- 1. NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - - NGUYỄN ANH WUYN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP SỬ DỤNG SÀN GIẢM TẢI CHỐNG LÚN CHO ĐƯỜNG ĐẦU CẦU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG Đà Nẵng - Năm 2018
- 2. NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - - NGUYỄN ANH WUYN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP SỬ DỤNG SÀN GIẢM TẢI CHỐNG LÚN CHO ĐƯỜNG ĐẦU CẦU Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số : 85.80.205 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. HOÀNG PHƯƠNG HOA Đà Nẵng - Năm 2018
- 3. cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả. Các số liệu, kết quả tính toán nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Nguyễn Anh Wuyn
- 4. tiên, tôi in bày t l ng biết n sâu s c đến ngư i th y PGS. TS. Hoàng Phương Hoa đ tận tình hư ng n ch y, t o m i đi u kiện và đ ng viên tôi rất nhi u đ tôi c th hoàn thiện được luận văn này. Trong suốt quá trình thực hiện, th y đ y cho tôi hình thành lối tư uy khoa h c, sự nhận thức sâu s c và sự đánh giá đ ng đ n khi tiế nhận nh ng kiến thức m i. ng th i, tôi in cảm n đến các th y, các cô trong B môn C u H m trư ng i H c Bách Khoa à Nẵng đ nhiệt tình giảng y, truy n đ t cho ch ng tôi nh ng kiến thức m i m và b ích, đ ch ng tôi c th vận ng n trong công việc của mình. Tôi c ng in được cảm n đến Khoa đào t o sau đ i h c - i h c Bách Khoa à Nẵng đ t o m i đi u kiện và gi đ đ ch ng tôi c th hoàn thành kh a h c này. Cuối c ng, tôi muốn bày t l ng biết n sâu s c đến gia đình, nh ng ngư i b n và đ ng nghiệ đ t o đi u kiện, đ ng viên, gi đ tôi trong nh ng ngày tháng h c tậ và nghiên cứu. Xin chân thành cảm n! à Nẵng, ngày ..... tháng .. năm Tác giả luận văn Nguyễn Anh Wuyn
- 5. PHÁP SỬ DỤNG SÀN GIẢM TẢI CHỐNG LÚN CHO ĐƯỜNG ĐẦU CẦU Học viên: Nguyễn Anh Wuyn Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 85.80.205 Khóa: K34. Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt: Lún đoạn đường đầu cầu là hiện tượng rất hay gặp trên các công trình đường ô tô, đặc biệt là đường ô tô đắp trên đất yếu. Trong thực tế xây dựng, có rất nhiều công trình bị lún, sập khi xây dựng trên nền đất yếu do không có những biện pháp xử lý phù hợp và hiệu quả. Việt Nam được biết đến là nơi có nhiều đất yếu, đặc biệt là khu vực miền Nam. Việc đưa ra một số biện pháp xử lý nền đất yếu mới để lựa chọn những giải pháp tối ưu áp dụng cho các công trình một cách có hiệu quả là rất cần thiết. Trong toàn bộ tuyến đường ô tô, đoạn đường đắp đầu cầu là một trong những hạng mục công trình quan trọng, đòi hỏi phải có những nghiên cứu và xử lý bằng các giải pháp kỹ thuật riêng biệt mới có thể đáp ứng được yêu cầu về cường độ, độ ổn định, sự êm thuận và thẩm mỹ. Luận văn cao học này tập trung nghiên cứu giải pháp lựa chọn kết cấu sàn giảm tải hợp lý cho đường đầu cầu, nội dung nghiên cứu bao gồm các phương pháp tính toán hệ số nền, nguyên lý tính toán sàn giảm tải và áp dụng hệ số nền để tính toán, lựa chọn kết cấu sàn giảm tải hợp lý cho đường đầu cầu của một dự án thực tế. Từ khóa – Sàn giảm tải, hệ số nền, đường đầu cầu. RESEARCH SOLUTIONS USING THE LOAD REDUCE FLOOR TO AGAINST SUBSIDENCE FOR THE FIRST ROAD BRIDGE ABSTRACT: The first section of the road lies the bridge is a very common phenomenon on the construction of highways, especially the street cars up on weak ground. In actual construction, there are a lot of works that are sunk, collapsed when built on a weak ground due to no suitable and effective treatment measures. Vietnam is known to be home to many of the weak soil, especially in southern areas. Making some weak ground handling measures new to choose optimal solutions that apply to the work in a way that effectively is essential. In the entire automobile roads, ramp up the top of the bridge is one of the important projects, requiring research and processed by the separate technical solutions can meet the requirements of the intensity , the stability, the pros and aesthetics. This master thesis focuses on the floor texture selection solution reduces the load for the first line, the content of research include the method of calculating the coefficient of the background, the principle of reducing the load floor calculations and apply the background factor to calculate choice of floor texture, reduce the load for the first line of the project a reality. Key words – The load reduce floor, background factor, the first road bridge.
- 6. ĐOAN LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU.........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài........................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................................1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................2 5. Ý nghĩa khoa học- thực tiễn của đề tài .................................................................2 6. Bố cục đề tài..........................................................................................................2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG LÚN NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU; PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU .............................................................................................4 1.1. Tổng quan về hiện tượng lún nền đường đầu cầu ....................................................4 1.2. Công nghệ xử lý lún nền đường đầu cầu trên nền đất yếu .......................................5 1.2.1. Khái niệm đất yếu ...........................................................................................5 1.2.2. Phân loại đất yếu.............................................................................................6 1.2.3. Một số giải pháp công nghệ xử lý lún nền đường đầu cầu đã được sử dụng phổ biến trong xây dựng công trình giao thông [2], [3].........................................7 1.2.4. Một số giải pháp công nghệ mới xử lý lún nền đường đầu cầu đã được sử dụng phổ biến trong xây dựng công trình giao thông ...................................................22 CHƯƠNG 2. CÁC YÊU CẦU VỀ TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU; PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY RA LÚN ĐOẠN NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU ..............................................................................33 2.1. Yêu cầu về tính toán, thiết kế nền đường đầu cầu..................................................33 2.1.1. Yêu cầu đảm bảo ổn định của công trình nền đắp trên nền đất yếu và phương pháp kiểm toán ổn định....................................................................................33 2.1.2. Yêu cầu về độ lún cho phép và phương pháp dự báo lún.............................35 2.1.3. Phương pháp dự báo tổng cộng ....................................................................37 2.1.4. Xác định sức chịu tải của cọc .......................................................................41 2.1.5. Kiểm tra điều kiện chọc thủng sàn................................................................43
- 7. ứng suất đất nền đáy móng khối quy ước (mặt cắt bất lợi nhất).44 2.2. Phương pháp xây dựng mô hình và phân tích kết cầu với MIDAS/CIVIL............46 2.2.1. Giới thiệu về phương pháp [4]......................................................................46 2.2.2. Hệ số nền.......................................................................................................47 2.2.3. Nguyên lý tính toán sàn giảm tải ..................................................................51 2.3. Phân tích các nguyên nhân gây ra hiện tượng lún lệch nền đường đầu cầu...........52 2.3.1. Các nguyên nhân gây ra hiện tượng lún lệch................................................52 2.3.2. Ảnh hưởng của hiện tượng lún lệch đến việc sử dụng khai thác đường và các công trình lân cận....................................................................................................56 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN HỢP LÝ HỆ CỌC BẢN SÀN GIẢM TẢI CẦU SÁU NẠN TẠI KM6+512,64 ĐOẠN NĂM CĂN – ĐẤT MŨI, TỈNH CÀ MAU ...........................................................................58 3.1. Tổng quan về cầu sáu nạn ......................................................................................58 3.1.1. Quy mô xây dựng..........................................................................................58 3.1.2. Đặc điểm kết cấu...........................................................................................58 3.2. Tính toán hệ số nền theo modun biến dạng nền.....................................................59 3.2.1. Địa chất các lớp đất.......................................................................................59 3.2.2. Kết quả tính toán hệ số nền...........................................................................60 3.3. Áp dụng hệ số nền tính toán, lựa chọn kết cấu sàn giảm tải ..................................62 3.3.1. Phương án 1 ..................................................................................................62 3.3.2. Phương án 2: Giữ nguyên kích thước sàn giảm tải và khoảng cách cọc, thay đổi chiều dài cọc Lc=45(m) ...................................................................................69 3.3.3. Phương án 3: Giữ nguyên kích thước sàn giảm tải và chiều dài cọc, thay đổi khoảng cách cọc axb=2,1x2,3(m) ...........................................................................72 3.4. Kết luận...................................................................................................................76 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................77 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)
