Mở đầu Chương 2: Tổng quan 17 Chương 3: Cơ sở lý thuyết Chương 4: Phân tích cố kết cho nền đất yếu có gia cố PVD xét đến ảnh hưởng độ cản thấm và biến dạng lớn Chương 5: Đánh giá mức độ ảnh hưởng độ cản thấm đến tốc độ cố kết trong nền Chương 6: Dự báo độ lún cho nền đất yếu gia cố PVD với độ cản thấm Chương 7: Kết luận và kiến nghị 18 CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Tổng quan về PVD Trong bối cảnh dân số Việt Nam cũng như toàn cầu tăng nhanh đi kèm với tốc độ phát triển kinh tế khá nhanh như hiện nay, phát triển các công trình công nghiệp và giao thông là yêu cầu cấp thiết nhằm thông thương giữa các vùng miền. Với tình hình quỹ đất đang ngày một thu hẹp, các công trình thường phải thực hiện xây dựng trên các khu vực chưa được khai thác trước đó như ao hồ, ven biển, vùng trũng. Địa chất các khu vực này nhìn chung là đất bùn, sét yếu. Đặc điểm của loại đất này là hệ số rỗng lớn, tính nén lún cao, tính thấm rất nhỏ, khả năng chịu lực rất kém.
Do đó để đảm bảo tính ổn định công trình, công tác xử lý nền đất yếu là bắt buộc cho hầu hết các công trình xây dựng. Tùy theo mục đích mà người thiết kế lựa chọn các phương án xử lý khác nhau. Một trong những vấn đề quan trọng mà người thiết kế quan tâm là giải quyết bài toán cố kết. Hầu hết các loại đất sét, sét yếu, bùn có hệ thấm rất nhỏ, do đó quá trình cố kết diễn ra rất lâu, điều này ảnh hưởng đến tiến độ thi công công trình, từ đó tăng chi phí xây dựng.
Hơn nữa quá trình lún không triệt để trong quá trình thi công dẫn đến độ lún dư lớn, sẽ gây mất ổn định đến công trình xây dựng. Trong khoảng thời gian hơn 30 năm trở lại đây, các loại PVD chế tạo sẵn (PVD) thay thế giải pháp giếng cát đã và đang sử dụng rộng rãi bởi những ưu điểm nổi trội của nó như sản phẩm chế tạo sẵn với khối lượng lớn; có thể thi công nhanh; giá thành rẻ hơn giá thành giếng cát [18]. Thông thường để quyết định có xử lý nền đất yếu bằng PVD hay không, người thiết kế thường quan tâm đến độ lún dư (lún do quá trình cố kết) hoặc độ cố kết U tối thiểu, tính từ khi hoàn thành công trình. Khi độ lún dư này vượt qua giá trị cho phép, hoặc độ cố kết U của nền khi hoàn thành công trình chưa đạt đến giá trị tối thiểu, việc sử dụng giải pháp gia cố nền để tăng nhanh tốc độ cố kết là cần thiết.
Tùy theo dự án hoặc loại công trình, giá trị độ lún dư và độ cố kết tối thiểu có thể được quy định khác nhau. Ví dụ, theo TCVN 9355- 2012 [12] quy định cụ thể mức độ cố kết tối thiểu khi hoàn thành công trình là 90% ( U t 90% ); TCN262-2000 [19] có quy định cụ thể phần độ lún cố kết cho phép còn lại tại trục tim của nền đường sau khi hoàn thành công trình, tùy theo loại cấp đường và vị trí nền đắp trên đất yếu (Bảng 3. Độ lún cố kết cho phép còn lại (tại trục tim) của nền đường sau khi hoàn thành công trình [19] Vị trí đoạn nền đắp trên đất yếu Chỗ có cống Loại cấp Các đoạn nền hoặc đường đường Gần mố cầu đắp thông dân sinh chui thường dưới Đường cao tốc và đường cấp d 10cm d 20cm d 30cm 80 Đường cấp 60 trở xuống có d 20cm d 30cm d 40cm tầng mặt cấp cao A1 Đối với các công trình xây dựng trên nền đất yếu, độ lún thường xảy ra lớn và kéo dài do hệ số thấm nhỏ và tính nén lún cao. Do đó việc xử lý nền bằng PVD nhằm tăng tốc độ cố kết là cần thiết.
