Đề tài Nghiên cứu tốc độ cố kết của nền đất yếu xử lý bằng phuơng pháp gia tải trước và hút chân không

MỤC LỤC ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU TỐC ĐỘ CỐ KẾT CỦA NỀN ĐẤT YẾU XỬ LÝ BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI TRƯỚC VÀ HÚT CHÂN KHÔNG MỞ ĐẦU I. Tính cấp thiết của đề tài Nước ta đang bước vào thời kỳ công nghiệp hoá hiện đại hoá, các khu công nghiệp tập trung, cơ sở hạ tầng kỹ thuật, khu đô thị mới… đang được xây dựng với tốc độ ngày càng lớn. Nền móng của các công trình xây dựng nhà ở, đường sá, đê điều, đập chắn nước và một số công trình khác trên nền đất yếu thường đặt ra hàng loạt các vấn đề phải giải quyết như: sức chịu tải của nền thấp, độ lún lớn và độ ổn định của cả diện tích lớn. Việt Nam được biết đến là nơi có nhiều đất yếu, đặc biệt lưu vực sông Hồng và sông Mê Kông. Nhiều thành phố và thị trấn quan trọng được hình thành và phát triển trên nền đất yếu với những điều kiện hết sức phức tạp của đất nền, dọc theo các dòng sông và bờ biển. Thực tế này đã đòi hỏi phải hình thành và phát triển các công nghệ thích hợp và tiên tiến để xử lý nền đất yếu. Việc xử lý nền đất yếu là vấn đề bức thiết và quan trọng hàng đầu trong ngành Xây dựng hiện đại. Xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải của nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: Giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số modun biến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất… đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho công trình. Một số các phương pháp như : gia tải trước, tầng đệm cát, gia cố nền đường, bệ phản áp, sử dụng vật liệu nhẹ (sử dụng phụ gia để gia cố nền đất, nền đất bằng vật liệu nhẹ); thay bằng lớp đầm chặt, thả đá hộc (với chiều dày lớp bùn không sâu); thoát nước cố kết (bấc thấm, giếng bao cát, cọc cát, giếng cát, cọc đá dăm, dự ép chân không, chân không chất tải dự ép liên hợp); nền móng phức tạp (hạ cọc bê tông, hạ cọc bằng chấn động, cọc xi măng đất, cọc đất – vôi – xi măng, cọc bê tông có lẫn bột than); cọc cứng (cọc ống mỏng chế tạo tại chỗ); cọc cừ tràm hoặc cọc tre…. Hiện nay có 2 phương pháp cố kết trước được dùng và phổ biến hơn cả đó là: Phương pháp gia tải trước truyền thống Phương pháp hút chân không hiện đại và công nghệ cao. Xuất phát từ nhu cầu thực tế, chúng em nhận thấy việc nghiên cứu tốc độ cố kết của nền đất yếu khi áp dụng hai phương pháp trên là vô cùng hữu ích và quan trọng. Với mục tiêu kết quả của đề tài sẽ làm sáng tỏ hiệu quả của hai phương pháp thời giúp việc chọn lựa phương pháp xử lý nền đất yếu của các Kỹ sư xây dựng được hợp lý nhất trong từng công trình khác nhau. II. Nội dung nghiên cứu đề tài Đề tài nghiên cứu những nội dung cụ thể như sau: Tìm hiểu và nghiên cứu Lý thuyết chung về cố kết của đất. Nghiên cứu ứng dụng bấc thấm trong xử lý nền đất yếu hiện nay. Nghiên cứu phương pháp gia tải trước, đưa ra bài toán cụ thể đối với 1 nền đất yếu và giải quyết bài toán với ứng dụng của bộ phần mềm Địa kỹ thuật GEODELFT của Viện địa kỹ thuật Hà Lan. Nghiên cứu phương pháp hút chân không, đưa ra bài toán cụ thể đối với 1 nền đất yếu và giải quyết bài toán với ứng dụng của bộ phần mềm Địa kỹ thuật GEODELFT của Viện địa kỹ thuật Hà Lan. Nghiên cứu, so sánh và đánh giá tốc độ cố kết của nền đất trong từng phương pháp và khi kết hợp hai phương pháp trên với kết quả cụ thể của cùng 1 bài toán. Kết luận và kiến nghị. III. Phương pháp nghiên cứu Tìm kiếm và nghiên cứu các tài liệu trong và ngoài nước về lý thuyết cố kết và kiến thức môn Cơ học đất làm sáng tỏ các vấn đề cơ sở và mang tính lý thuyết căn bản của 2 phương pháp. Tìm kiếm và nghiên cứu ứng dụng, cách làm và hiệu quả của 2 phương pháp đối với các công trình thực tế đã thành công trong và ngoài nước. Mô phỏng bài toán đối với một lớp đất sét yếu ở nền đất xây dựng Nhà máy Khí Đạm Cà Mau Việt Nam và lần lượt giải quyết bằng 2 phương pháp theo ứng dụng phần mềm Địa kỹ thuật Hà Lan GEODELFT. Nhận xét và đánh giá các kết quả thu được. CHƯƠNG I LÝ THUYẾT CHUNG VỀ CỐ KẾT Cố kết là quá trình nền đất lún xuống theo thời gian và dần chặt lại. Quá trình cố kết chia làm hai giai đoạn: + Cố kết sơ cấp: là quá trình nước trong đất thoát ra ngoài, lỗ rỗng trong đất thu hẹp lại, làm cho đất dần chặt lại. + Cố kết thứ cấp: là quá trình nước trong đất đã thoát hết ra ngoài nhưng các hạt đất vẫn tiếp tục di chuyển trượt lên nhau đến vị trí ổn định hơn. Để đánh giá độ cố kết của đất nền người ta đưa ra tỷ số quá cố kết OCR là tỷ số giữa ứng suất cố kết trước và ứng suất nén hiệu quả theo phương đứng hiện tại. OCR = Đất cố kết thường có OCR = 1 Đất quá cố kết có OCR > 1 Đất chưa cố kết có OCR<1I. Quá trình cố kết I.1. Quá trình cố kết lớp đất đơn giản Hình 1 Hình 1a thể hiện lò xo với pittông có van đóng mở trong một bình hình trụ. Biểu đồ ứng suất theo chiều sâu thể hiện hình 1b. Đất được thay thể bởi lò xo, ở trạng thái cân bằng ứng suất hiệu quả ban đầu σ’vo . Cùng thời gian, nước bị ép ra ngoài qua van, và áp lực nước lỗ rỗng dư giảm dần. Xảy ra sự truyền ứng suất dần dần từ nước lỗ rỗng sang cốt đất và làm tăng ứng suất hiệu quả. Hình 1c cho thấy ứng suất hiệu quả ban đầu σ’vo sự biến đổi (tăng) của ứng suất hiệu quả Δσ’ và áp lực lỗ rỗng bị tiêu tán Δu lúc t = t1. Những đường đứt thẳng đứng được gắn các chữ t1, t2 … biểu thị thời gian từ khi bắt đầu tác dụng tải trọng. Những đường đó gọi là đường đẳng thời bởi vì nó ứng với các thời gian bằng nhau. Cuối cùng, khi t → ∞ tất cả áp lực nước lỗ rỗng dư Δu sẽ tiêu tán và ứng suất hiệu quả sẽ bằng ứng suất ban đầu σ’vo cộng thêm số gia ứng suất tác dụng Δσ. Cùng thời điểm đó pittông sẽ lún xuống một lượng có liên quan trực tiếp với lượng nước bị ép ra khỏi hộp hình trụ. Hình 2 Xét phân tố đất đặt tại độ sâu z có thể tích 1x1xdz (Hình 2). Trong khoảng thời gian dt thể tích nước đi vào mặt dưới của phân tố và ra khỏi mặt trên của phân tố chênh nhau một lượng là : - qdt =dt (a) Trong đó : q – Lưu lượng nước thấm qua phân tố đất. Vì tính thấm tuân theo định luật Darcy (Giả thiết 5), ta có : Vì F = 1x1 Nên v = q = ki = k ( vì h = ) Từ đó dt = dt (b) Mặt khác vì nước và hạt đất không bị ép co (theo giả thiết 3), nên thể tích nước dt thoát ra khỏi phân tố đất trong thời gian dt bằng thể tích lỗ rỗng bị thu hẹp