Chương 1 TỔNG QUAN 1. Giới thiệu tổng quát Với yêu cầu về sự phát triển của cơ sở hạ tầng, hiện nay ngày càng nhiều công trình giao thông được xây dựng rộng khắp ở đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL). Do cấu tạo địa chất chủ yếu là đất yếu nên việc xây dựng các công trình này gặp nhiều khó khăn và chi phí xây dựng lớn. Đối với công trình đường giao thông nông thôn nhằm giảm tối đa chi phí xây dựng thì đất khai thác từ lòng kênh, lòng sông được sử dụng trực tiếp làm nền đường.
Phương pháp này có những ưu điểm là: (1) tránh làm mất đất canh tác tại địa phương (2) giúp tăng độ sâu lòng sông và (3) đảm bảo cao độ nền đường giao thông chống lại ảnh hưởng mực nước dâng cao do quá trình biến đổi khí hậu toàn cầu. Bên cạnh những ưu điểm trên thì phương pháp này cũng gặp phải nhiều khó khăn như việc khai thác đất lòng sông gây ra sự tăng lên về độ sâu và độ dốc lòng sông từ đó có thể dẫn đến sự mất ổn định bờ sông. Hơn nữa, với đặc điểm địa chất vùng ĐBSCL là đất bùn sét có hệ số rỗng lớn, tính nén lún cao và sức chống cắt thấp có thể gây ra những sự cố nền móng như đất bùn yếu làm công trình bị phá hoại, lún quá mức, lún không đều và lún kéo dài theo thời gian. Do đó, để phương pháp này được ứng dụng một cách rộng rãi thì cần có những biện pháp gia cường cho nền đường, nhằm đẩy nhanh quá trình lún cố kết và tăng khả năng chịu lực của nền.
Trong nghiên cứu này sẽ nghiên cứu về giải pháp gia cường đất bằng vải địa kỹ thuật và đệm cát, bằng phương pháp thí nghiệm nén một trục CBR trong phòng thí nghiệm. Tổng quan tình hình nghiên cứu và sự cần thiết tiến hành nghiên cứu 1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Trên thế giới, với sự phát triển kinh tế nhanh chóng và dân số ngày càng tăng ở các khu vực ven biển, xây dựng các công trình lấn biển được coi là một biện pháp hữu hiệu để giải quyết tình trạng thiếu đất của các thành phố, các khu dân cư và các 17 khu công nghiệp. Nhiều công trình lấn biển đã sử dụng phương pháp bơm bùn lòng sông làm đất đắp như: Shang và cộng sự (1998) đã cải tạo đất bùn bằng phương pháp hút chân không, thực hiện tại Cảng Xingang, Trung Quốc hay Cảng Thiên Tân, Trung Quốc với 2270km2 lấn biến (Ziao và cộng sự, 2012) và nhiều công trình lấn biển khác được tác giả Wang và cộng sự (2014) tổng hợp trong nghiên cứu của mình.
1: Quá trình phát triển của Cảng Thiên Tân, Trung Quốc (Ziao và cộng sự, 2012) Zhang và cộng sự (2015) nghiên cứu tính thấm của ba loại đất sét bùn khác nhau. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng: hệ số thấm phụ thuộc vào hệ số rỗng và hàm lượng đất sét (các hạt nhỏ hơn 2μm) và hệ số thấm sẽ giảm khi hàm lượng đất sét tăng lên. Nghiên cứu còn cho thấy hệ số rỗng của bùn giảm dần theo thời gian, đất đắp bằng bùn nạo vét cần thời gian vài năm để có thể ổn định và cần có những xử lý, gia cường nhằm đẩy nhanh cố kết trong đất bùn và tăng cường độ cho đất nền. Nhiều phương pháp gia cường đã được áp dụng trên đất bùn như: sử dụng vải địa kỹ thuật, đệm cát, túi địa kỹ thuật Geocell, cọc vật liệu rời (đá-sỏi), … đem đến nhiều hiệu quả về mặt cải thiện cường độ cho đất bùn yếu.
