Phần mở đầu Chương II: Các giải pháp xây dựng nền đắp trên đất yếu. Chương III: Một số giải pháp xử lý nền đất yếu đã áp dụng ở thành phố Cần Thơ Chương IV: Nghiên cứu lựa chọn giải pháp xử lý nền đất yếu trong xây dựng đường ô tô ở Cần Thơ. Chương V : Kết luận, kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo. Nguyễn Chiến Mạnh – Lớp XDCT GT khóa 15 Cần Thơ Trang 9 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật CHƯƠNG II: CÁC GIẢI PHÁP XÂY DỰNG NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU A.
KHÁI NIỆM, NGUỒN GỐC VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA ĐẤT YẾU I. KHÁI NIỆM VÀ NGUỒN GỐC CỦA ĐẤT YẾU Các nhà nghiên cứu khoa học khái niệm chung về đất yếu như sau : đất yếu là những loại đất có khả năng chịu lực nhỏ, có tính nén lún lớn, hầu như bão hòa nước, có hệ số rỗng lớn, mô đun biến dạng thấp, trị số sức kháng cắt không đáng kể, nếu không áp dụng các giải pháp xử lý thích hợp thì xây dựng công trình trên nền đất yếu này sẽ rất khó khăn và không thực hiện được do không đảm bảo công trình. Tùy thuộc vào nguồn gốc và quá trình hình thành, điều kiện địa lý, khí hậu có thể hình thành các loại đất yếu khác nhau. Loại thường gặp là các trầm tích ven biển, đồng bằng châu thổ, có nguồn gốc khoáng vật sét hoặc á sét, có thể lẫn hữu cơ từ 10-12%.
Loại được hình thành từ đầm lầy, nơi nước đọng thường xuyên, có nguồn gốc hữu cơ phân hủy từ các loại thực vật thường gọi là đất than bùn, hàm lượng hữu cơ chiếm 20 – 80%, có cấu trúc không mịn bao gồm từ các vật lắng hữu cơ lẫn với các trầm tích khoáng vật. Ngoài ra ở các vùng thung lũng hoặc lòng sông còn bắt gặp các dạng đất yếu như bùn cát hoặc bùn cát mịn. Khi nghiên cứu về đất yếu để làm nền móng công trình xây dựng, người ta nhận thấy đất yếu có chung những đặc tính sau đây : Độ ẩm tự nhiên (Wtn) thường rất cao, bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy (Wch). Giới hạn chảy tùy thuộc vào nguồn gốc hình thành và thành phần khoáng tạo nên chúng, thường dao động trong khoảng 30 – 40%, thậm chí khoảng 60%.
Dung trọng khô tự nhiên thấp nhỏ hơn 1g/cm3. Hệ số rỗng lớn hơn 1 (với sét e ≥ 1,5; với á sét e ≥ 1). Về thành phần hạt thì đất yếu bao gồm các loại hạt có kích cỡ rất nhỏ, thậm chí rất mịn, tỉ lệ phần trăm các hạt có kích cỡ nhỏ hơn 2mm lớn. Cường độ chống cắt của đất dính thường rất nhỏ và phụ thuộc vào đất dính và góc ma sát của nó.