trong khoảng thời gian đó. Diễn giải ta có : dt = (Vì d) Cuối cùng ( c ) So sánh (b) và (c) nhận được : (d) Rút gọn ta có : (e) Trong đó : (f) Cv – Hệ số cố kết (cm2/năm). K - Hệ số thấm (cm/năm). a - Hệ số ép co (cm2/N). - Hệ số rỗng tự nhiên . - Trọng lượng riêng của nước (0.01 N/cm3). Từ công thức (f) thấy rằng , hệ số cố kết Cv tỷ lệ thuận với hệ số thấm k và tỷ lệ nghịch với hệ số ép co a. Như vậy Cv là hệ số đặc trưng cho mức độ cố kết của đất. Đất càng khó thấm, hệ số cố kết càng bé. Kết quả nghiên cứu cho thấy phạm vi biến thiên của Cv như sau: Đất sét có tính dẻo thấp : Cv = 1.105 ÷ 6.104 cm2/năm. Đất sét có tính dẻo vừa : Cv = 6.104 ÷ 3.104 cm2/năm. Đất sét có tính dẻo cao : Cv = 3.104 ÷ 6.103 cm2/năm. Ví dụ tìm nghiệm của phương trình (f) với điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho ở hình 2. Điều kiện ban đầu : Khi t = 0, tại mọi z có u = p. Khi t = ∞ , tại mọi z có u = 0. Điều kiện biên : Tại z = H với mọi t có q = 0, (vì q = v = ki = k) Tại z = 0 với mọi t có u = 0. Với điều kiện ban đầu và điều kiện nêu trên sẽ tìm được nghiệm của phương trình (f) như sau: (g) Trong đó : m - số nguyên dương lẻ 1,3,5… e - Cơ số logarit tự nhiên. z - Độ sâu của điểm đang xét. N - Nhân tố thời gian. H - Khoảng cách thoát nước lớn nhất. Nếu trường hợp một mặt thoát nước thì H bằng chiều dài lớn nhất đất. Nếu trường hợp hai mặt thoát nước thì H bằng ½ chiều dài lớn nhất đất t - Thời gian cố kết. I.2. Quá trình cố kết lớp đất phức tạp Hình 3 Khi lớp đất điển hình sẽ phức tạp hơn mô hình đơn giản trong hình a–c. Cho phép ta tăng số lượng lò xo, pitông, và van thể hiện hình d ta có thể biết ứng suất hiệu quả ban đầu σ’vo của lớp đất và áp lực nước lỗ rỗng tạo ra Δu, liên quan đến lực bên ngoài tác dụng lên pittông Δσ trong hình c. Cho phép thoát nước qua mỗi pittông và van vì vậy cả thoát nước bên trong cũng như thoát nước ở đỉnh và đáy. Để nước bị ép ra khỏi các ống trụ 2, 3 và 4, cần một số nước trong các ống trụ 1 và 5 thoát nước trước. Tương tự như vậy, trước khi nước có thể ép thoát ra khỏi đất trong ống trụ 3 một số nước trong ống trụ 2 và 4 thoát ra trước . Bởi vì tất cả van đều mở, nên khi chịu tác dụng ứng suất bên ngoài Δσ , nước bắt đầu thoát ngay lập tức từ đỉnh và đáy hình trụ. Sẽ dẫn đến kết quả áp lực nước lỗ rỗng giảm ngay và ứng suất hiệu quả tăng trong hình trụ 1 và 5. Với hai lớp thoát nước trên mô hình hình d-f có thể thấy sự giảm áp lực nước lỗ rỗng, tại thời điểm t1 có sự thay đổi của đỉnh và đáy lớp. Đó là nguyên nhân hướng thoát nước theo chiều dài hình trụ nhiều hơn đáng kể so với hình trụ 1 và 5. Sẽ dẫn đến sự giảm áp lực nước lỗ rỗng và tăng ứng suất hiệu quả trong hình trụ 1 và 5 trên hình f. Tại trung tâm lớp thoát nước hai hướng được mô hình ở hình d-f có thể thấy sự giảm áp lực nước lỗ rỗng tạo ra.Ví dụ tại thời điểm t1 thì nhỏ hơn so với sự thay đổi ít tại đỉnh và đáy lớp. Điều này là do là đường thoát nước ở trung tâm hình trụ dài hơn đáng kể so với các hình trụ 1 và 5. Kết quả là cần thời gian làm tiêu tan áp lực nước lỗ rỗng dài hơn cho trung tâm lớp thoát nước hai chiều hoặc lớp thoát nước một hướng ở đáy. Dòng chảy của nước ra khỏi hình trụ (các lỗ rỗng của đất) là do độ dốc thuỷ lực i, với i = h/l = (Δu/ρw.g)/Δz. Tại chính giữa lớp đất sét, không có dòng thấm bởi vì độ dốc thuỷ lực i =Δu/Δz = 0. Tại đỉnh và đáy hình trụ độ dốc thuỷ lực tiến gần đến vô cùng ∞ và dẫn đến dòng thấm lớn nhất tại ngay các bề mặt thoát nước. Quá trình vừa miêu tả được gọi là quá trình cố kết thấm. Giá trị độ lún thực nghiệm của hệ thống lò xo và pittông ( hoặc lớp đất sét) liên quan trực tiếp lượng nước ép ra khỏi các hình trụ ( hoặc lỗ rỗng trong đất) và do vậy sự thay đổi hệ số rỗng của đất sét tỷ lệ trực tiếp với giá trị áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán. Do đó, tốc độ lún liên quan trực tiếp tốc độ áp lực nước dư tiêu tán. II. Lý thuyết cố kết thấm 1 hướng của TERZAGHI II.1. Các giả thiết của Terzaghi - Lớp đất chịu nén giả định đồng chất và bão hoà nước hoàn toàn. - Các hạt khoáng vật trong đất và hạt nước trong lỗ rỗng không nén được. - Nước trong lỗ rỗng đất thoát ra tuân theo định luật Darcy, cả hai quá trình thoát nước và nén đều theo một hướng. Lớp đất nén thường thoát nước cả ở đỉnh và đáy lớp nhưng chúng ta có thể giả thiết đơn giản thoát nước chỉ xảy ra tại một bề mặt. - Hai hệ số ép co av và hệ số thấm k không đổi trong suốt quá trình cố kết thấm. Sự thay đổi thể tích rỗng = lượng nước thoát ra Xét một phân tố đất dx.dy.dz cách tại chiều sâu z so mặt đất tự nhiên: Hình 4 II.2. Lập phương trình vi phân cố kết thấm Phương trình Terzaghi được xây dựng dựa vào thể tích nước thoát ra của một phân tố đất chịu nén. Theo định luật Darcy, ta biết lưu lượng dòng thấm phụ thuộc vào độ dốc thuỷ lực và tính thấm của đất. Độ dốc thuỷ lực tạo ra dòng thấm có liên quan đến áp lực nước lỗ rỗng dư. =()= Sau thời gian dt theo Darcy dQ = kiFdt : Ta xác định dxdydzdt dxdydzdt 1dzdt Mặt khác ta có : Hệ số ép co: Độ lún s tính theo công thức: Vậy sau thời gian dt độ lún của phân tố là Hệ số av xác định từ đường cong : Hình 5 Mặt khác ta có : Δσ’ = – Δu Khi đó viết lại : dtdz Kết hợp hai phần của phương trình ta được : .dzdt = dtdz ; II.3. Điều kiện biên bài toán Lớp đất chịu nén thoát nước hoàn toàn tại đỉnh và đáy Áp lực thuỷ tĩnh ban đầu Δu = ui bằng số gia ứng suất tác dụng trên biên Δσ Ta có điều kiện biên và điều kiện ban đầu như sau : Khi z = 0 và khi z = 2H , u = 0 Khi t = 0, Δu = ui = Δσ = (σ2’ - σ1’) Chiều dày lớp đất cố kết là 2H, vì vậy chiều dài của đường thoát nước lớn nhất bằng H hoặc Hdr. Tất nhiên khi t = ∞, Δu = 0, hoặc áp lực lỗ rỗng tiêu tán hoàn toàn. II.4. Giải phương trình vi phân cố kết thấm Có nhiều cách giải khác nhau, một số theo phương pháp toán học chính xác, số khác thì gần đúng. Ví dụ Harr (1966) trình bày lời giải gần đúng bằng cách dùng phương pháp sai phân hữu hạn. Terzaghi (1925), cho lời giải toán học chính xác dưới dạng chuỗi số Fourier mở rộng. Nghiệm của phương trình như sau : Trong đó: Z và T là thông số không thứ nguyên. Số hạng đầu Z là thông số hình dạng, và bằng z/H. Số hạng thứ hai T là nhân tố thời gian có liên quan đến hệ số cố kết Cv xác định theo: T là nhân tố thời gian có liên quan đến hệ số cố kết Cv xác định theo: