Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG Ở KHU VỰC THÀNH PHỐ CẦN THƠ 1.1 Đất yếu ở khu vực thành phố Cần Thơ 1.1 Khái niệm về đất yếu Đất yếu là loại đất có khả năng chịu tải nhỏ (khoảng 0,5 – 1 daN/cm2), có tính nén lún lớn, hầu như bão hòa nước, có hệ số rỗng lớn (e>1), modul biến dạng nhỏ (thường E0 = 50 daN/cm2), khả năng kháng cắt yếu… Nếu không có những biện pháp xử lý thích hợp thì việc xây dựng công trình trên đất yếu này sẽ rất khó khăn hoặc không thể thực hiện được cũng như không đáp ứng yêu cầu về mặt kỹ thuật, chất lượng, tuổi thọ công trình. Đất yếu có thể là đất sét yếu, đất cát yếu, bùn, than bùn và đất hữu cơ, đất thải… Đất yếu được thành tạo ở lục địa (tàn tích, sườn tích, lũ tích, lở tích, do gió, do lầy, do con người), ở vùng vịnh (cửa sông, tam giác châu, vịnh biển) hoặc ở biển (khu vực nước nông, sâu không quá 200m, thềm lục địa, sâu 200-3000m, biển sâu, trên 3000m). Chiều dày lớp đất yếu thay đổi, có thể từ vài mét đến 35-40m.2 Cấu trúc địa chất và phân bố đất yếu ở khu vực thành phố Cần Thơ Thành phố Cần Thơ nói riêng và vùng Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) nói chung có dạng bồn trũng theo hướng Tây Bắc – Đông Nam. Trung tâm bồn trũng là vùng kẹp giữa sông Tiền và sông Hậu.
Khu vực có móng đá sâu đến 900m. Vây quanh vùng trung tâm là các vùng cánh của bồn trũng và xa hơn là các đới nâng cao của móng đá lộ ra ở tỉnh Bình Dương, tỉnh Đồng Nai, tỉnh Tây Ninh. Bên kia là núi đá ở Hà Tiên tỉnh An Giang và Vịnh Thái Lan. Phủ trên lớp đá gốc là tập hợp các thành tạo bở rời có tuổi từ Neogen đệ tứ, trên cùng là lớp trầm tích trẻ có tuổi khoảng 15000 năm có chiều sâu tới 110m.
Đây cũng chính là tầng đất yếu trên mặt, móng của các công trình chủ yếu đặt trên tầng này.1: Cột địa tầng tổng hợp vùng đồng bằng sông Cửu Long Dựa trên đặc điểm địa chất của vùng ĐBSCL có thể chia thành 03 khu vực theo chiều dày lớp đất yếu: * Khu vực có lớp đất yếu dày từ 1m đến 30m: bao gồm các vùng ven thành phố Hồ Chí Minh, thượng nguồn sông Vàm Cỏ Tây, Vàm Cỏ Đông, phía tây -5- Đồng Tháp Mười, rìa quanh vùng Bảy Núi cho tới vùng ven biển Hà Tiên, Rạch Giá, rìa đông bắc đồng bằng từ Vũng Tàu đến Biên Hòa. * Khu vực có lớp đất yếu dày từ 5m đến 30m: phân bố kế cận khu vực trên và chiếm đại bộ phận vùng đồng bằng và khu trung Đồng Tháp Mười. * Khu vực có lớp đất yếu dày từ 15m đến 100m chủ yếu thuộc các tỉnh Vĩnh Long, Trà Vinh, Bến Tre, tới vùng duyên hải tỉnh Cà Mau, Tiền Giang, Cần Thơ, Sóc Trăng.2 Tổng quan về những giải pháp cải tạo đất yếu - Các giải pháp cơ học: bao gồm các phương pháp làm chặt bằng đầm, đầm chấn động, phương pháp làm chặt bằng giếng cát, các loại cọc (cọc cát, cọc đất, cọc vôi…), phương pháp thay đất, phương pháp nén trước, phương pháp vải địa kỹ thuật, phương pháp đệm cát… - Các giải pháp vật lý: gồm các phương pháp hạ mực nước ngầm, phương pháp dùng giếng cát, phương pháp bấc thấm, điện thấm… - Các giải pháp hóa học: gồm các phương pháp keo kết đất bằng xi măng, vữa xi măng, phương pháp silicat hóa, phương pháp điện hóa… 1.3 Một số giải pháp cải tạo nền đất yếu hiện nay ở ĐBSCL 1.1 Giải pháp cọc tre, cọc tràm Đây là phương pháp thông dụng, truyền thống để xử lý nền đất yếu ở ĐBSCL. Là giải pháp kinh tế cho công trình có điều kiện đất nền và tải trọng tương đối thuận lợi.
