Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH KÈ LẤN BIỂN VÀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 1. Tổng quan về công trình kè lấn biển Gia tăng dân số cùng với sự biến đổi khí hậu và nước biển dâng là những tác nhân chính khiến đất đai, nơi cư trú và sinh sống của con người ngày càng trở lên chật hẹp. Do vậy các quốc gia ven biển đã không ngừng nghiên cứu và xây dựng những tuyến đê, kè lấn biển nhằm mục đích sử dụng phần đất bên trong những tuyến kè. Hà Lan, một quốc gia có nhiều vùng đất thấp ven biển, có cao độ thấp hơn mực nước biển đã sử dụng giải pháp kè, đê lấn biển để từng bước sử dụng phần đất thấp đó và lấn biển phía trong kè.
Tại Nhật, một trong những ví dụ điểm hình là sân bay mới được xây dựng ngoài khơi. Singapore đã và đang hoàn thiện công viên ven biển bên bờ Vịnh Mariana.1: Hình ảnh kè lấn biển Ở nước ta, các dự án lấn biển đã và đang phát triển mạnh mẽ, điển hình như dự án lấn biển Hà Tiên, khu đô thị lấn biển Rạch Giá, khu công nghiệp, đô thị Đình Vũ.Khi xây dựng khu đô thị lấn biển, một trong những yếu tố quan trọng là giữ ổn định mái đất đắp và các công trình, do vậy việc xây dựng kè cho các khu đô thị lấn biển là đặc biệt cần thiết.2: Hình ảnh cảng Đình Vũ – Hải Phòng Kè biển có nhiều loại khác nhau. Mỗi loại đều có ba phần chính: chân kè, thân kè và đỉnh kè. Chân kè làm nhiệm vụ bảo vệ chống xói ở chân mái dốc.
Thân kè là phần bảo vệ mái dốc từ chân đến đỉnh. Đỉnh kè là phần bảo vệ đỉnh mái dốc. Từng phần theo từng điều kiện cụ thể có cấu tạo chi tiết để đảm bảo điều kiện ổn định trong quá trình chịu tác dụng của các tải trọng từ phía biển (nước, sóng vỗ.) và từ phía đất sau lưng kè. Về kết cấu, kè lấn biển thường có các dạng chính sau: - Kè trọng lực bằng bê tông và gạch đá: dùng trọng lượng bản thân và hình dáng kết cấu của mình để chống lại tác dụng của tải trọng; - Kè bằng bê tông cốt thép: kết cấu thường có dạng thanh mảnh, có cốt thép bên trong để chịu tác dụng của tải trọng và được chia ra làm 3 loại: loại bản, loại góc ngàm không có sườn, loại góc ngàm có sườn; - Kè bảo vệ mái dốc: mái dốc được cấu tạo một bộ phận có tác dụng bảo vệ mái dốc khỏi bị xói lở.
Bộ phận này được gọi là kè bảo vệ mái dốc. Có nhiều loại kết cấu kè mái dốc, có thể khái quát hóa thành một số loại chính sau: + Đá đổ, đá xếp khan, đá xếp trong các khung và bằng đá xây; + Khối bê tông đúc sẵn lát độc lập, khối bê tông liên kết theo cơ chế từ chèn; 5 + Một số hình thức khác: bê tông Asphalt, trồng cỏ, vải địa kỹ thuật. a) b) c) a) Kè trọng lực, b) Kè bê tông cốt thép, c) Kè mái dốc Hình 1.3: Các dạng kè biển Kè lấn biển có những đặc điểm riêng: thường nằm trên nền đất yếu có bề dày lớn, ngoài việc phải chịu áp lực đất, nước như các kè sông, kè núi nó còn chịu tác động của sóng vỗ, thủy triều, gió bão, sóng thần,. Vì vậy, để tuyến kè làm việc ổn định về cường độ và biến dạng thì vấn đề cấp thiết cần đặt ra là biện pháp xử lý nền móng phải phù hợp.