- 8. BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1. Các giải pháp xử lý tương ứng theo tư duy xử lý 7 2.1. Hệ số ổn định yêu cầu 33 2.2. Độ lún sau thi công cho phép 36 2.3. Bảng hệ số qs , qp 43 2.4. Bảng tra hệ số nền theo Quy trình 22TCN 18-79 47 2.5. Bảng tra hệ số nền theo J.E.Bowles 47 3.1. Bảng tính hệ số nền với cọc 45x45(cm) 60 3.2. Bảng tính hệ số nền với cọc 40x40(cm) 61 3.3. Bảng tính hệ số nền với cọc 35x35(cm) 61 3.4. Bảng tính hệ số nền với cọc 30x30(cm) 61 3.5. Bảng kiểm tra nội lực đối với cọc 45x45(cm) 65 3.6. Bảng kiểm tra nội lực đối với cọc 40x40(cm) 66 3.7. Bảng kiểm tra nội lực đối với cọc 35x35(cm) 67 3.8. Bảng kiểm tra nội lực đối với cọc 30x30(cm) 68 3.9. Bảng kiểm tra nội lực đối với cọc 45x45(cm) 70 3.10. Bảng kiểm tra nội lực đối với cọc 40x40(cm) 70 3.11. Bảng kiểm tra nội lực đối với cọc 35x35(cm) 71 3.12. Bảng kiểm tra nội lực đối với cọc 30x30(cm) 72 3.13. Bảng kiểm tra nội lực đối với cọc 45x45(cm) 73 3.14. Bảng kiểm tra nội lực đối với cọc 40x40(cm) 73 3.15. Bảng kiểm tra nội lực đối với cọc 35x35(cm) 74 3.16. Bảng kiểm tra nội lực đối với cọc 30x30(cm) 75
- 9. HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1. Các yếu tố đặc trưng của hệ thống đường dẫn đầu cầu 4 1.2. Lún lệch nền đường đầu cầu 5 1.3. Thi công cọc cát 9 1.4. Thi công cọc cát 9 1.5. Thoát nước thẳng đứng bằng giếng cát 10 1.6. Hạ cọc ống thép vào trong đất yếu 11 1.7. Đổ cát đã chuẩn bị sẵn qua "cửa sổ" ở đỉnh cọc ống thép 12 1.8. Rút cọc ống thép lên 12 1.9. Hoàn thành việc thi công một giếng cát 13 1.10. Thi công cắm bấc thấm tại Formosa Hà Tĩnh 14 1.11. Máy ép bấc thấm 14 1.12. Sơ đồ cấu tạo nền đường có bố trí cọc bê tông 22 1.13. Quá trình cố kết của đất 23 1.14. Hệ thống cố kết chân không 23 1.15. Trước khi hút chân không 24 1.16. Đang hút chân không và đất trong giai đoạn cố kết 24 1.17. Bước 1: Thi công lớp thoát nước nằm ngang (lớp cát hạt thô) 26 1.18. Bước 2: Thi công cắm bấc thấm 26 1.19. Bước 3: Lắp đặt hệ thống hút chân không: ống thu nước 26 1.20. Bước 4: Lắp đặt lớp màng chân không 27 1.21. Chạy bơm hút chân không 27 1.22. Bước 6: Đắp cát bù lún 27 1.23. Phương pháp trộn ướt dưới sâu 28 1.24. Phương pháp trộn khô dưới sâu 29 1.25. Thi công cọc đất – xi măng 30 1.26. Sử dụng ống cống thay cho đất đắp nền đường đầu cầu để giảm nhẹ tải trọng tác dụng lên nền đất yếu bên dưới 31 2.1. Toán đồ xác định hệ số độ lún F tại trục tim của tải trọng đắp hình thang 40 2.2. Các nhân tố gây ra hiện tượng lún lệch (Wahls, 1997) 53 2.3. Xếp loại các loại đất có khả năng xói mòn nhất (Briaud và các cộng sự, 1997) 54
- 10. Trang 2.4. Kết cấu mố không liền khối (mố cọc) 55 2.5. Kết cấu mố liền khối 55 2.6. Sơ đồ các lực gây ra trên cọc do sự biến dạng của đất yếu 57 3.1. Mặt cắt ngang đại diện 62 3.2. Cắt dọc bố trí sàn giảm tải 62 3.3. Mặt bằng bố trí cọc BTCT 63 3.4. Mô hình 1 63 3.5. Mô hình 2 64 3.6. Kết quả nội lực đầu cọc theo mô hình 1 64 3.7. Kết quả nội lực đầu cọc theo mô hình 2 65 3.8. Kết quả nội lực đầu cọc 40x40(cm) 66 3.9. Kết quả nội lực đầu cọc 35x35(cm) 67 3.10. Kết quả nội lực đầu cọc 30x30(cm) 68 3.11. Mô hình bố trí cọc 69 3.12. Nội lực đầu cọc 45x45(cm) 69 3.13. Nội lực đầu cọc 40x40(cm) 70 3.14. Nội lực đầu cọc 35x35(cm) 71 3.15. Nội lực đầu cọc 30x30(cm) 71 3.16. Mô hình bố trí cọc 72 3.17. Nội lực đầu cọc 45x45(cm) 72 3.18. Nội lực đầu cọc 40x40(cm) 73 3.19. Nội lực đầu cọc 35x35(cm) 74 3.20. Nội lực đầu cọc 30x30(cm) 74 3.21. Biểu đồ thể hiện sự thay đổi nội lực đầu cọc khi kích thước cọc thay đổi 75
- 11. cấp thiết của đề tài Lún đoạn đường đầu cầu là hiện tượng rất hay gặp trên các công trình đường ô tô, đặc biệt là đường ô tô đắp trên đất yếu. Trong thực tế xây dựng, có rất nhiều công trình bị lún, sập khi xây dựng trên nền đất yếu do không có những biện pháp xử lý hiệu quả, không đánh giá chính xác được các tính chất cơ lý của nền đất để làm cơ sở và đề ra các giải pháp xử lý nền móng phù hợp. Đây là một vấn đề hết sức khó khăn, đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa kiến thức khoa học và kinh nghiệm thực tế để giải quyết, giảm được tối đa các sự cố, hư hỏng của công trình khi xây dựng trên nền đất yếu. Việt Nam được biết đến là nơi có nhiều đất yếu, đặc biệt là khu vực miền Nam. Rất nhiều công trình được hình thành và phát triển trên nền đất yếu với những điều kiện hết sức phức tạp của đất nền. Thực tế này đòi hỏi phải hình thành và phát triển các công nghệ thích hợp và tiên tiến để xử lý nền đất yếu. Việc đưa ra một số các biện pháp xử lý nền đất yếu mới, góp phần làm phong phú các phương pháp xử lý nền móng trong công tác xây dựng nền đường qua vùng địa hình có địa chất yếu từ đó có cơ sở để lựa chọn những biện pháp tối ưu để áp dụng cho các công trình một cách có hiệu quả. Kết cấu đường đắp và mố cầu là hai bộ phận hoàn toàn khác nhau, có sự chênh lệch về độ cứng. Phần đường dẫn nếu không xử lý tốt có thể sẽ bị lún rất nhiều và lún kéo dài theo thời gian, trong khi đó mố cầu lại hầu như không bị lún. Tại vị trí tiếp giáp giữa mặt cầu và đoạn đường đắp sau một thời gian đưa vào sử dụng, thường mặt đường hay bị gẫy, lún, nứt, xe chạy không êm thuận gây khó chịu cho hành khách lưu thông qua cầu và nhất là xe chạy không thể đạt tốc độ cao. Trong toàn bộ tuyến đường ô tô, đoạn đường đắp đầu cầu là một trong những hạng mục công trình quan trọng, đòi hỏi phải có những nghiên cứu và xử lý bằng những giải pháp kỹ thuật riêng biệt mới có thể đáp ứng được yêu cầu về cường độ, độ ổn định, sự êm thuận và thẩm mỹ. Đây cũng chính là lý do hình thành đề tài: “Nghiên cứu giải pháp sử dụng sàn giảm tải chống lún cho đường đầu cầu” 2. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu, tính toán hệ số nền các lớp đất - Áp dụng tính toán và lựa chọn hợp lý hệ cọc bản sàn giảm tải tại cây cầu cụ thể khu vực miền Nam.
- 12. và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu - Tương tác cọc - đất nền. - Sàn giảm tải BTCT sử dụng tại vị trí đường đầu Cầu. 3.2. Phạm vi nghiên cứu - Yêu cầu về tính toán, thiết kế nền đường đầu cầu. - Nghiên cứu, đánh giá việc sử dụng sàn giảm tải chống lún cho đường đầu cầu Cầu Ba Càng , QL1A tại địa phận huyện Tam Bình - tỉnh Vĩnh Long. 4. Phương pháp nghiên cứu - Thu thập, biên dịch các tài liệu có liên quan. - Phân tích, đánh giá các giải pháp chống lún ở đường đầu Cầu đang sử dụng phổ biến tại Việt Nam. - Sử dụng phương pháp điều tra, thu thập các số liệu thực nghiệm của Cầu về kích thước, vị trí, đất đắp… của sàn giảm tải để thống kê, đánh giá hiện trạng, phân tích, kiểm chứng. Từ đó nghiên cứu đề xuất các giải pháp cải tạo, xây dựng. - Sử dụng phần mềm MIDAS/Civil mô hình hóa, tính toán nội lực kết cấu để đánh giá, lựa chọn hợp lý kết cấu sàn giảm tải. 5. Ý nghĩa khoa học- thực tiễn của đề tài - Góp phần làm rõ phạm vi, cách sử dụng sàn giảm tải BTCT nhằm áp dụng chống lún trên nền đất yếu đoạn đường đầu cầu, tạo sự êm thuận, mỹ quan và an toàn giao thông, tăng hiệu quả khai thác cho tuyến đường. - Đáp ứng nhu cầu thực tiễn của đất nước. 6. Bố cục đề tài - Phần mở đầu - Chương 1: Tổng quan về hiện tượng lún nền đường đầu cầu; Phân tích, đánh giá một số giải pháp công nghệ xử lý lún nền đường đầu cầu. 1.1. Tổng quan về hiện tượng lún nền đường đầu cầu 1.2. Công nghệ xử lý lún nền đường đầu cầu trên nền đất yếu - Chương 2: Yêu cầu về tính toán, thiết kế nền đường đầu cầu; Phân tích đánh giá các nguyên nhân gây ra lún đoạn nền đường đầu cầu. 2.1. Yêu cầu về tính toán, thiết kế nền đường đầu cầu 2.2. Phương pháp xây dựng mô hình và phân tích kết cấu với Midas/Civil 2.3. Phân tích các nguyên nhân gây ra hiện tượng lún lệch nền đường đầu cầu - Chương 3: Nghiên cứu tính toán và lựa chọn hợp lý hệ cọc bản sàn giảm tải Cầu Sáu Nạn tại Km6+512,64 đường Hồ Chí Minh, đoạn Năm Căn – Đất Mũi, Tỉnh Cà Mau.
