Nghiên Cứu Ứng Xử Nền Đất Yếu Bằng Phương Pháp Hút Chân Không

LỜI CAM ĐOAN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU

1.1. Tổng quan về nền đất yếu

1.2. Các phương pháp xử lý nền đất yếu khi xây dựng công trình

1.2.1. Nhóm các phương pháp làm chặt đất trên mặt bằng cơ học

1.2.1.1. Làm chặt đất bằng đầm rơi

1.2.1.2. Làm chặt đất bằng phương pháp đầm lăn

1.2.1.3. Làm chặt đất bằng phương pháp đầm rung

1.2.2. Nhóm các phương pháp làm chặt đất dưới sâu bằng chân động và thủy chân

1.2.2.1. Phương pháp nén chặt đất bằng chân động

1.2.2.2. Phương pháp nén chặt đất bằng thủy chân

1.2.3. Nhóm các phương pháp gia cố nền bằng thiết bị tiêu nước thẳng đứng

1.2.3.1. Phương pháp gia cố bằng giếng cát

1.2.3.2. Phương pháp gia cố bằng bấc thấm (PVD)

2. CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỐ KẾT CHÂN KHÔNG

2.1. Lý thuyết về cố kết thấm và các bài toán liên quan

2.2. Lý thuyết cố kết một chiều theo phương đứng của Terzaghi

2.3. Lý thuyết cố kết ba hướng của Biot

2.4. Lời giải cho bài toán cố kết chân không của Indra

2.5. Trường hợp bài toán biến dạng phẳng tương đương

2.6. Lời giải cho bài toán cố kết hút chân không B. Rujikiatkamjorn và L. Sai

2.7. Chuyển đổi hệ số thấm áp dụng cho phân tích phần tử hữu hạn ứng suất phẳng 2D

3. CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG CÔNG TRÌNH XỬ LÝ BẰNG GEOSTUDIO

3.1. Giới thiệu chung về khu vực xây dựng công trình

3.2. Địa chất công trình

3.3. Mô tả số liệu sử dụng trong bài toán mô phỏng

3.4. Điều kiện biên, lưới phần tử trong mô hình tính toán

3.5. Kết quả mô phỏng

3.6. Bài toán so sánh xử lý nền bằng bơm hút chân không kết hợp bấc thấm và đắp gia tải thông thường

4. CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG XỬ LÝ HÚT CHÂN KHÔNG KẾT HỢP BẤC THẤM CÓ LỚP CÁT XEN KẸP

4.1. Bài toán xử lý hút chân không trong địa tầng có lớp cát xen kẹp

4.2. Điều kiện của bài toán

4.3. Kết quả mô phỏng

5. CHƯƠNG V: MÔ PHỎNG HÚT CHÂN KHÔNG KẾT HỢP BẤC THẤM VÀ TƯỜNG HÀO TRONG ĐỊA TẦNG CÓ LỚP CÁT XEN KẸP

5.1. Các loại tường hào

5.2. Điều kiện của bài toán

5.3. Kết quả mô phỏng

6. CHƯƠNG VI: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG TRÌNH CAO TỐC LONG THÀNH — DẦU GIÂY

6.1. Giới thiệu về công trình cao tốc Long Thành — Dầu Giây

6.2. Địa chất của công trình

6.3. Xác định mối quan hệ giữa sức kháng cắt và tỉ số quá cố kết bằng số liệu thực nghiệm sau khi xử lý hút chân không tại công trình cao tốc Long Thành — Dầu Giây

7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

PHỤ LỤC

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Nền Đất Yếu Khái Niệm Thách Thức

Thành phố Hồ Chí Minh, nằm ở hạ lưu sông Đồng Nai – Sài Gòn, có địa chất hình thành từ trầm tích phù sa. Do đó, cấu tạo đất tự nhiên chủ yếu là bùn đất bão hòa nước. Quá trình đô thị hóa đặt ra nhu cầu cấp thiết phải xử lý nền đất yếu để đảm bảo an toàn cho các công trình. Các công trình hạ tầng như metro, cầu, cảng, cao ốc dân sinh đang được xây dựng trên vùng đất này. Một trong các biện pháp truyền thống là nén trước bằng cách chất tải. Tuy nhiên, với đất nền quá yếu, tốc độ cố kết chậm và yêu cầu chiều cao lớp đất chất tải lớn có thể dẫn đến trượt mái dốc. Biện pháp nén trước bằng kỹ thuật hút chân không là một giải pháp hợp lý về mặt kinh tế và kỹ thuật. Nó giúp giảm chi phí, rút ngắn thời gian cố kết, cải thiện sức chịu tải của nền và tăng nhanh tốc độ thi công. Theo tiêu chuẩn ngành, nền được coi là đất yếu nếu ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn, lực dính nhỏ và góc nội ma sát thấp.

