Luận án: Xử lý nền đất yếu ven biển Hải Phòng-Nam Định bằng cọc cát biển-xi măng

Nghiên cứu chi tiết đặc điểm cấu trúc nền đất yếu trên tuyến đường ven biển Hải Phòng - Nam Định và đề xuất phương pháp xử lý hiệu quả bằng cọc cát biển xi

• Tác giả: Nguyễn Thị Dịu
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Tạ Đức Thịnh
• Trường học: Trường Đại học Giao thông vận tải
• Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc nền đất yếu tuyến đường giao thông ven biển đoạn từ Hải Phòng đến Nam Định và đề xuất giải pháp xử lý nền bằng cọc cát biển - xi măng
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về nền đất yếu ven biển Hải Phòng Nam Định

Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc nền đất yếu tuyến đường giao thông ven biển đoạn từ Hải Phòng đến Nam Định là đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn. Vùng ven biển Bắc Bộ chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của quá trình biển tiến Holocene, tạo nên hệ tầng trầm tích đất yếu phức tạp. Hệ tầng Hải Hưng đóng vai trò chủ đạo trong cấu trúc nền đất khu vực nghiên cứu. Đất yếu vùng này chủ yếu gồm sét bột, sét pha có lẫn cát hạt mịn. Độ ẩm tự nhiên thường lớn hơn giới hạn lỏng, độ rỗng cao. Sức kháng cắt không drained rất thấp, chỉ từ 5-15 kPa. Chiều dày lớp đất yếu biến đổi lớn, trung bình 16,8m, có nơi lên đến 45m. Các tính chất cơ lý bất lợi này gây ra nhiều thách thức cho xây dựng công trình giao thông. Mô đun biến dạng nhỏ dẫn đến lún lớn kéo dài. Nền đường thường xuất hiện lún không đều, nứt mặt đường. Cần giải pháp xử lý nền triệt để để đảm bảo an toàn công trình.

1.1. Đặc điểm địa chất công trình vùng ven biển

Vùng ven biển Hải Phòng - Nam Định thuộc đồng bằng châu thổ sông Hồng. Địa hình thấp, phẳng, cao trình trung bình 0,5-2,0m so với mực nước biển. Hệ tầng trầm tích Holocene phân bố rộng rãi, gồm trầm tích sông-biển, biển-đầm lầy và biển. Trầm tích sông-biển có thành phần bột sét lẫn cát mịn, màu xám đen. Trầm tích biển-đầm lầy lẫn nhiều mùn thực vật, màu đen đặc trưng. Phần trên là trầm tích biển với màu xám, xám vàng. Hàm lượng hữu cơ cao góp phần làm tăng tính nén lún. Mực nước ngầm nông, dao động theo mùa và thủy triều.

1.2. Tình hình xây dựng hạ tầng giao thông ven biển

Tuyến đường giao thông ven biển Hải Phòng - Nam Định đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế vùng duyên hải. Quá trình xây dựng gặp nhiều khó khăn do nền đất yếu. Các công trình hiện hữu thường bị lún vượt thiết kế, xuất hiện vết nứt mặt đường. Một số đoạn phải gia cố lại nhiều lần gây tốn kém chi phí. Áp lực tải trọng từ phương tiện giao thông ngày càng tăng yêu cầu nền đường phải đạt tiêu chuẩn kỹ thuật cao. Nhu cầu tìm giải pháp xử lý nền hiệu quả, kinh tế là cấp thiết.

II. Phân tích đặc điểm cấu trúc nền đất yếu tuyến đường ven biển

Cấu trúc nền đất yếu vùng nghiên cứu thể hiện sự phức tạp về thành phần, trạng thái và tính chất cơ lý. Hệ tầng Hải Hưng là lớp đất yếu chủ yếu, phân bố từ độ sâu 0m đến 65m. Phần trên là trầm tích biển với chiều dày trung bình 5-10m. Phần giữa là trầm tích biển-đầm lầy lẫn nhiều mùn thực vật. Phần dưới là trầm tích sông-biển với thành phần bột sét lẫn cát mịn. Thành phần hạt chủ yếu gồm bột chiếm 50-56%, sét 27-32%, cát 14-17%. Hàm lượng SiO2 chiếm tỷ lệ cao 62,62%, Fe2O3 10,21%. Chỉ tiêu nén lún cho thấy hệ số nén lún a lớn, mô đun biến dạng Es nhỏ. Thời gian cố kết kéo dài do hệ số thấm thấp. Biến dạng lún có thể tiếp tục diễn ra trong nhiều năm. Ứng suất trước thường thấp hơn ứng suất hiện tại do quá trình biển tiến. Đặc điểm này khiến đất yếu nén lún thêm dưới tải trọng công trình.

