CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG BẤC THẤM KẾT HỢP VỚI GIA TẢI 1. LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA BẤC THẤM VÀ HÚT CHÂN KHÔNG Daniel D. Moran là người đầu tiên đề nghị sử dụng gieng61 cát vào năm 1925 và được thi công thử nghiệm thử một vài năm sau đó tại California, My. Cát sử dụng trong giếng cát phải được lựa trọn kỹ để có được hệ số thấm tốt nhất, do đó cát được vận chuyển từ các nguồn thích hợp bên ngoài công trình.
Ngoài ra, trong khi thi công giếng cát rất có khuyết điểm là giếng cát bị đứt đoạn không đảm bảo được vai trò thoát nước do lỗi trong thi công hoặc do chuyển vị ngang của nền. Từ đó, người ta bắt đầu nghĩ ra cách thay thế bằng vật liệu thuận lợi hơn để thi công. Nữa sau thập niên 1930, Kjellman đã tiến hành thử nghiệm PVD hoàn toàn bằng cát tông. Tuy nhiên, vật liệu này bị phá hủy nhanh chóng khi thi công vào nền đất.
Năm 1971, Wager sử dụng PVD có lõi làm bằng chất dẻo (polyethlene) nhằm thay thế lõi bằng các tông. Mở ra một thời kỳ mới đối với PVD, khi một số lượng lớn đã được chế tạo ra. Việc thi công cắm PVD cũng được cải thiện về tốc độ và chiều sâu cắm (Holtz, 1991). Ngày nay, dùng PVD thoát nước được xem là phương pháp phổ biến và áp dụng rãi dùng để xử lý nền đất yếu có độ sâu lớn.
Thông thường, PVD có bề rộng 100mm, dày 4mm. Lõi thấm là một loại chất dẻo, có nhiều rảnh nhỏ để làm khe thoát nước hoặc để đỡ lớp vỏ bọc khi có áp lực ngang ép vào. Bao quanh lõi là lớp vải địa kỹ thuật bằng nhựa tổng hợp hoặc được dệt từ sợi nhựa tổng. Vỏ có tác dụng làm bộ lọc nước, hạn chế các hạt đất di chuyển qua làm tắc nghẽn khe thoát nước.
PVD hiện nay, lưu lượng thoát nước có thể đạt tới 80m3 – 140m3/năm cao hơn rất nhiều so với độ thấm của đất.1: Bấc thấm Năm 1952, Kjellman đã đưa ra phương pháp dùng áp lực chân không để nén cố kết nền đất thay cho việc chất tải. Trong phương pháp này người ta phủ lên nền đất sét một lớp cát có chiều dày chừng 15cm và dùng một tấm bằng cao su hoặc nhựa phủ lên toàn bộ lớp cát này và biên của nó được chôn kỹ vào lớp sét yếu. Sau đó người ta hút không khí ra để tạo áp lực hút chân không khoảng 70-80kPa, tương đương với với chiều cao đất đắp lên tới 5m. Ý tưởng này đã được đặt ra từ thập niên 60, nhưng mãi đến thời gian gần đây, khi công nghệ thi công bằng phương pháp này được cải tiến và áp dụng thành công trong các công trình lớn thì nó mới được ghi nhận và đánh giá như một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực xử lý nền đất yếu.
Đã có một số tác giả công bố về phương pháp này như Holtz (1975); Chen và Bao (1983); Bergado và công sự (1998); Chu và cộng sự (2000); Indraratna và cộng sự (2005). Bằng phương pháp kết hợp thiết bị mới với công nghệ mới, phương pháp này đã có những cải thiện rõ rệt. Theo những nét chung thì sự thoát nước trong cát sử dụng phương pháp bấc thấm đã phân bố áp lực chân không và làm thoát ra nước lỗ rỗng. Áp lực chân không danh định là 80 kPa dùng khi thiết kế nhưng thực tế đôi khi áp lực này đạt đến 90 kPa.