Lực dính C theo kết quả cắt nhanh không thoát nước từ 0,15 daN/cm2 trở xuống, lực dính từ kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường Cu thường nhỏ hơn 0,35daN/cm2, góc nội ma sát từ 0 – 100. Tính biến dạng của đất dính phụ thuộc vào đặc điểm kết cấu và sự liên kết giữa các hạt đất với nhau. Đất càng yếu, chỉ số nén lún của nó càng cao (với sét cứng vừa từ 0,25 – 0,8 daN/cm2, với sét mềm từ 0,8 – 2,5 daN/cm2). Nguyễn Chiến Mạnh – Lớp XDCT GT khóa 15 Cần Thơ Trang 10 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Một số dặc trưng vật lý của các loại đất yếu : Đặc trưng vật lý Loại đất Hệ số rỗng Độ sệt Cát > 0,65 - Cát pha sét và sét pha cát > 0,70 >0,5 Sét >0,60 >0,6 Bùn các loại >1,00 >1,00 Phân loại nền đất yếu (theo Kamon va Bergado 1991) Điều kiện N qu qc Hàm lượng Công trình nền đất (SPT) (kPa) (kPa) nước(%) Đường A : Rất yếu <2 <25 <125 B : Yếu 2-4 25-50 125-250 C : Bình thường 4-8 50-100 250-500 Đường cao tốc A : Đất than bùn <4 <50 >100 B : Đất sét <4 <50 >50 C : Đất cát <10 - >30 Đường sắt (chiều dày lớp) >2m 0 <200 >5m <2 200-500 >10m <4 Đường sắt cao tốc A <3 B 2-5 Nguyễn Chiến Mạnh – Lớp XDCT GT khóa 15 Cần Thơ Trang 11 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Đê sông A : Đất sét <3 <60 >40 B : Đất cát <10 Đập đất đắp <20 Nguồn gốc của sự hình thành đất trên bề mặt vỏ trái đất chủ yếu dựa vào hai quá trình : Quá trình phong hóa và quá trình trầm tích.
Với quá trình phong hóa, đất đá được hình thành chủ yếu là do phong hóa vật lý và phong hóa hóa học. Sau phong hóa là quá trình trầm tích, tạo thành các lớp đất trên bề mặt vỏ trái đất. Với phong hóa vật lý, đất được hình thành chủ yếu là các loại cuội sỏi, đá dăm, cát các loại. Những loại đất này thường có đường kính lớn và không đều nhau, có thành phần khoáng vật giống như đá gốc, do đó các loại đất này không thể hình thành các loại đất yếu được.
Ngược lại phong hóa hóa học tạo ra những sản phẩm có đường kính nhỏ và đều nhau, thành phần khoáng vật hoàn toàn khác hẳn với đá gốc. Khi bị nước và gió cuốn đi xa, lắng đọng lại tạo thành các lớp đất sét, sét pha và cát pha. Vì đất sét là loại đất gồm những hạt có đường kính nhỏ nên tỷ diện càng lớn, do vậy diện tích tiếp xúc của các hạt với nhau và với nước xung quanh chúng cũng lớn. Mặt khác trên bề mặt các hạt sét thường có điện tích âm, do đó giữa các hạt sẽ hình thành các lực tĩnh điện và giữa hạt sét với nước bao quanh nó cũng hình thành lưc tĩnh điện tương tự.
Vì thế độ rỗng của đất lớn và việc tách các phần tử nước (H+ và OH-) ra khỏi hạt đất là rất khó khăn, đó chính là nguyên nhân hình thành các tầng đất yếu. CÁC LOẠI ĐẤT YẾU THƯỜNG GẶP VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA CHÚNG 1. Đất sét mềm Theo quan điểm Địa kỹ thuật thì không có sự phân biệt rõ ràng giữa đất sét mềm và bùn. Tuy nhiên ở đây ta hiểu đất sét mềm là các loại đất sét hoặc á sét tương đối chặt, bão hòa nước và có cường độ cao hơn bùn.
Đất sét mềm có những đặc điểm riêng biệt nhưng cũng có những tính chất chung của các đất thuộc loại sét, đó là sản phẩm ở giai đoạn đầu của quá trình hình thành đất đá loại sét. Đất sét gồm chủ yếu là các hạt nhỏ như thạch anh, fensfat (phần phân tán thô) và các khoáng vật sét (phần phân tán mịn). Các khoáng vật sét này là các silicat alumin có thể chứa các ion Mg, K, Na, Ca, Fe … chia thành ba loại chính Ilit, Kaolinit, Monmorilonit đất là những khoáng vật làm cho đất sét có những đặc tính riêng của nó. Nguyễn Chiến Mạnh – Lớp XDCT GT khóa 15 Cần Thơ Trang 12 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Ilit là một khoáng vật đại biểu của nhóm Hiđromica, Hiđromica được thành tạo chủ yếu ở môi trường kiềm (pH tới 9,5), trung tính và axít yếu, luôn chứa khá nhiều Kali trong dung dịch.