2.1. Đặc điểm thạch học và thành phần hạt đất yếu

Đất yếu hệ tầng Hải Hưng có đặc điểm thạch học rõ ràng. Trầm tích chủ yếu thuộc nhóm hạt mịn gồm sét bột pha cát. Màu sắc thay đổi từ xám, xám đen đến đen tùy thuộc môi trường trầm tích. Tỷ lệ hạt bột chiếm ưu thế 50-56%, tạo nên tính thấm kém. Hàm lượng sét cao 27-32% làm tăng tính dẻo và khả năng giữ nước. Cát mịn chiếm 14-17% phân bố rải rác trong nền sét bột. Mùn thực vật lẫn trong trầm tích biển-đầm lầy làm tăng hàm lượng hữu cơ. Thành phần hóa học cho thấy tỷ lệ oxide silic, sắt, nhôm cao.

2.2. Tính chất cơ lý và khả năng chịu tải của nền đất yếu

Tính chất cơ lý của đất yếu vùng nghiên cứu có nhiều bất lợi. Độ ẩm tự nhiên W thường vượt giới hạn lỏng WL. Hệ số rỗng e cao, dao động 1,0-1,8. Ứng suất cắt không drained Su chỉ đạt 5-15 kPa. Mô đun biến dạng Es nhỏ, thường dưới 3 MPa. Hệ số nén lún a lớn, trên 0,5 MPa⁻¹. Hệ số thấm k rất nhỏ, khoảng 10⁻⁷ đến 10⁻⁸ cm/s. Thời gian cố kết cv nhỏ khiến quá trình thoát nước kéo dài. Hệ số trương nở cao khi đất khô đi. Khả năng chịu tải trực tiếp rất kém, cần xử lý trước khi thi công.

III. Đề xuất giải pháp xử lý nền bằng cọc cát biển xi măng

Phương pháp xử lý nền bằng cọc cát biển - xi măng được đề xuất phù hợp với điều kiện vùng ven biển. Giải pháp này tận dụng nguồn vật liệu sẵn có tại chỗ là cát biển và xi măng. Cọc cát biển - xi măng được tạo thành bằng cách trộn cát biển với xi măng và nước biển. Hỗn hợp được bơm hoặc đóng vào nền đất yếu theo thiết kế. Cọc có đường kính thường từ 400-600mm, bố trí theo lưới tam giác hoặc vuông. Khoảng cách cọc từ 1,2-2,0m tùy theo yêu cầu kỹ thuật. Chiều dài cọc xuyên qua lớp đất yếu, thường 10-20m. Cơ chế hoạt động dựa trên nguyên lý composite đất tăng cường. Cọc chịu tải trọng dọc trục và truyền tải xuống lớp đất cứng bên dưới. Vật liệu bao quanh cọc giúp tăng cường sức kháng cắt cho đất nền. Kết quả xử lý cho thấy giảm lún 50-70% so với nền không xử lý. Thời gian cố kết rút ngắn đáng kể. Chi phí hợp lý hơn so với phương pháp cọc bê tông cốt thép.

3.1. Quy trình thi công và kiểm soát chất lượng cọc cát biển xi măng

Quy trình thi công cọc cát biển - xi măng gồm nhiều bước tuần tự. Bước đầu tiên là chuẩn bị mặt bằng và định vị tim cọc. Sau đó tạo lỗ bằng phương pháp khoan hoặc xói nước áp lực cao. Cát biển được trộn với xi măng theo tỷ lệ thiết kế, thường 8-15% xi măng theo khối lượng. Nước biển dùng thay thế nước ngọt để trộn mà vẫn đảm bảo cường độ. Hỗn hợp được bơm vào lỗ dưới áp lực nén. Mỗi đốt cọc dài 0,5-1,0m được đầm nén chặt. Kiểm soát chất lượng bằng thí nghiệm cường độ mẫu và thử tải tĩnh tại công trình.