Hiện nay có nhiều nghiên cứu tổng kết cơ chế hư hỏng với kè biển như sau: - Nước tràn đỉnh, phá vỡ đỉnh và mái sau của kè gây hư hỏng từ trong ra ngoài; - Sóng tác động gây hư hỏng mái kè lan rộng dẫn đến phá hoại toàn bộ mái; Hình 1.4: Cơ chế phá hủy khi sóng tràn - Xói bãi trước chân kè gây sạt sụt, hư hỏng chân kè dẫn đến mất ổn định kè; - Mất ổn định bản thân mái trong, mái ngoài do nền đất yếu; các tải trọng bất thường gây sụt, lún, sạt, trượt; 6 - Mất ổn định do dòng thấm; - Xói ngầm, mạch sủi trong thân kè gây mất ổn định tổng thể.5: Sự cố vỡ kè biển 1. Tổng quan về các giải pháp xử lý nền đất yếu Đất yếu là những đất có khả năng chịu lực thấp (0,5 – 1,0 kG/cm2), hầu như hoàn toàn bão hòa nước, có hệ số rỗng lớn (thường e > 0.9), hệ số nén lún lớn, mô đun tổng biến dạng bé (E 0 < 50kG/cm2), trị số sức chống cắt không đáng kể. Đất yếu có thể là đất sét yếu, đất cát yếu, bùn, than bùn và đất hữu cơ,. Chiều dày lớp đất yếu thay đổi có thể từ một vài mét đến 35 – 40m.
Công trình xây dựng trên đất yếu buộc phải có các biện pháp xử lý [10]. Xử lý nền đất yếu 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 trị số mô đun tổng biến dạng, tăng cường độ chống cắt, giảm tính thấm của đất,. Việc xử lý khi xây dựng công trình trên nền đất yếu phụ thuộc vào: đặc điểm, tính chất, qui mô của công trình, đặc điểm của đất nền, thời gian xây dựng. Hiện nay, trên thế giới tồn tại nhiều cách phân loại khác nhau, nhìn chung vẫn chưa có một hệ thống phân loại thống nhất.
Tuy nhiên có thể xếp chúng vào một số nhóm giải pháp sau: - Nhóm giải pháp cải tạo sự phân bố ứng suất và điều kiện biến dạng của nền đất yếu bằng giải pháp thay thế nền, bệ phản áp; 7 - Nhóm giải pháp làm tăng độ chặt nền đất yếu bằng cọc cát, cọc xi măng -đất, cọc vôi, nén chặt trên mặt và dưới sâu; - Nhóm giải pháp truyền tải trọng công trình xuống lớp chịu lực tốt ở dưới lớp đất yếu bằng móng cọc, móng trụ, giếng chìm,.; - Nhóm giải pháp làm tăng cường độ chống kéo và chống cắt của nền đất yếu bằng cốt địa kỹ thuật; - Nhóm giải pháp xử lý bằng hóa lý; - Nhóm giải pháp dùng thiết bị thoát nước thẳng đứng. Nhóm giải pháp cải tạo sự phân bố ứng suất và điều kiện biến dạng của nền đất yếu. Khi lớp đất yếu có chiều dày không lớn nằm trực tiếp dưới móng công trình thì có thể dùng các biện pháp xử lý nhân tạo như thay thế nền (đệm cát, đệm đất,.), bệ phản áp để làm tăng khả năng chịu lực và hạn chế mức độ biến dạng (đặc biệt là biến dạng không đều) của đất nền dưới tác dụng của tải trọng công trình. Giải pháp thay thế nền Để tận dụng khả năng các lớp dưới của đất nền, người ta thường đào bỏ lớp đất yếu ở phía trên tiếp giáp với móng và thay thế bằng đất có cường độ chống cắt lớn.
