CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ 1. Khái niệm về đất yếu Đất yếu là những loại đất sét mềm bão hòa nước, các loại cát hạt nhỏ, mịn, than bùn. Những loại đất này có khả năng chịu lực yếu, có hệ số rỗng e > 1, và luôn luôn bão hòa nước. Một quan niệm khác cho rằng, đất yếu được hiểu là các loại đất ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của đất cao hơn hoặc gần bằng giới hạn chảy, đất yếu có hệ số rỗng lớn (đất sét: e ≥ 1,5; đất á sét e ≥ 1), lực dính C theo thí nghiệm cắt nhanh không thoát nước nhỏ hơn 0,15 daN/cm2 (tương đương kG/cm2), góc nội ma sát φ< 10o hoặc lực dính từ kết quả cắt cánh hiện trường Cu < 0,35 daN/cm2.
Đất yếu có thể được phân loại theo trạng thái tự nhiên dựa vào độ sệt B: W − Wd B= (1.1) Wch − Wd Trong đó: W, W d, Wch - độ ẩm ở trạng thái tự nhiên, giới hạn dẻo và giới hạn chảy (nhão) của đất. Nếu B > 1, đất ở trạng thái chảy; Nếu 0,75 < B ≤ 1, đất ở trạng thái dẻo chảy. Theo quan điểm xây dựng của một số nước, đất yếu được xác định theo tiêu chuẩn về sức kháng cắt không thoát nước s u và hệ số xuyên tiêu chuẩn N như sau: - Đất rất yếu (trạng thái chảy): S u (kPa) ≤ 12,5 và N 30 ≤ 2 - Đất yếu (trạng thái dẻo chảy): S u (kPa) ≤ 25 và N 30 ≤ 4 Nền đất yếu là các lớp đất nền có khả năng chịu lực kém, nằm ngay dưới đáy móng công trình và chịu tác động của công trình truyền xuống.Khi xây dựng công trình thường gặp các loại đấtnền yếu, tùy thuộc vào tính chất lớp đất yếu, đặc điểm cấu tạo của công trình mà người ta lựa chọn phương pháp xử lý nềnphù hợp để tăng sức chịu tải của đất nền, giảm độ lún, đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho công trình. 4 Nếu sức chịu tải của đất nền không đáp ứng được tải trọng thiết kế của công trình, không đủ độ bền và biến dạng nhiều, do vậy không thể làm nền thiên niên cho công trình xây dựng thì gọi là nền đất yếu.
Trong thực tế xây dựng có rất nhiều công trình bị lún, sập hư hỏng công trình khi xây dựng trên nền đất yếu do không có những biện pháp xử lý nền phù hợp, không đánh giá chính xác được các tính chất cơ lý của nền đất. Do vậy việc đánh giá chính xác chặt chẽ các tính chất cơ lý của nền đất yếu (chủ yếu bằng các thí nghiệm trong phòng và hiện trường) để làm cơ sở đề và đề ra các giải pháp xử lý nền móng phù hợp là vấn đề hết sức khó khăn, nó đòi hỏi sự phối hợp hết sức chặt chẽ giữa kiến thức khoa học và kinh nghiệm thực tế để giải quyết giảm được tốiđa các sự cố, hư hỏng công trình khi xây dựng trên nền đất yếu.Đặc điểm của đất yếu Trong thực tế xây dựng, chúng thường gặp những loại đất yếu sau: đất sét yếu, đất cát yếu, bùn, than bùn vàđất than bùn. Đất sét yếu [1] Đất sét yếu có những đặc điểm riêng biệt, nhưng cũng có nhiều tính chất chung như các đất đá khác thuộc loại sét. Hạt sét và các khoáng vật sét: Trong đất sét gồm có 2 thành phần.
- Phần phân tán thô có kích thước >0,002. Chủ yếu có các khoáng chất nguồn gốc lục địa như thạch anh, fenspat. - Phần phân tán mịn gồm những hạt có kích thước rất bé (2-0,1µm) và keo (0,1 - 0,001µm). Những khoáng chất này quyết định tính chất cơ lý của đất sét.