Trong đó : t là thời gian Hdr là chiều dài của đường thoát nước lớn nhất Hệ số Cv có thứ nguyên là L2T-1 hoặc đơn vị m2/s. II.5. Các trường hợp chú ý Trường hợp hai mặt thoát nước đường thoát nước bằng một nửa chiều dày H của lớp đất sét, hoặc 2H/2 = Hdr. Nếu chỉ có một mặt thoát nước, đường thoát nước vẫn là Hdr nhưng bằng chiều dày H của lớp đất. CHƯƠNG II CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU Định nghĩa và đặc trưng của nền đất yếu trình bày trong 22TCN 262-2000 và TCXD245:2000 “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, lực dính c theo cắt quả cắt nhanh không thoát nước từ 0.15 daN/cm2 trở xuống, góc nội ma sát từ 00 đến 100 hoặc lực dính từ kết quả cắt cánh hiện trường Cu ≤ 0.35 daN/cm2”. Phần lớn các nước trên thế giới thống nhất về định nghĩa nền đất yếu theo sức kháng cắt không thoát nước Su và trị số xuyên tiêu chuẩn N như sau: - Đất rất yếu: Su ≤ 12.5 kPa hoặc N ≤ 2 - Đất yếu: Su ≤ 25 kPa hoặc N ≤ 4 Các vấn đề đặt ra với nền đất yếu : Móng của đường bộ, đường sắt, nhà cửa và các dạng công trình khác đặt trên nền đất yếu thường đặt ra những bài toán sau cần phải giải quyết: + Độ lún: Độ lún có trị số lớn, ma sát âm tác dụng lên cọc do tính nén của nền đất. + Độ ổn định: Sức chịu tải của móng, độ ổn định của nền đắp, ổn định mái dốc, áp lực đất lên tường chắn, sức chịu tải ngang của cọc. Bài toán trên phải được xem xét do sức chịu tải và cường độ của nền không đủ lớn. + Thấm: Cát xủi, thẩm thấu, phá hỏng nền do bài toán thấm và dưới tác động của áp lực nước. + Hoá lỏng: Đất nền bị hoá lỏng do tải trọng của tàu hoả, ô tô và động đất. 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. Trong khuôn khổ đề tài, nhóm nghiên cứu đến 2 phương pháp hiệu quả và phổ biến nhất hiện nay là : Phương pháp gia tải trước kết hợp sử dụng bấc thấm Phương pháp cố kết chân không kết hợp sử dụng bấc thấm. I. Phương pháp gia tải trước Chất tải trước là một trong những biện pháp gây lún đơn giản và kinh tế nhất để giảm thiểu lún cho công trình xây dựng sau đó đến mức có thể chấp nhận được. Đất được gia cường trở nên có sức chịu tải cao hơn và nén lún ít hơn. I.1. Nguyên lý chất tải trước Công trình xây dựng trên nền đất yếu sẽ chịu lún đáng kể. Do vậy trước đó người ta đã chất tải để buộc nền đất lún xuống đến mức cần thiết. Sau đó dỡ tải và tiến hành thi công công trình. Khi dỡ tải sẽ xảy ra hiện tượng bùng nền nhưng sau đó nền đất sẽ lại lún xuống một khoảng tương đương với phần bùng nền do tải trọng của công trình. Tất nhiên công trình vẫn tiếp tục lún do đất có tính dẻo cao nhưng biên độ lún khi đó sẽ chỉ bằng một phần nhỏ, khoảng 5 - 10% so với trường hợp không chất tải trước. Tải trọng do công trình gây ra có tính lâu dài, đến hết tuổi thọ của công trình, trong khi chất tải trước chỉ kéo dài trong một thời gian ngắn. Tuy nhiên do chất tải trước khá lớn nên mặc dù nền đất chưa đạt tới cố kết hoàn toàn nhưng cũng để đạt độ lún yêu cầu. Tức là tổng ứng suất do chất tải trước phải lớn hơn ứng suất thiết kế cho phép đối với công trình. Chất tải trước được tiến hành ngoài hiện trường bằng cách khối bê tông đúc sẵn, đổ đất, đắp các bao cát, chất gạch, đá và các loại vật liệu xây dựng khác. Trong đó bao cát và bê tông khối là giải pháp phổ biến nhất. Tuy nhiên không dễ đạt được một tải trọng lớn, đạt độ cao tới 5-6m. Do vậy cường độ chất tải trước thường chỉ đạt khoảng 80-100kPa, tức là thích hợp với các công trình vừa và thấp tầng. Các công trình cao tầng hoặc các công trình lớn vừa đòi hỏi phải chất tải trước lớn hơn nhiều và do vậy khó thực hiện. Chất tải trước cũng có thể thực hiện theo một số giai đoạn để nền đất có thể gia tăng sức bền đáng kể trước khi tiếp tục chất tải. Ứng suất do chất tải trước gây ra được tính theo độ lún mong muốn bằng công thức: Sf = mv.qn.H= mv.qs.H.U(t) Trong đó: mv là hệ số biến đổi thể tích của đất tại hiện trường cho khoảng ứng suất thích hợp qn và qs - ứng suất do tải trọng thực của công trình và do chất tải trước gây ra H- chiều dày lớp đất chịu nén U(t) - độ cố kết tại thời gian t. Do vậy, ứng suất cần đạt do chất tải trước có thể tính theo phương trình sau:  qs=qn/U(t) Độ cố kết theo lý thuyết kinh điển Tezzaghi được tính gần đúng bằng công thức: Trong đó : T (hệ số thời gian) = cv. t/Hdr ; với T<0.2 . Cv - hệ số cố kết . hdr- chiều dài đoạn tiêu thoát nước, bằng chiều dày hoặc 1/2 chiều dày lớp đất chịu nén, tương ứng đối với các trường hợp thoát nước một mặt hoặc hai mặt. Thời gian t càng dài thì độ cố kết đạt tới càng lớn và ứng suất yêu cầu do chất tải trước càng nhỏ. Do độ cố kết trong trường hợp thoát nước thẳng đứng khá nhỏ nên chỉ áp dụng biện pháp chất tải trước là sẽ không hiệu quả. Chất tải trước kết hợp với bấc thấm chính là giải pháp thay thế lý tưởng và phổ biến nhất. Cả ba thành phần của lún, gồm lún tức thời, cố kết sơ cấp và cố kết thứ cấp đều triệt giảm đáng kể dưới tác động của chất tải trước. I.2. Các bước gia tải trước Nền đắp thêm được tiến hành chia thành 2 giai đoạn để tránh mất ổn định, giai đoạn sau chỉ được tiến hành sau khi cường độ chịu tải tăng lên từ kết quả của giai đoạn trước đã làm cho nền đủ sức chịu thêm tải của giai đoạn sau. + Giai đoạn 1: Chất tải thử ở tâm móng với đường kính 12m, chiều cao tải 7.8 m tương đương với tải trọng 14.04 tấn/m2 vượt khoảng 8% so thiết kế. Bố trí 5 điểm đo theo dõi lún, độ lún trung bình 57.4 cm. Độ lún vượt so với tính toán của thiết kế. + Giai đoạn 2: Chất tải toàn bộ diện tích móng với chiều cao tải 7.8 m. Bố trí 13 mốc đo theo dõi lún. Kết quả sau thời gian chất tải và theo dõi độ lún kéo dài 4 tháng, độ lún trung bình của toàn khối móng là 103.65 cm. Đến khi kết thúc theo dõi lún thì tốc độ lún giảm xuống còn 1.9 mm/ngày đêm. Gia tải trước với thoát nước thẳng đứng: Gia tải trước thường được dùng để nén lún đất yếu dễ nén. Khi thời gian dự tính để đất được nén lún đến độ thiết kế quá dài thì có thể dùng đến lỗ thoát nước (giếng cát hoặc vải địa kỹ thuật) theo chiều đứng để tăng tốc độ nén lún và đạt cường độ cần thiết. Phương pháp này đã cho kết quả tốt đối với một số công trình nhà cửa, đường cao tốc, đường băng, bể chứa lớn, cầu và cảng. Gia tải trước được thực hiện bằng cách đắp nền lên tới một cao trình cao hơn cao trình cần thiết để đạt tải thiết kế. Trong rất nhiều trường