CHƯƠNG I NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG LÚN Ở NỀN ĐƯỜNG SAU MỐ ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU 1.1 Đánh giá hiện trạng địa chất công trình vùng đất yếu 1.1 Khái niệm về đất yếu Đất mềm yếu là những đất có khả năng chịu tải kém, tính nén lún lớn, bão hoà nước, có hệ số rỗng lớn, có môđuyn biến dạng nhỏ, sức chống cắt nhỏ… Theo Quy trình khảo sát thiết kế nền đường ôtô đắp trên đất yếu 22TCN-262-2000 thì theo nguyên nhân hình thành đất yếu có thể có nguồn gốc khoáng vật hoặc nguồn gốc hữu cơ. − Loại có nguồn gốc khoáng vật thường là sét hoặc á sét trầm tích trong nước ở ven biển, vùng vịnh, đầm hồ, vùng đồng bằng tam giác châu thổ; loại này có thể lẫn hữu cơ trong quá trình trầm tích nên có thể có màu đen, xám đen. Đối với loại này, được xác định là đất yếu nếu ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của chúng gần bằng hoặc cao hơn độ ẩm giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (sét e>=1,5, á sét e>1), lực dính c theo kết quả cắt nhanh không thoát nước từ 0,15 daN/cm2 trở xuống, góc nội ma sát ϕ từ 0 – 10o hoặc lực dính kết theo kết quả cắt cánh hiện trường Cu≤ 0,35 daN/cm2. Ngoài ra các vùng thung lũng còn hình thành đất yếu dưới dạng bùn cát, bùn cát mịn ( hệ số rỗng e>1 và độ bão hoà Sr >0,8).
− Loại có nguồn gốc hữu cơ thường hình thành ở 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 này thường gọi là đất đầm lầy than bùn, hàm lượng hữu cơ chiếm tới 20-80%, thường có màu đen 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 ở trên.2 Một số đặc điểm của đất yếu − Thuộc loại nền đất yếu thường là đất sét có lẫn nhiều hữu cơ; − Sức chịu tải bé (0,5 – 1kG/cm2); − Đất có tính nén lún lớn (a> 0,1 cm2/kG); − Hệ sô rỗng e lớn (e > 1,0); 12 − Độ sệt lớn ( B > 1); − Mô đun biến dạng bé (E< 50kG/cm2); − Khả năng chống cắt bé, khả năng thấm nước bé; − Hàm lượng nước trong đất cao, độ bão hòa nước G> 0,8, dung trọng bé; 1.3 Các loại đất yếu thường gặp − Đất sét mềm: gồm các loại đất sét hoặc á sét ở trạng thái bão hòa nước, chảy hoặc dẻo chảy, có cường độ thấp; − Bùn: Các loại đất tạo thành trong môi trường nước, thành phần hạt rất mịn (<200µm) ở trạng thái luôn no nước, hệ số rỗng rất lớn, rất yếu về mặt chịu lực; − Than bùn: Là loại đất yếu có nguồn gốc hữu cơ, được hình thành do kết quả phân hủy các chất hữu cơ có ở các đầm lầy (hàm lượng hữu cơ từ 20 – 80%); − Cát chảy: Gồm các loại cát mịn, kết cấu hạt rời rạc, có thể bị nén chặt hoặc pha loãng đáng kể. Loại đất này khi chịu tải trọng động thì chuyển sang trạng thái chảy gọi là cát chảy.
