Đặt vấn đề nghiên cứu Trong thời kì hội nhập phát triển kinh tế đất nước, vấn đề đầu tư và xây dựng cơ sở hạ tầng rất được chú trọng và ngày càng được đẩy mạnh. Các khu công nghiệp, cảng và nhà máy có quy mô lớn được xây dựng tại các khu vực duyên hải, hoặc châu thổ để tận dụng các thuận lợi về địa điểm và vị trí địa lý càng ngày càng nhiều. Nhiều công trình có tải trọng lớn được đặt tại vị trí có địa chất yếu bên dưới được đưa vào sử dụng sớm trong khi đất nền chưa cố kết hết nên công trình tiếp tục lún gây ra nhiều hư hỏng cần phải sửa chữa mà công trình vẫn tiếp tục lún. Do đó để xây dựng các công trình có tải trọng lớn trong khu vực này cần phải có các biện pháp xử lý nền trước khi xây dựng công trình.
Hiện nay, việc áp dụng các biện pháp xử lý nền tiên tiến trên thế giới vào các công trình trong nước cũng mang đến những thành công vượt mong đợi về hiệu quả và thời gian. Khi phải xử lý nền đất rất yếu, phương pháp hút chân không có hiệu quả nhanh hơn phương pháp gia tải đơn thuần với áp lực chân không 80 kPa thường được giữ không đổi trong suốt quá trình xử lý nền. Phương pháp hút chân không để gia tải cũng rẻ hơn khi so sánh với chỉ gia tải với sức tải tương đương. Phương pháp gia cố đất nền bằng gia tải trước đắp đất kết hợp bơm hút chân không đã được áp dụng vào một số công trình tại nước ta như công trình Nhà máy khí điện đạm Cà Mau, Nhà máy điện Nhơn Trạch 2, Nhà máy điện Duyên Hải, Đường cao tốc Bắc Nam Long Thành Dầu Giây…với các nhà thầu trong và ngoai nước tham gia thiết kế và thi công phương pháp xử lý nền này.
Phương pháp này cho thấy rất nhiều ưu điểm về tiến độ, kinh tế, và thực sự là một trong các phương pháp xử lý nền hiệu quả sẽ được áp dụng phổ biển trong tương lai. Đối với nước ta, có thể nói xử lý nền bằng bơm hút chân không là một HVTH: NGUYỄN CÔNG TRÍ CBHD: TS LÊ BÁ VINH 14. Hiện nay, có rất nhiều đơn vị, cá nhân quan tâm nghiên cứu ứng dụng công nghệ này để áp dụng vào công trình thi công thực tế. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài bao gồm những nội dung sau đây: Nghiên cứu tính toán công thức quy đổi hệ số thấm đất có bấc thấm từ 3D sang 2D của Indraratna.
Nghiên cứu phương pháp mô phỏng bấc thấm trực tiếp bằng phần tử Drain cho nền đất Đường cao tốc Bắc Nam Long Thành Dầu Giây xử lý hút chân không bằng phần mềm Geostudio. Nghiên cứu độ cố kết của nền đất khi thay đổi khoảng cách bấc thấm và chiều dài bấc thấm, mô phỏng bằng phần mềm Geostudio. Nghiên cứu độ cố kết của nền sét yếu dày, mô phỏng bằng phần mềm Geostuio. Nghiên cứu công thức tính toán phạm vi lún cố kết dưới mũi bấc thấm, mô phỏng bằng phần mềm Geostudio.
Nghiên cứu mô phỏng bấc thấm lý tưởng và bấc thấm không lý tưởng bằng phần mềm Geostudio. Nghiên cứu ảnh hưởng sự rò rỉ chân không của lớp cát đến độ cố kết nền bằng mô phỏng bằng phần mềm Geostudio. Phạm vi nghiên cứu Đường cao tốc Bắc Nam Long Thành Dầu Giây và nền đất yếu ở ven biển Arieka, Nhật Bản. Mô phỏng bằng phần mềm Geostudio.
