Chương 1: Tổng quan về các bıện pháp xử lý nền đất yếu. Chương 2: Công nghệ xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cắm bấc thấm kết hợp gia tải. Chương 3: Thiết kế xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm cho dự án: đường nối thị xã vị thanh tỉnh hậu giang với thành phố cần thơ, đoạn qua địa bàn tỉnh Hậu Giang (km39+100 -:- km43+400). 4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 1.1 Khái niệm đất yếu: Các nhà nghiên cứu khoa học khái niệm chung về đất yếu như sau : đất yếu là những loại đất có khả năng chịu lực nhỏ, có tính nén lún lớn, hầu như bão hòa nước, có hệ số rỗng lớn, mô đun biến dạng thấp, trị số sức kháng cắt không đáng kể, nếu không áp dụng các giải pháp xử lý thích hợp thì xây dựng công trình trên nền đất yếu này sẽ rất khó khăn và không thực hiện được do không đảm bảo công trình [7].
Tùy thuộc vào nguồn gốc và quá trình hình thành, điều kiện địa lý, khí hậu có thể hình thành các loại đất yếu khác nhau. Loại thường gặp là các trầm tích ven biển, đồng bằng châu thổ, có nguồn gốc khoáng vật sét hoặc á sét, có thể lẫn hữu cơ từ 10-12%. Loại được hình thành từ đầm lầy, nơi nước đọng thường xuyên, có nguồn gốc hữu cơ phân hủy từ các loại thực vật thường gọi là đất than bùn, hàm lượng hữu cơ chiếm 20 – 80%, có cấu trúc không mịn bao gồm từ các vật lắng hữu cơ lẫn với các trầm tích khoáng vật. Ngoài ra ở các vùng thung lũng hoặc lòng sông còn bắt gặp các dạng đất yếu như bùn cát hoặc bùn cát mịn.
Khi nghiên cứu về đất yếu để làm nền móng công trình xây dựng, người ta nhận thấy đất yếu có chung những đặc tính sau đây : Độ ẩm tự nhiên (W tn) thường rất cao, bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy (Wch). Giới hạn chảy tùy thuộc vào nguồn gốc hình thành và thành phần khoáng tạo nên chúng, thường dao động trong khoảng 30 – 40%, thậm chí khoảng 60%. Dung trọng khô tự nhiên thấp nhỏ hơn 1g/cm3. Hệ số rỗng lớn hơn 1 (với sét e ≥ 1,5; với á sét e ≥ 1).
Về thành phần hạt thì đất yếu bao gồm các loại hạt có kích cỡ rất nhỏ, thậm chí rất mịn, tỉ lệ phần trăm các hạt có kích cỡ nhỏ hơn 2mm lớn. Cường độ chống cắt của đất dính thường rất nhỏ và phụ thuộc vào đất dính và góc ma sát của nó. Lực dính C theo kết quả cắt nhanh không thoát nước từ 0,15 daN/cm2 trở xuống, lực dính từ kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường Cu thường nhỏ hơn 0,35daN/cm2, góc nội ma sát từ 0 – 100. Tính biến dạng của đất dính phụ thuộc 5 vào đặc điểm kết cấu và sự liên kết giữa các hạt đất với nhau.
