CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BẤC THẤM VÀ TÁC DỤNG CỦA BẤC THẤM ĐỐI VỚI VIỆC TĂNG NHANH QUÁ TRÌNH CỐ KẾT CHO NỀN ĐẤT YẾU 1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐẤT YẾU Đất yếu nói chung là những loại đất có khả năng chịu tải thấp hay không có khả năng chịu tải, có tính nén lún lớn, hầu như bảo hòa nước. Teaghi và Peck (1967) đã định nghĩa sét rất yếu khi cường độ nén đơn qu nhỏ hơn 25 kPa và yếu khi nó lớn hơn 25kPa và nhỏ hơn 50 kPa. Một số nhà nghiên cứu cho rằng sét yếu có sức chống cắt su <40 kPa. Hệ số rỗng của sét yếu e >1 và giới hạn lỏng wl > 50%.
Đất yếu là một trong những đối tượng nghiên cứu và xử lý rất phức tạp, đòi hỏi công tác khảo sát, điều tra, nghiên cứu, phân tích và tính toán rất công phu. Để xử lý đất yếu đạt hiệu quả cao cũng phải có yếu tố tay nghề thiết kế và bề dày kinh nghiệm xử lý của tư vấn trong việc lựa chọn giải pháp hợp lý.1 Giới thiệu 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 ngắn một cách đáng kể. Hơn nữa thông thường 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 4 Hình 1.1: Xử lý nền bằng giếng thấm gia tải trước 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 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… 5 Hình 1.2: Hình dạng bấc thấm và ống cắm bấc thấm điển hình 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.2 Vùng ảnh hưởng của giếng thấm Thời gian để đạt được độ cố kết là hàm số phụ thuộc vào bình phương đường kính có hiệu de của giếng thấm. Thông số này có thể được khống chế theo ý muốn vì nó phụ thuộc vào khoảng cách giữa các giếng thấm và sơ đồ bố trí giếng thấm. Giếng thấm thường được bố trí theo sơ đồ lưới hình tròn hoặc lưới tam giác đều Đường kính vùng ảnh hưởng của giếng thấm được xác định như sau: de = 1.13S : lưới hình vuông de = 1.05S : lưới tam giác Bố trí giếng thấm theo lưới hình vuông thuận tiện cho việc thi công hơn và thường được chọn, tuy nhiên lưới tam giác cho sự cố kết thấm giữa các giếng đồng đều hơn.3: Sơ đồ bố trí bấc thấm trong nền 1.3 Các đặc trưng của giếng thấm 1.1 Đường kính tương đương Trong lý thuyết cố kết thấm theo phương ngang giếng thấm có hình trụ tròn, trong khi đó bấc thấm có tiết diện hình chữ nhật nên cần phải quy đổi thành tiết diện tròn với đường kính tương đương sao cho khả năng thoát nước bằng nhau.4: Quy đổi đường kính tương đương của bấc thấm 1.2 Khả năng thoát nước Mục đích của việc sử dụng bấc thấm là làm tiêu tán nhanh áp lực nước lỗ rỗng và tháo nước lỗ rỗng trong nền đất yếu ra ngoài. Vì vậy khả năng thoát nước của bấc thấm càng cao thì hiệu quả của bấc thấm càng lớn.
Khả năng thoát nước phụ thuộc vào nhiều lý do: Áp lực ngang của đất: Khi áp lực ngang của đất lên phần bấc thấm tăng, khả năng lọc nước của lõi thấm sẽ giảm xuống do sự giảm diện tích mặt cắt ngang dòng chảy. 7 Độ lún của nền đất lớn: Trong quá trình lún của nền đất sẽ kéo theo bấc thấm cùng lún theo, chuyển vị này sẽ làm cho bấc thấm bị uốn cong, gấp chồng làm giảm đi khả năng dẫn nước của bấc thấm. Sự tắc đường thoát nước: Trong quá trình lọc nước của lõi thấm từ đất nền vào giếng thấm dẫn đến sự tích tụ các hạt mịn trong nền vào trong lõi thấm. Khi sự tích tụ này đủ lớn có thể sẽ gây ra hiện tượng nghẽn lõi thấm.