- 13. về Cầu Sáu Nạn 3.2. Tính toán hệ số nền theo modun biến dạng nền 3.3. Áp dụng hệ số nền tính toán, lựa chọn kết cấu sàn giảm tải 3.4. Kết luận và kiến nghị
- 14. VỀ HIỆN TƯỢNG LÚN NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU; PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU 1.1. Tổng quan về hiện tượng lún nền đường đầu cầu Hình 1.1. Các yếu tố đặc trưng của hệ thống đường dẫn đầu cầu - Ở Việt Nam, hầu hết nhiều đoạn đường đắp cao vào cầu chỉ đưa vào sử dụng một thời gian ngắn đã nhanh chóng bộc lộ nhược điểm khá phổ biến. Đó là hiện tượng lún sụp, trượt trồi hoặc lún không đều giữa nền đắp ở hai bên đầu cầu và cầu, gây trở ngại lớn cho xe cộ lưu thông trên đường. Những giải pháp xử lý sửa chữa thông thường chỉ mang tính chất tình thế, như trám bù lún vào mặt đường bằng các lớp vật liệu mặt đường mới hay đóng thêm cọc và gia cố mái dốc. - Trên thực tế, những đoạn đường đầu cầu thường là đắp cao và có tiêu chuẩn về độ lún thấp hơn độ lún cho phép của công trình cầu, dẫn đến khu vực nền đường đầu cầu thường lún không đều, kém ổn định, đồng thời xảy ra sự lún không đều giữa bộ phận nền đường và bộ phận cầu. - Hiện tượng lún và lún không đều của nền đường đầu cầu trên nền đất yếu gây nên không ít ảnh hưởng xấu đối với công trình giao thông. Lún không đều trên đoạn nền đường đắp cao và sự thay đổi cao độ đột ngột tại khu vực mố cầu, tạo thành điểm gãy trên trắc dọc là nguyên nhân giảm năng lực thông hành; gây cảm giác khó chịu cho người tham gia giao thông; phát sinh tải trọng xung kích, trùng phục phụ tác dụng Chiều sâu xử lý móng Bệ móng Bản đỡ Nền đắp đầm chặt Mặt đường Phạm vi đường Phạm vi cầu Mố cầu Khe nối Bản quá độ Mặt cầu Đất nền
- 15. tốn kém về kinh phí cho công tác duy tu bảo dưỡng đường và gây mất an toàn giao thông. Trên thế giới, đã có nhiều những nghiên cứu nhằm xác định rõ các nguyên nhân gây ra hiện tượng lún đoạn đường đầu cầu và từ đó đưa ra các giải pháp xử lý nhằm giảm thiểu và khắc phục. Hình 1.2. Lún lệch nền đường đầu cầu 1.2. Công nghệ xử lý lún nền đường đầu cầu trên nền đất yếu 1.2.1. Khái niệm đất yếu - Đất yếu là một khái niệm dùng để nói lên một loại đất không đủ khả năng chịu tải, không đủ độ bền và có biến dạng lớn. “ Khái niệm đất yếu” cho đến nay vẫn chưa được rõ ràng, khái niệm này chỉ là “tương đối” và nó phụ thuộc vào loại đất, trạng thái của đất, cũng như tương quan giữa khả năng chịu lực của đất với tải trọng mà móng công trình truyền xuống. - Đa số các nhà nghiên cứu coi “đất sét” là những loại đất có khả năng chịu tải nhỏ (Rtc 2 / 0 , 1 5 , 0 cm daN ), có tính nén lún lớn (a>0,05cm2 /daN), môđun biến dạng bé (E0 < 50daN/cm2 ), khả năng chống cắt bé ( < 50 , cu<0,5daN/cm2 ), có hệ số rỗng lớn ( e>1), độ sệt lớn ( B>1), và hầu như hoàn toàn bão hòa nước…Nếu không áp dụng các biện pháp xử lý đúng đắn thì việc xây dựng các công trình trên nền đất yếu này sẽ gặp khó khăn hoặc không thể thực hiện được. Các loại đất yếu thường gặp trong thực tế là: Đất sét yếu, đất bùn, than bùn, đất bazan, đất cát nhỏ, cát bụi và cát
- 16. cấu rời rạc và bão hòa nước…[6] 1.2.2. Phân loại đất yếu a. Theo nguyên nhân hình thành - Đất yếu có nguồn gốc khoáng vật thường là sét hoặc 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 có thể tới 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 ( sét 1,5, á sét e 1), lực dính C theo kết quả cắt nhanh không thoát nước từ 0,15daN/cm2 trở xuống, góc nội ma sát từ 0-100 hoặc lực dính từ kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường Cu 0,35daN/cm2 [6]. Ngoài ra, ở các vùng thung lũng còn có thể hình thành đất yếu dưới dạng bùn cát, bùn cát mịn ( hệ số rỗng e>1,0 độ bão hòa G>0,8) - Đất yếu có nguồn gốc hữu cơ thường hình thành từ đầm lầy, nơi nước tích đọng thường xuyên, mực nước ngầm cao, tại đây các loại thực vật phát triển, thối rữa và phân hủy, tạo ra các vật lắng hữu cơ lẫn với các trầm tích khoáng vật. Loại này thường gọi là đất đầm lầy than bùn, hàm lượng hữu cơ chiếm 20-80%, thường có màu đen hay nâu sẫm, cấu trúc không mịn (vì lẫn các tàn dư thực vật). Đối với loại này được xác định là đất sét nếu hệ số rỗng và các đặc trưng chống cắt của chúng cũng đạt các trị số như trên. - 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 + Lượng hữu cơ trên 60%: than bùn b. Theo tr ng thái tự nhiên - Đất yếu loại sét hoặc á sét được phân loại theo độ sệt B: B= d nh d W W W W Trong đó: W, Wd, Wnh – Độ ẩm ở trạng thái tự nhiên, giới hạn dẻo và giới hạn nhão của đất yếu Nếu B>1 thì được gọi là bùn sét (đất yếu ở trạng thái chảy) Nếu 0,75<B 1,0 là đất yếu dẻo chảy - Về trạng thái tự nhiên, đất đầm lầy than bùn được phân thành 3 loại I, II, III: + Loại I: Loại có độ sệt ổn định; thuộc loại này nếu vách đất đào thẳng đứng
- 17. chúng vẫn duy trì được ổn định trong 1-2 ngày. + Loại II: Loại độ sệt không ổn định; loại này không đạt tiêu chuẩn loại I nhưng đất than bùn chưa ở trạng thái chảy. + Loại III: Đất than bùn ở trạng thái chảy. 1.2.3. Một số giải pháp công nghệ xử lý lún nền đường đầu cầu đã được sử dụng phổ biến trong xây dựng công trình giao thông [2], [3] Bảng 1.1. Các giải pháp xử lý tương ứng theo tư duy xử lý Tư duy xử lý Phương pháp xử lý Giảm thiểu tải trọng bản thân của nền đắp 1. Tăng độ đầm chặt của nền đường; 2. Thay thế vật liệu đắp bằng vật liệu đắp tốt hơn như cấp phối, cát; 3. Sử dụng lưới địa kỹ thuật. Thiết kế giảm độ lún phạm vi mố 1. Bản chuyển tiếp; 2. Chuyển tiếp bằng hệ cọc; 3. Mố mềm. Giảm độ lún của nền đường đầu cầu 1. Phương pháp xử lý nền (cọc cát, cọc đất xi măng, cọc BTXM; sàn giảm tải..) 2. Lựa chọn vật liệu đắp nhẹ. Kết cấu mặt đường 1. Thiết kế độ dốc ngược; 2. Thiết kế kết cấu mặt đường chuyển tiếp. Như vậy, vấn đề xử lý độ lún lệch là tổng hợp của rất nhiều các biện pháp khác nhau. a. Phương pháp cọc cát Mục đích: Nhằm giảm độ lún và tăng cường độ đất yếu.Cát và đá được đầm bằng hệ thống đầm rung và có thể sử dụng công nghệ đầm trong ống chống. Sức chịu tải của cọc cát phụ thuộc vào áp lực bên của đất yếu tác dụng lên cọc. Cơ sở lý thuyết: Khi gia cố (xử lý) nền đất yếu bằng cọc cát, có 2 quá trình chính xảy ra là: - Quá trình nén chặt cơ học. - Quá trình cố kết thấm. Nén chặt cơ học Gia cố nền đất yếu bằng cọc cát là dùng một thiết bị chuyên dụng để đưa một lượng vật liệu cát vào nền đất yếu dưới dạng cọc cát nhằm cải tạo tính chất cơ lý của đất nền, nâng cao sức chịu tải của đất nền, giảm độ lún công trình, đảm bảo công trình
- 18. thường và ổn định. Nếu giả thiết rằng, thể tích các hạt rắn (trong nền đất) là không đổi trong quá trình gia cố đất yếu bằng cọc cát, thì sự thay đổi thể tích khối đất khi gia cố chính là sự thay đổi thể tích lỗ rỗng trong khối đất đó. Cố kết thấm Khi cọc cát được hình thành trong nền đất, đã tạo thành giếng thu nước thẳng đứng, tạo điều kiện thuận lợi cho nước trong đất yếu thoát ra ngoài qua cọc cát. Dưới tác dụng của tải trọng ngoài (tải trọng đất đắp), theo thời gian, ứng suất có hiệu trong đất nền tăng lên, áp lực nước lỗ rỗng giảm đi, nước trong lỗ rỗng của đất yếu sẽ thấm chủ yếu theo phương ngang vào cọc cát, sau đó thoát ra ngoài theo chiều dài cọc cát. Ngoài ra, khi đưa cát vào nền đất yếu để hình thành cọc cát, do độ ẩm của cát trong cọc cát nhỏ hơn độ ẩm của nền đất yếu rất nhiều lần, đã tạo điều kiện cho nước trong đất yếu được thấm tập trung về phía cọc cát rất nhanh, làm cho quá trình cố kết thấm ban đầu của đất yếu tăng nhanh. Dưới tác dụng của quá trình cố kết nêu trên, sức kháng cắt của đất yếu tăng lên, độ lún giảm đi, sức chịu tải của nền đất được cải thiện rõ rệt. Các điểm nổi bật của phương pháp - Cọc cát làm nhiệm vụ như giếng cát, giúp nước lỗ rỗng thoát ra nhanh, làm tăng nhanh quá trình cố kết và độ lún ổn định diễn ra nhanh hơn. - Nền đất được ép chặt do ống thép tạo lỗ, sau đó lèn chặt đất vào lỗ làm cho đất được nén chặt thêm, nước trong đất bị ép thoát vào cọc cát, do vậy làm tăng khả năng chịu lực cho nền đất sau khi xử lý. - Cọc cát thi công đơn giản, vật liệu rẻ tiền (cát) nên giá thành rẻ hơn so với dùng các loại vật liệu khác. Cọc cát thường được dùng để gia cố nền đất yếu có chiều dày > 3m. - Công nghệ cọc cát đầm chặt không gây ảnh hưởng đến môi trường và trong tương lai công nghệ này sẽ trở thành công nghệ xử lý nền đất yếu rất có hiệu quả. - Có thể kiểm soát về khối lượng và chất lượng công trình trong quá trình thi công cọc cát đầm chặt. - Các điều kiện về thời tiết sẽ không ảnh hưởng quá nhiều đến tiến trình thi công cọc cát đầm chặt. Phạm vi áp dụng Cọc cát có thể áp dụng trong một số trường hợp sau: - Bề dày đất yếu cần xử lý tương đối lớn; - Chiều cao nền đất đắp tương đối lớn; - Cọc cát làm tăng cường sự ổn định nền đắp, giảm thiểu độ lún còn lại;
- 19. đất yếu cần xử lý có các sức chống cắt nhỏ mà việc cải thiện tính chất cơ lý của đất yếu này bằng cố kết thấm đơn thuần thì hiệu quả đạt được sẽ không cao; - Khi thời hạn yêu cầu đưa đường vào khai thác, sử dụng là ngắn; - Sử dụng cọc cát gia cố nền đất yếu cũng không yêu cầu chất lượng kỹ thuật của cát làm cọc cát cao như đối với giếng cát. Mặt khác, giải pháp này không cần thời gian chờ cố kết của đất yếu. Một số hình ảnh thi công cọc cát Hình 1.3. Thi công cọc cát Hình 1.4. Thi công cọc cát