3.2. Hiệu quả xử lý và so sánh với các phương pháp khác

Cọc cát biển - xi măng đạt hiệu quả xử lý nền đất yếu cao. Kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ nén không confined qu đạt 1,5-3,0 MPa sau 28 ngày. Mô đun biến dạng composite nền tăng 3-5 lần so với nền tự nhiên. Lún cuối cùng giảm 50-70%, lún do tải trọng động giảm rõ rệt. Thời gian cố kết rút ngắn 40-60% nhờ hệ thống cọc thoát nước đứng. So với cọc bê tông, phương pháp này tiết kiệm 30-40% chi phí. So với bấc thấm và gia tải trước, thời gian thi công ngắn hơn nhiều. Vật liệu sẵn có tại địa phương, thân thiện môi trường.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của giải pháp cọc cát biển xi măng

Nghiên cứu đã làm rõ đặc điểm cấu trúc nền đất yếu tuyến đường giao thông ven biển Hải Phòng - Nam Định. Hệ tầng Hải Hưng là nguyên nhân chính gây ra nền đất yếu với chiều dày lớn, tính chất cơ lý bất lợi. Giải pháp xử lý nền bằng cọc cát biển - xi măng mang lại hiệu quả kỹ thuật và kinh tế cao. Phương pháp này phù hợp với điều kiện địa chất, khí hậu vùng ven biển Bắc Bộ. Nguồn vật liệu cát biển dồi dào, chi phí vận chuyển thấp. Xi măng là vật liệu phổ biến, dễ tiếp cận. Kết hợp với nước biển giúp giảm chi phí và đơn giản hóa quy trình thi công. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế, thi công nền đường ven biển. Giải pháp có thể áp dụng rộng rãi cho các dự án giao thông, công trình dân dụng khác tại vùng đất yếu ven biển. Nghiên cứu mở ra hướng phát triển mới trong lĩnh vực địa kỹ thuật xây dựng bền vững.

4.1. Ý nghĩa khoa học của luận án tiến sĩ

4.2. Khuyến nghị áp dụng và hướng phát triển tiếp theo

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan nghiên cứu về cấu trúc nền đất yếu và phương pháp xử lý nền đất yếu. Đặc điểm cấu trúc nền đất yếu tuyến đường giao thông ven biển Hải Phòng - Nam Định. Nghiên cứu đề xuất phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển - xi măng.

Xây dựng mô hình số phân tích hiệu quả xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển - xi măng. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ CẤU TRÚC NỀN ĐẤT YẾU VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 1. Tổng quan nghiên cứu về cấu trúc nền đất yếu trên thế giới 1. Tổng quan nghiên cứu về đất yếu trên thế giới 1.

Khái niệm đất yếu Hiện nay, trên thế giới và ở Việt Nam có nhiều quan điểm khác nhau về đất yếu. Trong một số tiêu chuẩn xây dựng, tiêu chuẩn ngành có đưa ra định nghĩa, tiêu chuẩn phân loại đất yếu nhưng chưa có tính thống nhất và khó áp dụng khi nghiên cứu cho một khu vực cụ thể. Mặt khác, trong nhiều trường hợp, quan niệm về đất yếu chỉ mang tính tương đối, bởi trong mối quan hệ tương tác với công trình có quy mô và tải trọng khác nhau thì ứng xử của đất nền khác nhau. Một loại đất có thể là yếu đối với cấp loại công trình này nhưng lại là không yếu đối với cấp loại công trình khác.

Vì vậy, có thể xem xét khái niệm đất yếu theo hai quan điểm: - Theo quan điểm địa chất công trình (mang tính tuyệt đối): Đất yếu là loại đất có độ ẩm cao, hệ số rỗng lớn, độ bền cắt thấp, tính biến dạng lớn, không có khả năng ổn định khi chịu tác dụng của tải trọng công trình. Nói một cách khái quát nhất, đất yếu là loại đất phải xử lý thì mới có thể sử dụng làm nền cho xây dựng công trình. - Theo quan điểm xây dựng (mang tính tương đối): Đất yếu phải được xem xét trong mối quan hệ tương tác với loại công trình xây dựng cụ thể. Nghĩa là, khi xây dựng công trình, đất nền được xem là đất yếu nếu sức chịu tải của đất nhỏ hơn tải trọng công trình tác dụng xuống nền và ngược lại, đất nền được xem là đất tốt nếu sức chịu tải của đất lớn hơn tải trọng công trình tác dụng xuống nền.

