Nghiên cứu giải pháp xử lý nền đường đắp cao trong điều kiện đất yếu tại đồng bằng sông Cửu Long

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng phân tích giải pháp xử lý nền đường đắp cao trong điều kiện đất yếu tại đồng bằng sông Cửu Long.

• Tác giả: Đỗ Thanh Tùng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Tâm
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Cầu – hầm
• Đề tài: Giải Pháp Xử Lý Nền Đường Đắp Cao Trong Đất Yếu Đồng Bằng Sông Cửu Long
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2007
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan tình hình xây dựng đường trên đất yếu và biện pháp xử lý nền đường

Đồng bằng sông Cửu Long là khu vực có điều kiện địa chất yếu, thường xuyên bị ngập lụt. Việc xây dựng đường đắp cao trong khu vực này gặp nhiều khó khăn. Các công trình giao thông thường xuyên phải đối mặt với hiện tượng lún, gây ảnh hưởng đến an toàn và hiệu quả sử dụng. Giải pháp xử lý nền đường là một yêu cầu cấp thiết nhằm đảm bảo độ ổn định và an toàn cho các công trình. Các phương pháp xử lý thường được áp dụng bao gồm: đắp trực tiếp trên đất yếu, đào một phần hoặc toàn bộ đất yếu, gia tải trước, và sử dụng bấc thấm. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, cần được phân tích kỹ lưỡng để lựa chọn giải pháp phù hợp nhất cho từng công trình.

1.1. Tình hình xây dựng đường đắp cao trên đất yếu

Việc xây dựng đường đắp cao trên đất yếu tại Đồng bằng sông Cửu Long đang gặp nhiều thách thức. Đặc điểm địa chất yếu khiến cho nền đường dễ bị biến dạng, lún sâu trong quá trình thi công và khai thác. Các công trình như cầu, đường mở rộng thường xuyên xảy ra hiện tượng lún không đều, gây ra nứt nẻ và ảnh hưởng đến an toàn giao thông. Để khắc phục tình trạng này, cần có các biện pháp xử lý nền đường hiệu quả, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và kinh tế. Việc lựa chọn giải pháp xử lý nền đường cần dựa trên các yếu tố như điều kiện địa chất, chiều cao đắp và hiệu quả kinh tế của từng phương án.

1.2. Các giải pháp xử lý nền đường

Các giải pháp xử lý nền đường đắp cao trong điều kiện đất yếu bao gồm nhiều phương pháp khác nhau. Phương pháp bấc thấm là một trong những giải pháp phổ biến, giúp thoát nước nhanh chóng từ nền đất yếu, giảm thiểu độ lún. Giếng cát cũng là một lựa chọn hiệu quả, giúp cải thiện khả năng thoát nước và tăng cường độ ổn định cho nền đường. Ngoài ra, việc gia tải trước và sử dụng vải địa kỹ thuật cũng được áp dụng để tăng cường độ ổn định cho nền đường. Mỗi phương pháp cần được phân tích kỹ lưỡng để lựa chọn giải pháp tối ưu cho từng công trình cụ thể.

II. Phương pháp tính toán xử lý nền đường cho công trình đường đắp trên đất yếu

Việc tính toán xử lý nền đường đắp cao trên đất yếu là một quá trình phức tạp, đòi hỏi sự chính xác và khoa học. Các yếu tố như chiều cao đắp, tính chất cơ lý của đất yếu, và yêu cầu về ổn định cần được xem xét kỹ lưỡng. Phương pháp tính toán thường sử dụng các mô hình toán học để dự đoán độ lún và ổn định của nền đường. Các tiêu chuẩn thiết kế như 22TCN-262-2000 cũng cần được tuân thủ để đảm bảo tính chính xác trong quá trình tính toán. Việc áp dụng các phần mềm tính toán hiện đại cũng giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong việc thiết kế và xử lý nền đường.