- 20. há gia cố n n bằng đư ng thấm thẳng đứng kết hợ v i gia tải trư c (Thoát nư c thẳng đứng bằng giếng cát và thoát nư c bằng bấc thấm (PVC)) b.1. Phư ng há thoát nư c thẳng đứng bằng giếng cát b. . . Gi i thiệu hư ng há - Đây là phương pháp kĩ thuật thoát nước thẳng đứng kết hợp với gia tải trước, phương pháp này được sử dụng rộng rãi để gia cường nền đất yếu bão hòa nước có tính nén lún lớn trên nhiều nước trên thế giới. - Theo phương pháp này, người ta thường dùng giếng cát đường kính 50-60 cm, được nhồi vào nền đất yếu bão hoà nước đến độ sâu thiết kế để làm chức năng những kênh thoát nước thẳng đứng, nhằm đẩy nhanh quá trình cố kết nền đất yếu. Do đó, phương pháp này luôn phải kèm theo biện pháp gia tải trước để tăng nhanh quá trình cố kết. Lớp đất yếu bão hoà nước càng dầy thì phương pháp giếng cát càng hiệu quả về độ lún tức thời. Hình 1.5. Thoát nước thẳng đứng bằng giếng cát b. . . Mô tả hư ng há - Giếng cát - một số tài liệu trước đây còn gọi là cọc cát; song hiện nay tên gọi của biện pháp xử lý nền đất yếu này thiên về cụm từ giếng cát hơn với lý do: cọc phải có khả năng chịu lực - cọc cát GCXM chẳng hạn, còn giếng cát chỉ có tác dụng chính là làm tăng tốc độ cố kết của nền đất yếu. - Phương pháp này nền đất yếu có tốc độ cố kết nhanh hơn so với phương án sử dụng bấc thấm, thời gian chờ lún cũng ngắn hơn. Thường sử dụng trong trường hợp nền đất yếu có chiều sâu 10m đến 30m. - Sơ đồ cấu tạo, cách bố trí tính toán và thi công giếng cát tương tự như đối với cọc cát. Nhưng tác dụng chủ yếu của giếng cát là làm tăng tốc độ cố kết, làm cho độ
- 21. nền nhanh ổn định và độ bền của đất yếu nhanh đạt được yêu cầu nhằm nâng cao sự ổn định của công trình trên nền đất yếu. Đường kính của giếng cát sử dụng từ (200-600)mm. Khoảng cách giữa các giếng cát thường chọn từ (1.5-5)m, khoảng cách này phụ thuộc vào đường kính đới ảnh hưởng của giếng cát (Dc) để khi xác định độ cố kết (Ut) của một lớp đất yếu bão hòa nước sau thời gian t phải đạt yêu cầu. b. .3. Trình tự thi công 1. Thi công lớp đệm cát (nếu có). 2. Định vị vị trí giếng cát. 3. Vận chuyển cát (hạt trung, hạt lớn) đến vị trí. 4. Hạ cọc ống thép (rỗng) đúng vị trí và cao độ thiết kế. 5. Đổ cát vào đầy cọc. 6. Rút cọc ống, để lại cọc cát trong đất yếu. - Các thiết bị đa năng hiện nay có khả năng vừa hạ giếng cát, cắm bấc thấm, đóng cọc BTCT. - Để có thể ấn cọc thép rỗng vào trong đất, sử dụng một búa rung treo trên đầu cọc ống thép. - Đầu cọc ống thép có cấu tạo đặc biệt với các sườn để tăng cường độ cứng và bản lề. Khi ấn cọc xuống mũi cọc sẽ chụm lại tạo thành một ống rỗng trong lớp đất yếu - không gian này sẽ được cát lấp đầy. Hình 1.6. Hạ cọc ống thép vào trong đất yếu
- 22. cát đã chuẩn bị sẵn qua "cửa sổ" ở đỉnh cọc ống thép - Cần thêm một vòi phun nước để hỗ trợ việc "lấp đầy" của cát trong cọc ống thép... Hình 1.8. Rút cọc ống thép lên
- 23. thành việc thi công một giếng cát b.2. Phư ng há thoát nư c thẳng đứng bằng bấc thấm: 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 - Hoà 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 ... b. . . Mô tả thiết bị Về cơ bản bấc thấm đứng và bấc thấm ngang đều có kết cấu gồm 2 lớp chính là: - Lớp vỏ lọc được làm bằng lớp vải địa kỹ thuật không dệt có độ bền cơ học lớn, hệ số thấm cao, kích thước lỗ nhỏ giúp ngăn các hạt đất sét nhỏ thâm nhập vào lõi thoát nước. - Lớp lõi nhựa bên trong được thiết kế với nhiều rãnh giúp cho việc thoát nước đạt hiệu quả cao nhất. b. . . Ưu đi m hư ng há - Dễ thi công và lắp đặt - Khả năng thoát nước tốt - Không làm xáo trộn tầng đất - Thân thiện với môi trường b. .3. Thi công bấc thấm - Bấc thấm được cuộn thành từng cuộn và được cắm vào đất bằng 1 máy chuyên dụng tự hành. Bộ phận chính của máy là một cầu cứng bằng thép rỗng có tiết diện 120x50mm, đầu dưới của cần làm hơi hẹp lại, bên trong cần luồng bấc thấm. Đầu
- 24. luồng qua một bản neo và bản neo này sẽ được cần ấn xuống đất đến độ sâu thiết kế. Do có bản neo, khi ống thép cắm xuống kéo theo cả bấc thấm, còn khi rút ống thép lên bấc thấm được giữ lại trong đất. Khi cần lên khỏi mặt đất người ta dùng kéo cắt bấc thấm và chuyển sang vị trí khác. - Trước khi thi công giếng cát hoặc bấc thấm bắt buộc phải rãi một lớp cát có bề dày từ (0.5-1)m trên nền đất yếu, nếu cần thiết rãi thêm 1 lớp vải địa kĩ thuật trên mặt lớp đất yếu trước khi rải lớp cát. Lớp vải kĩ thuật và lớp đệm cát này nhằm đảm bảo việc thoát nước trong quá trình cố kết, đồng thời đảm bảo cho các thiết bị thi công di chuyển lên đó. Hình 1.10. Thi công cắm bấc thấm tại Formosa Hà Tĩnh Hình 1.11. Máy ép bấc thấm
- 25. t n t i khi sử ng các công nghệ v i hư ng tiện thoát nư c thẳng đứng - Công nghệ đóng giếng cát hoặc cắm bấc thấm làm xáo động vùng đất yếu dưới nền đắp. Khi đất yếu bị xáo động, hệ số thấm giảm do đó đất lún lâu hơn. Ngoài ra do xáo động (phá hoại kết cấu nguyên trạng) có thể làm tăng hệ số nén chặt của đất yếu dẫn đến độ lún tổng cộng tăng lên. Đây là những vấn đề còn cần tiếp tục nghiên cứu làm rõ thông qua quan trắc trên các công trình đắp thực tế. - Chiều sâu đóng giếng cát hoặc cắm bấc thấm có hiệu quả liên quan đến trạng thái cố kết trước của đất yếu (thông qua áp lực tiền cố kết và tỷ số OCR) và liên quan đến áp lực do tải trọng đắp gây ra ở mỗi độ sâu trong đất yếu (tức là liên quan đến chiều cao đắp). Đồng thời cũng cần nghiên cứu chiều sâu cắm lớn nhất của phương tiện thoát nước thẳng đứng để đảm bảo sự tồn tại liên tục không đứt gẫy của đường thấm thẳng đứng. c. Phư ng há thay đất c.1. C sở lý thuyết - Giải pháp thay đất là thay thế một phần hoặc toàn bộ lớp đất yếu dưới nền đường bằng lớp đất khác có cường độ, sức chịu tải tốt hơn so với lớp đất yếu trước đây. Giải pháp thay đất có ưu điểm là tăng cường ổn định, giảm độ lún và thời gian chờ lún khi thiết kế xử lý nền đất yếu. - Giải pháp thay đất rất hiệu quả trong trường hợp bề dày đất yếu nhỏ hơn so với vùng ảnh hưởng của tải trọng đắp. - Tính toán chiều sâu thay đất căn cứ vào thời gian cố kết dự kiến, yêu cầu về độ ổn định nền đắp cần đạt được để xác định chiều sâu thay đất. - Khi kiểm toán thiết kế nền đất yếu bằng giải pháp thay đất, cần phải kiểm tra 2 điều kiện là: Biến dạng lún và ổn định trượt để xác định chiều sâu thay đất; Độ lún còn lại và độ ổn định trượt trước, sau khi thay đất. Cần chú ý rằng, sau khi thay đất, xem như phần đất yếu được thay bằng lớp đất tương ứng với bề dày bằng bề dày đất yếu được thay và chỉ tiêu cơ lý của đất thay thế để tính toán ổn định và lún. - Thi công đào thay đất, có thể dùng sơ đồ đào đất yếu bằng máy xúc gầu dây, đào đến đâu thì đắp lấn đến đó. Chiều sâu đào thay đất có thể lên tới (2 – 3)m, đặc biệt có thể tới 4,0m. - Trong một số trường hợp nhất định, nên kết hợp giải pháp thay đất với giải pháp gia tải thêm để tăng cường ổn định nền đường và đảm bảo độ lún còn lại theo yêu cầu. c.2. Ph m vi á ng Giải pháp đào thay đất được áp dụng trong các trường hợp sau: - Khi thời hạn yêu cầu đưa công trình đường vào sử dụng là rất ngắn và đào bỏ
- 26. một giải pháp tốt để tăng nhanh quá trình cố kết. - Khi các đặc trưng cơ lý, đặc biệt là sức chịu tải của đất yếu là rất nhỏ mà việc cải thiện nó bằng cố kết là không có hiệu quả để đạt được chiều cao thiết kế của nền đắp. - Khi cao độ thiết kế gần với cao độ tự nhiên, không thể đắp nền đường đủ dày để đảm bảo cường độ cần thiết dưới kết cấu mặt đường. - Bề dày lớp đất yếu nhỏ từ 2m trở xuống thì nên đào bỏ toàn bộ lớp đất yếu này để đáy nền đường tiếp xúc với tầng đất không yếu. - Đất yếu là than bùn loại I hoặc loại sét, á sét dẻo mềm, dẻo chảy. Trường hợp này nếu chiều dày đất yếu vượt quá (4 – 5)m thì có thể đào một phần sao cho phần đất yếu còn lại có bề dày nhiều nhất chỉ bằng 1/2 - 1/3 chiều cao đất đắp (kể cả phần đắp chìm trong đất yếu). - Trong trường hợp đất yếu có bề dày dưới 3m và có cường độ quá thấp mà đào ra không kịp đắp lấn như than bùn loại II, loại III, bùn sét (độ sệt B >1) hoặc bùn cát mịn thì có thể áp dụng giải pháp bỏ đá chìm đến đáy lớp đất yếu hoặc bỏ đá kết hợp với đất đắp quá tải để nền tự lún đến đáy lớp đất yếu. - Trường hợp nền đường đầu cầu đắp có chiều cao không lớn (khoảng 1,0m) mà đất yếu có chiều dày tương đối lớn. - Yêu cầu kỹ thuật về độ lún còn lại không đòi hỏi cao như những đoạn nền thông thường (tốc độ thiết kế ≤ 40 Km/h), đoạn đường thiết kế có kết cấu lớp mặt là cấp cao A2 trở xuống. Giải pháp thay đất đã được áp dụng trong xây dựng giao thông ở nước ta như: Dự án nâng cấp, mở rộng QL1A đoạn Dốc Xây – Thành phố Thanh Hóa; Đại lộ Nam sông Mã, đường cao tốc TP Hồ Chí Minh - Trung Lương,... d. Phư ng há gia tải nén trư c d.1. ặc đi m và h m vi á ng Phương pháp này có thể sử dụng để xử lý khi gặp nền đất yếu như than bùn, bùn sét và sét pha dẻo nhão, cát pha bão hòa nước. Dùng phương pháp này có các ưu điểm sau: - Tăng sức chịu tải của nền đất - Tăng nhanh thời gian cố kết, tăng nhanh độ lún ổn định theo thời gian. Các biện pháp thực hiện: - Chất tải trọng ( cát, sỏi, gạch, đá...) bằng hoặc lớn hơn tải trọng công trình dự kiến thiết kế trên nền đất yếu, để cho nền chịu tải trước và lún trước khi xây dựng công trình. - Dùng giếng cát hoặc bấc thấm để thoát nước ra khỏi lỗ rỗng, tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền, tăng nhanh tốc độ lún theo thời gian.