1.1. Định nghĩa Đất Yếu theo Tiêu Chuẩn Xây Dựng Việt Nam

Theo định nghĩa trong các tiêu chuẩn ngành 22TC 262-2000 (Bộ GTVT) và TCXD 245:2000 (Bộ Xây dựng), nền là đất yếu nếu ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của chúng gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn, lực dính C theo kết quả cắt nhanh không thoát nước từ 0.15 daN/cm2 trở xuống, góc nội ma sát từ 0° đến 10°, hoặc lực dính từ kết quả cắt nhanh tại hiện trường Cu < 0. Các nước trên thế giới cũng thống nhất về định nghĩa nền đất yếu theo sức kháng cắt không thoát nước, Su, và số xuyên tiêu chuẩn N (SPT). Ví dụ, đất rất yếu có Su < 12.5 kPa hoặc N < 2.

1.2. Ảnh hưởng của Lún Nền Đất đến Tuổi Thọ Công Trình

Công trình xây dựng trên nền đất yếu lâu ngày có thể xảy ra hiện tượng lún kéo dài sau khi thi công. Điều này dẫn đến hư hỏng hoặc mất ổn định của công trình. Một số công trình bị lún điển hình ở Việt Nam bao gồm đường cao tốc Pháp Vân – Cầu Giẽ, kho cảng Thị Vải và đường dẫn vào cầu vượt Nguyễn Hữu Cảnh. Để đảm bảo tính ổn định lâu dài, việc xử lý nền trước khi xây dựng là rất cần thiết. Cần áp dụng các biện pháp như gia cố nền đất yếu để giảm độ lún và tăng khả năng chịu tải.

II. Vấn Đề Hậu Quả Của Nền Đất Yếu Trong Xây Dựng

Việc xây dựng trên nền đất yếu tiềm ẩn nhiều rủi ro. Hiện tượng lún không đều, đặc biệt đối với đất sét yếu và đất bùn, có thể gây nứt tường, nghiêng lệch công trình và thậm chí gây sụp đổ. Khả năng chịu tải thấp của nền đất yếu đòi hỏi các biện pháp gia cố tốn kém như đóng cọc hoặc thay thế đất. Thời gian thi công kéo dài do cần thời gian cho quá trình cố kết của đất. Chi phí xử lý nền đất yếu có thể chiếm một phần đáng kể trong tổng chi phí xây dựng. Cần có các giải pháp hiệu quả để giảm thiểu rủi ro và tối ưu hóa chi phí khi xây dựng trên nền đất yếu.

2.1. Các Dạng Lún Nền Đất Phổ Biến và Cách Nhận Biết

Có nhiều dạng lún nền khác nhau, bao gồm lún đều, lún lệch và lún cục bộ. Lún đều xảy ra khi toàn bộ công trình lún xuống một cách đồng đều. Lún lệch là tình trạng lún không đều giữa các phần khác nhau của công trình. Lún cục bộ xảy ra ở một khu vực nhỏ của công trình. Việc nhận biết các dạng lún giúp đưa ra biện pháp xử lý phù hợp. Các dấu hiệu nhận biết lún bao gồm nứt tường, nghiêng cửa, và thay đổi độ cao của các bộ phận công trình.

2.2. Tác Động Của Cường Độ Chịu Tải Kém Đến Kết Cấu Công Trình

Cường độ chịu tải kém của nền đất yếu có thể dẫn đến nhiều vấn đề nghiêm trọng cho kết cấu công trình. Khi tải trọng của công trình vượt quá khả năng chịu tải của đất, có thể xảy ra hiện tượng lún quá mức, gây biến dạng và hư hỏng kết cấu. Điều này có thể ảnh hưởng đến sự an toàn và tuổi thọ của công trình. Các biện pháp gia cố nền, như sử dụng cọc hoặc cải tạo đất, có thể được áp dụng để tăng cường cường độ chịu tải của nền.