Giải pháp này thường rất có lợi về mặt tăng ổn định, giảm độ lún và thời gian lún, giảm kích thước của móng và chiều sâu chôn móng do sức chịu tải của đất nền tăng lên. Đặc biệt thích hợp là trường hợp lớp đất yếu có bề dày nhỏ hơn vùng ảnh hưởng của tải trọng công trình. Chiều sâu đào đất yếu cần thiết có thể xác định được thông qua tính toán theo nguyên tắc nền đất sau khi đào có khả năng chịu được tải trọng công trình phía trên. Phương pháp thay thế nền có những tác dụng chính sau đây: 8 - Sau khi thay thế lớp đất yếu nằm trực tiếp dưới móng công trình, lớp đệm cát (đệm đất,.) đóng vai trò như một lớp chịu lực, có khả năng tiếp thu được tải trọng của công trình và truyền tải trọng đó xuống lớp đất chịu lực ở phía dưới; - Giảm bớt độ lún toàn bộ và độ lún không đồng đều của công trình, đồng thời làm tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền; - Làm tăng khả năng ổn định khi công trình có tải trọng ngang; - Kích thước móng và chiều sâu chôn móng sẽ giảm vì áp lực tiêu chuẩn truyền lên lớp đệm cát tăng lên; - Thi công đơn giản, không đòi hỏi các thiết bị phức tạp.
Phương pháp này thích hợp được sử dụng trong các điều kiện sau: - Khi thời hạn đưa công trình vào sử dụng là rất ngắn. - Bề dày lớp đất yếu từ 3m trở xuống, trường hợp này thường đào bỏ toàn bộ đất yếu. Khi bề dày tầng đất yếu vượt quá 4 – 5m thì có thể đào một phần sao cho đất yếu còn lại có bề dày nhiều nhất chỉ bằng 1/2-1/3 chiều cao đất đắp. Các loại vật liệu thay thế: - Vật liệu thay thế là cát (đệm cát): thuận lợi cho thi công bằng bơm cát, thời gian cố kết rút ngắn; - Vật liệu thay thế là đất (đệm đất): phương pháp này sẽ kinh tế hơn nếu tận dụng được vật liệu địa phương.
NÒn ®êng ®¾p Líp ®Öm c¸t Líp ®Êt yÕu Hình 1.6: Lớp đệm cát 9 Mặt khác, dùng lớp đệm cát việc thi công đơn giản nhưng thời gian đắp đất tương đối lâu vì thường kết hợp với giải pháp xây dựng kèm theo từng giai đoạn. Không nên sử dụng phương pháp này khi nền đất có mực nước ngầm cao và nước có áp vì sẽ tốn kém về việc hạ mực nước ngầm và đệm cát sẽ kém ổn định [10]. Giải pháp bệ phản áp Bệ phản áp là các khối đất đắp ở hai bên công trình để chống trượt do xuất hiện vùng biến dạng dẻo dưới nền đất yếu khi làm đường, đê, đập ở phía trên. Bệ phản áp còn dùng để chống lũ, chống sóng, chống thấm mất nước.
Bệ phản áp đóng vai trò như một đối trọng, tăng độ ổn định, cho phép đắp khối đắp với chiều cao lớn hơn. Giải pháp này không làm rút bớt được thời gian cố kết và không giảm được độ lún, còn tăng thêm khả năng nén lún (do thêm tải trọng của bệ phản áp ở hai bên khối đắp). Nó có nhược điểm là khối lượng đất đắp lớn và diện tích chiếm đất nhiều. Phương pháp này chỉ thích hợp nếu vật liệu đắp nền rẻ cũng như khối lượng quỹ đất dồi dào, khoảng cách vận chuyển không bị hạn chế về phạm vi.
Giải pháp này không thích hợp với các loại đất yếu là than bùn và bùn loại sét. Vật liệu dùng là các loại đất hoặc cát thông thường. Trong trường hợp khó khăn có thể sử dụng cả đất lẫn hữu cơ. Xác định kích thước là vấn đề mấu chốt trong việc tính toán và thiết kế bệ phản áp.
Nhiều phương pháp dựa vào giả thiết khác nhau nhưng chỉ gần đúng.