Do sự giới hạn của chiều dài cọc (3m đến 6m) nên việc sử dụng cho nhiều loại công trình bị hạn chế. Giải pháp này chỉ có tác dụng cho công trình nhà ở độc lập, các công trình trên nền đất yếu có chiều dày lớp đất yếu và chiều rộng đất đắp nhỏ.2 Giải pháp đệm cát Đây là giải pháp khi lớp đất yếu có chiều dày không lớn, nằm trực tiếp dưới nền đắp thì có thể áp dụng biện pháp đào bỏ một phần đất yếu bề mặt và thay bằng lớp cát hạt trung hoặc hạt thô. -6- Lớp đệm cát có tác dụng tăng tốc độ cố kết của nền đất yếu sau khi đắp đất để tăng cường độ chống cắt của đất yếu dẫn đến tăng sức chịu tải của đất nền, làm tăng khả năng ổn định của công trình kể cả khi có cả tải trọng ngang tác dụng vì cát được nén chặt sẽ tăng lực ma sát và tăng khả năng chống trượt. Lớp đệm cát còn có tác dụng cải tạo sự phân bố ứng suất lên đất yếu.
Đệm cát thường được sử dụng kết hợp với vải địa kỹ thuật để hạn chế sự chìm lắng hạt cát vừa không lẫn đất bụi. Biện pháp này sử dụng thích hợp trong điều kiện: - Tải trọng đắp không quá lớn. - Lớp đất yếu không quá dày (<3m). - Có sẵn vật liệu cát tại địa phương.
Cấu tạo đệm cát: Hình 1.2: Phương pháp đệm cát - Chiều rộng đệm cát (Lđc) được xác định theo vùng hoạt động của đường đồng ứng suất σz = 0,1q - Chiều dày đệm cát (Hđc) theo kinh nghiệm có thể xác định chiều dày đệm cát theo giá trị độ lún của nền đắp như sau: Độ lún của nền đắp (m) 1,5 1,5 ÷ 2,0 >2 Chiều dày lớp đệm cát (m) 0,8 1,0 1,2 -7- Hình 1.3: Vùng hoạt động của vùng đồng ứng suất b. Ưu, nhược điểm của phương pháp: * Ưu điểm: Do thi công đơn giản, không cần nhiều thiết bị đặc biệt nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi. * Nhược điểm: Đệm cát không nên sử dụng trong các trường hợp: - Lớp đất yếu quá dày (Hđy>3m) trong trường hợp này việc thiết kế đệm cát sẽ không kinh tế và khó thi công, khi đó cần kết hợp đệm cát với biện pháp xử lí nền khác: cừ tràm, giếng cát, bấc thấm,… - Khi mực nước ngầm cao và nước có áp, sự xói ngầm sẽ làm tầng đệm cát không ổn định.3 Giải pháp giếng cát Đối với nền đất yếu có hệ số thấm nhỏ, thời gian để hoàn thành giai đoạn cố kết thứ nhất sẽ rất lớn. Có thể kéo dài hàng chục năm.
Để rút ngắn thời gian cố kết, người ta thường dùng các thiết bị tiêu nước thẳng đứng như bấc thấm, giếng cát,…kết hợp với gia tải trước bằng tải trọng phụ tạm thời hay bơm hút chân không. Giếng cát là thiết bị tiêu nước thẳng đứng được dùng sớm nhất để tăng tốc độ cố kết của nền đất yếu. Trong cấu tạo đất nền có bố trí giếng cát và gia tải trước, -8- nhờ gradient thủy lực tạo ra do nén trước, nước lỗ rỗng chủ yếu thoát theo phương ngang về phía tâm giếng cát, sau đó chảy tự do theo phương thẳng đứng dọc theo giếng cát về phía các lớp đất dễ thấm nước. Nhờ có hệ thống giếng cát trong nền đất yếu sẽ giúp rút ngắn chiều dài đường thấm, giảm thời gian cố kết dẫn đến tăng nhanh khả năng chịu tải của đất nền theo thời gian.
