CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NỀN ĐẤT YẾU VÀ CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU THÔNG DỤNG 1. KHÁI NIỆM Khi xây dựng công trình trên nền đất, dưới tải trọng tác dụng của công trình nền đất bị biến dạng như lún quá mức cho phép gây phá hủy kết cấu công trình thì ta nói nền đất là yếu, nhưng cũng với nền đất đó ta xây dựng công trình có tải trọng vừa và nhỏ hơn, dưới tải trọng này có thể nền đất và công trình không bị biến dạng hoặc bị biến dạng dưới mức cho phép thì nền đó là đủ khả năng chịu lực. Như vậy, không thể đưa ra một khái niệm tuyệt đối về nền đất yếu mà khái niệm đó phải được xét trên mối tương quan phụ thuộc giữa trạng thái vật lý, khả năng chịu lực của đất và tải trọng mà công trình truyền lên. Định nghĩa đất yếu Định nghĩa và đặc trưng của nền đất yếu trình bày trong 22TCN 262-2000 và TCVN 9355-2012 “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”.
Các đặc trưng khác như sau: Độ sệt lớn B > 1 Hệ số rỗng lớn e > 1 Góc ma sát trong nhỏ < 150 Lực dính theo kết quả cắt nhanh không thoát nước C < 0,15 daN/cm2 Lực dính theo kết quả cắt cánh tại hiện trường Cu< 0,35 daN/cm2 Sức chống mũi xuyên tĩnh pc< 0,1 MPa Chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT là N < 5 1. Các loại nền đất yếu thường gặp 1. Loại có nguồn gốc khoáng vật 6 Thường là sét hay á sét trầm tích trong nước ở ven biển, vùng vịnh, đầm hồ, đồng bằng tam giác châu: loại này có thể lẫn hữu cơ trong quá trình trầm tích (hàm lượng hữu cơ có thể 10 – 12%) nên có thể có màu nâu đen, xám đen, có mùi. Đối với loại này, được xác định 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 (e ≥ 1. Lực dính C theo kết quả cắt nhanh không thoát nước từ 0.15 daN/cm2 trở xuống. Góc nội ma sát từ 0 – 100 Lực dính từ kết quả cắt cánh hiện trường Cu ≤ 0. Ngoài ra ở vùng thung lũng còn có thể hình thành đất yếu dưới dạng bùn cát, bùn cát mịn (hệ số rỗng e > 1.
Loại có nguồn gốc hữu cơ Thường hình thành từ đầm lầy, nơi nước tích động thường xuyên, mực nước ngầm cao, tại đây các loài thực vật phát triển, thối rữa và phân hủy, tạo ra các vật lắng hữu cơ lẫn các trầm tích khoáng vật. Loại này thường được gọi là đất đầm lầy than bùn, hàm lượng hữu cơ chiếm tới 20-80%, thường có màu đen hoặc nâu sẫm, cấu trúc không mịn (vì lẫn các tàn dư thực vật). Đối với loại này được xác định là đất yếu nếu hệ số rỗng và các đặc trưng sức chống cắt của chúng cũng đạt trị số giống với loại có nguồn gốc khoáng vật. Đất yếu đầm lầy than bùn còn được phân theo tỷ lệ lượng hữu cơ có trong chúng: + Lượng hữu cơ có từ 20-30%: Đất nhiễm than bùn + Lượng hữu cơ có từ 30-60%: Đất than bùn 7 + Lượng hữu cơ trên 60%: Than bùn Việt Nam được biết đến là nơi có nhiều đất yếu, đặc biệt là ở các lưu vực sông lớn.