Khi thiết kế xử lý nền bằng PVD, các điều kiện như trên cũng phải được thỏa mãn (như độ lún dư phải nhỏ hơn mức cho phép và độ cố kết trung bình phải đạt mức tối thiểu). Để thiết kế xử lý đường trên nền đất yếu dùng PVD nhằm thỏa mãn những điều kiện này, lý thuyết cố kết với PVD trong công tác dự báo lún cố kết cần được sử dụng phù hợp. Việc nghiên cứu và sử dùng các lời giải để dự báo lún càng chính xác, sẽ khống chế độ lún dư tốt hơn, giảm thiểu các vấn đề khi công trình đưa vào khai thác như: lún lệch lớn, tai nạn giao thông, chi phí sửa chữa công trình cao. Với một công trình cụ thể và yêu cầu của dự án hoặc tiêu chuẩn cụ thể, kết quả quá trình thiết kế nhằm cung cấp các thông số như: cự ly cắm PVD, kiểu cắm PVD, chiều dài PVD.
Nhìn chung, trong giai đoạn thiết kế khả thi, các lý thuyết phân tích cố kết thường dựa vào những lời giải cơ bản. Các tiêu chuẩn như TCN262-2000 [19] và TCVN 9355:2012 [12] cũng có hướng dẫn tính toán thiết kế xử lý nền đất yếu với PVD. Tuy nhiên để nắm rõ hơn cơ sở lý thuyết phát triển lời giải cố kết từ cơ bản đến mở rộng xem xét những yếu tố ảnh hưởng đến sự cố kết của PVD, phần này sẽ trình bày chi tiết các bước phát triển lời giải giải tích cho sự cố kết đất nền với PVD.2 Lý thuyết cố kết cơ bản của nền với PVD PVD thường có bề rộng khoảng 10÷20cm, bề dày từ 3÷5mm (Hình 3. Lõi của PVD là một băng dẻo có nhiều rãnh nhỏ để dẫn nước đưa lên lớp cát thoát nước và bên ngoài bảng thoát nước là vỏ bọc bao quanh.
Vỏ PVD là lớp vải địa kỹ thuật, lớp vải được 20 chế tạo bằng Polyeste không dệt hay giấy vật liệu tổng hợp. Lớp vỏ có chức năng phân cách lòng dẫn của dòng chảy với đất bao quanh, làm hạn chế cát hạt mịn đi vào lõi làm tắc thiết bị. Đường kính tương đương của PVD có dạng dải băng mỏng, dw, được xem như đường kính của PVD hình tròn có cùng khả năng thoát nước hướng tâm lý thuyết như của PVD hình dải băng mỏng có chiều rộng a và chiều dày b (Hình II.1 cũng cho thấy một số công thức tính dw bởi một số tác giả khác nhau [18]. Đường kính tương đương của PVD [18] Hầu hết các lời giải giải tích cho quá trình cố kết của PVD đều xây dựng trên mô hình đối xứng trục với vùng ảnh hưởng có đường kính là De.