2.1. Khái niệm đất yếu

Đất yếu là loại đất có khả năng chịu tải kém, thường gặp trong các khu vực có điều kiện địa chất phức tạp như Đồng bằng sông Cửu Long. Đất yếu có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm nguồn gốc hình thành và trạng thái tự nhiên. Việc hiểu rõ về tính chất của đất yếu là rất quan trọng trong việc lựa chọn giải pháp xử lý nền đường. Các phương pháp xử lý như bấc thấm, giếng cát, và cọc đất trộn xi măng đều cần được áp dụng dựa trên sự phân tích kỹ lưỡng về tính chất của đất yếu.

2.2. Tính toán các giải pháp xử lý nền đường

Tính toán các giải pháp xử lý nền đường đắp cao trên đất yếu cần dựa trên các tiêu chuẩn thiết kế và yêu cầu kỹ thuật cụ thể. Các phương pháp tính toán như phương pháp phân mảnh cổ điển và phương pháp phân mảnh Bishop thường được sử dụng để xác định độ lún và ổn định của nền đường. Việc áp dụng các mô hình toán học và phần mềm tính toán hiện đại giúp nâng cao độ chính xác trong việc dự đoán các yếu tố ảnh hưởng đến nền đường. Từ đó, các giải pháp xử lý có thể được lựa chọn một cách hợp lý, đảm bảo hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cho công trình.

III. Phân tích lựa chọn các phương án xử lý nền đường đất yếu

Phân tích lựa chọn các phương án xử lý nền đường đất yếu là một bước quan trọng trong quá trình thiết kế công trình. Các yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn giải pháp bao gồm tính chất cơ lý của đất yếu, yêu cầu về ổn định và hiệu quả kinh tế. Việc phân tích hiệu quả kinh tế của từng phương án xử lý cũng cần được thực hiện để đảm bảo rằng giải pháp được chọn không chỉ đáp ứng yêu cầu kỹ thuật mà còn tiết kiệm chi phí. Các phương pháp như phân tích hiệu quả kinh tế - xã hội cũng cần được áp dụng để đánh giá toàn diện về lợi ích của từng giải pháp.

3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn giải pháp

Các yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn giải pháp xử lý nền đường bao gồm tính chất cơ lý của đất yếu, chiều cao đắp, và yêu cầu về ổn định. Việc phân tích các yếu tố này giúp xác định được phương pháp xử lý phù hợp nhất cho từng công trình. Các giải pháp như bấc thấm, giếng cát, và cọc đất trộn xi măng đều cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo tính hiệu quả và an toàn cho nền đường. Đặc biệt, việc đánh giá hiệu quả kinh tế của từng phương án cũng là một yếu tố quan trọng trong quá trình lựa chọn giải pháp.

3.2. Phân tích hiệu quả kinh tế

Phân tích hiệu quả kinh tế của các phương án xử lý nền đường là một phần không thể thiếu trong quá trình thiết kế. Các yếu tố như chi phí đầu tư, thời gian thi công, và độ bền của công trình cần được xem xét để đưa ra quyết định hợp lý. Việc áp dụng các phương pháp phân tích hiệu quả kinh tế - xã hội giúp đánh giá toàn diện về lợi ích của từng giải pháp. Từ đó, các nhà đầu tư và kỹ sư có thể lựa chọn được phương án xử lý nền đường tối ưu, đảm bảo cả về mặt kỹ thuật và kinh tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐƯỜNG TRÊN ĐẤT YẾU VÀ BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG 1.1/- Tình hình xây dựng đường đắp cao trên đất yếu trong điều kiện Việt Nam 1.1/- Trạng thái biến dạng của nền đường đắp trên đất yếu Nền đường đắp cao thường bị biến dạng thể hiện bởi độ lún của nền đường trong thi công và khai thác. - Biến dạng do nén chặt : do tác dụng của ứng suất pháp làm cho đất bị thu hẹp lỗ rỗng bởi các hạt đất bị ép chặt lại. - Biến dạng đàn hồi : biến dạng tức thời của đất nền. Biến dạng này có khả khôi phục khi dỡ tải.

