CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ĐẤT CÓ CỐT 1. Lịch sử hình thành Sự ra đời của đất có cốt được đánh giá cao trong Địa Kỹ thuật công trình như sự ra đời của bê tông cốt thép trong xây dựng. Lĩnh vực khoa học kỹ thuật đất có gia cường cốt chịu kéo đã có hơn 40 năm phát triển và hoàn thiện kể từ ngày Henri Vidal (Pháp) đề xuất năm 1963, nhất là sau những năm 70 thuộc thế kỉ trước. Công trình đất có cốt như tường chắn đất có cốt, mái đất có cốt, đập đất có cốt đã được sử dụng nhiều.
Cốt chịu kéo đưa vào đất đắp hoặc theo những quy cách nhất định (như đặt cốt thép trong bê tông cốt thép thông thường) hoặc được trộn lẫn với đất (như bê tông trộn các đoạn sợi thép). Từ ngày sợi tổng hợp, vải địa kỹ thuật ra đời, các công trình đất có cốt vải địa kỹ thuật được xây dựng nhiều hơn vì các lý do sau: - Nhẹ nhất trong các loại công trình vì công trình làm bằng đất tại chỗ. - Mềm nhất vì là công trình đất. - Có thể dùng vải địa kỹ thuật, sợi tổng hợp để làm cốt thay thế cốt thép đắt tiền.
Các loại cốt trong đất và ứng dụng Đến nay có hai quan điểm về đất có cốt chịu kéo: quan điểm thứ nhất coi đất có cốt chịu kéo là loại vật liệu xây dựng mới, lấy tên là đất có cốt (reinforced soils); quan điểm thứ hai nhìn nhận đất có gia cường cốt là một thành tựu mới về kỹ thuật xây dựng công trình đất (earth structures) dựng neo chịu kéo như tường chắn đất, mái đất (đường bộ, đê, đập), nền đất. Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu khối đất có cốt như một bộ phận của công trình đất có cốt, tức là theo quan điểm thứ hai. Khái quát về đất có cốt Đất có cốt là loại đất xây dựng có bố trí gia cường thêm bằng vải địa kỹ thuật (Geotextiles), màng địa kỹ thuật (Geomembranes), lưới địa kỹ thuật (Geogrids), lưới thép địa kỹ thuật để tăng cường khả năng ổn định của công trình đất. Đất có cốt không phải là vật liệu hoàn toàn mới mẻ, mà từ xa xưa con người đã dùng toocsi (torchi, Pháp), một loại vật liệu kết hợp đất dính nhão với rơm để làm vật 4 liệu xây dựng.
Toocsi, vừa có tính dính bám của đất, vừa có tính bền dai của cốt, nên thường được ưa chuộng làm gạch, làm vách ngăn trong nhà. Sự làm việc đồng thời giữa đất và cốt có thể đem lại hiệu quả cao về kinh tế, vì đã phát huy tối đa sức chịu nén, chịu cắt của đất và sức chịu kéo của cốt. Loại vải địa kỹ thuật Vải địa kỹ thuật là sản phẩm polime dạng vải. Có nhiều loại vải địa kỹ thuật thương phẩm khác nhau về chất liệu polime và cấu tạo vải, dưới đây là cách phân loại theo công nghệ chế tạo: a) Loại vải dệt Công nghệ chế tạo loại vải này giống như chế tạo vải may mặc thông thường.
Vải gồm một hệ thống sợi dọc (warp) và ngang (wefl) vuông góc với nhau. Sợi dệt vải địa kỹ thuật có thể là sợi kép hoặc sợi đơn có tiết diện tròn hoặc dẹt, đường kính lớn từ 100÷300µm. Vải dệt gồm sợi dọc căng trên khung dệt và sợi ngang được đưa vào giữa các sợi dọc theo cách dàn. Nói chung thường dùng sợi dọc của vải (warp) bền hơn sợi ngang của vải (wefl).