Nhiều thành phố, thị trấn được hình thành và phát triển dọc theo các dòng sông và bờ biển trên nền đất yếu với những điều kiện địa chất vô cùng phức tạp. Tại các khu vực này, với điều kiện đất yếu phân bố trên diện rộng, hầu hết nền móng của các công trình xây dựng: nhà cửa, đường sá, đê, cống đập… và một số công trình khác đặt ra hàng loạt vấn đế cần phải giải quyết: sức chịu tải của đất nền thấp, độ lún lớn, tính thấm cao… Chính thực tế này đòi hỏi việc hình thành và phát triển những công nghệ phù hợp để xử lý nền đất yếu cho các khu vực này. SỰ PHÂN BỐ CÁC TẦNG ĐẤT YẾU Ở VIỆT NAM Đất yếu ở Việt Nam chủ yếu là các tầng trầm tích mới được thành tạo trong kỷ thứ tư, chủ yếu là trầm tích tam giác châu, thường gặp ở các miền đồng bằng, trong đó hai miền đồng bằng lớn nhất là: Đồng bằng Bắc bộ và đồng bằng Nam bộ. Nhìn chung sơ bộ về các tầng đất yếu ở Việt Nam như sau: 1.
Các tầng đất yếu ở đồng bằng Bắc bộ Miền đồng bằng này có diện tích rất rộng (khoảng 15000 km2) và ít đồi núi sót. Vùng phù xa sông Hồng chiếm diện tích rộng nhất trong miền này. Chủ yếu là các loại trầm tích tam giác châu thổ của hai sông lớn : sông Hồng, sông Thái Bình và các chi lưu của chúng. Theo tài liệu địa chất kiến tạo Việt Nam thì đồng bằng Bắc bộ được hình thành trên một miền võng rộng lớn.
Trong suốt nguyên đại Mêzôzôi miền chịu chế độ biển, đến nguyên đại Kainôzôi miền chịu chế độ vũng hồ, cuối cùng tầng trầm tích trên cùng là trầm tích kỷ thứ tư. Về mặt địa hình, địa mạo đây là miền đồng bằng thuộc loại địa hình bồi tụ. Do điều kiện địa chất, địa hình như trên, tầng trầm tích kỷ thứ tư của miền rất dày, từ vài mét đến hơn một trăm mét, trong đó các vùng châu thổ và các vùng ven biển trong miền có tầng trầm tích này lớn nhất. Đồng bằng Thanh – Nghệ - Tĩnh So với đồng bằng Bắc bộ, đồng bằng Thanh – Nghệ - Tĩnh có bề ngang hẹp, có nhiều đồi núi sót.
Trong miền vào đầu và cuối kỷ thứ tư có những vận động kiến tạo nâng lên, hạ xuống không đều hình thành trong miền những khu vực bồi tụ và mài mòn xen kẽ nhau. Tầng trầm tích kỷ thứ tư trong miền không dày lắm, các trầm tích ở đây cũng đa dạng, có trầm tích bồi tụ tam giác châu, có trầm tích bồi tụ ven biển. Miền đồng bằng ven biển miền Trung Miền được hình thành trên kiến trúc uốn nếp của dãy Trường Sơn, giống đồng bằng Thanh – Nghệ - Tĩnh, đồng bằng Bình Trị Thiên có bề ngang hẹp. Những dòng chảy trong miền nhỏ, đặc tính chung của các con sông trong miền là ít phù sa, năng lượng yếu.
Miền là đồng bằng mài mòn bồi tụ điển hình. Trầm tích kỷ thứ tư trong miền thường thấy ở vùng thung lũng các sông và thuộc loại phù sa bồi tích. Vùng duyên hải thuộc loại trầm tích phát triển trên các đầm phá cạn dần (bồi tích trong điều kiện lắng đọng tĩnh). Đồng bằng Nam bộ Khu vực có lớp đất yếu dày từ 1 – 30 m bao gồm các vùng ven TP.Hồ Chí Minh, thượng nguồn các sông Vàm Cỏ Tây, Vàm Cỏ Đông, phía tây Đồng Tháp Mười, rìa quanh vùng Bảy Núi cho tới vùng ven biển Hà Tiên, Rạch Giá, rìa đông Bắc đồng bằng từ Vũng Tàu đến Biên Hòa.