Có nhiều khoáng chất sét nhưng thường gặp nhất là3nhóm điển hình: kaolimit, ilit và mômtmôrilôit. Đặc điểm của mạng tinh thể Kaolimit là tương đối bền, ổn định và ít có khả năng di động. 5 + Mômtmôrilôit m[Mg 3 (Si 4 O 10 )(OH)] x p [(Al,Fe) 2 (Si 4 O 10 )(OH) 2 ] nH 2 O phổ biến nhất là loại chứa ôxit nhôm. Khoáng chất nhóm mômtmôrilôit được tạo thành hầu như trong điều kiện ngoại sinh chủ yếu là trong quá trình phong hóa các đá phun trào kiềm trong điều kiện môi trường kiềm (pH = 7 – 8,5).
Mômtmôrilôit có mạng tinh thể kém bền vững và dễ xảy ra hiện tượng trương nở dưới đáy móng khi có mặt loại sét này. + Ilit K<Al 2 [(Si , Al) 4 O 10 ](OH) 2 nH 2 Olà một khoáng chất đại biểu của nhóm lớn hiđrômica. Được tạo thành trong nhiều điều kiện khác nhau nhưng chủ yếu là ở các môi trường kiềm (pH tới 9,5). Liên kết cấu trúc và sức chống cắt của đất sét.
Trong tự nhiên, đất loại sét luôn tồn tại 3 dạng liên kết cấu trúc, đó là: dạng chảy, dạng dẻo và dạng cứng, người ta chia thành hai loại : - Liên kết mềm: lực liên kết chủ yếu là lực liên kết phân tử, từ tính. liên kết này mềm dẻo và có thể hồi phục sau khi bị phá hoại (liên kết thuận nghịch). - Liên kết cứng: lực liên kết chủ yếu là liên kết ion, đồng hóa trị. liên kết này cứng, giòn, không hồi phục được khi bị phá hoại bằng cơ học (liên kết thuận nghịch).
Về lực dính của đất sét, N.Maxlov chia lực dính tổng cộng thành hai thành phần lực dính mềm và lực dính cứng (lực dính cấu trúc). Biểu thức sức chống cắt có dạng: τ pw = Ptgφw + C W (1.2) Trong đó: P: Ứng suất pháp tuyến. Ptgφw: Thành phần ma sát. φ: Góc ma sát trong của đất.
C W : Lực dính tổng cộng.3) ∑ W : Lực dính mềm ( lực dính có nguồn gốc keo nước). C c : Lực dính cứng (lực dính cấu trúc). Các đặc điểm khác của đất sét yếu: - Hiện tượng hấp thụ: Hiện tượng hấp thụ là khả năng hút nước từ môi trường xung quanh và giữ lại trên chúng những vật chất khác nhau: cứng, lỏng và hơi, những ion, phân tử và các hạt keo. Sự hấp thụ của đất sét có bản chất phức tạp và thường gồm một số quá trình sảy ra đồng thời.
- Tính dẻo: Tính dẻo là một trong những đặc điểm quan trọng của đất sét. Tính chất này biểu thị sự lưu động của đất sét ở một độ ẩm nào đó khi chịu tácdụng của ngoại lực và chứng tỏ rằng về mức độ biến dạng đất sét chiếm vị trí trung gian giữa thế cứng và thể lỏng hoặc chảy nhớt. Độ dẻo phụ thuộc vào nhiều nhân tố: mức độ phân tán và thành phần khoáng vật của đất, thành phần và độ khoáng hoá của dung dịch nước làm bão hòa đất. - Gradien ban đầu: Đất sét có đặc tính thẩm thấu khác thường: chỉ cho nước thấm qua khi gradien cột nước vượt quá một trị số nhất định nào đó.
Trị số đó gọi là gradien ban đầu. Gradien ban đầu là độ chênh lệch tối thiểu nào đó của áp lực cột nước, mà thấp hơn nó tốc độ thấm giảm xuống nhiều, rất bé và có thể coi như không thấm nước. - Đặc điểm biến dạng : Tính chất biến dạng của đất sét yếu do bản chất mối liên kết giữa các hạt của chúng quyết định. Có thể chia biến dạng của đất sét yếu ra các loại sau đây: + Biến dạng khôi phục, gồm biến dạng đàn hồi và biến dạng cấu trúc hấp phụ.