hợp, thời gian gia tải trước cần thiết được rút ngắn để xây dựng công trình, vì vậy tốc độ cố kết của nền được tăng do sử dụng cọc cát thoát nước. Cọc cát được đóng bằng công nghệ rung ống chống để chiếm đất, sau đó cát được làm đầy ống và rung để đầm chặt. Cọc cát có đường kính 30-40cm. Có thể được thi công đến 6-9m. Giải pháp cọc cát đã được áp dụng để xử lý nền móng một số công trình ở TP. Hồ Chí Minh, Vũng Tàu, Hải Phòng, Hà Nội. Hình 6 I.3. Ưu nhược điểm của phương pháp gia tải trước Ưu điểm : - Phương pháp gia tải trước tăng nhanh sức chịu tải của nền đất. - Phương pháp gia tải trước tăng nhanh thời gian cố kết. - Phương pháp gia tải trước tăng nhanh độ lún ổn định theo thời gian. - Phương pháp gia tải trước đơn giản, dễ làm lại kinh tế và thích hợp với các công trình vừa và thấp tầng. Nhược điểm: Hiệu quả không cao đối với các công trình cao tầng phải sử móng sâu. I.4. Ứng dụng của phương pháp gia tải trước tại Việt Nam Ứng dụng cho thiết kế hạ tầng cơ sở cần phát triển lún cố kết nhanh hơn như móng công trình đê chắn sóng, tuyến đường giao thông, đất đắp nền đường cầu vượt, nền móng bể chứa chất lỏng trên vùng đầm lầy, nền băng sân bay,… Các dự án minh họa đã áp dụng hầu hết là quan trọng như móng Cảng hàng không quốc tế Kansai, Dự án phát triển Cảng Hanneda, biển đảo cảng Kobe, nhà máy nhiệt điện Matsura, đường ngầm ngày nay thuộc vịnh biển Tokyo ở tân đảo biển đã bị tàn phá. Các phương pháp xử lý này được áp dụng với tỷ lệ cao hầu hết rơi vào các dự án có quy mô lớn. Phương pháp gia tải trước được dùng để xử lý nền móng của Rạp xiếc trung ương Hà Nội, Viện nhi Thụy Điển (Hà Nội), Trường Đại Học Hàng Hải (Hải phòng) và một số công trình tại phía Nam. II. Phương pháp cố kết chân không II.1. Khái niệm phương pháp gia tải trước bằng hút chân không Phương pháp nén trước bằng chân không là một trong những phương pháp gia cố nền đất sét yếu, theo đó áp suất chân không được áp dụng lên một diện tích nền được bao bởi các tấm (màng) vật liệu kín khí (airtight membrane), để bơm thoát nước lỗ rỗng chứa trong nền làm cho đất cố kết nhanh. Theo mẫu thí nghiệm 3 trục, hình trụ rỗng thì để mẫu đứng được, người ta phải áp dụng một áp suất chân không khoảng 0.3 kgf/cm2, rồi kiểm tra xem mẫu có kín nước không bằng cách quan sát sự xuất hiện các bọt khí. Công nghệ này được thực hiện thông qua vài lần làm áp lực bằng chân không thích hợp để xử lý nền, từ đó hạ thấp tỷ lệ chứa nước trong đất, nâng cao mật độ đất, sức tải của nền, giảm sự sụt lún sau khi thi công và sự sụt lún sai khác ở nền đất yếu. Theo các chuyên gia trong lĩnh vực xử lý nền đất thì phương pháp này sẽ tạo ra được một áp lực (trên 1 atmosphere) khống chế sức tải của mặt đất, tạo độ dày cần thiết theo yêu cầu kỹ thuật, khống chế được độ lún và tạo độ lún đồng đều cho mặt đất. II.2. Tiến hành phương pháp gia tải trước bằng chân không Để giảm thiểu bề dày nền đắp sử dụng trong hệ thoát nước đứng, cần phải áp dụng lực hút chân không trực tiếp đến hệ thống thoát nước đứng nhằm tạo ra một gradient thủy lực lớn hơn để tăng tốc quá trình thoát nước và cố kết của nền đất yếu. Lực hút chân không thực tế tương tự như sự tác dụng của việc gia tải trên nền đất yếu. Phương pháp này thông thường được xem như phương pháp cố kết chân không. Phương pháp cố kết chân không được giới thiệu trong khu vực trong thập niên vừa qua và một vài dự án ở Việt Nam đã áp dụng trong công tác xử lý đất yếu có bề dày khá sâu tương đối thành công. Trong phương pháp bấc thấm PVD thông thường, việc gia tải từng cấp cần kiểm soát độ ổn định thông qua sự gia tăng sức kháng cắt do cố kết, tuy nhiên trong phương pháp cố kết chân không ứng suất có hiệu tăng trong khi ứng suất cắt tăng rất ít, tạo ra sự tăng ứng suất có hiệu với độ ổn định tốt hơn. Thông thường, lực hút chân không đạt 6 tấn/m2 hay 60 kPa có thêm tác dụng lên vùng giảm áp có xử lý bấc thấm như minh họa trên Hình 11a đến 11b. Hiệu quả của phương pháp phụ thuộc rất lớn vào việc cách ly vùng chân không trong khu vực giảm áp và sự phân bố chân không trong các đường thoát nước. Do đó, đường thoát nước được thiết kế sao cho có thể chịu được áp lực chân không; bất kỳ đường thoát nước nào bị hỏng cũng kéo theo hậu quả rất xấu, như sự phá hoại nền đường hay độ cố kết không đạt yêu cầu. Mỗi công ty xử lý nền sẽ chọn ra hệ thống chân không riêng cho mình từ kiểu thoát nước đến các kiểu kết nối vào hệ thống chân không. Do đó, việc thi công thông thường được tiến hành theo các hướng dẫn cơ bản từ chủ đầu tư. Ngoài việc tác dụng lực hút chân không, cần phải gia tải trên vùng giảm áp nhằm gia tăng ứng suất tổng trên nền đất yếu, kết quả sẽ tăng tốc quá trình cố kết và giảm thời gian cố kết. Tuy nhiên cũng lưu ý rằng, việc gia tải cũng có giới hạn vì độ ổn định của nền đắp cũng như trong phương pháp PVD gia tải trước. Do đó để gia tải lớn cần phải đắp theo giai đoạn hay đặt thêm bệ phản áp nhằm tăng độ ổn định trong quá trình cố kết như trên Hình 12a và 12b. Do bề dày nền đắp giảm (do lực hút), bệ phản áp (nếu cần) có thể nhỏ hơn, ngắn hơn so với trong trường hợp sử dụng phương pháp bấc thấm thông thường. Hình 7 Các kiểu Phương pháp cố kết chân không Phương pháp cố kết chân không cách ly bằng vải Phương pháp cố kết chân không bằng ống hút trực tiếp Hình 8 Các mặt cắt tiêu biểu phương pháp cố kết chân không với các bề dày đắp khác nhau (a)Nền đường đắp đến 4m (b) Nền đắp cao hơn 4m - Các phương pháp và dây chuyền thi công phương pháp cố kết chân không Có hai phương pháp cố kết chân không hiện tại trên thị trường, gọi là phương pháp cách khí bằng vải và phương pháp ống hút trực tiếp. Phương pháp cách khí bằng vải được mô tả trong Hình 11a, dùng một loại vải kín khí HDPE phủ lên trên các lớp thoát nước có cắm bấc thấm PVD. Vải HDPE cách ly lớp thoát nước và PVD để nước từ các bấc thấm có thể được bơm trực tiếp đến các bơm kế tiếp và đến nền đường. Để giảm sự tiêu hao thủy lực trong lớp thoát nước, thiết bị thoát nước bổ sung (ống đục lỗ hay bấc thấm thoát nước ngang) được sử dụng. Dây chuyền thi công phương pháp này được trình bày trong Hình 17. Phương pháp ống hút trực tiếp được trình bày trong Hình 11b, các bấc thấm được nối trực tiếp vào các ống nhựa PE dẻo và dẫn đến các bơm chân không. Hình 18 thể hiện công tác lắp các bấc thấm PVD và các