- Biến dạng dẽo: Xảy ra do xuất hiện tượng trượt trên các mặt có trị số ứng suất tới hạn nào đó.2/- Biến dạng lún của một số công trình đường đắp trên đất yếu. Một số công trình đường đắp cao, hiện tượng lún xảy ra là đáng kể và ảnh hưởng rất lớn đến quá trình lưu thông. Các công trình đường đầu cầu, các tuyến đường đắp cao, các tuyến đường mở rộng thì hiện tượng lún thể hiện rất rõ rệt. Ở TPHCM, công trình đường vào cầu vượt Nguyễn Hữu Cảnh sau khi thi công đưa vào khai thác, hiện tựng lún xuất hiện và kéo dài.

Đặc biệt công trình đường hầm chui Văn Thánh sau khi cho lưu thông, độ lún bắt đầu gia tăng từ cuối tháng 11/2001 đến 4/2002 độ lún đo được 1,1m. Đơn vị thi công đã cho bù lún bằng BTN nhưng đến nay độ lún vẫn còn tiếp diễn tuy nhiên ở tốc độ chậm. 5 Đường QL1 đoạn An Sương An Lạc lún không đều giữa đường cũ và đường mới mở rộng làm xuất hiện vết nứt trên bề mặt BTN.1 : Nền đường bị nứt do độ lún không đều 1.2/- Các giải pháp thường áp dụng để thiết kế nền đường đắp trên đất yếu - Đắp trực tiếp trên đất yếu : trong trường hợp khi tính toán ổn định và lún của nền đường thỏa mãn các yêu cầu và tiêu chuẩn độ lún cho phép và độ ổn định của công trình. - Đào một phần hoặc toàn bộ đất yếu : giải pháp này thích hợp lớp đất yếu có bề dày nhỏ hơn vùng ảnh hưởng của tải trọng đắp.

Có thể dùng cọc tre với mật độ 25cây/m² ( hoặc cọc tràm với mật độ 16cây/m² ) thay thế việc đào bớt lớp đất yếu trong phạm vi bằng chiều dài cọc đóng. - Đắp bệ phản áp : giải pháp này dùng khi đắp nền đường trực tiếp trên đất yếu với tác dụng tăng mức độ ổn định chống trượt trồi cho nền đường để đạt các yêu cầu về ổn định. - Gia tải trước : là nén trước đất trước khi xây dựng công trình nhằm cải tạo các tính chất cơ lý của đất. - Tầng đệm cát : được bố trí giữa lớp đất yếu và nền đường đắp để tăng nhanh khả năng thoát nước cố kết từ phía đất yếu lên mặt đất tự nhiên dưới tác dụng của tải trọng nền đắp.

Tầng đệm cát được sử dụng trong trường hợp đắp trực tiếp trên đất yếu và bắt buộc phải có biện pháp thoát nước cố kết theo phương thẳng đứng. - Thoát nước cố kết theo phương thẳng đứng : bố trí các phương tiện thoát nước theo phương thẳng đứng (giếng cát, bấc thấm) nước cố kết ở các lớp sâu trong đất yếu dưới tác dụng của tải trọng đắp sẽ có điều kiện thoát nước nhanh (thoát nước theo 6 phương nằm ngang ra giếng cát hoặc bấc thấm rồi theo chúng thoát ra mặt đất tự nhiên). Phương pháp này thường được áp dụng khi tầng đất yếu có bề dày lớn (vượt quá bề rộng đáy nền đường). Tuy nhiên để đảm bảo phát huy được hiệu quả thoát nước này thì chiều cao đắp tối thiểu nên là 4m và khi thiết kế cần thoả mãn các điều kiện (theo tiêu chuẩn 22TCN 262-2000 ) [1]: σ vz + σ z ≥ (1,2 ÷ 1,5)σ pz (1.1) lg(σ vz + σ z ) − lg σ pz η= ≥ 0,6 (1.2) lg(σ vz + σ z ) − lg σ vz Trong đó : σ vz : Áp lực thẳng đứng do trọng lượng bản thân các lớp đất yếu gây ra ở độ sâu z; σ z : Áp lực thẳng đứng do tải trọng đắp; σ pz : Áp lực tiền cố kết ở độ sâu z trong đất yếu; - Xử lý nền bằng bấc thấm : Đây là phương pháp thoát nước thẳng đứng sử dụng vật liệu chế tạo sẳn là bấc thấm.