Palmeira và cộng sự (1998) đã sử dụng phương pháp giải tích để tính hệ số an toàn của nền đê được gia cố bằng vải địa kỹ thuật. Kết quả thu được: Đê khi được gia cường vải địa kỹ thuật có hệ số an toàn lớn hơn khi không gia cường. Nghiên cứu cũng đưa ra hệ số an toàn đối với đê gia cố vải địa kỹ thuật tối thiểu Fs>1.2 trong thiết kế thông thường. 18 Unnikrishnan và cộng sự (2002) nghiên cứu sự tương tác của lớp cát kẹp giữa vải địa kỹ thuật theo kiểu Sandwich gia cường cho đất sét với phương pháp thực hiện là thí nghiệm nén 3 trục.
Kết quả của nghiên cứu cho thấy lớp cát này cải thiện tương tác bề mặt giữa đất sét và vải địa kỹ thuật từ đó gia tăng cường độ cho đất sét, và lớp cát cũng đóng vai trò là biên thoát nước nhằm làm giảm áp lực nước lỗ rỗng xuất hiện trong quá trình mẫu chịu tác dụng của tải trọng. Yu và cộng sự (2005) sử dụng các biện pháp khác nhau bao gồm: thí nghiệm vật liệu, mô hình và phân tích số (FEM) để nghiên cứu cơ chế hoạt động của đệm cát kết hợp với vải địa kỹ thuật dưới đê chắn sóng trên nền đất yếu. Kết quả thu được: trong khía cạnh kiểm soát biến dạng, việc kết hợp đệm cát và vải địa kỹ thuật dưới đê có 2 cơ chế tác động: vải địa kỹ thuật hạn chế sự dịch chuyển ngang của nền đắp và tăng cường tính toàn vẹn để tăng tính ổn định cho nền; vải địa kỹ thuật hạn chế sự dịch chuyển ngang của mặt đất. Đất nền càng yếu càng gây ra dịch chuyển ngang lớn và càng làm tăng hiệu quả của vải địa kỹ thuật.
Hufenus và cộng sự (2006) đã nghiên cứu khả năng chịu tải và ứng xử của đất yếu gia cường vải địa kỹ thuật dựa theo thí nghiệm tỷ lệ thực của nền đường. Nghiên cứu chỉ ra sự gia cường cho đất yếu chỉ xảy ra khi sử dụng lớp mỏng cốt liệu thô kẹp giữa vải địa kỹ thuật. Trong trường hợp này, khi vệt lún tạo ra trên nền đường sẽ gây ra biến dạng dài và lực kéo trong vải địa kỹ thuật, từ đó tạo ra hiệu ứng gia cường cho đất nền. Zhou và cộng sự (2008) Nội dung: Nghiên cứu biện pháp gia cố đệm cát kết hợp với lưới vải địa kỹ thuật Geogrid và túi địa kỹ thuật Geocell.
Kết quả nghiên cứu: cho thấy kết cấu liên hợp vải địa kỹ thuật và đệm cát gia tăng khả năng chịu lực cho lớp đất yếu. Hệ kết cấu liên hợp này giúp tăng hệ số nền K0 thêm 30 lần và độ lún giảm 44% và làm giảm ứng suất tại bề mặt lớp đất yếu so với đất yếu khi không được gia cố. Sitharam và cộng sự (2013) Nội dung: Sử dụng Geocell làm nền móng đỡ đập cao 3m trên bùn đỏ - sản phẩm thải ra từ quá trình sản xuất của ngành công nghiệp nhôm. Nghiên cứu đề xuất phương pháp giải tích nhằm xác định khả năng chịu tải 19 của lớp bùn yếu được gia cường bởi Geocell kết hợp với lưới vải địa kỹ thuật.
Kết quả nghiên cứu cho thấy sự kết hợp giữa Geocell và vải địa kỹ thuật lại hiệu quả lớn hơn khi chỉ sử dụng Geocell, không những thế khả năng chịu lực của nền còn tăng lên 4 đến 5 lần. Dash và cộng sự (2013) Nội dung: Cải tạo nền đất yếu bằng Geocell và đệm cát đồng thời kết hợp với cọc đá. Kết quả thu được: Nghiên cứu cho thấy cọc đá có chiều dài và mật độ đảm bảo sẽ làm tăng gấp 3 lần khả năng chịu lực cho đất yếu. Geocell và đệm cát sẽ có thể làm tăng khả năng chịu lực của đất nền lên 7 lần.