Khu vực có lớp đất yếu dày từ 15 – 100 m bao gồm tỉnh Bến Tre, vùng duyên hải các tỉnh Tiền Giang, Cần Thơ, Hậu Giang, Trà Vinh, Cà Mau v.v… Tại đồng bằng Nam bộ các tầng đất yếu đều thuộc các loại trầm tích châu thổ (sông, bãi bồi, tam giác châu), trầm tích bờ, vũng vịnh. Các trầm tích đó đều 9 thuộc trầm tích kỷ thứ tư, các loại đất yếu thường gặp là các loại bùn, đất dính có trạng thái từ dẻo mềm đến chảy và cát hạt nhỏ bão hòa nước. Ngoài ra còn gặp các loại đất lầy, đất mặn sú vẹt ở ven biển, than bùn ở vùng rừng ngập mặn. Các vỉa đất yếu ở đây thường gồm nhiều lớp.
Ở miền đồng bằng cấu tạo của vỉa đất yếu khá phức tạp, các lớp đất yếu thường nằm xen kẽ nhau, hoặc xen kẽ giữa các lớp có khả năng chịu lực tốt hơn, chiều dày vỉa đất yếu lớn. Ở các vùng đồng bằng ven biển và các vùng đồng bằng có nhiều đồi núi sót, cấu tạo của vỉa đất yếu đơn giản hơn, có ít lớp đất yếu hơn. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU PHỔ BIẾN Hiện nay, ở nước ta phát triển nhiều phương pháp xử lý nền đất yếu khác nhau, tùy vào điều kiện địa chất, đặc điểm, vị trí công trình… mà người thiết kế chọn phương pháp phù hợp cho từng công trình. Xử lý bằng cọc xi măng đất Nguyên lý Cọc xi măng đất được gia cố là hỗn hợp giữa đất nguyên trạng nơi gia cố với hỗn hợp xi măng được phun xuống thông qua thiết bị khoan trộn.
Cột gia cố tạo thành bởi hỗn hợp đất tại chỗ và chất kết dính, mà thông thường là vôi và xi măng. Mũi trộn được đưa xuống đất bằng cách khoan xoay, khi tới độ sâu thiết kế, mũi trộn đảo chiều ngược lại và đồng thời rút dần lên, trộn đất tại chỗ với chất gia cố. Trong suốt quá trình rút lên, hỗn hợp chất gia cố được phun vào bằng khí nén ở đầu mũi trộn, tới cao độ đầu cột thì dừng lại. Việc hình thành cường độ xảy ra thông qua quá trình ninh kết của hỗn hợp đất – xi măng.
Khi xi măng được trộn với đất, xi măng phản ứng với nước tạo ra Canxi hyđrôxit Ca(OH)2, từ đó kết hợp với đất nền tạo ra keo ninh kết CSH, đây là quá trình Hydrat hoá. Phản ứng này diễn ra nhanh và mạnh toả ra một nhiệt lượng lớn và giảm bớt lượng nước có trong đất gia cố. Hợp chất Hydrat này tạo ra một hỗn 10 hợp liên kết các thành phần hạt trong đất gia cố hình thành lên khoáng chất nền bền vững, cứng. Xi măng + H2O → Keo CSH + Ca(OH)2 Phương pháp thiết kế Hình 1.
1 Sơ đồ thiết kế cọc xi măng đất Biện pháp thi công Hiện nay phổ biến hai biện pháp thi công cọc xi măng đất là công nghệ trộn khô (dry jet mixing) và công nghệ trộn ướt (wet mixing hay còn gọi là jet-grouting). Trong phương pháp trộn khô, không khí dùng để dẫn xi măng bột vào đất (độ ẩm của đất cần phải không nhỏ hơn 20%). Trong phương pháp trộn ướt, vữa xi măng là chất kết dính. Trộn khô chủ yếu dùng cải thiện tính chất của đất dính, trong khi phun ướt thường dùng trong đất rời.
Công nghệ thi công trộn khô: nguyên tắc chung của phương pháp trộn khô được thể hiện trên hình 1. Khí nén sẽ đưa xi măng vào đất.