- 27. cầu cụ thể của công trình, điều kiện địa chất công trình, địa chất thủy văn của nơi xây dựng mà dùng biện pháp xử lý thích hợp, có thể dùng đơn lẻ hoặc kết hợp cả hai biện pháp trên. d.2. Phư ng há nén trư c không ng giếng thoát nư c d.2.1. i u kiện địa chất công trình - Để đạt được mục đích làm cho đất chặt, ép thoát nước ra khỏi lỗ rỗng thì những trường hợp sau thích hợp cho phương pháp gia tải nén trước: + Trên cùng là lớp đất trồng trọt, giữa là lớp đất yếu cần gia cố, dưới cùng là lớp cát tự nhiên. Khi chịu tải trọng nén trước thì nước lỗ rỗng của đất yếu sẽ bị ép thoát vào lớp cát tự nhiên. + Trên cùng là lớp cát tự nhiên, ở giữa là lớp đất yếu cần xử lý. Dưới cùng là lớp cát tự nhiên. Khi chịu tải trọng nén trước, nước lỗ rỗng trong lớp bị ép thoát ra theo cả hai chiều lên và xuống vào hai lớp cát tự nhiên. Trường hợp này khi chịu tải trọng nén, nước thoát ra theo chiều lên vào tầng cát, trường hợp nếu không có lớp cát tự nhiên thì có thể làm một lớp đệm cát nhân tạo sau đó tác dụng tải trọng nén trước. d.2.2. Biện há thi công: Để thi công gia tải nén trước ta có thể dùng hai cách sau: - Cách 1: Chất tải trọng nén trước lên mặt đất tại vị trí xây móng, đợi một thời gian theo yêu cầu thiết kế để độ lún đạt ổn định, rồi dỡ tải để đào hố móng và thi công móng (với chiều sâu chôn móng h 1 m). Nếu chiều sâu chôn móng lớn thì đào hố móng đến độ sâu bé hơn cốt đáy móng 50cm rồi chất tải trọng nén. - Cách 2: Có thể xây dựng móng trước, sau đó chất tải lên móng để móng lún đến trị số ổn định, sau đó dỡ tải và xây dựng kết cấu bên trên. Trong hai biện pháp trên, tùy theo điều kiện cụ thể mà chọn biện pháp thích hợp. Tải trọng nén trước phải được tăng dần từng cấp, mỗi cấp tương đương tải trọng một tầng nhà hoặc bằng khoảng 15-20% tổng tải trọng công trình. Cần bố trí mốc để quan trắc lún trong suốt thời gian gia tải. d.3. Phư ng há nén trư c c đư ng thấm thẳng đứng d.3.1. i u kiện địa chất công trình Khi chiều dày nền đất yếu rất dày hoặc khi độ thấm của đất rất nhỏ thì có thể bố trí các đường thấm thẳng đứng để tăng tốc độ cố kết. Phương pháp này thường dùng để xử lý nền đường đắp trên nền đất yếu. - Có hai loại đường thấm thẳng đứng: Giếng cát (SW) và bấc thấm (PVD). Tác
- 28. thấm thẳng đứng là 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 thời gian cho phép. - Để tăng nhanh tốc độ cố kết, ta thường kết hợp biện pháp xử lý bằng bấc thấm, giếng cát với biện pháp gia tải tạm thời, tức là đắp cao thêm nền đường so với chiều dày thiết kế 2-3m trong vài tháng rồi sẽ lấy phần gia tải đó đi ở thời điểm t mà nền đường đạt được độ lún cuối cùng như trường hợp nền đắp không gia tải. Cấu tạo chung của nền đường đắp trên đất yếu có sử dụng thiết bị thoát nước thẳng đứng (bấc thấm hoặc giếng cát) d.3.2. Trình tự các bư c thi công Trình tự các bước thi công trong trường hợp xử lý bằng bấc thấm: - Định vị trí chân taluy nền đường; - Đào bỏ một phần đất yếu theo thiết kế, thường từ 0,5-0,8m; - Rãi vải địa kỹ thuật, nên rãi vuông góc với tim đường, mép vải chồng lên nhau 15-20cm; - Đặt thiết bị quan trắc lún thẳng đứng; - Đắp lớp đệm cát đến cao độ thiết kế và tạo phẳng; - Đặt thiết bị quan trắc chuyển vị ngang để quan trắc chuyển vị ngang của nền đường; - Tiến hành cắm bấc thấm (cắm PVD – Phabricatied Vertical Drainage), việc cắm bấc thấm thực hiện bằng các máy cắm bấc chuyên dụng. Sau khi cắm, bấc phải cao hơn bề mặt lớp đệm cát từ 15-20cm. - Đắp đất: đất được đắp thành từng lớp với chiều dày mỗi lớp 15, 20 hoặc 25cm. Tốc độ đắp tuân thủ theo thiết kế, kết hợp quan trắc lún để xử lý kịp thời trong trường hợp lún nhanh quá tốc độ thiết kế. e. Giải há vải địa kỹ thuật Hiện nay ở nước ta đã có tiêu chuẩn thiết kế, thi công và nghiệm thu sử dụng vải địa kỹ thuật trong xây dựng nền đắp trên đất yếu (22TCN 248 - 98). Tuy nhiên, trong tiêu chuẩn này chưa đưa ra các chỉ tiêu kỹ thuật quy định đối với từng trường hợp sử dụng vải địa kỹ thuật trong các nhiệm vụ sử dụng vải địa kỹ thuật làm lớp ngăn cách, lớp thoát nước, lớp tăng cường ổn định,.... Vì thế, trong phần này đã đưa ra các chỉ tiêu kỹ thuật cũng như phạm vi áp dụng đối với vải địa kỹ thuật trong từng ứng dụng đã nêu, dựa trên các tiêu chuẩn và khuyến cáo trong tiêu chuẩn ASTM của Mỹ. e.1. C sở lý thuyết Vải địa kỹ thuật (ĐKT) là loại vật liệu polime có tính thấm tốt, được sản xuất
- 29. dệt thoi, dệt kim hoặc không dệt và sử dụng trong các công trình địa kỹ thuật và các công trình xây dựng. Khi bố trí vải địa kỹ thuật giữa đất yếu và nền đắp, ma sát giữa đất đắp và vải ĐKT sẽ tạo ra một lực giữ khối đất đắp, nhờ đó mức độ ổn định của nền đất đắp được tăng lên đáng kể. Việc lựa chọn loại và tính chất của vải ĐKT cũng như xác định số các lớp vải ĐKT dựa vào kết quả tính toán ổn định trượt trên cơ sở độ ổn định trượt nền đất cần đạt được và cường độ kéo đứt cho phép của vải ĐKT cũng như chỉ tiêu cơ lý của đất đắp và đất yếu. Khi bố trí nhiều lớp vải ĐKT, mỗi lớp vải ĐKT được xen kẽ bằng các lớp đất đắp (thường dùng là cát, đất cấp phối) có bề dày từ (15 – 30)cm phụ thuộc vào khả năng lu lèn của thiết bị và loại đất đắp. e.2. Ph m vi á ng - Sử dụng vải địa kỹ thuật ở dưới nền đất đắp trên đất yếu để tăng cường ổn định nền đất yếu. - Vải địa kỹ thuật có tác dụng phân bố đều ứng suất dưới nền đắp, giảm thiểu khả năng phát sinh lún không đều, lún lệch. - Vải địa kỹ thuật có tác dụng tăng quá trình thoát nước từ đất yếu ra ngoài, đẩy nhanh quá trình cố kết thấm, tăng độ bền của đất yếu. - Vải địa kỹ thuật được sử dụng làm lớp phân cách lớp đất yếu với các lớp đất nền đường. - Vải địa kỹ thuật được sử dụng cho thoát nước bề mặt. - Vải địa kỹ thuật được sử dụng cho chống xói bề mặt. Vải địa kỹ thuật thường được kết hợp với một số giải pháp khác như thoát nước thẳng đứng (giếng cát, bấc thấm) hoặc thay đất, gia tải trước trong xử lý nền đường đắp trên đất yếu. Thực tế trong xây dựng giao thông ở nước ta, đã áp dụng vải ĐKT tại các công trình như: - Đường cao tốc TP. Hồ Chí Minh - Trung Lương; - Các đoạn đường nối Bình Thuận - Chợ Đệm, Tân Tạo - Chợ Đệm; - QL1A đoạn Pháp Vân - Cầu Giẽ, QL1A đoạn Dốc Xây – TP Thanh Hóa; - QL18; Tuyến N2; Láng - Hoà Lạc; Đường Bắc Thăng Long - Nội Bài. - Dự án Đại lộ Nam sông Mã, đường Voi đi Sầm Sơn, Nâng cấp QL47 tỉnh Thanh Hóa. f. Giải há sàn giảm tải Đối với những đoạn nền đường đắp cao và trên lớp đất yếu dày, yêu cầu độ lún còn lại nhỏ (đoạn đường đầu cầu) thì giải pháp dùng cọc bê tông cốt thép kết hợp sàn
- 30. áp dụng nhằm tăng cường sự ổn định của đất đắp và nền đất yếu, giảm thiểu độ lún nền đất, rút ngắn thời gian thi công dự án. Biện pháp này đã được áp dụng tại dự án đường cao tốc TP. Hồ Chí Minh - Trung Lương, tuyến N2, đường đầu cầu trên một số tuyến đường ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long, cầu Đò Lèn vượt sông trên tuyến QL1A đoạn Thanh Hóa. f.1. C sở lý thuyết Hiện nay, cọc bê tông cốt thép đã được sử dụng để gia cố nền đường đắp trên đất yếu, có thể đắp nền đường trực tiếp trên các đầu cọc, hoặc đắp nền đường trên sàn giảm tải bằng bê tông liên kết đầu các cọc. Hệ cọc bê tông cốt thép đóng xuống nền đất yếu có tác dụng truyền tải trọng từ đất đắp nền đường qua cọc, xuống lớp đất tốt hơn phía dưới, hoặc truyền xuống một độ sâu nhất định mà nền đất có đủ cường độ chịu lực để tiếp nhận tải trọng đất đắp (qua lực ma sát giữa nền đất và thân cọc hoặc sức chống của mũi cọc). Sàn giảm tải liên kết đầu cọc có tác dụng phân bố đều tải trọng nền đắp lên đầu cọc. Tính toán thiết kế cọc chống cũng chính là tính toán móng cọc. Có thể áp dụng các tiêu chuẩn tính móng cọc (cọc chống, cọc ma sát) trong các tài liệu đã có, các tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn ngành. Các bước tính toán móng cọc chủ yếu bao gồm các bước như sau: - Xác định tải trọng đất đắp căn cứ vào chiều cao, bề rộng nền đắp. - Trên cơ sở chiều dày, tính chất cơ lý của đất yếu và tải trọng đất đắp để xác định sức chịu tải của cọc, kích thước, chiều dài và mật độ cọc. - Kiểm tra điều kiện ổn định, kết cấu của cọc đã chọn. - Kiểm tra độ lún của móng cọc. - Tính kết cấu sàn giảm tải: Bố trí cốt thép (lưới thép), chiều dày sàn giảm tải. - Bố trí các cọc và sàn giảm tải trên bản vẽ thiết kế. Về xác định sức chịu tải của cọc: Hiện nay, hầu hết các công thức lý thuyết để xác định sức chịu tải của cọc đều cho các trị số khác nhau tương đối nhiều so với thực tế. Tuy nhiên, về mặt hình thức thì các công thức này có xu hướng tiến bộ vì đều chứa các đặc trưng cơ học (góc ma sát trong, lực dính) của đất. Sở dĩ các công thức tính sức chịu tải của cọc chưa phù hợp với thực tế vì điều chủ yếu là do chưa chọn được mô hình tính toán của nền đất thích hợp với điều kiện làm việc thực tế của cọc. Ngoài ra, các công thức đó chưa kể được tính chất khác nhau của các lớp đất trong phạm vi chiều dài cọc cũng như ảnh hưởng lẫn nhau của hệ cọc. Việc xác định sức chịu tải của cọc ở hiện trường bằng các phương pháp thí
- 31. hiện trường là đáng tin cậy nhất. Đây là yêu cầu bắt buộc khi thi công móng cọc để kiểm tra lại kết quả tính toán và điều chỉnh thiết kế cho phù hợp. Tuy nhiên cần lưu ý rằng, xác định sức chịu tải của cọc bằng phương pháp thí nghiệm cần phải lưu ý đến thời gian "cọc nghỉ". Nếu có điều kiện, nên để cọc sau khi đóng xong một thời gian thích hợp mới tiến hành thí nghiệm. f.2. Ph m vi á ng - Nền đường đắp cao, đường đầu cầu, đường qua cống (Chiều cao đắp Hđ>4,0m). - Chiều dày đất yếu từ trung bình đến tương đối lớn (12m hoặc lớn hơn). - Để tăng cường sự ổn định của đất đắp và nền đất yếu. - Triệt tiêu hoặc giảm thiểu độ lún nền đất cũng như lún không đều, lún lệch. - Khi công trình đòi hỏi thời gian hoàn thành công trình ngắn. - Sử dụng kết hợp với giải pháp khác như đất có cốt, tường chắn để có thể tiết kiệm được phạm vi giải phóng mặt bằng, có hiệu quả đối với đường trong đô thị, trong nút giao. f.3. ánh giá hiệu quả kỹ thuật Biện pháp xử lý nền đất yếu bằng sàn giảm tải trên cọc bê tông đã được áp dụng tại dự án đường cao tốc TP. Hồ Chí Minh - Trung Lương, tuyến N2. Trong khu vực đồng bằng sông Cửu Long, đối với những nơi có bề dày đất yếu lớn (khoảng 40m), cần cân nhắc hiệu quả kinh tế của giải pháp này vì liên quan đến kích thước và chiều dài của cọc BTCT. Trong trường hợp đất yếu có bề dày lớn, khi áp dụng giải pháp móng cọc BTCT phải chú ý đến hiện tượng ma sát âm phát sinh trong nền đất yếu vì nó sẽ làm cho các hệ cọc - sàn giảm tải - đất đắp lún xuống, làm ảnh hưởng tới chất lượng khai thác tuyến đường. Để giảm sự ảnh hưởng của ma sát âm đến móng cọc trong nền đất yếu, không nên dùng cọc có đường kính lớn mà nên áp dụng giảm tiết diện ngang của cọc, tăng mật độ cọc. Ngoài ra đối với cọc chống, còn áp dụng các biện pháp hỗ trợ khác như khoan dẫn, trám nhũ tương xung quanh cọc BTCT trước khi đóng. Hiệu quả kỹ thuật khi áp dụng xử lý nền đường đắp trên đất yếu bằng sàn giảm tải kết hợp cọc BTCT so với giải pháp cầu cạn khả thi hơn về mặt kinh tế.