Tuy nhiên nếu được kết hợp cả đệm cát, vải địa kỹ thuật Geocell và cọc đá, khả năng chịu lực của đất nền có thể gấp 10 lần so với đất nền ban đầu chưa gia cố. Lin và cộng sự (2014) Nội dung: Kiểm tra đặc tính thấm của lớp vải địa kỹ thuật. Kết quả thu được: Nghiên cứu đã cho thấy vải địa kỹ thuật đóng vai trò ngăn chặn sự xâm nhập của đất sét vào biên thấm. Prasada và cộng sự (2016) sử dụng xỉ kẽm thay thế đất đắp cho kết cấu đất gia cường vải địa kỹ thuật.
Nghiên cứu cho thấy xỉ kẽm có thể sử dụng thay thế đất đắp cho kết cấu đất và tường gia cường vải địa kỹ thuật. So sánh với cát, hệ số ma sát giữa xỉ kẽm và lưới vải địa kỹ thuật nhỏ hơn do kết cấu xỉ yếu hơn kết cấu của đất cát. Một số nghiên cứu trong nước: Lê Bá Vinh và cộng sự (2003) Nội dung: Nghiên cứu giải pháp xử lý nền và tính toán ổn định của công trình đường cấp III trên nền có lớp đất yếu mỏng. Các giải pháp xử lý nền được thực hiện: (1) giải pháp xử lý nền bằng đệm cát kết hợp với vải địa kỹ thuật; (2) xử lý nền bằng đệm cát kết hợp với hệ cừ tràm ngang; (3) xử lý nền bằng đệm cát kết hợp với hệ cừ tràm đóng đứng dưới taluy; (5) xử lý nền bằng đệm cát kết hợp với cọc bản nhựa.
Nghiên cứu đề xuất phương pháp tính toán hệ số an toàn chống trượt đối với nền tự nhiên và với các nền gia cường. 2: Giải pháp xử lý nền bằng đệm cát kết hợp với vải địa kỹ thuật (Lê Bá Vinh, 2003) Lê Xuân Roanh (2014) từ những khó khăn trong việc quản lý an toàn đê như: hiện tượng thấm qua nền, hiện tượng mực nước ngầm dâng cao trong thân đê, hiện tượng lún, sạt, trượt … đã trình bày công nghệ xử lý nền và thi công đê, đập phá sóng, móng đường khi thi công trên nền đất yếu. Các công nghệ thi công và xử lý nền được trình bày trong nghiên cứu: (1) xử lý nền đê bằng đệm cát; (2) xử lý nền bằng bấc thấm, giếng cát; (3) sử dụng vải địa kỹ thuật để gia cố đê; (4) xử lý nền đê bằng bè cây; (5) xử lý nền bằng đệm cọc cát; (6) gia tăng độ chặt nền bằng đầm nén; (7) đắp cố kết theo giai đoạn để chờ tăng chỉ tiêu cơ lý, sau đó đắp tiếp. 3: Xử lý nền đê bằng đệm cát (Lê Xuân Roanh, 2014) Nguyễn Chí Thuận và cộng sự (2017) sử dụng đệm xỉ kết hợp với vải địa kỹ thuật với phương pháp là dùng thí nghiệm nén cố kết.
Kết quả nghiên cứu cho thấy: kết cấu vải địa kỹ thuật và đệm xỉ thúc đẩy quá trình cố kết trong đất sét tốt hơn trong 21 trường hợp đất sét chỉ gia cường vải địa kỹ thuật. Vải địa kỹ thuật giúp giảm khoảng 60-80% thời gian cố kết của mẫu đất bùn, độ giảm có thể thăng thêm khoảng 10% khi áp dụng lớp đệm xỉ kết hợp với vải địa kỹ thuật. Nguyễn Trường Sơn (2017) sử dụng đệm cát kẹp giữa hai lớp vải địa kỹ thuật (phương pháp gia cường kiểu sandwich) với phương pháp thí nghiệm tỷ lệ thực trên thực tế.