Bấc thấm bao gồm 2 loại: 1- chất dẽo dược bao ngoài bằng vật liệu tổng hợp với tính chất đặc trưng như sau : Cho nước thấm qua lớp bọc ngoài. Lõi chính là đường tập trung nước và dẫn nước thoát ra ngoài khỏi nền đất yếu bão hòa. Lớp vải địa bọc ngoài có tính năng ngăn cách phần đường dẫn và môi trường đất bên ngoài, ngăn không cho các hạt đất len vào trong làm tắc nghẽn.2 : Xử lý nền đường bằng bấc thấm - Xử lý nền đường bằng giếng cát. Làm các đường thấm bằng vật liệu cát đóng xuống bên dưới nền có tác dụng thoát nước cho nền đường Hình 1.2 : Xử lý nền đường bằng giếng cát 8 - Phương pháp bơm hút chân không Mục tiêu tăng vận tốc cố kết cho đất bên dưới, dưới tác động của gia tải trước (hút chân không + tải nước + tải đắp) và hệ thống bấc thấm tăng nhanh khả năng thoát nước lỗ rỗng thặng dư.4 : Gia tải bằng bơm hút chân không - Sử dụng vải điạ kỹ thuật để tăng cường mức độ ổn định : O ( tâm trượt nguy hiểm nhất) R R Vải địa kỹ thuật Y H hi l2 l1 Hình 1.5 : sử dụng vải điạ kỹ thuật để tăng cường mức độ ổn định 9 - Cọc đất trộn xi măng Cọc trộn dưới sâu là phương pháp mới để gia cố nền đất yếu, sử dụng vật liệu là xi măng, vôi … làm chất đóng rắn, nhờ vào cần khoan xoắn và thiết bị bơm phụt vữa vào trong đất để trộn cưỡng bức đất yếu với chất đóng rắn (dạng bột hoặc dung dịch), lợi dụng một chuỗi phản ứng hóa học - vật lý xảy ra giữa chất đóng rắn với đất, làm cho đất mềm yếu đóng rắn lại thành một thể cọc có tính chỉnh thể, ổn định và có cường độ nhất định.

10 CHƯƠNG 2 : PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG CHO CÔNG TRÌNH ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU 2.1/- Khái Niệm đất yếu Theo tiêu chuẩn ngành GTVT 22TCN -262-2000 thì đất yếu là đất có sức chống cắt nhỏ tính biến dạng (ép lún ) lớn, do vậy nền đắp trên đất yếu, nếu không có các biện pháp xử lý thích hợp thường dể mất ổn định toàn khối hoặc lún nhiều, lún kéo dài ảnh hưởng tới mặt đường, công trình trên đường và cả mố cầu lân cận.2/- Phân loại đất yếu 2.1/- Theo nguồn gốc hình thành : phân thành hai loại đất yếu có nguồn gốc khoáng vật hoặc nguồn gốc hữu cơ.1/- Nguồn gốc khoáng vật : thường là sét hoặc á sét trầm tích trong nước ở ven biển, vũng vịnh, đầm hồ, đồng bằng tam giác châu. Loại này có thể lẫn hữu cơ trong quá trình trầm tích (hàm lượng có thể lên tới 10÷12%) nên có thể có màu đen, xám đen, có mùi. Đối với loại đất này được xác định là yếu nếu ở trạng thái tự nhiên độ ẩm của chúng gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (sét e ≥ 1,5, á sét e ≥ 1,0), lực dính C theo kết quả cắt nhanh không thoát nước từ 0.15daN/cm² trở xuống, góc nội ma sát ϕ từ 0÷10° hoặc lực dính theo kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường là Cu≤0. Ngoài ra ở các vùng thung lũng còn có thể hình thành đất yếu dưới dạng bùn cát, bùn cát mịn ( hệ số rỗng e >1.2/- Nguồn gốc hữu cơ : thường hình thành từ đầm lầy, nơi nước tích đọng thường xuyên, mực nước ngầm cao, tại đây các loài thực vật phát triển, thối rữa và phân hủy, tạo ra các vật lắng hữu cơ lẫn các trầm tích khoáng vật.