đầu nối vào ống. Dây chuyền thi công như trên Hình 19. Phương pháp ống hút trực tiếp có thuận lợi là giảm thiểu sự tiêu hao chân không do bơm trực tiếp từ PVD. Việc kiểm tra rò rỉ từ các đầu nối có thể được tiến hành sau khi chất tải. Phương pháp này cũng giảm được việc sử dụng các lớp thoát nước (cát sạch) và các hố dung dịch nhằm cách ly không khí trong phương pháp cách khí bằng vải. Mặt khác, phương pháp cách khí bằng vải cũng có ưu điểm riêng là lớp cát thoát nước sau khi hút chân không được xem là một thành phần gia cường. Do sự giảm áp lực nước lỗ rỗng trong lớp thoát nước trong quá trình hút chân không, ứng suất có hiệu của lớp cát thoát nước gia tăng theo áp lực chân không. Sự gia tăng ứng suất hiệu quả từ hút chân không và gia tải dẫn đến sự gia tăng sức kháng cắt của lớp thoát nước. Nếu lực chân không được duy trì một cách liên tục, kích thước bệ phản áp thậm chí có thể giảm bớt đi. Do đó, việc kiểm soát tốt chân không là vấn đề chính trong phương pháp này. Đây là lý do chính tại sao phương pháp cố kết chân không được các nhà thầu chuyên nghiệp và có kinh nghiệm phụ trách khi có các sự cố kỹ thuật cần đến sự hướng dẫn và kiểm soát thích hợp trong quá trình thi công. Hình 9 Dây chuyền thi công tiêu biểu của phương phápcách khí bằng vải trongphương pháp cố kết chân không 6..Lắp bấc thấm ngang 4.Lắp ống chân không 1.Dọn dẹp mặt bằng 5.Thoát nước ngang thứ cấp 9.Đắp gia tải 8.Lắp lớp không thấm 10.Giảm áp 7.Lắp vải bảo vệ 3.Lắp đặt PVD 2.Thi công đệm cát Hình 10 Lắp đặt bấc thấm đứng PVD trong phương pháp cố kết chân không bằng ống hút trực tiếp 2.Định vị tấm neo 1.Mặt đất thiên nhiên 4.Lắp PVD 3.Lắp ống dẻo 5.Lắp đặt đầu nối chữ T 8.Đắp gia tải lên chân không 7.Nối vào PVD và bơm chân không 6.Khoá đầu nối chữ T Hình 11 Dây chuyền thi công tiêu biểu của phương pháp ống hút trực tiếp trong phương pháp cố kết chân không 2.Lắp PVD 1.Dọn dẹp mặt bằng 4.Đắp gia tải 3.Nối vào PVD và bơm chân không 5.Giảm áp/Lún II.3. Ứng dụng thực tế của phương pháp cố kết chân không trong các công trình XD hiện nay Công nghệ này đã được Uỷ ban Khoa học Thượng Hải (Trung Quốc) giám định “đạt tiêu chuẩn tiên tiến quốc tế”, hiện đang được áp dụng tại nhiều công trình xây dựng cảng biển, đường bộ và đường hàng không, được nhiều quốc gia đón nhận trong đó có Việt Nam. Hình 12 Tại Nhật Bản, phương pháp này được sử dụng thường xuyên trong xây dựng công trình từ những năm 1960 đến 1980. (Hình 13) Ảnh: Sân bay Quốc tế Phố Đông Thượng Hải Tại Trung Quốc, công trình sửa chữa, mở rộng đường băng số 2 Sân bay Quốc tế Phố Đông Thượng Hải (ảnh trên) là một phương án “sân bay hướng ra đại dương”. Sau khi sử dụng công nghệ này không chỉ giải quyết được vấn đề lún sâu của nền đất trên bờ biển mà còn tiết kiệm được tiền vốn đầu tư. Hơn nữa chất lượng công trình được các chuyên gia đánh giá “tốt nhất, vượt xa yêu cầu thiết kế”. Công trình Cảng Tân Thành khi sử dụng công nghệ mới này đã tiết kiệm được 360 triệu nhân dân tệ. Ngoài ra còn nhiều công trình khác như: công trình xử lý nền đất ở cảng Tam Kỳ, Ninh Ba, Chiết Giang (Trung Quốc) cũng dùng công nghệ hút chân không, tiết kiệm được 73 triệu nhân dân tệ. Trong gần 3 năm riêng khu vực Thượng Hải đã tiết kiệm được 1 tỷ nhân dân tệ khi sử dụng phương pháp này. Ở Việt Nam, tại nhà Nhà máy khí điện đạm Cà Mau, Nhà máy DAP, dự án Long Thành - Dầu Giấy, Nhà máy soil Polyester Đình Vũ, Nhà máy điện CTHH Nhơn Trạch Đồng Nai, Cảng Đình Vũ Hải Phòng,...đã dùng công nghệ Bơm hút chân không để hút nước trong đất làm cho đất cố kết rất nhanh chỉ trong thời gian rất ngắn. Tức là thay cho việc đặt các vật liệu thoát nước, chất tải để cưỡng bức cho nước thoát ra ta phải mất thời gian rất dài từ 6 tháng đến 2 năm, đất mới cố kết được một phần và có thể đặt công trình lên được. Thời gian dự tính kết thúc 90% cố kết là 5 tháng tại nhà Nhà máy khí điện đạm Cà Mau. Trong khi thiết bị thi công không phức tạp. Tuy nhiên, ứng xử thực sự của phương pháp này trong xây dựng chưa tốt vì một số nguyên nhân dưới đây : 1) Rất khó làm kín khí 2) Có giới hạn về độ sâu gia cố 3) Hiệu quả thấp đối với nền gồm các tầng cát với hệ số thấm cao nằm xen kẹp 4) Giá thành cao do sử dụng các cọc cừ ngăn cách vùng cần gia cố nhằm làm tăng độ chân không Sau Thái Lan, Hàn Quốc, Malaysia, Việt Nam có thể nằm vào danh sách những nước ở châu Á có sử dụng thành công công nghệ cố kết chân không. Giải pháp này là lựa chọn lý tưởng cho phương pháp tiêu nước thẳng đứng và gia tải đối với công trình đòi hỏi tốc độ thi công nhanh, đặc biệt đối với đất yếu khi mà ổn định của khối đất đắp giảm mạnh khi đắp. Với diện tích rất lớn có đất yếu cùng với nhu cầu phát triển không gian đô thị, sự cạn kiệt nguồn vật liệu làm tăng gia chất tải, phương pháp cố kết chân không đặc biệt phù hợp với điều kiện Việt Nam. III. Ứng dụng của việc sử dụng bấc thấm trong phương pháp gia tải trước và hút chân không III.1. Khái niệm Bấc thấm là vật liệu địa kỹ thuật dùng để thoát nước đứng và ngang nhằm gia tăng khả năng ổn định của nền móng, được chế tạo đặc biệt, cấu tạo từ hai lớp : lớp áo lọc bằng vải địa kỹ thuật không dệt, sợi liên tục PP hoặc PET 100%, không thêm bất cứ chất kết dính nào và lớp lõi thoát nước được đùn bằng nhựa PP. Hình 14 Bấc thấm Cấu tạo và tính chất vật lý đặc trưng: + Bấc thấm được cấu tạo bởi 2 lớp: loại chất dẻo (hay bìa cứng) được bao ngoài bằng loại vật liệu tổng hợp ( thường là vải địa kỹ thuật polypropylene hay polyesie không dệt). + Bấc thấm có các tính chất vật lý đặc trưng sau: cho nước trong lỗ rỗng của đất thấm qua lớp vải địa kỹ thuật bọc ngoài vào lõi chất dẻo. Lõi chất dẻo chình là đường tập trung nước và dẫn chúng thoát ra ngoài khỏi nền đất yếu bão hòa nước. Phân loại bấc thấm: có rất nhiều loại bấc thấm khác nhau, tuỳ mục đích sử dụng vào điều kiện thực tế mà lựa chọn loại bấc thấm khác nhau với các chỉ tiêu: khả năng thoát nước, độ thẩm thấu, lực chống đâm thủng chống xé rách,....vv. + Bấc thấm đứng CD:  là một loại của bấc thấm PVD, được sản xuất bởi công ty Miltec Thái Lan. Sản phẩm này đã được sử dụng rộng rãi tại khu vực Đông Nam Á như: Thái Lan, Việt Nam, Singapore, Indonesia…vv. + Bấc thấm ngang SD: là một  loại của bấc thấm PVD được sản xuất để thay thế lớp đệm cát trong hệ thống PVD, thay thế hệ  thống ống thoát nước