+ Biến dạng dư, chỉ gồm biến dạng cấu trúc. 7 Biến dạng của đất sét yếu là do sự phá hoại các mối liên kết cấu trúc và biến dạng các màng hấp phụ của nước liên kết gây nên. Các loại biến dạng chủ yếu của đất sét yếu là biến dạng cấu trúc và biến dạng cấu trúc hấp phụ. - Tính chất lưu biến: Đất sét yếu là một môi trường dẻo nhớt.
Chúng có tính dão (từ biến)và có khả năng thay đổi độ bền khi tải trọng tác dụng lâu dài. Khả năng này gọi là tính chất lưu biến. Hiện tượng dão trong đất sét yếu liên quan đến sự ép thoát nước tự dokhi nén chặt. Do vậy hiện tượng này liên quan với sự thay đổi mật độ kết cấu của đất do kết quả chuyển dịch, các hạt và các khối lên nhau, cũng như những thay đổi trong sự định hướng của các hạt và các khối đó với phươngtác dụng của tải trọng.
Đất cát yếu Cát được hình thành tạo ở biển hoặc vũng, vịnh. Về thành phần khoáng vật, cát chủ yếu là thạch anh, đôi khi có lẫn tạp chất. Cát gồm những hạt có kích thước 0,05 – 2mm. Cát được coi là yếu khi cỡ hạt thuộc loại nhỏ, mịn trở xuống, đồng thời có kết cấu rời rạc, ở trạng thái bão hòa nước, có thể bị nén chặt và hóa lỏng đáng kể, chứa nhiều di tích hữu cơ và chất lẫn sét.
Những loại cát đó khi chịu tác dụng rung hoặc chấn động thì trở thành trạng thái lỏng nhớt, gọi là cát chảy [1]. Đặc điểm quan trọng nhất của cát là bị nén chặt nhanh, có độ thấm nước rất lớn. Khi cát gồm những hạt nhỏ, nhiều hữu cơ và bão hòa nước thì chúng trở thành cát chảy, hiện tượng này đôi khi rất nguy hiểm cho công trình và cho công tác thi công. Cần lưu ý 2 hiện tượng nguy hiểm đối với cát yếu : - Biến loãng.
Bùn, than bùn và đất than bùn Bùn là những trầm tích hiện đại, được thành tạo chủ yếu do kết quả tích lũy các vật liệu phân tán mịn bằng cơ học hoặc hoá học ở đáy biển, đáy hồ, bãi lầy… Bùn chỉ liên quan với các chỗ chứa nước, là các trầm tích mới lắng đọng, no nước và rất yếu về mặt 8 chịu lực. Theo thành phần hạt, bùn có thể là cát pha sét, sét pha cát, sét và cũngcó thể là cát, nhưng chỉ là cát nhỏ trở xuống [2] Độ bền của bùn rất bé, vì vậy việc phân tích sức chống cắt (SCC) thành lực ma sát và lực dính là không hợp lý. SCC của bùn phụ thuộc vào tốc độ phát triển biến dạng. Chỉ khi bùn mất nước, mới cóthể cho góc ma sát.
Việc xây dựng các công trình trên bùn chỉ có thể thực hiện sau khi đã tiến hành các biện pháp xử lý nền. Than bùn là đất có nguồn gốc hữu cơ, thành tạo do kết quả phân hủy các di tích hữu cơ, chủ yếu là thực vật, tại các bãi lầy và những nơi bị hóa lầy. Đất loại này chứa các hỗn hợp vật liệu sét và cát. Trong điều kiện thế nằm thiên nhiên, than bùn có độ ẩm cao 85 – 95% hoặc cao hơn tùy theo thành phần khoáng vật, mức độ phân hủy, mức độ thoát nước…Than bùn là loại đất bị nén lún lâu dài, không đều và mạnh nhất.