− Đất bazan: Đây cũng là đất yếu với đặc diểm độ rỗng lớn, dung trọng khô bé, khả năng thấm nước cao, dễ bị lún sập.4 Một số nghiên cứu về sự cố lún đường dẫn trên thế giới Do sự gia tăng kinh phí cho công tác duy tu bảo dưỡng khắc phục sự cố nên Cục giao thông Mỹ đã kết hợp với các đơn vị quản lý và các nhà khoa học tiến hành hàng loạt các nghiên cứu về vấn đề này tại các bang Illinois, California, Winscosin, Oklahoma, Indiana, Missouri, Tezas, Kentucky …nhằm tìm ra nguyên nhân cũng như các giải pháp khắc phục và phòng tránh sự cố lún đường dẫn sau mố. Trong đó đáng chú ý ở một số bang sự cố lún đường dẫn sau mố diễn ra đặc biệt nghiêm trọng nên các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu nhiều lần như tại Illinois năm 1957 và 1995, California năm 1959 và năm 1985, Colorado năm 1982 và năm 1995. Đặc biệt tại Kentucky các nghiên cứu đã được tiến hành liên tục vào các năm 1969, 1985, 2002, 2005 nhằm tìm ra biện pháp thực sự hữu hiệu để giảm thiểu sự cố lún đường dẫn sau mố. Nói chung tất cả các nghiên cứu này đều cho rằng sự cố lún đường dẫn sau mố là sự cố rất phức tạp và cần được lưu tâm.1 Nghiên cứu của Briaud Theo Briaud (1997), những nguyên nhân điển hình sau là những nguyên nhân dẫn đến lún khu vực sau mố.
Cụ thể được minh họa ở Hình 1 Vật liệu đắp nền đường không thích hợp Không dự đoán được mức độ lún của lớp đất yếu dưới nền đắp. Hệ thống thoát nước mố cầu kém hiệu quả dẫn đến hiện tượng xói đất đắp sau mố và phát triển lỗ rỗng dưới bản dẫn sau mố cầu Hình 1.1: Nguyên nhân gây sự cố lún đường dẫn sau mố theo nghiên cứu của Briaud Khe co giãn và gối cầu bị hư hỏng làm cho mố bị dịch chuyển theo sự dịch chuyển của kết cấu dầm cầu. Ngoài ra, một số yếu tố thứ yếu khác cũng dẫn đến sự cố lún đường dẫn sau mố cầu bao gồm - Nền đắp cao 14 - Lưu lượng xe lưu thông lớn - Khu vực có cường độ mưa lớn - Độ dốc đường đầu cầu lớn… Nghiên cứu của Briaud cũng khuyến cáo rằng có thể phòng tránh hiện tượng này nếu các giải pháp sau đây được xem xét đến trong quá trình thiết kế và thi công: Thiết kế tấm bản dẫn hợp lý Đất đắp sau mố đầm đủ độ chặt Đắp bằng vật liệu thích hợp (để cải thiện cường độ và chống lại sự xói mòn) Hệ thống thoát nước hiệu quả Nền đường đắp thấp Trình tự thi công hợp lý và việc giám sát thi công được thực hiện chặt chẽ Thời gian chờ lún kéo dài và đắp gia tải hợp lý.2 Nghiên cứu của Wahls Theo nghiên cứu của Wahls (1990), nguyên nhân của sự cố lún đường dẫn sau mố bao gồm : Lún của lớp đất yếu dưới nền đường Lún của bản thân nền đường đắp Đầm chặt không đủ ở vị trí sát mố vì sự hạn chế về mặt bằng thi công Xói mòn vật liệu đắp ở sát bề mặt thân mố Do lựa chọn loại mố và móng mố không hợp lý Cũng theo Wahls thì lún lệch nằm trong khoảng 13mm (0,5 inches) được coi là hợp lý và có thể chấp nhận được tại vị trí nhạy cảm này.3 Nghiên cứu của David Allen và Tommy Hopkins David Allen và Tommy Hopkins đã nghiên cứu khảo sát vấn đề này với các công trình cầu thuộc phạm vi Kentucky trong khoảng 30 năm gần đây. Nội dung nghiên cứu của David Allen và Tommy Hopkins bao gồm các điểm chủ yếu như sau: 15 Năm 1973, David Allen và Tommy Hopkins khảo sát nguyên nhân dẫn đến hiện tượng lún lệch giữa mặt đường với mặt cầu và hiện tượng nghiêng và biến dạng của mố trụ cầu.