Loại này thường gọi là đất đầm lầy, than bùn, hàm lượng hữu cơ chiếm tới 20÷80%. Loại này được xác định là đất yếu nếu hệ số rỗng và các đặt trưng về sức chống cắt của chúng đạt các trị số như đất có nguồn gốc khoáng vật. Theo hàm lượng hữu cơ có trong đất yếu ta có các loại đất sau : - Hàm lượng hữu cơ từ 20÷30% : Đất nhiễm than bùn - Hàm lượng hữu cơ từ 30÷60% : Đất than bùn 11 - Hàm lượng hữu cơ trên 60% : than bùn 2.2/- Theo trạng thái tự nhiên 2.1/- Đất yếu loại sét hoặc á sét : được phân loại theo độ sệt B W − Wd B= (2.1) Wnh − Wd W, Wd,Wnh – Độ ẩm ở trạng thái tự nhiên, giới hạn dẻo và giới hạn nhão của đất yếu. Nếu B>1 thì gọi là bùn sét (đất yếu trạng thái chảy) Nếu 0.75<B≤ 1 là đất yếu dẻo chảy.2/- Đất đầm lầy, than bùn : được phân thành 3 loại - Loại I : loại có độ sệt ổn định, thuộc loại này nếu có vách đào thẳng đứng sâu 1m vẫn duy trì ổn định trong 1÷2 ngày; - Loại II : loại có độ sệt không ổn định; loại này không đạt tiêu chuẩn loại I nhưng đất than bùn chưa ở trạng thái chảy; - Loại III : Đất than bùn ở trạng thái chảy; 2.3/- Khái quát về Đồng Bằng Sông Cửu Long [5] 2.1/- Vị trí địa lý Đồng Bằng Sông Cửu Long là vùng châu thổ nằm cuối hạ lưu sông Mekong, được giới hạn bởi phía bắc là biên giới Viêt Nam – Campuchia, Tây Ninh và TP.Hồ Chí Minh, phía nam và đông là biển Đông, phía tây là vịnh Thái Lan.

Đồng bằng sông Cửu Long có diện tích tự nhiên là 3.000 hecta bao gồm 14 tỉnh: Long An, Tiềng Giang, Bến Tre, Đồng Tháp, Vĩnh Long, Trà Vinh, Cần Thơ, Hậu Giang, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau, Kiên Giang và An Giang.2/- Địa hình Đồng Bằng Sông Cửu Long có địa hình tương đối bằng phẳng, cao độ phổ biến 0,3 ÷ 0,4 m trên mực nước biển (theo mốc cao độ mũi Nại) trừ một số ngọn núi ở An Giang và Kiên Giang. Ngoài ra các khu vực có độ cao cục bộ, có thể phân thành các vùng theo cao độ như sau: - Thềm phù sa cổ dọc biên giới Việt Nam - Campuchia có cao độ từ 2,0÷5,0m. 12 - Dọc theo sông Tiền và sông Hậu có cao độ 1,0 ÷ 3,0 m. - Các khu vực ngập lũ của sông Tiền, sông Hậu và các vùng ngập triều ven biển có cao độ 0,3÷1,5m.