Đất càng yếu, chỉ số nén lún của nó càng cao (với sét cứng vừa từ 0,25 – 0,8 daN/cm2, với sét mềm từ 0,8 – 2,5 daN/cm2). Một số dặc trưng vật lý của các loại đất yếu : Đặc trưng vật lý Loại đất Hệ số rỗng Độ sệt Cát > 0,65 - Cát pha sét và sét pha cát > 0,70 >0,5 Sét >0,60 >0,6 Bùn các loại >1,00 >1,00 Phân loại nền đất yếu (theo Kamon va Bergado 1991) Hàm Điều kiện N qu qc Công trình lượng nền đất (SPT) (kPa) (kPa) nước(%) Đường A : Rất yếu <2 <25 <125 B : Yếu 2-4 25-50 125-250 C : Bình 4-8 50-100 250-500 thường Đường cao tốc A : Đất than <4 <50 >100 bùn <4 <50 >50 B : Đất sét <10 - >30 C : Đất cát Đường sắt (chiều dày lớp) >2m 0 <200 >5m <2 200-500 >10m <4 Đường sắt cao A <3 tốc B 2-5 6 Hàm Điều kiện N qu qc Công trình lượng nền đất (SPT) (kPa) (kPa) nước(%) Đê sông A : Đất sét <3 <60 >40 B : Đất cát <10 Đập đất đắp <20 Nguồn gốc của sự hình thành đất trên bề mặt vỏ trái đất chủ yếu dựa vào hai quá trình : Quá trình phong hóa và quá trình trầm tích. Với quá trình phong hóa, đất đá được hình thành chủ yếu là do phong hóa vật lý và phong hóa hóa học. Sau phong hóa là quá trình trầm tích, tạo thành các lớp đất trên bề mặt vỏ trái đất.
Với phong hóa vật lý, đất được hình thành chủ yếu là các loại cuội sỏi, đá dăm, cát các loại. Những loại đất này thường có đường kính lớn và không đều nhau, có thành phần khoáng vật giống như đá gốc, do đó các loại đất này không thể hình thành các loại đất yếu được. Ngược lại phong hóa hóa học tạo ra những sản phẩm có đường kính nhỏ và đều nhau, thành phần khoáng vật hoàn toàn khác hẳn với đá gốc. Khi bị nước và gió cuốn đi xa, lắng đọng lại tạo thành các lớp đất sét, sét pha và cát pha.
Vì đất sét là loại đất gồm những hạt có đường kính nhỏ nên tỷ diện càng lớn, do vậy diện tích tiếp xúc của các hạt với nhau và với nước xung quanh chúng cũng lớn. Mặt khác trên bề mặt các hạt sét thường có điện tích âm, do đó giữa các hạt sẽ hình thành các lực tĩnh điện và giữa hạt sét với nước bao quanh nó cũng hình thành lưc tĩnh điện tương tự. Vì thế độ rỗng của đất lớn và việc tách các phần tử nước (H+ và OH-) ra khỏi hạt đất là rất khó khăn, đó chính là nguyên nhân hình thành các tầng đất yếu.2 Các phƣơng pháp gia cố nền đất yếu 1.1 Các giải pháp không cải thiện nền đất yếu trong quá trình xây dựng Đây là các giải pháp thường được sử dụng. Khi áp dụng các biện pháp này phải nhằm đạt được hai mục tiêu [9]: - Đảm bảo sự ổn định của nền đắp đầu cầu trong khi xây dựng.
7 - Đạt được một tốc độ lún phù hợp với thời gian thi công. Khi áp dụng các biện pháp này thì yêu cầu lớp trên nền đất yếu phải tiếp xúc với một lớp vật liệu thấm nước tốt. Nếu vật liệu đắp nền đường là đất dính thì phải làm một lớp đệm cát có chiều dày từ 0,5m đến 1m để tăng nhanh thời gian cố kết.1 Đắp nền theo từng giai đoạn Khi cường độ ban đầu của nền đất yếu rất thấp, để đảm bảo cho nền đường ổn định cần áp dụng biện pháp tăng dần cường độ của nó bằng cách đắp đất từng lớp một, chờ cho đất nền cố kết, sức chịu tải tăng lên, có khả năng chịu được tải trọng lớn hơn thì mới đắp lớp đất tiếp theo [8]. Đắp trực tiếp trên đất yếu chỉ đảm bảo ổn định khi chiều cao đất đắp (bao gồm cả phần đắp dự phòng lún) chiều cao đắp giới hạn Hgh.
Do vậy để áp dụng được giải pháp này phải tính dự báo độ lún tổng cộng và phải xác định được Hgh tuỳ thuộc vào sức chống cắt ban đầu và bề dày tầng đất yếu. Để xác định Hgh một cách nhanh chóng ngoài việc sử dụng các chương trình tính toán ổn định đã được lập sẵn như Geo - Slope. rất nhiều các tác giả đã tính và lập sẳn các toán đồ tiện dụng để tra Hgh tuỳ theo các yếu tố nói trên (toán đồ Taylor, Madel Salencom. Rõ ràng khi chiều cao đất đắp cao và độ lún lớn thì không thể đắp trực tiếp được.
