Chương 1 có nhiệm vụ tổng quan về các lý thuyết tính toán đang được áp dụng cho cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT, phân tích các vấn đề còn tồn tại, từ đó lựa chọn nội dung nghiên cứu ở các chương tiếp theo.1 Khái quát về đất yếu, cọc đất xi măng, lưới địa kỹ thuật và các giải pháp xây dựng công trình trên nền đất yếu 1.1 Đất yếu và phân loại đất yếu [2], [5], [6] Đất yếu thường có sức chống cắt nhỏ và tính nén lún lớn, hệ số rỗng e0 lớn, độ ẩm tự nhiên cao và thường bão hòa nước, mô đun tổng biến dạng bé (E 0 ≤ 5000 kPa). Do vậy, khi xây dựng công trình trên nền đất yếu, nếu không áp dụng các biện pháp xử lý, giải pháp móng hoặc kết cấu công trình thích hợp thì sẽ xảy ra lún nhiều, lún kéo dài hoặc mất ổn định, ảnh hưởng xấu đến việc khai thác các công trình. Đất yếu vốn rất phức tạp về thành phần, nguồn gốc và đặc tính xây dựng nên cũng vì vậy, việc phân loại chúng cũng chưa thống nhất và có nhiều quan điểm khác nhau. Đất yếu có thể được phân loại theo nguồn gốc hình thành, trạng thái tự nhiên hay chỉ số thí nghiệm.
Theo nguồn gốc hình thành, đất yếu thường có nguồn gốc khoáng vật hoặc hữu cơ. Theo 22TCN 262-2000, loại đất yếu có nguồn gốc khoáng vật thường là sét hoặc sét pha trầm tích trong nước ở ven biển, vũng vịnh, đầm hồ, đồng bằng tam giác châu. Chúng có thể lẫn hữu cơ trong quá trình trầm tích (hàm lượng hữu cơ có thể tới 10-12%) nên nhiều khi có màu nâu đen, xám đen, thậm chí có mùi. Đối với loại đất yếu này, được xác định là đất yếu, nếu ở trạng thái tự nhiên mà độ ẩm của chúng gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng tự nhiên lớn (sét e0 1,5, sét pha e0 1), lực dính đơn vị theo kết quả cắt nhanh không thoát nước cu 15 kPa, góc ma sát trong 10o hoặc sức chống cắt từ kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường Su 35 kPa.
Với đất yếu loại than bùn thường có e0 vào khoảng 3 ÷ 15, lực dính đơn vị c từ 1 kPa - 4 kPa, φ 5 từ 20 - 40. Ngoài ra, ở các vùng thung lũng còn có thể hình thành đất yếu dưới dạng bùn cát, bùn cát mịn (hệ số rỗng e0 > 1, độ bão hoà Sr > 0,8). Loại đất yếu có 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 huỷ, tạo ra các vật lắng hữu cơ lẫn với các trầm tích khoáng vật. Loại đất yếu này thường gọi là đất đầm lầy than bùn, hàm lượng hữu cơ chiếm tới 20-80%, thường có màu đen hay nâu sẫm, cấu trúc không mịn (vì lẫn các tàn dư thực vật).
Đối với loại này, được xác định là đất yếu nếu hệ số rỗng và các đặc trưng sức chống cắt của chúng cũng đạt các trị số như đất nguồn gốc khoáng vật. Đất yếu đầm lầy than bùn còn được phân theo tỷ lệ lượng hữu cơ như sau: khi lượng hữu cơ có từ 20-30% gọi là đất nhiễm than bùn; lượng hữu cơ có từ 30-60% - đất than bùn và lượng hữu cơ trên 60% được gọi là than bùn. Ngoài cách phân loại theo nguồn gốc hình thành như trên, còn có cách phân loại phổ biến khác theo trạng thái tự nhiên của đất. Theo đó, đất yếu loại sét có thể phân loại theo độ sệt (IL), gồm: bùn sét, bùn sét pha khi IL >1 (đất yếu ở trạng thái chảy) và đất yếu loại sét dẻo chảy khi 0,75 < IL ≤ 1 [2].
Ở nước ta còn một số cách phân loại đất yếu khác như TCVN 9355-2012, ngoài căn cứ theo IL, e0, c, thì còn xét tới sức kháng xuyên đầu mũi từ kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh (qc < 100 kPa) hay chỉ số xuyên tiêu chuẩn (N30 < 5) [5]. Hay như TCVN 9362-2012, đất yếu là loại bùn sét (có thể gồm cả đất lún ướt, đất trương nở) và than bùn [6]. Trong đó, đất loại bùn được phân loại theo hệ số rỗng tự nhiên (e 0), còn than bùn là một loại đất thuộc dạng than bùn và được phân loại căn cứ vào độ than bùn (q) gồm: đất có ít than bùn (0,1 < q ≤ 0,25); đất có than bùn vừa (0,25 < q ≤ 0,4); đất có nhiều than bùn (0,4 < q ≤ 0,6); và than bùn (q > 0,6).2 Sơ lược về các giải pháp xây dựng trên nền đất yếu cho nền đường đắp 1.1 Các yêu cầu xử lý nền đất yếu dưới nền đường đắp và tải trọng tác dụng của nền đường đắp trên đất yếu [2] Khi xây dựng đường ô tô trên nền đất yếu, các vấn đề phát sinh chính bao gồm lún nhiều và lún kéo dài, hay mất ổn định trượt. Từ những vấn đề này, việc xử lý nền đất yếu chính là gia tăng sức chống cắt của đất nhằm giải quyết các bài toán về xử lý chống trượt, giảm độ lún và tăng nhanh tốc độ cố kết để rút ngắn thời gian cố kết nền đất yếu dưới tải trọng đắp ngay trong quá trình thi công.