- 32. ph©n bè t¶i träng TÊm b¶n nhá (hoÆc tÊm b¶n liªn tôc) ®Êt yÕu Líp ®Êt cøng h¬n Cäc Hình 1.12. Sơ đồ cấu tạo nền đường có bố trí cọc bê tông 1.2.4. Một số giải pháp công nghệ mới xử lý lún nền đường đầu cầu đã được sử dụng phổ biến trong xây dựng công trình giao thông a. Phư ng há nén trư c bằng chân không a.1. C chế Quá trình cũng cố nền đất dưới tác dụng của phụ tải được hiểu và được minh hoạ về sự cố kết được chỉ ra trong fig.1(a). Để thuận tiện cho việc giải thích, những áp lực trong fig.1 là những giá trị tuyệt đối và Pa là áp suất khí quyển. Như trong hình fig.1, khi chất một tải, p , áp lực nước lỗ rỗng quá độ khi chất tải. Vì vậy, khi đất bão hoà, áp lực nước lỗ rỗng quá độ ban đầu, o u tương ứng với một tải p . Dần dần, nước sẽ thoát ra ngoài fig.1(a). Lượng tăng ứng suất có hiệu bằng lượng giảm áp lực nước lỗ rỗng p - u , fig. 1(a). Độ cố kết cuối cùng, u =0 và tổng ứng suất có hiệu đạt được bằng phụ tải, p . Cần lưu ý rằng quá trình trên không chịu ảnh hưởng của áp suất khí quyển. Cơ chế cố kết chân không cũng được minh hoạ tương tự ở fig.1(b). Áp lực nước lỗ rỗng trong đất giảm xuống khi chất tải fig.1(b). Tổng áp lực là không đổi, áp lực có hiệu trong đất tăng lên. Ví dụ, khi có tải chân không, - u , áp lực nước lỗ rỗng là p . Dần dần, áp lực nước lỗ rỗng giảm xuống và bắt đầu cố kết, có nghĩa là đất bắt đầu đạt được ứng suất có hiệu. Lượng ứng suất có hiệu tăng lên bằng lượng áp lực nước lỗ rỗng giảm xuống u nhưng không vượt quá áp suất khí quyển Pa, thường là 80Kpa.
- 33. trình cố kết của đất a.2. Công nghệ: Một hệ thống cố kết chân không điển hình được chỉ ra trong hình 2. PVDs và các ống nằm ngang được sử dụng cho việc phân phối các áp lực chân không và tản nước lỗ rỗng. Thiết bị tiêu nước thẳng đứng và nằm ngang được đắp một lớp cát. Lớp cát này truyền chân không tới PVDs. Hình 1.14. Hệ thống cố kết chân không Trong đó: 1- PVD 2- Ống nằm ngang 3- Mối nối 4- Cho thoát nước 5- Van 6- Ống bơm chân không 7- Bơm 8- Bộ phận ly tâm 9- Rãnh dẫn nước 10-Ống chân không chính 11- Màng bọc - Những ống ngang này có đường kính từ 50 đến 100mm được đục lỗ và bọc vải thấm có chức năng như một tấm lọc (hình 1.25). Các ống nằm ngang này được nối với các đường ống chân không chính. 3 lớp màng PVC mỏng được bọc ở bên ngoài
- 34. vùng chân không kết hợp với thu nước từ rãnh xương cá. Nhờ đó, toàn bộ khu vực đất cần cải thiện phải chia thành các nhóm nhỏ để thuận lợi cho việc lắp đặt những membrane. Áp lực chân không được tạo ra bằng cách sử dụng máy bơm chân không liên tục trong suốt thời gian gia tải. Hình 1.15. Trước khi hút chân không Hình 1.16. Đang hút chân không và đất trong giai đoạn cố kết a.3. Quy trình l đặt và thi công cố kết chân không a. Trải một lớp vải địa kỹ thuật và một lớp cát (dày khoảng 1m) để làm nền cho lớp thoát nước đạt hiệu quả tốt nhất. b. Lắp đặt các ống dẫn nước D50 thoát nước thẳng đứng tạo thành lưới với mật độ (theo tính toán) c. Lắp đặt và nối các mạng lưới thoát nước ngang và dọc tới trạm bơm d. Lắp đặt màng cách nước (bằng nhựa tổng hợp) bao quanh khu vực thi công đến tận đáy lớp đất yếu để đảm bảo không thấm nước.
- 35. các thiết bị đo đạc và quan trắc nền đất f. Đào mương dẫn nước bên ngoài và ngăn nước bằng bentonite và Polyacrylate g. Trải lớp màng chống thấm PVC trên mặt nền, lắp đặt trạm bơm nước và tiến hành bơm hút chân không h. Thi công các lớp đất bên trên màng chống thấm để bù lại độ lún cố kết nhằm mục đích đạt được cao độ thiết kế và làm nhanh độ lún cố kết. a.5. Kết luận - 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. - Ứng dụng thực sự của phương pháp này trong xây dựng chưa tốt vì các nguyên nhân: + Rất khó để làm kín khí trong quá trình hút chân không + Có giới hạn về độ sâu + Hiệu quả thấp đối với nền gồm các tầng cát với hệ số thấm cao nằm xen kẹp + Giá thành cao do sứ dụng các cọc cừ ngăn cách vùng cần gia cố nhằm làm tăng độ hút chân không. - Ưu điểm chính của phương pháp này là chiều cao của lớp đất gia tải đắp trên nền đất sét yếu giảm từ đó ngăn chặn được hiện tượng mất ổn định có thể xảy ra so với đắp đất gia tải. Phương pháp này có thể kết hợp được với các phương pháp xử lý nền đất yếu khác để tăng hiệu quả. - Phương pháp này tiết kiệm được 30% chi phí so với một số phương pháp khác và tiết kiệm được 50% thời gian chờ cố kết so với phương pháp đắp đất gia tải.
- 36. trình tự thực hiện Hình 1.17. Bước 1: Thi công lớp thoát nước nằm ngang (lớp cát hạt thô) Hình 1.18. Bước 2: Thi công cắm bấc thấm Hình 1.19. Bước 3: Lắp đặt hệ thống hút chân không: ống thu nước
- 37. 4: Lắp đặt lớp màng chân không Hình 1.21. Chạy bơm hút chân không Hình 1.22. Bước 6: Đắp cát bù lún b. Giải há c c đất – i măng - Phương pháp trộn dưới sâu là một kỹ thuật cải tạo đất để gia tăng cường độ, kiểm soát biến dạng, và giảm thấm nhờ đất được trộn với xi măng và các vật liệu khác.