Khi bố trí các PVD theo mạng hình vuông, De = 1,13S; khi bố trí theo dạng hình tam giác đều, De = 1,05S, trong đó S là khoảng cách giữa tim các PVD (Hình 3. Đường kính ảnh hưởng của PVD theo cách bố trí lưới PVD hình tam giác đều và hình vuông [18] Do quá trình thi công PVD, vùng đất xung quanh PVD bị xáo trộn. Đường kính của vùng bị xáo trộn, ds, được tính như sau: ds 2 y 3 dm hoặc d s 1.1) Hansbo [1] đã xét ảnh hưởng của độ xáo trộn và khả năng độ cản thấm của PVD trong lời giải giải tích (Hình 3.3), độ cố kết theo phương ngang được tính như sau: PVD Vùng xáo trộn Vùng không xáo trộn Hình 3. Mô hình đối xứng trục trong bài toán cố kết với PVD [15] § 8Th · U h 1 exp ¨ ¸ (3.2) © P ¹ Trong đó Th là nhân tố thời gian, tính như sau: Ch t Th (3.3) De2 Ch là hệ số cố kết theo phương ngang; t là thời gian §D · §k · d 3 2S 2 kh P ln ¨ e ¸ ¨ h 1¸ ln s H (3.4) © w¹ © s d k ¹ d w 4 3 qw trong đó, kv, kh và ks lần lượt là hệ số thấm của đất nền theo phương đứng, phương ngang và trong vùng bị xáo trộn; qw là khả năng thoát nước của PVD; H là chiều dài tính toán của PVD.
Nhìn chung lời giải giải tích cho quá trình cố kết của PVD của Hansbo (1981) có kể đến các yếu tố như sự xáo trộn do quá trình cắm PVD và độ cản thấm khi xét đến chiều dài đường thoát nước. Lời giải cơ bản này được cập nhật trong các tiêu chuẩn xây dựng như TCN262-2000 [19], TCVN 9355:2012 [12], thường được sử dụng trong tính toán thiết kế xử lý nền đất yếu trong giai đoạn thiết kế cơ sở. Tuy nhiên để thiết kế thi công, các yếu tố 22 ảnh hưởng thực tế như quá trình biến dạng của PVD, cố kết phi tuyến, sự xáo trộn cần được xem xét nhằm dự báo độ lún dư chính xác hơn. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cố kết đối với PVD, tuy nhiên nghiên cứu này, tác giả tập trung nghiên cứu lý thuyết của các vấn đề như độ cản thấm do biến dạng của PVD, biến dạng lớn, dự báo lún.3 Ảnh hưởng độ cản thấm đến quá trình cố kết của nền đất yếu với PVD PVD kết hợp với gia tải trước hoặc bơm hút chân không, thường được sử dụng trong kỹ thuật gia cố nền đất yếu nhằm tăng tốc độ cố kết và cường độ của nền đất yếu [1; 10].
Trong quá trình cố kết của đất yếu, nước lỗ rỗng thoát theo phương ngang đến PVD, lượng nước thu được trong bấc được dẫn lên trên mặt thoát nước. Do đó có thể thấy rằng, hiệu quả làm việc của PVD phụ thuộc vào khả năng thoát nước của nó [3]. Nhiều nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết kết hợp với hiện trường cho thấy rằng khả năng thoát nước của bấc phụ thuộc nhiều yếu tố như lõi thoát nước, tiết diện ngang, áp lực hông từ nền xung quanh [15]. Indraratna và Redana [9] cho rằng hệ số liên quan đến khả năng thoát nước của PVD ảnh hưởng đến kết quả dự đoán ứng xử cố kết của đất nền.
Qua kết quả thí nghiệm về khả năng thoát nước của một số loại PVD, Hansbo [10]; Chai và cộng sự [8] và Rixner và cộng sự [11] đều cho rằng khả năng thoát nước đứng của PVD giảm đáng kể theo độ sâu cắm bấc. Một số kết quả được minh họa như Hình 3. Điều này cần xem xét trong thiết kết xử lý nền đất yếu bằng PVD.4 cho thấy rằng khả năng thoát nước của PVD giảm đáng kể theo áp lực hông của đất nền (hay chiều sâu cắm bấc). Các kết quả cho thấy sự giảm khả năng thoát nước có tính phi tuyến theo chiều sâu cắm bấc.