đục lỗ trong hệ thống PVD và thay thế vật liệu thoát nước ngầm. Sản phẩm  có độ bền cao, dễ thi công và giá cả cạnh tranh. Đặc tính chính của việc sử dụng bước thấm: Sử dụng bước thấm sẽ giảm thiểu tối đa sự xáo trộn các lớp đất. Lõi cũng như vỏ của bước thấm có khả năng tương thích cao với nhiều loại đất. Phương pháp bước thấm dễ dàng thi công, tiết kiệm được khối lượng đào đắp, rút ngắn được thời gian thi công, giảm được chi phí vận chuyển, chi phí thi công; hiệu suất có thể đạt tới 8000m/ngày và không cần cấp nước khi thi công, bấc thấm có thể được đóng xuống độ sâu trên 40m. Tác dụng của việc sử dụng bước thấm: - Gia cố nền đất yếu: Bấc thấm được sử dụng để xử lý gia cố nền đất yếu, trong thời gian ngắn có thể đạt được tới 95% ổn định dài hạn, tạo khởi động cho quá trình ổn định tự nhiên ở giai đoạn sau. Quá trình gia cố có thể được tăng tải bằng gia tốc. - Xử lý môi trường: Bấc thấm được dùng để xử lý nền đất yếu, đất nhão thường ở các khu vực chôn lấp rác thải. Nó cũng được sử dụng để tẩy rửa các khu vực đất ô nhiễm, bằng công nghệ hút chân không, hút nước ngầm thấm qua các lớp đất bị ô nhiễm, mang theo các chất ô nhiễm lên bề mặt để xử lý. - Ổn định nền: Các công trình có thể ứng dụng bấc thấm để xử lý nền đất yếu rất đa dạng, bao gồm các đường cao tốc, đường dẫn đầu cầu, đường băng sân bay, đường sắt, bến cảng, kho bãi… xây dựng trên nền đất yếu có tải trọng động. Lợi thế thi công: - Chi phí thấp để xử lý nền đất yếu. - Tiết kiệm được khối lượng đào đắp. - Rút ngắn được thời gian thi công. - Giảm được chi phí vận chuyển, chi phí thi công. III.2. Phương pháp thi công bấc thấm Ta dùng thiết bị chuyên dụng, tạo lực ép cắm bấc xuống đất cùng với cần dẫn (ống thép rỗng tiết diện 12050mm). Khi cắm được bấc thấm xuống chiều sâu thiết kế thì tiến hành rút cần dẫn lên khỏi mặt đất, dùng kéo cắt bấc thấm ra và chuyển máy sang cắm bấc thấm khác. Sau khi cắm xong bấc thấm bắt buộc phải tiến hành gia tải trước hoặc hút chân không. Bấc thấm có bề rộng khoảng 100 – 200 mmm, bề dày 5 -10mm, được cuộn trong các rulo thành từng cuộn với chiều dài 200 - 300mm, nặng từ 14 - 40kg, được cắm vào sâu trong đất với chiều sâu 10 - 20 m hoặc sâu tới 50m có tác dụng xử lý nền đất yếu. Chiều dài bấc thấm còn thừa lại trên mặt đất là 15cm. Sau khi ép hết mỗi cuộn bấc, cuộn mới được nối với phần cũ bằng cách nối măng sông, phần măng sông là 30cm và được kẹp lại chắc chắn bằng ghim bấm. Để đảm bảo cho quá trình thi công được liên tục ta giữ cho cuộn bấc không bị xộc xệch, trật ra ngoài băng dẫn bấc. Trước khi bấc được ép xuống, bấc được neo vào một tấm thép có kích thước 1.280160 tấm thép này có tác dụng giữ bấc lại trong lòng đất. Hình 15 Thi công bấc thấm đứng tại đường cao tốc Cầu Giẽ - Ninh Bình Hình 16 III.3. Ứng dụng của bấc thấm trong phương pháp gia tải trước Từ những năm 1960 trở lại đây phương pháp sử dụng vải địa kỹ thuật được các nước trên thế giới áp dụng rộng rãi trong xử lý đất yếu. Đặc biệt từ những năm 1990 trở lại đây, các nước ASEAN đã áp dụng phổ biến vải địa kỹ thuật với 6 chức năng cơ bản là: ngăn cách, lọc nước, gia cường đất yếu để tăng khả năng chịu tải của đất nền, làm lớp bảo vệ và ngăn nước. Từ những năm 90 của thế kỷ trước, cạnh phương pháp cổ điển, lần đầu tiên công nghệ xử lý đất yếu bằng phương pháp bấc thấm thoát nước thẳng đứng (PVD) kết hợp gia tải trước đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Tại Việt Nam, công nghệ mới bấc thấm này đã được sử dụng trong xử lý nền đất yếu cho Dự án nâng cấp QL5 trên đoạn Km 47 – Km 62 vào năm 1993, sau đó dùng cho QL51 (TP Hồ Chí Minh đi Vũng Tàu) và đường Láng – Hòa Lạc. Từ 1999 - 2004, phương pháp này đã được sử dụng rộng rãi để xử lý đất yếu trong các dự án nâng cấp và cải tạo QL1A, QL18, QL60, QL80… Sử dụng bấc thấm trong gia tải trước là phương pháp kỹ thuật thoát nước thẳng đứng bằng bấc thấm kết hợp với gia tải trước. Khi chiều dày đấy yếu rất lớn hoặc khi độ ẩm của đất rất nhỏ thì có thể bố trí đường thấm thẳng đứng để tăng tốc độ cố kết. Phương pháp này thường được sử dụng để xử lý nền đường đắp trên nền đất yếu. Phương pháp bấc thấm (PVD) có tác dụng thấm thẳng đứng để tăng nhanh quá trình thoát nước trong các lỗ rỗng của đất yếu, làm giảm độ rỗng, độ ẩm, tăng dung trọng. Kết quả là làm tăng nhanh quá trình cố kết của nền đất yếu, tăng sức chịu tải và làm cho nền đất đạt độ lún quy định trong giới hạn cho phép. Phương pháp bấc thấm có thể sử dụng đặc biệt nhưng trong trường hợp cần tăng nhanh tốc độ cố kết, người ta có thể sử dụng đồng thời biện pháp xử lý bằng bấc thấm với gia tải tạm thời, tức là đắp cao thêm nền cho với chiều dày thiết kế 2 - 3m trong vài tháng rồi sẽ lấy phần gia tải đó đi ở thời điểm mà nền đạt được độ lún cuối cùng như trường hợp nền đắp không gia tải. Bấc thấm được cấu tạo gồm 2 phần: Lõi chất dẻo (hay bìa cứng) được bao ngoài bằng vật liệu tổng hợp (thường là vải địa kỹ thuật Porypropylene hay polyesie không dệt…). Bấc thấm có các tính chất vật lý đặc trưng sau: cho nước trong lỗ rỗng của đất thấm qua lớp vải địa kỹ thuật bọc ngoài vào lõi chất dẻo. Lõi chất dẻo chình là đường tập trung nước và dẫn chúng thoát ra ngoài khỏi nền đất yếu bão hòa nước. Bấc thấm đứng (PVD) kết hợp với gia tải trước được xem là biện pháp xử lý đất yếu mang tính khả thi cao cho các công trình xét về chiều sâu xử lý, chi phí, thời gian để gia tải và các yếu tố khác. Mục đích của việc sử dụng bấc thấm đứng kết hợp với biện pháp gia tải trước nhằm đẩy nhanh tốc độ cố kết và hạn chế độ lún trong tương lai của khu vực xử lý dưới tải trọng tĩnh và tải trọng động. Lớp vải địa kỹ thuật bọc ngoài là Polypropylene và Polyesie không dệt hay vật liệu giấy tổng hợp, có chức năng ngăn cách giữa lõi chất dẻo và đất xung quanh, đồng thời là bộ phận lọc, hạn chế cát hạt mịn chui và làm tắc thiết bị. Lõi chất dẻo có 2 chức năng: vừa đỡ lớp bao bọc ngoài và tạo đường cho nước thấm dọc chúng ngay cả khi áp lực ngang xung quanh lớn. Nếu so sánh hệ số thấm nước giữa bấc thấm PVD với đất sét bão hòa nước cho thấy rằng, bấc thấm PVD có kệ số thấm K=1 10-4 m/s lớn hơn nhiều lần so với hệ số thấm nước của đất sét K = 10 10-5m/s. Do đó các thiết bị PVD dưới tải trọng nén tức thời đủ lớn có thể ép nước trong lỗ rỗng của đất thoát tự do ra ngoài. III.4. Ứng