- 38. này nhờ một loạt các phản ứng hóa học – vật lý xảy ra giữa chất đóng rắn với đất, làm cho đất sét yếu đóng rắn lại thành một thể cọc có tính chỉnh thể, tính ổn định và có cường độ nhất định. Phương pháp mà bột xi măng khô được sử dụng như là tác nhân chính làm ổn định được gọi là phương pháp trộn khô dưới sâu; Còn tác nhân làm ổn định là hình thức vữa được gọi phương pháp trộn ướt dưới sâu. Đường kính cọc xi măng – đất thường từ 0,6-1,5m và có thể đạt đến 40m chiều sâu. - Phương pháp này có nhiều ưu điểm: + Phạm vi áp dụng rộng, thích hợp mọi loại đất từ bùn sét đến sỏi cuội. + Có thể xử lý lớp đất yếu một cách cục bộ, không ảnh hưởng đến lớp đất tốt. + Thi công được trong nước. + Mặt bằng thi công nhỏ, ít chấn động, ít tiếng ồn, hạn chế tối đa ảnh hưởng đến các công trình lân cận. + Rất sạch sẽ và giảm thiểu vấn đề ô nhiễm môi trường. + Thiết bị nhỏ gọn, có thể thi công trong không gian có chiều cao hạn chế. + Và đặc biệt là thi công nhanh, thời gian đất đạt yêu cầu kỹ thuật xử lý ngắn, đẩy nhanh được tiến độ cải tạo đất nền. - Về công nghệ thi công cọc đất xi măng hoặc vôi thì hiện tại trên thế giới đã phát triển thuần thục 2 loại công nghệ trộn phun ướt (Wet Jet Mixing Method) và công nghệ phun khô (Dry Jet Mixing Method). Phương pháp trộn phun ướt hay phương pháp trộn vữa với đất yếu Theo công nghệ này vữa xi măng hoặc vữa vôi được phun vào đất yếu với áp lực có thể tới 20Mpa từ một vòi phun xoay nằm giữa trục cần khoan. Hình 1.23. Phương pháp trộn ướt dưới sâu Phương pháp trộn phun khô - Năm 1982, Chida đề nghị một phương pháp dùng bột xi măng hay vôi sống thay cho vữa ở phương pháp phun ướt. Cũng tương tự, theo công nghệ này bột xi măng hoặc vôi được khí nén bơm phun vào vào trong đất ở dưới sâu qua một ống có lỗ phun bố trí ở tim của cần khoan, (cũng tức là trục của thiết bị trộn), tiếp đó bột được trộn cơ học bằng cách quay trong điều kiên không thêm nước vào đất yếu. Như vậy công nghệ này có ưu
- 39. nghệ trộn phun ướt vì chỉ sử dụng nước có trong đất yếu để thủy hóa chất liên kết nên cường độ đất gia cố sẽ cao hơn, thêm vào đó lượng nhiệt tạo ra khi thủy hóa làm khô thêm đất yếu lân cận và hiệu quả gia cố cũng cao thêm. Từ đó cũng rút ra các nhận xét sau: + Không nên dùng vôi vì nguồn vật liệu không phổ biến, đôi khi khan hiếm; cường độ gia cố vôi tăng chậm. + Hiệu quả gia cố bằng vôi và xi măng đều khá thấp nếu trong đất yếu có hàm lượng hữu cơ cao. - Giải pháp cọc đất – Xi măng có thể được áp dụng để xử lý các đoạn đất yếu ở những đoạn đường có chiều cao đất đắp lớn hoặc các vị trí đường đầu cầu và qua các cống do yêu cầu độ lún còn lại nhỏ thì áp dụng phương pháp xử lý bằng cột đất - xi măng là hợp lý nhằm đạt được 2 mục đích chủ yếu như sau: + Tăng cường sự ổn định trượt của đất nền, đảm bảo độ ổn định của nền đường đắp trên các đoạn đất yếu có bề dày rất lớn mà các giải pháp thoát nước thẳng đứng mà không hoặc khó đảm bảo. + Tăng độ cố kết của đất nền, giảm độ lún và thời gian thi công được rút ngắn. - Khi áp dụng giải pháp này cần có những điều tra, nghiên cứu về hàm lượng hữu cơ, thành phần khoáng hoá của đất yếu vì nếu như đất có chứa hàm lượng hữu cơ lớn hoặc có độ PH nhỏ thì cường độ của cọc đất gia cố xi măng sẽ tăng lên không nhiều. - Thực hiện giải pháp cọc đất - xi măng không cần thời gian chờ nền đất cố kết. Hình 1.24. Phương pháp trộn khô dưới sâu
- 40. công cọc đất – xi măng c. Giải há sử ng cống h hoặc cống tr n thay thế m t h n n n đư ng đ đ u c u c.1. N i ung và hân tích giải háp Do nền đất đắp cao ở hai đầu cầu có trọng lượng tương đối lớn, nền đất lại yếu nên có thể xuất hiện những sự cố như lún lệch giữa đường đầu cầu đắp cao và mố cầu, ảnh hưởng đến chất lượng công trình. Để khắc phục tình trạng này, có một số giải pháp khác nhau, trong đó có giải pháp thay một phần đất đắp của thân nền đường đầu cầu đắp cao bằng cống hộp BTCT nhằm mục đích giảm trọng lượng của vật liệu đất đắp, tăng khả năng chống lún, khả năng ổn định của nền đất, đồng thời có thể rút ngắn thời gian thi công, không phụ thuộc thời gian cố kết của nền và phù hợp với các phương pháp thi công cơ giới, các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật - khai thác đều tốt và ít bị ảnh hưởng khi cấp hoạt tải tăng lên. Sử dụng cống hộp thay thế một phần đất đắp có tác dụng giảm vật liệu đất đắp tăng ổn định chống trượt và chống lún, chống xói sụt do nước mặt, dễ thi công, đơn giản khi xử lý móng, phù hợp với trình độ thi công của các nhà thầu xây dựng ở nước ta hiện nay. Ngoài ra, chi phí đầu tư xây đựng và duy tu bảo dưỡng đều ít hơn so với giải pháp kéo dài cầu. Tuy vậy, trong một số trường hợp so với giải pháp xử lý như đã trình bày ở các phần trên thì giải pháp này có chi phí cao hơn. c.2. Cấu t o cống - Móng cống: Do tải trọng khai thác lớn, nền đất yếu nên móng cống được làm bằng BTCT đặt trực tiếp lên nền đất và được gia cố bằng hệ cọc BTCT, mật độ cọc, kích thước phụ thuộc vào điều kiện địa chất công trình. Khi tính toán cho hệ cọc BTCT bố trí làm móng cống phải xét tới tương tác giữa hệ cọc và đất nền.
- 41. đốt cống: Các đốt cống bằng BTCT có cấu tạo hình khối hộp chữ nhật, chiều rộng bằng chiều rộng đường tính toán, chiều dài từ (38-102)cm tuỳ thuộc vào tính toán thiết kế, độ dốc dọc của cống phù hợp với dốc dọc của đường. Việc tính toán thiết kế cho các bộ phận của đốt cống được tiến hành theo các phương pháp của cơ học kết cấu. Hình 1.26. Sử dụng ống cống thay cho đất đắp nền đường đầu cầu để giảm nhẹ tải trọng tác dụng lên nền đất yếu bên dưới d. Nhận ét, đánh giá Để làm cơ sở đề xuất các giải pháp thiết kế, trước tiên cần phải tính toán đánh giá mức độ ổn định và diễn biến độ lún đối với trường hợp nền đắp trực tiếp trên đất yếu (không áp dụng một biện pháp xử lý nào khác). Nếu kết quả tính toán cho thấy không đảm bảo được các yêu cầu và tiêu chuẩn thì mới đề xuất các phương pháp xử lý cho mỗi đoạn. Trước hết là các phương án đơn giản nhất (kể cả phương án thay đổi kích cỡ nền đắp về chiều cao và độ dốc mái ta luy), có thể đưa ra các phương án kết hợp đồng thời một số giải pháp trên, giải pháp kéo dài cầu dẫn qua vùng đất yếu, làm sàn giảm tải. Đối với mỗi phương án đề xuất lại phải tính toán đánh giá về ổn định và lún rồi thông qua tính toán, phân tích so sánh về kinh tế - kỹ thuật một cách toàn diện để lựa chọn giải pháp áp dụng. Khi phân tích nên xét đến cả ảnh hưởng gây lún của nền đắp đối với các công trình nhân tạo hiện có. Trong mọi trường hợp cần phải tận dụng hết thời gian thi công cho phép: Đắp trên đất yếu phải khởi công sớm nhất và nếu cần thiết có thể cho phép kéo dài tối đa tới kỳ hạn cuối cùng trong tiến độ chung hoặc chia làm nhiều đợt đắp, vừa đắp vừa chờ cố kết. Trong quá trình thi công trên thực tế, phải luôn xem xét kết quả theo dõi hệ thống quan trắc, so sánh nó với các yêu cầu khống chế về ổn định và biến dạng để kịp thời điều chỉnh lại tốc độ đắp nếu cần thiết, đồng thời có thể điều chỉnh cả các giải
- 42. theo hướng có lợi hơn về kinh tế - kỹ thuật so với thiết kế ban đầu. Đặc biệt là phải dựa vào quan trắc lún thực để dự báo lún cố kết còn lại khi quyết định thời điểm có thể thi công các hạng mục công trình có liên quan đến yêu cầu khống chế lún của nền đắp trên đất yếu.
- 43. CẦU VỀ TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU; PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY RA LÚN ĐOẠN NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU 2.1. Yêu cầu về tính toán, thiết kế nền đường đầu cầu 2.1.1. Yêu cầu đảm bảo ổn định của công trình nền đắp trên nền đất yếu và phương pháp kiểm toán ổn định a. Yêu c u đảm bảo n định Nền đắp trên đất yếu sẽ bị mất ổn định khi sức chống cắt của đất yếu không đủ chịu đựng được ứng suất cắt do tải trọng ngoài (đất đắp và xe cộ) gây ra trong chúng. Một khi vùng đất yếu không hoàn toàn đối xứng (về tình trạng và đặc trưng cơ lý) so với tim nền đắp thì mất ổn định có thể xảy ra dưới dạng trượt trồi về một bên. Ngược lại khi các yếu tố trên đối xứng thì mất ổn định có thể xảy ra dưới dạng nền bị sụt sâu vào trong đất yếu. Hầu hết các trường hợp mất ổn định xảy ra dưới dạng trượt trồi về một phía và xảy ra ngay trong quá trình đắp, lúc cường độ chống cắt của đất yếu còn thấp nhất (chưa cố kết). Yêu cầu ổn định được định lượng bằng hệ số ổn định yêu cầu: Ở một số tiêu chuẩn chỉ đặt ra một hệ số yêu cầu chung là 1,50 nhưng ở một số tiêu chuẩn khác thì quy định hệ số ổn định yêu cầu chi tiết hơn tuỳ thuộc phương pháp kiểm toán ổn định áp dụng, phương pháp thí nghiệm xác định cường độ chống cắt không thoát nước như ở bảng 2.1. Bảng 2.1. Hệ số ổn định yêu cầu Phương pháp và số liệu thí nghiệm Hệ số xác định yêu cầu 1. Khi áp dụng phương pháp phân mảnh cổ điển kiểm toán ổn định theo ứng suất tổng (không xét áp lực khe rỗng): - Dùng chỉ tiêu cắt nhanh. - Dùng cường độ cắt nhanh. 2. Khi áp dụng phương pháp phân mảnh cổ điển kiểm toán ổn định theo ứng suất hữu hiệu - Dùng chỉ tiêu cắt nhanh và cắt nhanh cố kết. - Dùng cường độ cắt cánh 3. Khi kiểm toán thep phương pháp Bishop 1,20 1,20 1,20 1,30 1,40