HVTH: NGUYỄN CÔNG TRÍ CBHD: TS LÊ BÁ VINH 15 Sử dụng số liệu quan trắc để kiểm tra độ lún, chuyển vị ngang, áp lực nước lỗ rỗng của nền đất. Nghiên cứu mở rộng các bài toán xét các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý nền bằng phương pháp hút chân không kết hợp bấc thấm. Phương pháp nghiên cứu Trên cơ sở số liệu về địa hình, địa chất và kết quả thiết kế thi công tại công trình, nghiên cứu lý thuyết tính toán, đưa ra mô hình tính toán theo phương pháp PTHH bằng phần mềm Geostudio. So sánh kết quả tính lý thuyết theo mô hình và kết quả quan trắc thực tế của công trình đưa ra kết luận về tính chính xác của mô hình và lý thuyết tính toán.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ưu điểm của phương pháp xử lý nền bằng hút chân không kết hợp bấc thấm là thời gian thi công nhanh, giảm khả năng mất ổn định công trình trong thời gian gia tải, giảm khối lượng cát gia tải so với phương pháp gia tải bằng cát đắp truyền thống. Nếu tiếp tục nghiên cứu làm chủ công nghệ thi công giúp hạ giá thành thi công, đây là phương pháp phù hợp, có thể áp dụng phổ biến trong tương lai, thay thế cho phương pháp gia tải truyền thống. Áp dụng phương pháp mô phỏng mô hình xử lý nền bằng hút chân không kết hợp bấc thấm bằng phần mềm Geostudio, trong đó sử dụng công thức chuyển đổi hệ số thấm của đất nền từ mô hình 3D sang 2D và xem xét mô phỏng phần tử bấc thấm Drain lý tưởng và không lý tưởng sao cho phù hợp với thực tế thi công. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý nền bằng phương pháp hút chân không kết hợp bấc thấm phục vụ nhu cầu thiết kế cũng như thi công bằng phương pháp này.
HVTH: NGUYỄN CÔNG TRÍ CBHD: TS LÊ BÁ VINH 16 CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP HÚT CHÂN KHÔNG 2. Phương pháp xử lý nền bằng gia tải trước kết hợp giếng thấm Một trong những phương pháp cải tạo các tính chất của đất được sử dụng phổ biến trên thế giới là phương pháp gia tải trước kết hợp với các thiết bị thoát nước thẳng đứng (giếng thấm). Kỹ thuật gia tải trước Gia tải trước là quá trình nén trước nền đất trước khi xây dựng công trình.
Nếu tải trọng nén trước tác dụng tạm thời lớn hơn tải trọng thường xuyên của công trình thì phần chênh lệch được gọi là gia tải.1: Xử lý nền bằng phương pháp gia tải trước Phương pháp gia tải trước đơn giản nhất là phương pháp sử dụng đất đắp. Khi tải trọng đặt trên nền đất yếu, đầu tiên toàn bộ tải trọng sẽ do nước lỗ rỗng gánh chịu. Áp lực nước lỗ rỗng sẽ giảm dần khi nước lỗ rỗng thấm theo phương thẳng đứng ra khỏi nền đất làm cho nền đất cố kết. HVTH: NGUYỄN CÔNG TRÍ CBHD: TS LÊ BÁ VINH 17 Hình 2.2: Kết quả độ lún do quá trình gia tải trước Tải trọng tạm thời có thể được dỡ bỏ khi nền đất có độ lún đạt được giá trị độ lún cuối cùng với cấp tải trọng thiết kế.
Sau đó, nếu xây dựng công trình lên nền đất này độ lún cố kết sẽ không còn đáng kể. Ngoài ra, với sự gia tăng về cường độ cũng như tốc độ gia tải thì độ lún thứ cấp sẽ được giảm đáng kể. Điều này được giải thích là, khi sử dụng tải trọng gia tải trước lớn hơn tải trọng làm việc của công trình, đất nền luôn luôn nằm trong trạng thái quá cố kết và tính lún thứ cấp của đất quá cố kết thì nhỏ hơn rất nhiều so với đất cố kết thường. Điều này có ý nghĩa rất lớn trong thực tế (Johnson, 1970).