Nói cách khác, theo quan điểm này, khái niệm đưa ra chính là nền đất yếu. Mặc dù còn những ý kiến khác nhau trong cách hiểu về đất yếu nhưng nhìn chung, các nhà khoa học đều thống nhất quan niệm về đất yếu, đó là: đất yếu là loại đất bão hòa nước, rất nhạy cảm với tải trọng ngoài và sự biến đổi môi trường địa chất, có các đặc trưng vật lý và cơ học không thuận lợi cho xây dựng công trình. Đất yếu là những loại đất có thành phần, trạng thái và tính chất đặc biệt so với các loại đất xây dựng khác; đất thường ở trạng thái chảy, dẻo chảy, sức chịu tải thấp, sức kháng cắt nhỏ, tính biến dạng lớn và kéo dài theo thời gian tác dụng của tải trọng. Đối với đất yếu, không thể sử dụng giải pháp móng nông đặt trực tiếp trên chúng nếu không có giải pháp gia cố ngay cả khi các công trình có quy mô, tải trọng vừa và nhỏ; không thể dùng làm lớp tựa mũi cọc 9 hoặc đặt móng sâu [31].

Nghiên cứu phân loại đất yếu trên thế giới Nghiên cứu về đất yếu trên thế giới đã được tiến hành từ rất lâu. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra, đất yếu và các đặc tính của chúng ở từng nước, từng khu vực là khác nhau. Tùy theo mục đích nghiên cứu, các nước trên thế giới có cách nhìn nhận và đánh giá về đất yếu khác nhau, thể hiện trong các tiêu chuẩn phân loại đất yếu. Tuy nhiên, hầu hết các bảng phân loại đất yếu trên thế giới đều có điểm chung là dựa vào các chỉ tiêu đặc trưng về thành phần, trạng thái và một số tính chất cơ lý của đất yếu như: thành phần hạt, hàm lượng hữu cơ, chỉ số dẻo, giới hạn chảy, hệ số rỗng, sức kháng cắt và tính biến dạng của đất.

Phân loại đất yếu của một số nước trên thế giới có nhiều điểm khác nhau, chẳng hạn trong hệ thống phân loại đất của Anh (BS 5930: 1981, 1999) [45], đất yếu được phân chia dựa vào một số chỉ tiêu cơ học xác định trực tiếp ngoài hiện trường như loại đất sét (clay), bột (silt) ở trạng thái chảy (very soft), dẻo chảy (soft), có sức kháng cắt trong điều kiện không thoát nước Su< 40kPa, cường độ kháng nén một trục qu< 50kPa và trị số sức kháng xuyên tiêu chuẩn N30 < 4; hay loại đất có chứa hữu cơ từ ít tới nhiều (từ 2% đến >10% với đất loại sét, từ 1%- >5% với đất cát), đất than bùn khi có hàm lượng hữu cơ cao (30% - 50% hoặc cao hơn) hoặc than bùn. Than bùn thường xốp, chứa hữu cơ bị phân hủy với mức độ khác nhau, độ rỗng lớn, hệ số rỗng tới vài đơn vị; độ ẩm cao, có thể tới 200% - 500%, thậm chí tới 3.000%; lượng co ngót lớn, thay đổi từ 10% đến 75% so với thể tích ban đầu; khối lượng riêng nhỏ, biến đổi từ 1,1g/cm3 đến 1,8g/cm3; tính nén lún lớn, môđun tổng biến dạng nhỏ từ 3000kPa đến 5000kPa; sức kháng cắt thấp, biến đổi từ 5kPa đến 15kPa và thay đổi phụ thuộc vào mức độ phân huỷ hữu cơ. Khác phân loại của Anh, trong hệ thống phân loại đất của Mỹ (ASTM D 2487 - 2010) [50], các loại đất yếu là đất sét chứa hữu cơ hoặc than bùn. Các loại đất chứa hữu cơ là đất sét hoặc bụi, có giá trị giới hạn chảy sau khi sấy khô nhỏ hơn 75% so với trước khi sấy khô (khi sử dụng đất tự nhiên làm thí nghiệm).

Than bùn là loại đất chứa các vật chất hữu cơ phân hủy ở mức độ khác nhau, màu nâu đen, đen, trạng thái xốp. Đối với các tiêu chuẩn hiện hành của Nga, đất yếu không có phân loại riêng, nằm trong hệ thống phân loại chung, kế thừa cách phân loại đất đá của Liên Xô cũ, chủ yếu theo hai trường phái: phân chia đất đá theo nguyên tắc thành hệ và phân chia đất đá theo 10 nguyên tắc địa chất công trình [16]. Trường phái phân chia đất đá theo nguyên tắc thành hệ dựa vào sự phân tích thành hệ, phức hệ địa chất nguồn gốc, thành phần đất đá và các chỉ tiêu cơ lý của chúng để xác lập các mức độ đồng nhất khác nhau và các đơn vị phân chia đất đá tương ứng. Cách phân loại này không phân chia đất yếu riêng, đất yếu chỉ được xem xét trong tổng thể phân loại chung.

