MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài. Trong xu thế hội nhập và phát triển ngày này, việc xây dựng tuyến đường sắt là một công trình trọng điểm trong việc phát triển kinh tế ở nước ta. Những tuyến đường sắt có nhiều đoạn nằm trên nền đất yếu.
Vì vậy, giải pháp xử lý nền đất yếu là hết sức quan trọng, quyết định đến tính khả thi của dự án. Cùng với những tiến bộ về khoa học kỹ thuật nói chung, xử lý nền đất yếu ngày càng được cải tiến và hoàn thiện. Hiện nay, có nhiều giải pháp để xử lý nền đất yếu như: cọc cát, vải địa kỹ thuật kết hợp gia tải trước, hút chân không, cọc xi măng đất, cọc tre, cọc tràm, cọc bê tông cốt thép., mỗi giải pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Vì vậy, việc lựa chọn giải pháp tối ưu nhất về kinh tế, kỹ thuật đòi hỏi người thiết kế phải tính toán và so sánh giữa các giải pháp xử lý nền đất yếu với nhau.
Dự án tuyến đường sắt lý trình KM112 đến KM112+550 từ Nam Định đi Ninh Bình nằm trên nền đất yếu. Để tuyến đường có độ ổn định cao, sử dụng lâu dài và giảm giá thành xây dựng thì mục đích đặt ra là phải nghiên cứu, lựa chọn giải pháp xử lý nền móng tối ưu nhất. Thực tế giải pháp xử lý công trình hiện nay có nhiều giải pháp xử lý nền công trình. Các giải pháp này phụ thuộc vào nhiều điều kiện xung quanh vì vậy mà mức độ ổn định cũng như giá thành xây dựng khác nhau nhiều.
Giải pháp sử dụng cọc xi măng đất trong đất để xử lý nền là một trong những giải pháp mới được áp dụng ở nước ta. Tuy chưa ở mức độ phổ biến nhưng đã phản ánh nhiều ưu điểm vượt trội của giải pháp. Vì vậy Đề tài “Nghiên cứu giải pháp gia cố nền đường bằng cọc xi măng đất. Ứng dụng xử lý nền đường sắt, lý trình KM 112 đến KM 112+ 0” có tính khoa học và thực tiễn, giải quyết cấp bách tình trạng thực tế xây dựng hiện nay.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. - Giải pháp kỹ thuật gia cố nền bằng cọc xi măng đất 1 - Ứng dụng xử lý nền đường sắt, lý trình KM 112 đến KM 112+550 3. Các tiếp cận và phương pháp nghiên cứu. - Thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu thực tế (tài liệu khảo sát địa chất, tài liệu thiết kế, tài liệu hoàn công…) để làm rõ nguyên nhân gây mất ổn định nền đường.
- Phân tích lý thuyết gia cố nền bằng cọc xi măng đất và nguyên tắc thiết kế tính toán - Mô hình hóa bài toán ứng dụng. Kết quả dự kiến đạt được. - Phân tích cơ sở khoa học nguyên nhân dẫn đến sự cố mất ổn định nền công trình; - Tổng hợp cơ sở lý thuyết nghiên cứu gia cố nền bằng cọc xi măng đất; - Ứng dụng giải pháp gia cố nền bằng cọc xi măng đất cho công trình thực tế. TỔNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP GIA CỐ NỀN BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 1.
Nguyên nhân gây mất ổn định nền công trình. Nền công trình là điều kiện tiên quyết để công trình tồn tại lâu dài trong suốt quá trình sử dụng, nền phải ổn định, chịu được tải trọng lâu dài và có sự biến dạng trong giới hạn cho phép. Nền công trình mất ổn định do nền đất yếu. Nền đất yếu đến nay chưa có khái niệm chính thức, nhưng cơ bản là nền đất không đủ sức chịu tải, không đủ độ bền và biến dạng nhiều, do vậy không thể làm nền thiên nhiên cho công trình xây dựng.
Khi thi công các công trình xây dựng gặp các loại nền đất yếu, tùy thuộc vào tính chất của lớp đất yếu, đặc điểm cấu tạo của công trình mà người ta dùng phương pháp xử lý nền phù hợp để tăng sức chịu tải của nền dất, giảm độ lún, đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho công trình. a) 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 gồm 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 các 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 cầu hạt rời rạc, có thể bị nén chặt hoặc pha loãng đáng kể, loại đất này khi có tải trọng động thì chuyển sang trạng thái chảy gọi là cát chảy; 3 - Đất bazan là loại đất yếu có độ rỗng lớn, dung trọng khô bé, khả năng thấm nước cao, dễ bị lún sụt [25]. b) Một số đặc điểm của nền đất yếu: - Thuộc loại nền đất yếu thường là đất sét có lẫn nhiều hữu cơ; - Sức chịu tải bé từ 0, - 1 kG/cm2; - Đất có tính nén lún lớn: a > 0,1 cm2/kG; - Hệ số rỗng lớn: e > 1; - Độ sệt lớn: B > 1; - Mô đun biến dạng bé: E < 0 kG/cm2; - Khả năng chống cắt, thấm nước bé; - Hàm lượng nước trong đất cao, độ bão hòa nước G > 0,8, dung trọng bé. Các loại đất yếu nói trên sức chịu tải rất nhỏ không thể đặt trực tiếp công trình lên đó vì dễ bị mất ổn định hoặc có độ lún lớn gây phá hoại vì nứt vỡ.