dụng của việc sử dụng bước thấm trong phương pháp hút chân không Ở những dự án lớn, yêu cầu tiến độ nhanh vật liệu gia tải và diện tích chiếm dụng của dự án bị hạn chế thì phương pháp thi công bấc thấm kết hợp với gia tải trước vẫn còn tồn tại nhiều bất cập. Trên thế giới hiện nay phổ biến hai công nghệ bơm hút chân không đó là: + Dùng màng tạo vùng chân không kết hợp với thu nước từ những rãnh xương cá; + Tạo chân không trực tiếp bằng vòi và cút nối vào đầu PVD đã thi công. Trong khi phương pháp bơm hút chân không bằng cách tạo màng ra đời trước tuy nhiên lại có những nhược điểm như khó tạo vùng chân không bằng màng chống thấm, thi công hệ thống phức tạp, yêu cầu kỹ thuật cao đồng thời khó kiểm soát chất lượng khi màng bị thủng, rách thì phương pháp bơm hút chân không theo phương pháp tạo ống hút trực tiếp bằng vòi vào cút nối vào đầu PVD lại dễ dàng trong việc thi công cũng như kiểm soát chất lượng. Khi áp dụng biện pháp gia tải cổ điển, ứng suất hiệu quả trong khối đá tăng lên bởi ứng suất tổng tăng do tải trọng. Cố kết chân không gia tải trước cho toàn bộ khối đất bằng cách giảm áp lực nước lỗ rỗng trong khi giữ nguyên ứng suất tổng, hút nước dưới màng thấm, giữ pha khí không đổi giữa màng thấm và mực nước ngầm hạ thấp. Sau khi lắp đặt thiết bị tiêu nước thẳng đứng và lớp cát, các thiết bị tiêu nước nằm ngang được đặt, tiếp theo là màng chống thấm bằng nhựa tổng hợp. Màng chống thấm được bọc ở bên ngoài đến tận lớp sét yếu để đảm bảo không thấm nước. Các thiết bị thoát nước ngàn được đặt xuyên qua lớp màng chống thấm nối tới máy bơm hút sẽ đảm bảo duy trì điều kiện chân không dưới lớp vải chống thấm và trong tất cả các khối đá mà vật tiêu nước thẳng đứng được đặt. Các nguyên lý cơ bản của phương pháp nén trước bằng chân không được Kjellman giới thiệu vào đầu những năm 1950. Phương pháp này được thừa nhận là hiệu quả nhằm gia cố đất rất yếu, đặc biệt khi thiếu vật liệu gia tải. Công nghệ này đã được Uỷ ban Khoa học Thượng Hải (Trung Quốc) giám định “đạt tiêu chuẩn tiên tiến quốc tế”, hiện đang được áp dụng tại nhiều công trình xây dựng cảng biển, đường bộ và đường hàng không, được nhiều quốc gia đón nhận trong đó có Việt Nam. CHƯƠNG III MÔ PHỎNG BÀI TOÁN VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN I. Mô phỏng bài toán I.1 Mô hình hình học của bài toán Demension : 2D ( cho 1 lớp đất Organic clay ) Calculation model : NEN – Bierrum ( Cr ; Cc ; Ca ) Consolidation model : Terzaghi Hình 17 I.2 Tính chất cơ lý của lớp đất + Bề dày lớp đất Organic Clay : 10 m + Thoát nước thẳng đứng 1 hướng ( Phía dưới là lớp sét không thoát nước ) + Mực nước ngầm : Sâu 2m dưới mặt đất . + Bề rộng tính toán : 100 m + Các thông số đặc trưng của lớp đất Organic clay : Cv = 10-7 Cr = 0,23 Ca = 0,03 RR = 0,092 POP = 5 KN/m2 + Cách bố trí bấc thấm : Hình vuông Hình 18 ( Minh hoạ bố trí bấc thấm trong cố kết chân không ) Độ sâu bấc thấm : 10 m Khoảng cách : 0,5 m Đường kính bấc thấm : Được xác định bằng công thức quy đổi sau : Trong đó : a, b là kích thước bấc thấm ( a = 20 cm, b= 1 cm ) + Tải trọng : Đất đắp ( KN/m3) Độ lớn tải trọng : P = 100KN/m2 Chiều cao lớp đất gia tải : 5m Thời gian gia tải : t = 30 ngày + Áp lực hút chân không : Độ lớn áp lực hút chân không P =100 kPa Thời gian tác dụng : t = 30 ngày + Thời gian tính toán lún cố kết : 365 ngày + Các trường hợp tính toán : ( 4 trường hợp ) Gia tải thông thường không có bấc thấm Gia tải thông thường có bấc thấm. Hút chân không có bấc thấm. Kết hợp gia tải trước và hút chân không có bấc thấm. I.3. Phân tích kết quả Dựa vào các thông số đầu vào của lớp đất Organic Clay với mô hình bài toán ở trên Sau khi chạy ứng dụng bộ phần mềm GEODEFLT ta thu được kết quả cụ thể như sau : I.3.1. Kết quả phương pháp gia tải trước không có bấc thấm a. Kết quả tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian t Hình 19 Dựa vào biểu đồ quan hệ giữa U~t ta có kết quả áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán đạt 20 % thời gian 365 ngày. I.3.2. Kết quả biểu đồ quan hệ độ lún theo thời gian Hình 20 Dựa vào biểu đồ quan hệ độ lún ~ thời gian sau 30 ngày độ lún cố kết đạt được là 0,101 m. Độ lún cuối cùng sau 365 ngày là : 0,247 m I.3.3. Kết quả biểu đồ thay đổi ứng suất theo thời gian Hình 21 I.4. Kết quả phương pháp gia tải trước có bấc thấm I.4.1. Kết quả biểu đồ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian Hình 22 Dựa vào biểu đồ quan hệ giữa U~t ta có kết quả áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán đạt 90 % thời gian 24 ngày. I.4.2. Kết quả biểu đồ độ lún theo thời gian t Hình 23 Dựa vào biểu đồ quan hệ độ lún ~ thời gian sau 23 ngày độ lún cố kết đạt được là 1,563m. Độ lún cuối cùng sau 365 ngày là : 1,189 m I.4.3. Kết quả biểu đồ thay đổi ứng suất theo thời gian Hình 24 I.5. Kết quả phương pháp hút chân không I.5.1. Kết quả biểu đồ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian Hình 25 Dựa vào biểu đồ quan hệ giữa U~t ta có kết quả áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán đạt 90 % thời gian 21 ngày. I.5.2. Kết quả biểu đồ độ lún theo thời gian t Hình 26 Dựa vào biểu đồ quan hệ độ lún ~ thời gian sau 21 ngày độ lún cố kết đạt được là 0,680m. Độ lún cuối cùng sau 365 ngày là : 0,741 m. I.5.4. Kết quả biểu đồ thay đổi ứng suất theo thời gian Hình 27 I.6. Kết quả phương pháp kết hợp gia tải trước và hút chân không có bấc thấm I.6.1. Kết quả biểu đồ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian : Hình 28 Dựa vào biểu đồ quan hệ giữa U~t ta có kết quả áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán đạt 90 % thời gian 21 ngày. I.6.2. Kết quả biểu đồ độ lún theo thời gian t Hình 29 Dựa vào biểu đồ quan hệ độ lún ~ thời gian sau 21 ngày độ lún cố kết đạt được là 1,70m. Độ lún cuối cùng sau 365 ngày là : 1,294 m I.6.3. Kết quả biểu đồ thay đổi ứng suất theo thời gian Hình 30 II. Đánh giá và kết luận II.1. Biểu đồ tổng hợp quan hệ U ~T của 4 bài toán 3655 24 21 Hình 31 Dựa vào biểu đồ quan hệ U~T ở trên ta thấy : Sau 30 ngày phương pháp gia tải trước không có bấc thấm cho kết quả 5,5% áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán. Sau 24 ngày phương pháp gia tải trước có bấc thấm cho kết quả 90% áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán. Sau 21 ngày 2 phương pháp hút chân