III. Phương Pháp Hút Chân Không Giải Pháp Cải Tạo Đất Yếu Hiệu Quả

Phương pháp hút chân không (vacuum consolidation) là một kỹ thuật xử lý nền đất yếu hiệu quả bằng cách tạo ra áp suất âm trong đất. Quá trình này làm tăng ứng suất hiệu quả và đẩy nhanh quá trình cố kết của đất. Kỹ thuật hút chân không bao gồm việc đặt các ống thoát nước thẳng đứng (thường là bấc thấm) vào đất và phủ một lớp màng kín khí lên bề mặt. Bơm chân không được sử dụng để tạo ra áp suất âm dưới màng, hút nước từ đất thông qua các ống thoát nước. Hiệu quả hút chân không thể hiện ở việc tăng nhanh độ ổn định và giảm độ lún của nền đất. Đây là một giải pháp kinh tế và thân thiện với môi trường so với các phương pháp xử lý truyền thống.

3.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Kỹ Thuật Đầm Nén Chân Không

Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật hút chân không dựa trên việc tạo ra áp suất âm trong đất. Áp suất âm này làm tăng ứng suất hiệu quả, tức là áp lực thực tế tác dụng lên các hạt đất. Khi ứng suất hiệu quả tăng lên, các hạt đất sẽ xích lại gần nhau hơn, làm giảm thể tích lỗ rỗng và tăng độ chặt của đất. Nước trong lỗ rỗng được hút ra ngoài thông qua hệ thống thoát nước, đẩy nhanh quá trình cố kết. Kết quả là, nền đất trở nên ổn định hơn, cường độ chịu tải tăng lên và độ lún giảm xuống.

3.2. Ưu Điểm Vượt Trội Của Phương Pháp Hút Chân Không So Với Truyền Thống

Phương pháp hút chân không có nhiều ưu điểm so với các phương pháp xử lý nền đất yếu truyền thống. Thứ nhất, nó giúp rút ngắn đáng kể thời gian xử lý nền. Thứ hai, nó ít gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh. Thứ ba, nó có thể được áp dụng cho nhiều loại đất khác nhau, bao gồm cả đất sét yếu và đất bùn. Thứ tư, chi phí thường thấp hơn so với các phương pháp khác như đóng cọc hoặc thay thế đất. Tuy nhiên, cần lưu ý đến yếu tố địa chất cụ thể của từng công trình để đảm bảo hiệu quả cao nhất.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Nghiên Cứu Hút Chân Không Kết Hợp Bấc Thấm

Nghiên cứu của Bùi Thị Lan Hương tại Đại học Bách Khoa TP.HCM đã đánh giá ứng xử của nền đất yếu được xử lý bằng hút chân không kết hợp với bấc thấm sử dụng phần mềm Geo-Studio. Luận văn so sánh kết quả mô phỏng với quan trắc thực tế tại các công trình như đường cao tốc Long Thành – Dầu Giây và khu dân cư phía Nam đại lộ Đông Tây. Nghiên cứu cũng xem xét ứng xử của đất nền trong điều kiện địa tầng bất lợi có lớp cát xen kẹp và khi áp dụng tường hào để ngăn dòng thấm. Kết quả cho thấy Geo-Studio có khả năng mô phỏng xử lý nền bằng hút chân không khá chính xác.

4.1. Mô Phỏng Hút Chân Không bằng Phần Mềm GeoStudio Độ Tin Cậy

Luận văn sử dụng phần mềm GeoStudio để mô phỏng bài toán hút chân không. Kết quả mô phỏng được so sánh với kết quả quan trắc thực tế tại công trình. Điều này giúp đánh giá độ tin cậy của phần mềm trong việc dự đoán ứng xử của nền đất sau khi xử lý. GeoStudio được đánh giá là một trong những phần mềm có khả năng mô phỏng xử lý nền bằng hút chân không.

4.2. Đánh Giá Hiệu Quả Xử Lý Nền Đất Yếu Có Lớp Cát Xen Kẹp

Nghiên cứu cũng đánh giá hiệu quả của việc xử lý nền đất yếu bằng hút chân không trong trường hợp có lớp cát xen kẹp. Lớp cát xen kẹp có thể ảnh hưởng đến quá trình thoát nước và độ ổn định của nền. Nghiên cứu xem xét tác động của lớp cát xen kẹp và đề xuất các biện pháp khắc phục để đảm bảo hiệu quả xử lý. Các biện pháp ngăn dòng thấm cũng được nghiên cứu để cải thiện hiệu quả xử lý trong trường hợp này.