6 Các yêu cầu chính khi thiết kế giải pháp xử lý nền đường đắp trên đất yếu tập trung các nội dung chính như: - Về ổn định, nền đắp trên nền đất yếu phải đảm bảo ổn định, không bị phá hoại do trượt trồi trong quá trình thi công đắp và trong suốt quá trình khai thác sử dụng sau đó; - Về lún, ngoài việc phân tích dự báo được độ lún tổng cộng, lún cố kết, và lún theo thời gian kể từ khi bắt đầu đắp nền cho đến khi lún hết hoàn toàn; - Tính toán và thiết kế giải pháp xử lý nền đất yếu hợp lý; - Thiết kế và bố trí hệ thống quan trắc trong quá trình thi công nền đắp trên nền đất yếu, trong quá trình lưu tải xử lý nền đất yếu, hay khi khai thác vận hành công trình. Khi kiểm tra ổn định và dự báo lún, cần phải xác định các loại tải trọng tác dụng của nền đường đắp trên đất yếu bao gồm tải trọng đất đắp nền đường, tải trọng xe cộ và tải trọng động đất. Tải trọng đắp nền đường gây ra ứng suất thẳng đứng được tính theo [2] (công thức 1.1) trong đó: z - ứng suất thẳng đứng tại độ sâu z do tải trọng đất đắp nền đường; I - hệ số ảnh hưởng theo toán đồ Osterberg; q = h - áp lực thẳng đứng tại đáy nền đường do tải trọng đắp gây ra; - trọng lượng thể tích vật liệu đắp nền đường; h - chiều cao đắp nền đường. Theo quy trình 22TCN 262:2000, hoạt tải do xe cộ được xem là tải trọng của số xe nặng tối đa cùng một lúc có thể đỗ kín khắp bề rộng của nền đường, được xác định theo [2] (công thức 1.l trong đó: n - số xe tối đa có thể xếp được trên phạm vi bề rộng nền đường; G - trọng lượng một xe; B - bề rộng phân bố ngang của các xe; l - phạm vi phân bố tải trọng xe theo hướng dọc tim đường.
Tải trọng động đất được tính đến khi kiểm tra mức độ ổn định của nền đắp trên đất yếu có động đất cấp VII (MSK-64) trở lên, là lực quán tính do động đất của bản thân khối trượt, lực này tỷ lệ thuận với trọng lượng bản thân khối trượt [2] (công thức 1.3) trong đó: Wi - lực động đất tác dụng trên một mảnh trượt i (hoặc khối trượt i), có điểm 7 đặt là trọng tâm mảnh (hoặc khối trượt) và có phương nằm ngang từ phía trong nền đường ra phía ngoài mái ta luy nền đắp; Qi - trọng lượng của mảnh trượt i (hoặc khối trượt i); Kc - hệ số động đất được tính tùy thuộc cấp động đất.2 Một số giải pháp xây dựng công trình trên nền đất yếu Để giải quyết vấn đề lún nhiều, lún kéo dài và mất ổn định khi xây dựng công trình trên nền đất yếu, có ba nhóm giải pháp chính [21], gồm: nhóm giải pháp kết cấu công trình, nhóm giải pháp kết cấu móng và nhóm giải pháp xử lý nền đất yếu. - Nhóm giải pháp kết cấu công trình Kết cấu công trình bị phá hoại do các điều kiện biến dạng như lún hoặc lún lệch quá lớn, sức chịu tải không đảm bảo. Giải pháp về kết cấu công trình nhằm giảm áp lực tác dụng lên nền đất hoặc tăng khả năng chịu lực, chịu biến dạng của kết cấu công trình. Trên thế giới thường dùng các biện pháp sau: giảm trọng lượng bản thân công trình khi dùng vật liệu nhẹ và kết cấu nhẹ; làm tăng sự linh hoạt của kết cấu công trình bằng các kết cấu tĩnh định, khe lún, khớp dẻo; tăng khả năng chịu lực bằng cách gia cố tại các vị trí xuất hiện ứng suất cục bộ lớn; sử dụng kết cấu rỗng độ cứng lớn (ống cống rỗng).
- Nhóm giải pháp kết cấu móng Khi xây dựng công trình trên nền đất yếu, một số giải pháp về móng đã được sử dụng như thay đổi chiều sâu chôn móng để tăng sức chịu tải và giảm lún khi đặt móng xuống các tầng đất phía dưới chặt hơn, ổn định hơn - giải pháp móng sâu như móng cọc thép, cọc gỗ, cọc bê tông cốt thép, cọc khoan nhồi, cọc bê tông rỗng đổ tại chỗ.; thay đổi kích thước móng để giảm áp lực lên nền đất hoặc sử dụng loại móng có độ cứng phù hợp với điều kiện địa chất công trình như móng bè, móng trụ tháp. - Nhóm giải pháp xử lý nền đất yếu Tùy theo tính chất và quy mô của công trình sử dụng mà có các giải pháp xử lý nền đất yếu khác nhau. Để tăng nhanh tốc độ lún, giảm thiểu lún dư của nền đắp khi khai thác, có thể sử dụng các giải pháp thoát nước thẳng đứng như bấc thấm, giếng cát. kết hợp gia tải trước hay cố kết đất yếu bằng hút chân không hoặc gia tải trước.
Để tăng cường độ đất nền, tăng độ ổn định của nền đắp thì có thể sử dụng các biện pháp như cọc ĐXM, cọc đất vôi, cọc trụ vật liệu rời, gia cố toàn khối bằng chất kết dính, xử lý nền đất yếu bằng vữa hóa học, bệ phản áp.