Do đó tích chất của vải là dị hướng. Tính dị hướng rõ rệt hơn nếu độ thưa sít của các sợi dọc và độ sít của các sợi ngang khác nhau. Ít loại vải địa kỹ thuật đẳng hướng theo phương dọc và phương ngang. Nếu có loại vải đẳng hướng theo phương dọc và phương ngang thì vải đó có tính dị hướng theo các phương chéo góc.
Một số hình ảnh vải địa kỹ thuật dệt b) Loại vải không dệt Vải địa kỹ thuật không dệt : Gồm các sợi vải dàn (theo cách làm cốt áo bông kép). Sợi vải dàn thành lớp dày mỏng dày từ 0.5mm đến vài mm với sự sắp xếp sợi vải không theo qui tắc mà theo xác suất tự nhiên hoặc có định hướng theo một phương nào 5 đó có chủ đích. Cũng như lớp bông dàn, lớp sợi dàn thành lớp hầu như không có sức chịu kéo nên rất xộc xệch, thường dùng cho các yêu cầu tầng lọc, phân cách, tiêu nước. Còn dùng để gia cố đất nói chung, hay chính là làm cốt cho đất, là các loại vải địa kỹ thuật dệt, đan và lưới.
Một số hình ảnh vải địa kỹ thuật không dệt c) Loại vải địa phức hợp Vải địa phức hợp là loại vải kết hợp giữa vải địa kỹ thuật không dệt và các sợi polyester cường độ cao, được may thành những bó sợi chịu lực trên nền vải không dệt để tạo ra một sản phẩm có đủ các chức năng của vải dệt và không dệt. Vải địa kỹ thuật không dệt chia làm hai loại: + Loại đơn trục là loại vải có lực theo chiều khổ hoặc chiều cuộn lớn hơn + Loại hai trục là loại vải có lực theo chiều khổ hoặc chiều cuộn bằng nhau Hình 1. 3 Một số hình ảnh về vải địa kỹ thuật phức hợp. Loại lưới địa kỹ thuật Lưới ô vuông làm bằng kim loại hoặc vật liệu chất dẻo có tính năng chịu kéo, được đặt nằm ngang trong khối vật liệu đắp.
Nhờ có lực kháng bị động của đất đối với các thanh cốt ngang và lực ma sát giữa vật liệu đắp với bề mặt của lưới nên chống lại được sự di chuyển ra phía ngoài của đất có cốt. Có thể dùng lưới thép hoặc lưới sợi thép. Lưới cốt bằng thép được liên kết với tấm mặt tường bê tông xi măng đúc sẵn. Trường 6 hợp, nếu cốt có dạng lưới sợi thép thì có thể uốn cong đoạn ngoài của mỗi lớp cốt để làm mặt tường và cho nối chập vào lớp cốt phía trên hoặc cũng có thể liên kết với tấm bê tông xi măng mặt tường đúc sẵn.
Lưới vật liệu tổng hợp cường độ cao có thể được tạo thành bằng phương pháp kéo dãn polyeste hoặc polyetylen mật độ cao. Có thể cuộn lật lưới lên trên để làm vỏ mặt tường hoặc liên kết lưới với tấm mặt tường bê tông xi măng hay liên kết với rọ đá của mặt tường. Không giống vải địa kỹ thuật dệt và không dệt (thảm), lưới địa kỹ thuật có mắt lưới rộng từ vài mm đến vài cm. Lưới địa kỹ thuật được tạo nên bởi những sợi to thô, liên kết với nhau bằng ép nóng hoặc keo dính với nhau, và thường dùng làm rọ, gabion thay thế gabion kim loại.
4 Một số hình ảnh về lưới địa kỹ thuật. Màng polime địa kỹ thuật Màng địa kỹ thuật là loại tấm mềm cách khí và cách nước (Hệ số thấm vào khoảng 10-11÷10-13 cm/s). Các sản phẩm vải địa kỹ thuật nêu trên (vải, thảm, lưới) thường do yêu cầu vận chuyển hay yêu cầu thi công mà chế tạo với chiều rộng từ 5÷5,5m và chiều dài từ 50÷200m tuỳ loại và cuốn thành cuộn. Trong ứng dụng, loại vải địa kỹ thuật không dệt (thảm) thường dùng cho các yêu cầu tầng lọc, phân cách, tiêu nước.