Thời gian: Khả năng thoát nước có thể giảm do sự lão hóa của thiết bị thoát nước. Sự hư hại bấc thấm có thể xảy ra do các quá trình sinh hóa diễn ra trong nền đất. Gradient thủy lực: Khả năng thoát nước sẽ khác nhau khi gradient thủy lực thay đổi và sẽ nhỏ hơn khi có gradient thủy lực quá lớn. Điều này có thể do sự mất mát năng lượng của dòng chảy vì hiện tượng chảy rối khi dòng chảy có gradient thủy lực khá lớn.3 Vùng xáo trộn Một yếu tố cần xét đến trong trong quá trình tính toán sự làm việc của bấc thấm, đó là ảnh hưởng của vùng xáo trộn do công tác cắm bấc thấm gây ra.
Vùng xáo trộn (smear zone) này sẽ gây ảnh hưởng đến quá trình thấm thoát nước do làm thay đổi hệ số thấm nguyên thủy của đất, dẫn đến thay đổi tốc độ cố kết của nền. Thông thường bấc thấm được thi công bởi một ống thép chuyên dùng, ống thép được thiết kế sao cho giảm tối đa sự xáo trộn cho nền đất. Vì vậy tiết diện ngang của ống thép có tiết diện hình oval hoặc hình chữ nhật với kích thước vừa đủ để tránh hiện tượng ma sát giữa bấc thấm và ống thép. Tuy nhiên ống thép tiết diện tròn cũng khá phổ biến.
Đường kính vùng đất bị xáo trộn tùy thuộc vào ống thép được sử dụng thi công bấc thấm và kích thước bộ phận neo bấc thấm trong đất. Từ thí nghiệm, Bergado (1991) chỉ ra rằng, với ống thép thi công có đường kính nhỏ hơn thì nền sẽ cố kết nhanh hơn (vùng đất xáo trộn cũng nhỏ hơn). Với mục đích thiết kế, Jamiolkowski và Lancellotta (1981) đưa ra công thức tính đường kính vùng đất xáo trộn như sau: (5 6)d m ds 2 Trong đó dm là đường kính tương đương của ống thép: 4 dm .l Với ω là bề rộng, l chiều dài của tiết diện ống thép. Bergado đã tiến hành thí nghiệm hiện trường và nhận xét với ds = (2÷3)dm là phù hợp.5: Vùng đất bị xáo trộn xung quanh ống Mandrel (Bergado,1996) 1.3 BẤC THẤM NGANG VÀ TÍNH NĂNG SỬ DỤNG Hiện nay bấc thấm ngang được sử dụng chủ yếu để thay thế tính chất thấm của lớp cát đệm trên nền đất được xử lý bằng bấc thấm đứng.
Một hệ thống bấc thấm ngang được kết nối với bấc thấm đứng dẫn nước từ dưới lên và giúp cho việc thoát nước theo ngang một cách nhanh chóng. Các hình ảnh minh họa bên dưới sẽ nói lên phần nào tính chất khá hữu ích bấc thấm ngang Tuy nhiên trong trường hợp đặc biệt như trong đề tài này bấc thấm ngang dùng cho việc thoát nước ngay trong bản thân nền đất yếu với cách lắp đặt bằng cách đắp đất theo từng lớp và trải vải thấm theo khoảng cách các lớp đắp ấy với thiết kế phương đứng là 2,5m và phương ngang là 2m. Tính năng và hiệu quả của bấc thấm ngang này có tính chất tương tự bấc thấm đứng; các công thức liên quan và tính chất của bấc thấm đứng đều có thể sử dụng cho bấc thấm ngang ở điều kiện này.6: Thi công bấc thấm ngang kết nối với bấc thấm đứng Hình 1.7: Tác dụng tháo nước ngang dưới nền cát 10 11 Hình 1.8: Mô hình bấc thấm ngang, tính năng của nó và công tác lắp đặt ngoài hiện trường 1.3 ĐIỂM QUA CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG BẤC THẤM ĐÃ CÔNG BỐ TRONG NƯỚC VÀ QUỐC TẾ 1.1 Các công trình nghiên cứu xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm đã công bố Quốc tế 1.