Theo báo cáo của Hopkins các nguyên nhân dẫn đến hiện tượng này chủ yếu thuộc về sai sót và bất cẩn của công tác thiết kế, thi công và duy tu bảo dưỡng trong quá trình khai thác. Nghiên cứu cũng đề xuất sự bắt buộc phải sử dụng thiết bị theo dõi độ dốc nghiêng của nền đường. Năm 1985, David Allen và Tommy Hopkins tiếp tục nghiên cứu về hiện tượng nghiêng và biến dạng của mố trụ trong giai đoạn thi công đường đắp khu vực gần cầu. Nghiên cứu của Allen bước đầu thu thập các số liệu được đo trực tiếp từ các thiết bị đo áp lực đất và theo dõi sự phát triển hệ số an toàn tại vị trí đo.
Năm 1988, David Allen và Tommy Hopkins công bố báo cáo về nguyên nhân gây ra sự lún lệch tại vị trí tiếp giáp giữa mố cầu và đường. Nghiên cứu được tiến hành dựa trên phân tích đối với 6 đoạn đường đầu cầu ở Kentucky theo phương pháp phần tử hữu hạn với mô hình lý thuyết gần đúng để dự đoán mức độ lún của mặt đường khu vực gần cầu. Đặc biệt báo cáo này đã lưu ý đến sự chuyển vị ngang và lún của khối tứ nón khu vực tiếp giáp mố cầu.4 Các nghiên cứu khác Ngoài ra, các nghiên cứu khác của Tadros, Benak, Schaefer, Koch… cũng là các nghiên cứu nền tảng về sự cố lún nền đường sau mố. Tadros và Benak (1989) cho rằng nguyên nhân gây ra sự cố có liên quan trực tiếp đến lực ngang tác dụng vào mố xuất hiện bởi áp lực của đất hoặc sự giãn nở của kết cấu mặt đường theo chiều dọc.
James (1995) khuyến cáo rằng sự giãn nở kết cấu mặt đường theo chiều dọc phát sinh lực đẩy ngang và ảnh hưởng mạnh đến mức độ ghồ ghề khu vực tiếp giáp giữa nền đường và mố cầu. Theo Schaefer và Koch (1992) sự phát triển lỗ rỗng bên dưới tấm bản quá độ cũng là nguyên nhân dẫn đến lún khu vực đường dẫn sau mố. Lỗ rỗng được hình thành và phát triển là do ảnh hưởng của sự chuyển dịch mố hoặc là do sự xói mòn vật liệu đắp nền đường. Theo kinh nghiệm, nền đường đắp càng cao thì mức chênh cao độ tại điểm tiếp giáp giữa mố cầu và đường dẫn càng lớn.
Schaefer và Koch (1992) đã đưa ra những kiến nghị cụ thể nhằm giảm thiểu sự hình thành lún lệch tại vị trí “nhạy cảm” này. Những kiến nghị đó như sau: 16 Bản dẫn nên được thiết kế sao cho giảm thiểu sự hình thành vết nứt ngang xuất hiện gần khu vực mố hoặc trên bề mặt bản. Loại vật liệu đắp sau mố nên thay đổi từ loại vật liệu nhỏ dẹt đến loại vật liệu chọn lọc tốt hơn. Khuyến khích việc sử dụng những vật liệu bao bọc như vải địa kỹ thuật để ngăn chặn hiện tượng xói của vật liệu đắp sau mố.5 Các Vùng đất yếu tại Việt Nam Đặc điểm địa lý của Việt Nam là có nhiều sông ngòi và bờ biển trải dài dọc suốt theo chiều dài của đất nước.
Theo các số liệu thống kê cho thấy Việt Nam có gần 3000 km bờ biển và gần 2000 con sông lớn nhỏ, trong đó có nhiều dòng sông có diện thích bồi đắp lớn. Điển hình là Sông Hồng ở đồng bằng Bắc Bộ và sông Cửu Long ở đồng bằng Nam Bộ. Đây cũng là 2 vùng được đánh giá là có địa chất yếu nhất tại Việt Nam.