải trọng ngoài, nước lỗ rỗng trong đất nền thấm về hướng giếng cát rồi sau đó thoát nhanh theo phương đứng ra khỏi nền đất. Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tiêu tán và đất nền nhanh đạt đến độ lún ổn định để khi công trình được đưa vào sử dụng thì độ lún còn lại không đáng kể. Cấu tạo hệ thống xử lý nền đất yếu bằng giếng cát kết hợp gia tải trước thường có ba bộ phận chính: lớp đệm cát, giếng cát, tải trọng tạm (hình 1.
- Lớp đệm cát ‐4‐ + Ngoài chức năng phân bố lại ứng suất trong đất nền do ứng suất tập trung vào lớp cát thay thế, lớp đệm cát đóng vai trò như lớp đệm thoát nước. Nước lỗ rỗng trong đất bị nén ép bởi tải trọng khối đắp gia tải bên trên sẽ thoát hướng về giếng cát, từ các giếng cát nước lỗ rỗng này theo môi trường cát trong giếng (có tính thấm tốt) thoát về phía đệm cát, đệm cát dẫn nước thoát ngang và tiêu tán ra ngoài. Taû i troïng taïm Hñaé p Ñeä m caù t thoaù t nöôù c Neà n ñaá t caù t yeá u döôùi neà n ñöôøng Hình 1. Nền được xử lý bằng giếng cát - Các thông số của giếng cát + Thường dùng cát hạt thô, hạt trung (có hệ số thấm lớn).
+ Đường kính giếng cát thường sử dụng: 0,2~0,6 m. + Chiều sâu giếng cát bố trí hết vùng hoạt động chịu nén của nền. + Sơ đồ bố trí giếng cát thường có hai dạng chủ yếu: lưới tam giác và ô vuông Dạng lưới hình tam giác đều (như trong hình 1.a) Vuø ng aûnh höôû ng veàthoaù t Gieá ng caù t d nöôù c xung quanh Gieáng caù t S Khoaû ng caù ch löôù i Gieá ng caù t Hình 1. Sơ đồ bố trí lưới giếng cát hình tam giác đều Dạng lưới hình vuông (như trong hình 1.b) ‐5‐ Vuø ng aûnh höôû ng veàthoaù t Gieá ng caù t d nöôù c xung quanh Gieáng caù t 1.05* S S Khoaû ng caù ch löôù i Gieá ng caù t Hình 1.
Sơ đồ bố trí lưới giếng cát hình vuông - Tải trọng tạm: + Thường dùng cát hoặc đất, nhằm tạo quá trình nén trước nền đất trước khi đặt tải trọng công trình. + Chiều cao đắp (hay tải trọng công trình) được chọn sao cho đảm bảo điều kiện ổn định của nền đất yếu và khối đắp, phải tạo ra được ứng suất lớn hơn áp lực tiền cố kết của nền đất để nền đất có thể cố kết. Có khá nhiều phương pháp tính toán khác nhau cho bài toán dự báo độ lún của nền đất yếu xử lý giếng cát kết hợp gia tải trước. Tổng quát lại, các giá trị cần tính toán là: Độ lún cố kết cuối cùng (Sf ).
giá trị độ lún khi mà áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong đất nền bị tiêu tán hoàn toàn. Độ lún theo thời gian (St ) St = Ut * Sf Với: Ut –Mức độ cố kết theo thời gian, thường được tính theo công thức: Ut = 1-(1-Uv)*(1- Uh) Trong đó: Uv - Độ cố kết trung bình do thoát nước theo phương đứng. Uh - Độ cố kết trung bình do thoát nước theo phương ngang. Xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước Tương tự như giếng cát bấc thầm đứng có hệ số thấm lớn hơn nhiều so với nền đất sét.
Khi bố trí bấc thấm trong nền đất và kết hợp gia tải, nhờ tải trọng ngoài, nước lỗ rỗng trong đất nền thấm về hướng bấc thấm rồi sau đó thoát nhanh theo phương đứng ra khỏi đất nền. Cấu tạo hệ thống xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước cũng gồm ba phần chính như hình 1. ‐6‐ - Lớp đệm cát và tải trọng tạm tương tự như hệ thống xử lý bằng giếng cát kết hợp gia tải trước. Ñeä m caù t thoaù t nöôù c troïng taïm Neà n ñaá t Baá c thaá m yeá u döôùi neà n ñöôøng Hình 1.3: xử lý nền bằng bấc thấm - Bấc thấm: + Quá trình thi công bấc thấm nhanh nếu có máy thi công chuyên dụng.
+ Cũng như giếng cát, bấc thấm chỉ nên sử dụng khi có mặt bằng rộng. + Khi cắm bấc thấm xuống độ sâu lớn thì khả năng thoát nước của bấc thấm sẽ giảm đi do giảm tiết diện ngang của bấc thấm, do các hạt nhỏ tích vào lòng bấc thấm khi qua được màng lọc. Trong công trình đường, vùng hoạt động chịu nén thường không quá lớn nên bấc thấm kết hợp gia tải trước vẫn được sử dụng khá rộng rãi. + Để tiện cho việc tính toán, xem mặt cắt ngang của bấc thấm tương đương có dạng hình tròn đường kính dw.