Khi tải lớn trên 80 kPa thường dùng hỗn hợp phương pháp hút chân không và gia tải. THI CÔNG VÀ QUAN TRẮC Trước khi thi công cắm bấc thấm cần chuẩn bị trước mặt bằng, bấc thấm sẽ được cắm vào nền đất thông qua ống cắm đến cao độ thiết kế. Bấc thấm sẽ được giữ lại trong nền đất nhờ neo với tấm thép. - 13- a) Thi công cắm bấc thấm b) Neo giữ bấc thấm Hình 1.2: Thi công cắm bấc thấm Khi thi công các công trình lớn, việc lắp đặt các thiết bị quan trắc là rất quan trọng, chúng cho biết các ứng xử thực của đất nền khi chịu tải trọng tác dụng, từ đó giúp cho người thiết kế dự đoán được tính hiệu quả và điều chỉnh lại thiết kế.
Thông thường, các thiết bị quan trắc được dùng là quan trắc chuyển vị ngang, độ lún và đo áp lực nước lỗ rỗng. Chuyển vị ngang Thiết bị dùng để đo chuyển vị ngang có tên là Inlcinometer dùng để đo chuyển vị ngang của mặt trượt tự nhiên hay công trình đắp đất. Ống vách được làm từ kim loại hay bằng nhựa được thi công vào trong nền đất thông qua lỗ khoan. Để quan trắc chuyển vị ngang, thông thường thiết bị đo được lắp đặt tại chân khối đất đắp.
a) Đầu đo chuyển vị ngang b) Ống dẫn đo chuyển vị ngang Hình 1.3: Thiết bị đo chuyển vị ngang 1. Quan trắc lún mặt và lún theo độ sâu Thiết bị đo lún mặt và đo lún theo độ sâu được lắp đặt tại vị trí cần xem xét tốc độ lún dưới tác dụng của tải trọng, do đó chúng cần lắp đặt ngay sau khi thi công cắm bấc thấm. - 14- a) Con nhện từ b) Cuộn dây đo cảm ứng từ Hình 1.4: Thiết bị đo lún sâu 1. Quan trắc áp lực nước lỗ rỗng Thiết bị đo áp lực nước lỗ rỗng được gọi là piezometer.
Các thiết bị đo áp lực nước lỗ rỗng được lắp đặt bên dưới nền đất, tại nhiều độ sâu khác nhau. a) Lấy số đọc piezometer b) Đọc số piezometer Hình 1.5: Thiết bị đo áp lực nước lỗ rỗng piezometer 1. Bấc thấm Bấc thấm là vật liệu địa kỹ thuật dùng để thoát nước thẳng đứng và ngang nhằm gia tăng độ ổn định của nền đất. Bấc thấm được chế tạo đặc biệt và có cấu tạo từ hai lớp: Lớp áo lọc bằng vải địa kỹ thuật không vệt, sợ liên tục PP hoặc PET 100%, không thêm bất cứ chất kết dính nào và lớp lõi thoát nước được làm bằng nhựa PP.
Bấc thấm có các tính chất vật lý đặc trưng sau: Cho nước trong lỗ rỗng của đất nền thấm qua lớp vải địa kỹ thuật bọc ngoài vào lõi chất dẻo. Lõi chất dẻo chính là đường tập trung nước và dẫn chúng thoát ra khỏi nền đất. Một số ưu điểm của bấc thấm: Giảm thiểu tối đa sự xáo trộn của các lớp đất Khả năng tương thích cao của lõi cũng vỏ bấc thấm với nhiều loại đất Thi công dễ dàng, thời gian thi công nhanh - 15- Không cần cấp nước hay điện khi thi công Bấc thấm có thể thi công lên đến trên 40m Giảm được chi phí vận chuyển và chi phí thi công Hình 1.6: Thi công bấc thấm 1. Thoát nước ngang Hệ thống thoát nước ngang là các ống nhựa PVC được đấu nối với nhau.