Còn dùng để gia cố đất nói chung, hay chính là làm cốt cho đất, là các loại vải địa kỹ thuật dệt, đan và lưới. Tuỳ theo yêu cầu cụ thể mà dùng vải dệt, vải đan hay lưới. 5 Công trình sử dụng cốt là màng polime địa kỹ thuật[5]. Ứng dụng đất có cốt khi xây dựng công trình đất Đất được ổn định cơ học bằng cốt là các vật liệu bên ngoài đã được thực hiện từ rất lâu ở nước ta và các nước trên thế giới.
Ở các vùng đầm lầy, cửa sông, đường và đê được đắp trên móng là thân cây và cành cây như quai đê lấn biển trên vùng phù sa non Nga Sơn, Hậu Lộc (Thanh Hoá), Cồn Thoi, Bình Minh (Ninh Bình). Năm 1970, kỹ sư Bill Hifker (Mỹ) đã sáng chế loại lưới dây hàn tạo bởi các dây thép hay thanh thép không gỉ để làm cốt. Sau đó với việc chế tạo lưới chất dẻo bền vững như Tensar và Tenax có khả năng chịu giãn cao và chống được ăn mòn cốt đã làm cho việc sử dụng cốt lưới với đất đắp ma sát dính phát triển. Có thể coi Tensar và Tenax là một trong những ứng dụng đầu tiên của vải địa kỹ thuật làm cốt cho đất.
Người ta nhanh chóng nhận thấy hiệu quả toàn diện của áp dụng loại cốt này. Và công nghệ đất có cốt, cụ thể là đất có cốt vải địa kỹ thuật, phát triển nhanh hơn bao giờ hết đặc biệt trong hai thập kỷ 80 và 90. Vật liệu vải địa kỹ thuật làm cốt ngày một đa dạng và phát triển về chất, phạm vi ứng dụng ngày một mở rộng. Các lĩnh vực ứng dụng gồm có: tường chắn có cốt vải; khối đắp có cốt vải; gia cố mái dốc khối đắp nền đường sử dụng vải địa kỹ thuật và đất mềm yếu tại chỗ.
Trong hơn 35 năm qua, vải địa kỹ thuật đã phát triển với tốc độ chóng mặt cả về hình loại, số lượng và chất lượng, đáp ứng hàng loạt các yêu cầu địa kỹ thuật trong xây dựng công trình. Vải địa kỹ thuật có thể được chế tạo từ một hoặc nhiều loại nguyên liệu sau: - Polyester (PES); 8 - Polypropylen (PP) ; - Polyamide (nilon, PA); - Polyethylene (PE) và một số loại polyme khác. Ứng dụng của vải địa kỹ thuật trong xây dựng dân dụng, giao thông, thủy lợi a) Trong xây dựng dân dụng Tường chắn đất có cốt; gia cố mái dốc có cốt; gia cường nền đất có cốt…. 6 Vải địa kỹ thuật trongxây dựng dân dụng[5].
b) Trong giao thông Nền đường có gia cố cốt; sân bay; đường sắt; cầu cảng… Hình 1. 7 Vải địa kỹ thuật trong giao thông[5]. 9 c) Trong thủy lợi Kênh mương, công trình biển, đập hoặc các công trình giữ nước… Hình 1. 8 Vải địa kỹ thuật trong thủy lợi.
Khả năng ứng dụng công nghệ phần mềm vào tính toán vật liệu đất cốt Khả năng ứng dụng phần mềm để tính toán vật liệu đất có cốt phổ biến như GEOSLOPE, PLAXIS, RESSA… 1. Khái quát về chức năng của vải địa kỹ thuật trong xây dựng Trong các loại công trình đất, vải địa kỹ thuật thực hiện 5 chức năng cơ bản đơn lẻ hoặc kết hợp tuỳ thuộc vào các ứng dụng: 1. Ngăn cách Mục đích là để ngăn cách 2 lớp đất có cỡ hạt khác nhau. Chúng có những đặc tính khác nhau về khả năng thấm, độ ma sát và khả năng chịu tải.