(2) Trường phái phân chia đất đá theo nguyên tắc địa chất công trình dựa vào phân tích đặc tính địa chất công trình của đất đá, kết hợp với đánh giá khả năng sử dụng chúng cho xây dựng. Theo cách phân loại này, nhóm đất đá có thành phần, trạng thái và tính chất đặc biệt như đất loại sét ở trạng thái chảy, bùn, bùn hữu cơ, than bùn, đất nhiễm mặn, đất san lấp, trương nở,. được xếp vào loại đất yếu. Tổng quan nghiên cứu về cấu trúc nền đất yếu trên thế giới Nền đất yếu là khái niệm được dùng để chỉ các nền đất mà trong đó tồn tại các lớp đất yếu không đảm bảo các điều kiện ổn định theo các trạng thái giới hạn khi xây dựng công trình trên chúng.

Cấu trúc nền đất yếu là khái niệm chỉ sự sắp xếp trong không gian của các lớp đất nền (bao gồm cả đất yếu) với các đặc trưng về nguồn gốc, tuổi, thành phần, trạng thái, tính chất cơ lý. của chúng [41]. Trên thế giới, khái niệm “cấu trúc nền đất yếu” ít được quan tâm. Các nước phát triển như Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Nhật Bản.

không phân biệt rõ ràng “cấu trúc nền đất yếu” và “nền đất yếu”. Với mục đích nghiên cứu đất yếu phục vụ xây dựng các loại công trình khác nhau, hầu hết các nước này đều coi đất yếu là một loại đất gây mất ổn định và biến dạng lớn cho công trình. Họ tập trung nghiên cứu và đánh giá đất yếu tại những vị trí phân bố cụ thể của chúng trong mặt cắt địa chất công trình, cho từng đối tượng công trình cụ thể mà ít quan tâm đến khái niệm “cấu trúc nền đất yếu” chung chung [31]. Nghiên cứu của Kamon và Bergado (1991) [65] cho rằng, nền đất yếu nói chung thường nằm ở khu vực có mực nước ngầm cao, thành phần đất nền có hàm lượng hạt bụi (silty), sét bụi (silty clayey) lớn, độ ẩm cao.

Nghiên cứu đất yếu vùng ven biển phục vụ xây dựng công trình hạ tầng được nhiều nhà khoa học quan tâm. Các nghiên cứu đã chỉ ra, quy luật chung là tại các vùng ven biển, đất yếu thường có chiều dày lớn. Omar và Jaafar (2000) [72] nghiên cứu đặc điểm nền đất yếu vùng ven biển tại thị trấn Cyberjaya (Malaysia), xác định được các lớp đất bùn sét hữu cơ có chiều dày trung bình 2,0m, thậm chí có khu vực dày tới 10,0m; ngay bên dưới lớp bùn sét hữu cơ thường là lớp sét chảy đến dẻo chảy (hình 1. Kết 11 quả nghiên cứu của Omar và cộng sự cũng cho thấy, các lớp đất yếu thường có hàm lượng hữu cơ cao, chiếm từ 20% đến 70%, giới hạn chảy, giới hạn dẻo và chỉ số dẻo của đất tăng theo chiều sâu, trong đó giới hạn dẻo thay đổi từ 10% đến 80%, giới hạn chảy từ 10% đến 90% (hình 1.

Đặc điểm nền đất yếu tại khu vực Cyberjaya, Malaysia [72] Các chỉ số nén Cc, chỉ số nở Cr và hệ số cố kết Cv của nền đất yếu khu vực ven biển cũng được Omar và Jaafar xác định bằng thực nghiệm, theo đó, kết quả chỉ ra rằng, tính nén lún của đất yếu có xu hướng tăng theo chiều sâu (hình 1. Điều này được giải thích là do sự tăng độ ẩm của đất và giảm hàm lượng cát trong đất theo chiều sâu (hình 1. Sự thay đổi về giới hạn Atterberg của đất yếu khu vực ven biển [72] 12 Hình 1. Sự thay đổi hệ số nén lún của nền đất yếu theo chiều sâu [72] Hình 1.