Ống thoát nước ngang được cấu tạo thành hai lớp: Lớp áo lọc bằng vải địa kỹ thuật không vệt cho nước thấm qua. Lớp lõi là ống nhựa PVC được chế tạo có các lỗ nhỏ xung quanh ống để nước đi vào ống và thoát ra ống chủ theo hệ thống máy hút chân không. a) Minh họa chi tiết ống lọc D50 có bọc lớp vải địa kỹ thuật b) Minh họa chi tiết rãnh đào, mối nối ống D50 với ống D63 và PVDs Hình 1.7: Ống thoát nước ngang và hệ thống thoát nước ngang - 16- 1. Đệm cát Đệm cát được đắp phía trên của nền đất xử lý với chiều dài 50cm – 80cm để giữ các đường thoát nước ngang và thoát nước từ đất nền trong quá trình hút chân không mà các đường thoát nước ngang không hết.
Màng địa kỹ thuật Màng địa kỹ thuật là một bộ phận rất quan trọng trong việc quyết định hiệu quả của phương pháp gia tải trước bằng hút chân không. Yêu cầu cơ bản của màng địa kỹ thuật là bảo đảm tuyệt đối kín, không để lọt khí bên ngoài vào khi hút chân không. Thông thường màng được làm từ chất liệu nhựa tổng hợp HDPE dày từ 0,5 – 1mm và được nói với nhau bằng cách hàn nhựa hoặc keo dán. Trước khi trải lớp màng ở trên thì người ta thường phủ lên mặt đệm cát một lớp vải địa kỹ thuật.8: Màng kín khí địa kỹ thuật 1.
Rãnh chèn màng địa kỹ thuật Mép màng địa kỹ thuật phải được xử lý bằng rãnh chèn, kết hợp dùng dung dịch bentonite để ngăn cách hoàn toàn với không khí bên ngoài, đảm bảo tạo ra chân không trong khu vực cần xử lý nền. Trường hợp lớp đất bên trên mặt của khu vực cần xử lý là lớp đất có khả năng dẫn khí hay nước thì phải thi công tường chắn sét hoặc cọc CDM (xi măng đất) để ngăn cách và tạo chân không.9: Rãnh chèn màng địa kỹ thuật - 17- 1. Hệ thống máy hút chân không Hệ thống máy hút chân không là tạo ra áp suất chân không để hút nước từ trong đất nền ra bên ngoài thông qua mạng hệ thống thoát nước đứng (bấc thấm) và ngang (ống nhựa PVC). Từ đó, làm giảm áp lực nước lỗ rỗng trong đất nền gây cố kết bên trong nền đất.
Trình tự thi công 1. Chuẩn bị mặt bằng thi công, bố trí phương tiện, thiết bị và tổ chức thi công. Thi công lớp vải địa kỹ thuật ngăn cách và lớp đệm cát thoát nước ngang và hệ thống thoát nước mặt. Thi công cắm bấc thấm. Thi công lắp đặt các ống quan trắc. Lắp đặt hệ thống thoát nước ngang. Trải vải địa kỹ thuật và thi công màng cách khí HDPE, kiểm tra cẩn thận không cho khí lọt vào, xử lý rảnh chèn màng và các vị trí với các ống quan trắc. Lắp đặt hệ thống hút chân không với các ống thoát nước ngang. Lắp đặt các thiết bị quan trắc vào vị trí và kiểm tra khả năng làm việc. Tiến hành công tác hút tạo chân không và tiêu thoát nước từ nền đất. Trong quá trình đất nền cố kết, tiến hành công tác quan trắc và thu thập, ghi nhận các số liệu để đánh giá, xử lý các sự cố khi gặp phải.Gia tải thêm bằng cát hay đất khi độ lún của nền đất do hút chân không đạt đến giá trị tính toán trước. Quá trình đắp gia tải thêm được tiến hành theo từng giai đoạn sao cho không gây ra các chuyển vị bất lợi cho công tác xử lý. Dỡ tải đắp đến cao độ nền theo thiết kế sau khi nền xử lý đạt độ cố kết tính toán trước, nghiệm thu và bàn giao công trình xử lý nền. ĐẶT TÍNH CỦA BẤC THẤM 1.