Giải pháp đắp nền đường đầu cầu theo từng giai đoạn Đắp dần theo giai đoạn (vừa đắp vừa chờ) là lợi dụng tối đa quảng thời gian thi công cho phép để tăng chiều cao đất đắp trực tiếp lên trị số Hgh. Theo cách này đất đắp đến Hgh gọi là giai đoạn I, tiếp đó duy trì tải trọng đắp trong một thời gian t1 nhất định để chờ đất yếu phía dưới cố kết (tức là chờ cho sức chống cắt của đất yếu tăng thêm theo mức độ cố kết đạt được trong thời gian t1) nhờ đó có thể tăng chiều cao đắp lên đến HghII (chiều cao đắp giới hạn sau khi đắp đến Hgh và chờ một thời gian t1). Đến đây lại có thể chờ để đắp giai đoạn III lên HghIII. Trong quá trình đắp để tăng độ an toàn thi công nhiều tư vấn nước ngoài đã khống chế tốc độ đắp trung bình là 5cm/ngày trong một số xây dựng qua vùng đất yếu của nước ta.
Giải pháp này rõ ràng bị khống chế bởi thời gian chờ cho phép phụ thuộc vào cách tính toán dự báo cố kết U=f(t)) 1.2 Đắp bệ phản áp Bệ phản áp dùng khi đắp nền đường trực tiếp trên đất yếu với tác dụng tăng mức độ ổn định chống trượt trồi cho nền đường để đạt các yêu cầu về ổn định. Bệ phản áp có vai trò như một đối trọng, tăng độ ổn định và cho phép đắp nền đường với các chiều cao lớn hơn, do đó đạt được độ lún cuối cùng trong một 9 thời gian ngắn hơn. Bệ phản áp còn có tác dụng phòng lũ, chống sóng, chấm thấm nước…So với việc làm thoải độ dốc taluy, đắp bệ phản áp với một khối lượng đất đắp bằng nhau sẽ có lợi hơn do giảm được moomen của các lực trượt nhờ tập trung tải trọng ở chân taluy. Giải pháp sử dụng bệ phản áp vùng nối tiếp giữa cầu và đường Chiều cao bệ phản áp phải nhỏ hơn hoặc bằng chiều cao đắp trực tiếp giới hạn Hgh và nên từ 1/3 1/2 chiều cao nền đắp chính.
Để tiết kiệm đất, chiều rộng bệ phản áp L có thể rút xuống bằng (2/3 3/4) chiều dài chồi đất ứng với cung trượt nguy hiểm nhất (theo kinh nghiệm của một số nước chiều rộng L không cần phải chùm kín hết chiều dài chồi đất này). Bệ phản áp là giải pháp tăng độ ổn định của nền đắp chính nhưng cũng có thêm tác dụng là hạn chế thành phần lún do đất yếu bị đẩy ngang sang hai bên dưới tác dụng của tải trọng đắp chính. Phải đắp bệ phản áp cùng một lúc với nền đắp chính, tuy nhiên đắp không cần đầm nén chặt.3 Gia tải tạm thời Phương pháp gồm có việc đặt một gia tải (thường là 2m-3m nền đắp bổ sung) trong vài tháng rồi sẽ lấy đi ở thời điểm t mà ở đó nền đường sẽ đạt được độ lún cuối cùng dự kiến như trường hợp với nền đắp không gia tải. Nói cách khác đây là phương pháp cho phép đạt được một độ cố kết yêu cầu trong một thời gian ngắn hơn.
10 Để có hiệu quả thì theo kinh nghiệm các nước, chiều cao đắp thêm không được nhỏ quá (thường từ 2 3m) và thời gian duy trì tải trọng đắp thêm này ít nhất là 6 tháng.