không và phương pháp kết hợp chân không và gia tải trước có bấc thấm đều cho kết quả 90% áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán. Như vậy, phương pháp kết hợp chân không và gia tải trước có bấc thấm cho hiệu quả cố kết nhanh nhất. Kết luận tốc độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng của phương pháp gia tải trước kết hợp với chân không là nhanh nhất so với các phương pháp còn lại. II.2. Biểu đồ tổng hợp quan hệ độ lún theo thời gian của 4 bài toán Hình 32 Từ biểu đồ lún tổng hợp trên cho thấy độ lún nền sau khi áp dụng phương pháp gia tải trước kết hợp chân không có bấc thấm là lớn nhất. II.3.Kết luận chung Phương pháp gia tải trước kết hợp chân không có tốc độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng nhanh nhất, đạt độ lún lớn nhất. Tuy nhiên, ba phương pháp còn lại cũng có những ưu nhược điểm thích hợp với đặc điểm của từng loại nền công trình. Vì vậy, việc lựa chọn phương pháp tối ưu nhất để xử lý nền đất yếu phải dựa vào nhiều yếu tố như : đặc điểm nền đất yếu, điều kiện địa chất công trình, địa chất thuỷ văn, quy mô của công trình, thời gian xây dựng, vốn đầu tư... Trong khuôn khổ của đề tài cộng với những kiến thức thực tế đã học hỏỉ được, chúng em đưa ra bảng tổng kết sau đây có thể giúp cho việc lựa chọn phương pháp xử lý nền đất yếu hợp lý nhất: Bảng tổng kết, so sánh hiệu quả của các phương phápxử lý nền đất yếu STT Phương pháp Ưu điểm Nhược điểm 1 Gia tải trước không có bấc thấm Đơn giản, chi phí thấp,không yêu cầu kỹ thuật cao, thích hợp với các công trình móng nông,công trình thấp tầng. Thời gian xử lý lâu, hiệu quả thấp đối với các công trình nhà cao tầng và công trình móng sâu. 2 Gia tải trước có bấc thấm Tương tự như phương pháp gia tải trước nhưng có hiệu quả cao hơn nhờ sử dụng bấc thấm, là công nghệ phổ biến hiện nay. Tương tự như phương pháp gia tải trước 3 Hút chân không có bấc thấm Thời gian xử lý nhanh, rút ngắn tiến độ thi công, hiệu quả cao đối với các công trình móng sâu, công trình cao tầng. Chi phí lớn, yêu cầu công nghệ kỹ thuật cao. 4 Kết hợp gia tải trước và hút chân không có sử dụng bấc thấm Tổng hợp được tất cả các ưu điểm của 3 phương pháp trên. Chi phí lớn, yêu cầu công nghệ kỹ thuật cao. CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ I. Kết luận Sau hơn một tháng làm việc và nghiên cứu tích cực và nghiêm túc nhất nhóm đã tìm hiểu rõ về lý thuyết cố kết thấm và làm sáng tỏ sự giống và khác nhau cũng như, ưu nhược điểm của 2 phương pháp xử lý nền đất yếu hiệu quả và phổ biến nhất hiện nay. Mô phỏng với 4 bài toán thực tế sau: Phương pháp gia tải trước không sử dụng bấc thấm Phương pháp gia tải trước có sử dụng bấc thấm Phương pháp hút chân không có sử dụng bấc thấm Phương pháp kết hợp gia tải trước và hút chân không có sử dụng bấc thấm. Dựa vào những kết quả thực tế phân tích được ở trên có thể đưa ra kết luận rằng phương pháp gia tải trước kết hợp hút chân không có sử dụng bấc thấm mang lại hiệu quả tốt nhất trong công tác xử lý nền móng công trình. Thời gian xử lý được rút ngắn đảm bảo tiến độ xây dựng công trình. II. Kiến nghị Mặc dù nhóm chúng em đã rất cố gắng để đề tài có được kết quả như ngày hôm nay, song do trình độ và năng lực còn hạn chế, thời gian nghiên cứu ngắn nên đề tài không thể tránh khỏi những thiếu xót. Nhóm chúng em mong được sự đánh giá, nhận xét và góp ý của các thầy, cô giáo, những người kỹ sư và những người quan tâm đến đề tài này để đề tài ngày càng hoàn thiện hơn. Qua đây, chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban Giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa và các thầy cô giáo đã tạo điều kiện giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài này. Đặc biệt chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo -Thạc sỹ : Nguyễn Văn Anh đã tận tình và tâm huyết hướng dẫn chúng em hoàn thành đề tài này. Cuối cùng chúng em thấy phong trào nghiên cứu khoa học là cơ hội rất tốt để chúng em những sinh viên có cơ hội tiếp cận thực tiễn, kiến thức khoa học, nâng cao khả năng làm việc theo nhóm, kỹ năng tìm hiểu và trình bày một vấn đề khoa học. Mong nhà trường và ban chủ nhiệm khoa quan tâm giúp đỡ và tạo điều kiện để phong trào nghiên cứu khoa học sinh viên trường ĐHTL ngày càng phát triển và phổ biến hơn nữa. Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, Ngày 08/05/2010. Thực hiện đề tài Nhóm SV 49C4 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO GT Cơ học đất Trường Đại học Thuỷ Lợi năm 2006 / GS.TSKH Cao Văn Chí (Chủ biên), PGS.TS Trịnh Văn Cương. GT Nền Móng Trường Đại học Thuỷ Lợi năm 1996 / Bộ Môn Địa – Cơ -Nền móng. Tóm tắt nội dung Cơ Học Đất cho K49 / Bản dịch ĐHTL năm 2009 (ROBERT D.HOLTZ & WILLIAM D.KOVACS) THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIET NAM MINISTRY OF TRANSPORT VIETNAM EXPRESSWAY CORPORATION SOUTHERN EXPRESSWAY PROJECTS MANAGEMENT UNIT (SEPMU) ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ ĐẤT YẾU Gói thầu 3 Tháng 9 năm 2008 Joint Venture of Nippon Koei CO., Ltd. KRI International Corporation HAFICO Group Holding Co. Mekong Economics Ltd. 5. EXISTING PROBLEMS OF VIETNAMESE DESIGN STANDARDS FOR HIGHWAY EMBANKMENT ON SOFT GROUND Phạm Văn Long Công Ty Cổ Phần Tư Vấn Xây Dựng Vina Mekong (VMEC), TPHCM, VN 6. “Cơ sở của phương pháp luận của việc ứng dụng phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc cát, xi măng, vôi ’’. 1.TẠ ĐỨC THỊNH / Đại học Mỏ - Địa chất, Đông Ngạc, Từ Liêm, Hà Nội2. VŨ THIẾT HÙNG / Viện nghiên cứu Địa chất và khoáng sản, Thanh Xuân, Hà Nội. 7. Xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cọc đất - xi măng kết hợp gia tải nén trước Huỳnh Ngọc Sang, Nguyễn Văn Sơn, Nguyễn Hữu Tín (Nguồn tin: T/C Phát triển Khoa học & công nghệ, tập 8/2005) 8. Vacuum preloading consolidation of reclaimed land: a case study J.Q. Shang, M. Tang, and Z. Miao 9. Vacuum and surcharge combined one-dimensional consolidation of clay soils E. Mohamedelhassan and J.Q. Shang 10. Vacuum Preloading Techniques – Recent Developments and Applications J.chu * S.Yan+ B.Indrảatna+ Faculty of engineering – University of Wollongong – China 2008 11. Đánh giá cố kết các công trình gia tải trước bằng hút chân không J.chu và S.W.Yan Geotechnical Research Institue , TianJin University, TianJin, China