Tuy nhiên phần gia tải chỉ có thể dỡ đi khi áp lực nước lỗ rỗng trong đất tiêu tán hoàn toàn. Giếng thấm Lún cố kết luôn gây ra nhiều vấn đề với nền móng công trình, hệ số thấm của đất yếu thường rất nhỏ nên độ lún cố kết chỉ kết thúc sau một thời gian rất lâu. Để rút ngắn thời gian cố kết người ta dùng kỹ thuật giếng thấm cộng với phương pháp gia tải trước. Giếng thấm là đường thoát nước nhân tạo được cắm vào nền đất yếu, dưới tác dụng của gia tải, gradient thủy lực của nước trong lỗ rỗng gia tăng làm nước thấm theo phương ngang vào các giếng thấm và sau đó nước sẽ thấm tự do một cách nhanh chóng theo giếng thấm đi lên trên bề mặt.
Như vậy dùng giếng thấm sẽ rút ngắn chiều dài đường thấm cho nên thời gian cố kết cũng được rút HVTH: NGUYỄN CÔNG TRÍ CBHD: TS LÊ BÁ VINH 18 ngắn một cách đáng kể. Hơn nữa thông số hệ số thấm theo phương ngang lớn hơn hệ số thấm theo phương đứng cho nên thời gian kết thúc cố kết sẽ được rút ngắn lại. Giếng thấm có hai chức năng rõ rệt : Rút ngắn thời gian cố kết Tăng sức chống cắt Hình 2.3: Gia tải trước với giếng thấm D.Moran (kỹ sư người Mỹ) là người đầu tiên đề nghị sử dụng giếng cát vào năm 1925 và được thi công thử nghiệm một vài năm sau đó tại California. Phương pháp giếng cát có một số nhược điểm nhất định.
Cát được sử dụng trong giếng cát phải được chọn lựa kỹ lưỡng để có hệ số thấm tốt nhất cho nên phải vận chuyển cát từ những nguồn thích hợp xa vị trí công trường. Ngoài ra, trong khi thi công rất có khả năng giếng cát bị đứt đoạn không bảo đảm được vai trò thoát nước do lỗi trong thi công hoặc do chuyển vị ngang của nền lớn. Người ta đã bắt đầu nghĩ ra cách thay thế vật liệu thuận lợi hơn để thi công giếng thấm. Tại Thụy Điển vào giữa thập niên 1930, Kjellman bắt đầu tiến hành thử nghiệm giếng thấm chế tạo sẵn hoàn toàn bằng các tông.
Tuy nhiên với vật liệu giếng thấm này vấn đề nảy sinh là sự phá hoại nhanh chóng bấc thấm khi thi công vào nền đất. Vào năm 1971, Wager cải thiện bấc thấm Kjellman bằng cách sử HVTH: NGUYỄN CÔNG TRÍ CBHD: TS LÊ BÁ VINH 19 dụng lõi làm bằng chất dẻo (polyethylene) nhằm thay thế lõi bằng các tông. Một thời kì mới mở ra đối với giếng thấm, một số lượng bấc thấm chế tạo sẵn đã xuất hiện. Thi công cắm bấc thấm được cải thiện về tốc độ và chiều sâu cắm.
Ngày nay bấc thấm được xem là vật liệu chính phổ biến dùng để xử lý nền đất có độ sâu lớn, được áp dụng rộng rãi cho các dự án đường, cảng, sân bay… Bấc thấm thường có bề rộng 100mm, dày 3 5mm. Lõi bấc thấm là một loại chất dẻo, có nhiều rãnh nhỏ để làm khe thoát nước hoặc để đỡ võ lớp bọc khi có áp lực ép vào bấc thấm. Bao quanh lõi là lớp vỏ bằng vải địa kỹ thuật bằng nhựa tổng hợp hoặc dạng dệt từ sợi nhựa tổng hợp. Vỏ có tác dụng làm bộ lọc nước, hạn chế các hạt đất đi qua làm tắc nghẽn khe thoát nước.
Với kỹ thuật sản xuất bấc thấm hiện nay, lưu lượng tháo nước của bấc thấm có thể đạt 80m3 140m3/năm cao hơn rất nhiều so với độ thấm của đất yếu.