Độ lún của công trình có khi lớn đến hàng mét, nếu không có biện pháp xử lý thích đáng thì không đảm bảo sử dụng an toàn [25].Nền công trình mất ổn định do sai sót trong giai đoạn khảo sát. Trong thực tế xây dựng, có rất nhiều công trình bị lún, sập khi xây dựng trên nền đất yếu do có sai sót trong hoạt động khảo sát xây dựng từ đó không có những biện pháp xử lý hiệu quả, không đánh giá chính xác được các tính chất cơ lý của nền đất để làm cơ sở và đề ra các giải pháp xử lý nền móng phù hợp. Không phát hiện được hoặc phát hiện không đầy đủ quy luật phân bố không gian (theo chiều rộng và chiều sâu) các phân vị địa tầng, đặc biệt các đất yếu hoặc các đới yếu trong khu vực xây dựng và khu vực liên quan khác. 4 Đánh giá không chính xác các đặc trung tính chất xây dựng của các phân vị địa tầng có mặt trong khu vực xây dựng, thiếu sự hiểu biết về nền đất hoặc do công tác khảo sát địa kỹ thuật sơ sài, đánh gia sai về các chỉ tiêu cơ lý của nền đất.
Không phát hiện được sự phát sinh và chiều hướng phát triển của các quá trình địa kỹ thuật có thể dẫn tới sự mất ổn định của nền công trình xây dựng như động đất,… Không điều tra, khảo sát các công trình lân cận đã xây dựng trước đó, tham khảo các khảo sát địa chất nền của các công trình đó để từ đó xác định một cách chính xác các tầng đất, tính chất cơ lý của đất trong và gần phạm vi xây dựng công trình. Đây là một vấn đề hết sức khó khăn, đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa kiến thức khoa học và kinh nghiệm thực tế để giải quyết, giảm được tối đa các sự cố, hư hỏng của công trình khi xây dựng trên nền đất yếu.Mất ổn định do tác động tải trọng. Tải trọng là các loại ngoại lực tác dụng xuống nền. Đó là trọng lượng bản thân các bộ phận công trình và các tác động lâu dài và tạm thời trong thời gian sử dụng công trình.
Dưới tác dụng của tải trọng công trình và trọng lượng bản thân của đất, nền sẽ bị biến dạng và làm cho công trình bị lún. Trong nhiều trường hợp tải trọng công trình tác dụng chưa đạt đến giới hạn về cường độ nhưng đất nền đã bị biến dạng quá lớn làm ảnh hưởng đến sự làm việc bình thường của công trình. Độ lún mà toàn bộ công trình mà đều thì không gây những ứng suất phụ thêm trong kết cấu của nó, nhưng khi độ lún của từng phần công trình mà khác nhau thì sẽ gây ra các ứng suất phụ cho móng và kết cấu bên trên ảnh hưởng xấu đến độ bền công trình. Vì vậy khi thiết kế cần phải khống chế độ lún tuyệt đối cũng như độ lún không đều giữa các bộ phận của công trình trong một giới hạn cho phép.
Các giải pháp gia cường nền đường. Khi xây dựng các công trình dân dụng, cầu đường, thường gặp các loại nền đất yếu, tùy thuộc vào tính chất của lớp đất yếu, đặc điểm cấu tạo của công trình mà người ta dùng phương pháp xử lý nền móng cho phù hợp để tăng sức chịu tải của nền đất, giảm độ lún, đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho công trình. 5 Xử lý nền đường nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải của nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số modun biến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất,…. Các vấn đề cần đặt ra với nền đất yếu.
Các công trình và móng của đường, nhà cửa và các dạng công trình khác đặt trên nền đất yếu đặt ra các vấn đề sau: - Độ lún: Độ lún có trị số lớn, ma sát âm tác dụng lên cọc do tính nén của nền đất. - Độ ổn định: Sức chịu tải của móng, độ ổn định của nền đắp, ổn định mái dốc, áp lực đất lên tường chắn, sức chịu tải của cọc. - Thấm: Hiện tượng cát xủi, thấm thấu, phá hỏng nền do bài toán thấm và dưới tác dụng của áp lực nước (đối với nền đường thì ít xét đến vần đề này). - Hóa lỏng: Đất bị hóa lỏng do tải trọng của tàu hỏa, ô tô và động đất[25].
Một số biện pháp xử lý nền hay dùng trong ngành xây dựng cầu đường. Các biện pháp cải tạo sự phân bố ứng suất của nền. a) Phương pháp thay đất (đệm cát). Đệm cát thường sử dụng khi lớp đất yếu ở trạng thái bão hòa nước như sét nhão; cát pha bão hòa nước, sét pha nhão; bùn; than bùn có chiều dày lớp đất cần thay thế không lớn lắm (nhỏ hơn 3m).
Người ta bóc bỏ các lớp đất yếu này và thay thế bằng lớp cát có khả năng chịu lực lớn hơn.