Về cấu tạo mạng tinh thể, Ilit chiếm vị trí trung gian giữa Kaolinit và Monmorilonit. Kaolinit được thành tạo do phong hóa đá phún xuất, đá biến chất và đá trầm tích trong điều kiện khí hậu khác nhau nhưng nhất thiết phải ẩm. Đặc điểm của mạng tinh thể Kaolinit là tương đối bền, ổn định. Monmorilonit phổ biến nhất là loại chứa ôxít nhôm, cấu tạo mạng tinh thể gần giống Kaolinit nhưng kém bền, nước dễ xuyên vào gây trương nở mạnh.
Monmorilonit được thành tạo chủ yếu trong quá trình phong hóa đá phún xuất trong điều kiện môi trường kiềm (pH = 7-8,5), khí hậu khô, ôn hòa và ẩm. Monmorilonit cũng có thể phát sinh ở biển trong điều kiện môi trường kiềm. Các khoáng vật sét là dấu hiệu biểu thị các điều kiện môi trường mà nó thành tạo và có ảnh hưởng quyết định đến các tính chất cơ lý của đất sét. Vì vậy khi đánh giá đất sét về mặt địa chất công trình cần nghiên cứu thành phần khoáng vật sét (phần phân tán mịn) của nó.
Trong trường hợp chung đất sét là một hệ phân tán ba pha (hạt khoáng, nước lỗ rỗng và khí), tuy nhiên do đất sét yếu thường bão hòa nước nên có thể xem là một hệ 2 pha: cốt đất và nước lỗ rỗng. Các hạt sét và các hoạt tính của chúng với nước trong đất làm cho đất sét mang những tính chất mà những loại đất khác không có : Tính dẻo và sự tồn tại của Gradient thủy lực ban đầu, khả năng hấp thu, tính chất lưu biến … từ đó mà đất sét có những đặc điểm riêng về cường độ, tính biến dạng. Một trong những đặc điểm quan trọng của đất sét mềm là tính dẻo. Nhân tố chủ yếu chi phối độ dẻo là thành phần khoáng vật của nhóm hạt có kích thước nhỏ hơn 0,002mm và hoạt tính của chúng với nước.
Sét Kaolinit có chỉ số dẻo từ 1 – 40, sét Hiđromica : 25 – 40, sét Monmorilonit từ 44 – 600. Trong thực tế xây dựng thường dùng các giới hạn Atterberg để đánh giá độ dẻo của đất sét : Ip = Wl – Wp Trong đó : Wl : Độ ẩm giới han chảy Wp : Độ ẩm giới hạn dẻo Để đánh giá trạng thái của đất người ta dùng độ sệt Il Nguyễn Chiến Mạnh – Lớp XDCT GT khóa 15 Cần Thơ Trang 13 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật W Wp Il = Wl Wp W : là độ ẩm của đất cần đánh giá trạng thái. Khi : Il ≤0 Đất ở trạng thái cứng 0<Il ≤0,25 Đất ở trạng thái nửa cứng 0,25<Il ≤0,5 Đất ở trạng thái dẻo cứng 0,5<Il ≤0,75 Đất ở trạng thái dẻo mềm 0,75<Il ≤1 Đất ở trạng thái dẻo chảy 1<Il Đất ở trạng thái chảy Theo cách phân loại này thì đất sét mềm có trạng thái từ dẻo chảy đến chảy Một trong những tính chất quan trọng nữa của đất sét là độ bền cấu trúc (hay cường độ kết cấu) của chúng. Khi tải trọng truyền lên đất nhỏ hơn độ bền kết cấu thì biến dạng rất nhỏ có thể bỏ qua, còn khi vượt quá qkc thì quan hệ giữa hệ số rỗng và áp lực bắt đầu có độ dốc lớn.
Trị số qkc của đất sét mềm vào khoảng qkc = 0,2 – 0,3 daN/cm2. Tính chất lưu biến cũng là một tính chất quan trọng của đất sét yếu. Đất sét yếu là một môi trường dẻo nhớt. Chúng có tính từ biến và có khả năng thay đổi độ bền khi chịu tác dụng lâu dài của tải trọng, khả năng đó gọi là tính lưu biến.