Cấu tạo hệ thống giếng cát: Hình 1.4 Xử lý nền đất yếu bằng giếng cát *Đệm cát: - Thường dùng cát hạt trung, cát thô. - Chiều dày lớp đệm cát có thể xác định theo giá trị độ lún của nền đắp. Độ lún của nền đắp (m) 1,5 1,5 ÷ 2,0 >2 Chiều dày lớp đệm cát (m) 0,8 1,0 1,2 *Giếng cát: - Thường dùng cát hạt trung, cát thô. - Đường kính giếng cát dw= (20÷60)cm.
- Chiều sâu giếng cát bằng chiều dày vùng hoạt động chịu nén của đất nền L = Ha trong đó: Ha là vùng hoạt động chịu nén của đất nền ứng với σz=0,1γZ - Khoảng cách giữa các giếng cát: thường bố trí theo lưới tam giác đều có a = 1. -9- - Vùng ảnh hưởng về thoát nước xung quanh giếng cát được xem như hình tròn với đường kính là De; S: khoảng cách giữa hai tim giếng cát. - Nếu bố trí giếng cát theo lưới tam giác đều: De = 1,05 S - Nếu bố trí giếng cát theo lưới ô vuông: De = 1,13 S *Tải trọng phụ tạm thời: Thường dùng bằng cát, nhằm tạo ra quá trình nén trước nền đất trước khi đặt tải trọng công trình. Tải trọng phụ thường được đặt theo từng giai đoạn gia tải, căn cứ vào khả năng chịu tải của đất nền.
Yêu cầu tổng tải trọng nén trước phải tạo ra ứng suất lớn hơn áp lực tiền cố kết trong đất nền thì quá trình cố kết mới xảy ra. Phạm vi chịu tải phụ thuộc vào kích thước đệm cát. Ưu, nhược điểm của phương pháp: *Ưu điểm: - Thích hợp với những khu vực có sẵn vật liệu (cát), dễ khai thác. - 10 - - Tốc độ cố kết của đất nền nhanh hơn phương pháp dùng bệ phản áp hay cừ tràm,.
*Nhược điểm: - Giá thành cao. - Chỉ nên dùng ở công trường có mặt bằng thi công lớn.4 Giải pháp bấc thấm Bấc thấm cũng có tác dụng như giếng cát là làm tăng nhanh tốc độ cố kết dẫn đến rút ngắn thời gian đạt độ lún ổn định của nền đất yếu, tăng sức chịu tải của đất nền, giảm thời gian thi công xây dựng công trình. Cấu tạo hệ thống bấc thấm: Hình 1.5: Xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm Để tiện việc tính toán, xem mặt cắt ngang bấc thấm tương đương có dạng hình tròn đường kính dw. Theo Rixner và Hansbo: a+b dw = với a ≈ 100 mm b ≈ (3 ÷ 7)m 2 - 11 - Hình 1.6: Mặt cắt ngang bấc thấm tương đương - Vùng ảnh hưởng về thoát nước xung quanh bấc thấm được xem như hình tròn với đường kính là De; S: khoảng cách giữa hai tim bấc thấm.
- Nếu bố trí bấc thấm theo lưới tam giác đều: De = 1,05 S - Nếu bố trí bấc thấm theo lưới ô vuông: De = 1,13 S b. Ưu, nhược điểm của phương pháp: *Ưu điểm: - Thi công nhanh do được lắp đặt hoàn toàn bằng máy. - Giá thành rẻ hơn phương pháp giếng cát. - Bấc thấm được chế tạo sẵn trong nhà máy nên có thể sản xuất được khối lượng lớn.
*Nhược điểm: - Cần máy chuyên dùng đặt biệt. - Khả năng thoát nước của bấc thấm có thể bị giảm khi chiều sâu cắm bấc thấm lớn (>20m) do: + Áp lực hông tăng làm ép sát bộ lọc vào ống lõi dẫn đến giảm tiết diện ngang của lòng dẫn trong bấc thấm.