V. Giải Pháp Tối Ưu Hút Chân Không Tường Hào Ngăn Thấm

Trong một số trường hợp, việc kết hợp hút chân không với tường hào ngăn thấm có thể mang lại hiệu quả cao hơn trong việc xử lý nền đất yếu, đặc biệt khi có lớp cát xen kẹp. Tường hào giúp ngăn chặn dòng thấm nước từ bên ngoài vào khu vực xử lý, duy trì áp suất chân không ổn định và đẩy nhanh quá trình cố kết. Sự kết hợp này đặc biệt hữu ích trong các khu vực có mực nước ngầm cao hoặc địa chất phức tạp. Lựa chọn loại tường hào phù hợp, như tường vây hoặc tường bê tông cốt thép, phụ thuộc vào điều kiện địa chất và yêu cầu kỹ thuật của công trình.

5.1. Các Loại Tường Hào Ngăn Thấm Phổ Biến Trong Xử Lý Đất Yếu

Có nhiều loại tường hào ngăn thấm được sử dụng trong xử lý đất yếu, bao gồm tường vây, tường bê tông cốt thép và tường đất gia cố. Tường vây là loại tường được thi công bằng cách đào các rãnh hẹp và lấp đầy bằng vữa bentonite. Tường bê tông cốt thép được thi công bằng cách đào hố và đổ bê tông cốt thép. Tường đất gia cố được thi công bằng cách sử dụng các vật liệu gia cố như vải địa kỹ thuật hoặc lưới thép. Lựa chọn loại tường hào phù hợp phụ thuộc vào điều kiện địa chất và yêu cầu kỹ thuật của công trình.

5.2. Lợi Ích Khi Kết Hợp Kỹ Thuật Hút Chân Không và Tường Hào

Việc kết hợp kỹ thuật hút chân không và tường hào mang lại nhiều lợi ích. Tường hào giúp ngăn chặn dòng thấm nước từ bên ngoài vào khu vực xử lý, duy trì áp suất chân không ổn định và đẩy nhanh quá trình cố kết. Điều này đặc biệt quan trọng trong các khu vực có mực nước ngầm cao hoặc địa chất phức tạp. Sự kết hợp này giúp cải thiện độ ổn định nền đất, giảm độ lún và tăng cường độ chịu tải.

VI. Kết Luận Tương Lai Triển Vọng Gia Cố Nền Đất Yếu Bền Vững

Phương pháp hút chân không là một giải pháp hiệu quả và kinh tế để gia cố nền đất yếu. Nó giúp cải thiện độ ổn định nền đất, giảm độ lún và tăng cường độ chịu tải. Việc kết hợp với các kỹ thuật khác như bấc thấm và tường hào ngăn thấm có thể tối ưu hóa hiệu quả xử lý. Nghiên cứu và ứng dụng mô hình số và phần mềm mô phỏng giúp dự đoán chính xác ứng xử của nền đất và tối ưu hóa thiết kế. Trong tương lai, phương pháp hút chân không hứa hẹn sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng các công trình bền vững trên nền đất yếu.

6.1. Các Hướng Nghiên Cứu Mới Về Xử Lý Nền Đất Bằng Hút Chân Không

Các hướng nghiên cứu mới về xử lý nền đất bằng hút chân không bao gồm việc tìm kiếm các vật liệu mới cho bấc thấm và màng phủ để tăng hiệu quả và giảm chi phí. Nghiên cứu về ảnh hưởng của hút chân không đến môi trường xung quanh và các biện pháp giảm thiểu tác động tiêu cực cũng rất quan trọng. Việc phát triển các mô hình số phức tạp hơn để mô phỏng chính xác ứng xử của nền đất trong quá trình hút chân không cũng là một hướng đi tiềm năng.

6.2. Ứng Dụng Hút Chân Không Trong Các Dự Án Xây Dựng Hạ Tầng Tương Lai

Phương pháp hút chân không có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các dự án xây dựng hạ tầng tương lai, đặc biệt là trong các khu vực có nền đất yếu. Nó có thể được sử dụng để xây dựng đường cao tốc, cầu, cảng, sân bay và các công trình dân dụng khác. Việc áp dụng hút chân không giúp giảm chi phí xây dựng, rút ngắn thời gian xử lý nền và đảm bảo tính ổn định lâu dài của công trình.

Nghiên Cứu Ứng Xử Nền Đất Yếu Được Xử Lý Bằng Hút Chân Không Kết Hợp Với Bấc Thấm