- 44. bang (CHLB) Nga đưa ra cách xác định hệ số ổn định yêu cầu Kyc bằng tích số của một loạt hệ số riêng phần, như ở biểu thức (2.1): Kyc = K1.K2.K3.K4.K5.K6 (2.1) Trong đó: - K1 = 1,0 – 1,1: Tuỳ thuộc độ tin cậy đối với số liệu xác định các đặc trưng cơ lý của đất yếu đưa vào tính toán (tình trạng mẫu, số mẫu…). - K2: Hệ số xét đến mức độ và ý nghĩa quan trọng của công trình xây dựng (đường cấp cao K2 = 1,03; các cấp khác K2 = 1). - K3 = 1,0 – 1,2: Xét đến mức độ gây tổn thất kinh tế nếu công trình bị phá hoại do mất ổn định làm gián đoạn giao thông. - K4 = 1,0 – 1,05: Xét đến mức độ phù hợp giữa sơ đồ tính toán với điều kiện địa chất thuỷ văn tại chỗ. - K5 = 1,0 – 1,05: Xét đến loại đất và vai trò của nó trong kết cấu nền đắp. - K6: Xét đến mức độ tin cậy của phương pháp tính toán ổn định (các giả thiết dùng trong tính toán). b. V hư ng há ki m toán n định Hầu hết tiêu chuẩn các nước đều sử dụng phương pháp mặt trượt tròn để kiểm toán ổn định (kể cả cho trường hợp nền mất ổn định dưới dạng sụt sâu). Sở dĩ như vậy là vì phương pháp này không bị ràng buộc bởi những giả thiết tuân thủ lý thuyết đàn hồi như trong các phương pháp tính ứng suất cắt xuất hiện trong đất mà dựa trên cơ sở lý thuyết cân bằng giới hạn. Trong khi so với các phương pháp cân bằng giới hạn khác thì nhiều nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình cũng đã chứng tỏ xét cân bằng giới hạn trên mặt trượt tròn cũng khá phù hợp với các mặt trượt thực xảy ra trong đất yếu, hơn nữa với mặt trượt tròn việc tính toán và lập phần mềm tính toán là thuận lợi hơn rất nhiều so với tính toán theo các dạng mặt trượt khác (như mặt trượt dạng xoắn ốc). Phương pháp mặt trượt tròn còn có ưu điểm là áp dụng được cho cả nền đắp và đất yếu không đồng nhất, tức là về nguyên tắc trên mỗi đoạn nhỏ mặt trượt giả thiết có thể tính với các đặc trưng chống cắt thay đổi, thậm chí còn có thể áp dụng C và khác nhau khi mặt trượt giả thiết chạy qua từng điểm có mức độ cố kết đạt được khác nhau, sau một thời gian duy trì tải trọng đắp (trường hợp áp dụng giải pháp đắp dần theo giai đoạn). Đây là một ưu điểm nổi bật vì nếu kiểm toán theo các công thức xác định tải trọng giới hạn pgh = f(c,u) khác thì thông thường phải xem nền đất yếu là đồng nhất. Ngoài ra các phương pháp tính tải trọng giới hạn cũng không xét được sự làm việc đồng thời giữa công tính đắp nhân tạo với nền đất yếu phía dưới (mặt trượt tròn đồng thời cắt qua phần nền đắp và phần đất yếu). Khi kiểm toán ổn định theo phương pháp mặt trượt tròn đương nhiên là có
- 45. các phần mềm đường phổ biến hiện nay. Tuy nhiên trước khi sử dụng bất kỳ phần mềm nào đều phải tìm hiểu kỹ cơ sở và các điều kiện ràng buộc của nó, chẳng hạn như: Phần mềm đó dùng phương pháp phân mảnh cổ điển hay Bishop, có xét đến lực đẩy nổi không, tính theo ứng suất tổng hay ứng suất hữu hiệu… Ngoài ra trong tính toán còn cần chú ý tra theo các chỉ dẫn sau: - Kiểm toán riêng cho từng phân đoạn tương ứng với các đặc trưng đất yếu của riêng đoạn đó, nếu tầng đất yếu gồm nhiều lớp khác nhau thì tương ứng với lớp nào phải dùng trị số tính toán của lớp đó với số liệu mẫu thử đảm bảo đủ độ tin cậy; - Khi kiểm toán ổn định phải kể đến phần tải trọng đắp bù lún S. Điều này có nghĩa là phải tính dự báo lún trước theo phương pháp thử dần (giả thiết Si, cộng Si với chiều cao đắp thiết kế Hđắp rồi tính lún với nền S = Si là được) Như vậy chiều cao đắp kiểm toán là Hđắp + S; - Khi kiểm toán phải xét đến tải trọng xe cộ chỉ trong trường hợp khai thác lâu dài, bằng cách xếp xe kín bề rộng nền đắp rồi quy đổi ra một chiều cao đắp tương đương còn các trường hợp kiểm toán trong quá trình thi công thì không cần xét đến tải trọng xe cộ (chú ý khi tính toán không xét đến tải trọng xe cộ vì độ lún cố kết chỉ xảy ra khi tải trọng tác dụng lâu dài); - Trường hợp vùng có địa chấn (động đất) thì chỉ xét đến lực động đất theo phương nằm ngang mà không cần xét đến lực động đất theo phương thẳng đứng. 2.1.2. Yêu cầu về độ lún cho phép và phương pháp dự báo lún Độ lún của công trình đắp trên đất yếu ở trong mọi tiêu chuẩn của các nước được thống nhất xác định xét đến 3 thành phần như biểu thị ở trên biểu thức (2.2): S = S c + Stức thời + Stừ biến (2.2) Trong đó: + Sc: Là độ lún cố kết do nước lỗ rỗng thoát ra trong quá trình chịu tải trọng đắp (Quá trình nước lỗ rỗng thoát ra hết được gọi là quá trình cố kết chủ yếu). + Stức thời : Là phần độ lún xảy ra lúc đất yếu mới chịu tải trọng đắp do đất yếu bị chuyển dịch ngang sang hai bên (biến dạng trong điều kiện thể tích không thay đổi). + Stừ biến: Là phần độ lún xảy ra trong quá trình cố kết thứ yếu. Tuy nhiên, để tiện tính toán dự báo độ lún tổng cộng S trong một số tiêu chuẩn sử dụng biểu thức: S = m. Sc (2.3) Với hệ số m là một hệ số kinh nghiệm để xét đến 2 thành phần độ lún Stứcthời và Stừbiến. Theo những nghiên cứu thực nghiệm thì m phụ thuộc loại đất yếu (đất càng yếu thì m càng lớn) chiều cao đắp, tốc độ đắp và cả giải pháp xử lý đất yếu. Nếu giải pháp xử lý có tác dụng hạn chế đất yếu bị đẩy trồi ngang thì m nhỏ và nếu dùng giải pháp
- 46. hoặc bấc thấm gây xáo động đất yếu càng nhiều thì m càng lớn thậm chí lúc đó m = 1,6 – 1,7. Yêu cầu về độ lún cho phép ở các tiêu chuẩn nhiều nước phương Tây thường không quy định cụ thể mà xem đó là điều chủ đầu tư và tư vấn thiết kế phải tự quyết định tuỳ theo yêu cầu khai thác sử dụng của công trình. Khi độ lún còn trong niên hạn sử dụng thiết kế của mặt đường (gọi tắt là độ lún sau thi công) không thoả mãn yêu cầu ở bảng 2.2 thì phải tiến hành thiết kế xử lý về lún. Bảng 2.2. Độ lún sau thi công cho phép Cấp hạng đường Vị trí đoạn nền đường Mố cầu Chỗ có cống hoặc hầm chui Các đoạn nền thông thường Đường cao tốc cấp I ≤ 10 cm ≤ 20 cm ≤ 30 cm Đường cấp II có mặt đường cấp cao ≤ 20 cm ≤ 30 cm ≤ 50 cm Độ lún thi công cho phép (cũng gọi là độ lún còn lại hoặc độ lún thặng dư) có liên quan đến khá nhiều vấn đề. Quyết định trị số độ lún cho phép này sẽ trực tiếp ảnh hưởng tới giá thành công trình và tính năng sử dụng của đường. Cách đối xử với vấn đề này ở trong và ngoài nước là không giống nhau, góc độ nhìn nhận vấn đề này cũng luôn thay đổi. Năm 1967 trong cuốn “Chỉ dẫn và phương châm thi công nền đất đường ôtô” của Nhật Bản quy định “Nếu sau khi kết thúc thi công đắp nền mà phải rải mặt đường cấp cao ngay thì độ lún còn lại giới hạn tại tim nền đắp là 10-30cm đối với đoạn đường thông thường và tại chỗ liền kề với cầu hoặc các công trình là 5- 10cm. Năm 1970 tài liệu “Yếu lĩnh thiết kế” về nền, mặt đường, thoát nước và cây xanh của Hiệp hội Đường bộ Nhật Bản định nghĩa: Độ lún còn lại của các đoạn đường thông thường là hiệu số giữa độ lún dự báo cuối cùng trừ đi độ lún lúc thi công xong mặt đường, nhưng nếu có thực hiện việc gia tải trước thì độ lún còn lại là độ lún sau khi dỡ tải. Các trị số độ võng còn lại này được chọn dùng theo các nguyên tắc sau: + Về mặt liên quan đến độ bằng phẳng của mặt đường sau khi thi công xong mặt đường thì trị số độ võng còn lại cho phép là 10cm. + Về mặt liên quan đến độ lún dự tính để lại khi thi công đào cống hộp thì trị số cho phép là 30 cm. Ở cuốn “Chỉ dẫn kỹ thuật xử lý nền đất yếu” của Hiệp hội Đường bộ Nhật Năm 1989 lại yêu cầu: Trong 3 năm sau khi rải mặt đường, độ lún cho phép tại tim nền đắp Tải bản FULL (97 trang): https://bit.ly/3AdT3Un Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net
- 47. theo tầm quan trọng của đường. Tại đoạn nền đắp liền kề với đầu cầu (đường dẫn lên đầu cầu) thì phải khống chế trong phạm vi 10 - 30cm. Gần đây nhất trong “Quy phạm thiết kế đường ô tô cấp cao” của Nhật Bản đã không xét đến độ lún còn lại sau khi thi công cho phép mà lại đặt trọng điểm vào việc tính toán ổn định nền đắp. Không yêu cầu xét đến độ lún còn lại vì 3 lý do sau: + Nếu sử dụng biện pháp thi công rẻ tiền thì chắc chắn là không có cách gì giảm bớt được độ lún kéo dài (ở đây là nói đến độ lún cố kết thứ cấp, tức độ lún từ biến). + Khi đắp nền đường, dù độ lún kéo dài rất lớn thì vẫn có thể khống chế trong giai đoạn duy tu quản lý. + Quan hệ thay đổi giữa độ lún và thời gian rất khó khống chế. Ở Việt Nam, tình hình thực tế xây dựng nền đắp trên đất yếu ngày càng cho thấy rõ mối liên hệ chặt giữa yêu cầu về độ lún cho phép còn lại với chi phí đầu tư và các quan điểm đối xử với vấn đề lún cũng diễn ra như tình hình ở Nhật và Trung Quốc vừa đề cập ở trên. Cụ thể là trong “quy trình khảo sát thiết kế nền đường ô tô đắp trên đất yếu 22 TCN 262-2000” chỉ quy định xét đến độ lún cho phép còn lại đối với đường cao tốc và đường ô tô cấp 60 trở lên có tầng mặt loại cấp cao A1 (bê tông nhựa hoặc Bê tông), còn đối với đường cấp thấp (tốc độ thiết kế 20, 40 km/h) chỉ sử dụng áo đường cấp cao A2 trở xuống (láng nhựa, thấm nhập và mặt cấp phối thiên nhiên, đá dăm nước…) thì không đề cập đến yêu cầu độ lún cố kết còn lại tức là cho phép lún không hạn chế, lún đến đâu bù đến đó. Tiếp đó trong năm 2006 sau nhiều cuộc hội thảo trong nước, Bộ GTVT đã ban hành tiêu chuẩn “thiết kế áo đường mềm, các yêu cầu và chỉ dẫn thiết kế – 22 TCN 211-06” trong đó quy định rõ thời gian tính toán độ lún còn lại chỉ là 15 năm kể từ khi xây dựng xong kết cấu áo đường cấp cao A1 đưa chúng vào khai thác trên các đường cao tốc và các đường có sử dụng áo đường cấp cao A1 khác. Tức là độ lún còn lại chỉ tính với thời hạn 15 năm chứ không phải tính với thời hạn lún cố kết xong (có thể kéo dài hàng trăm năm như trước nữa) vì một tuyến đường cấp cao sau 15 năm ít nhất phải trải qua 2 kỳ trung tu và đến 15 năm phải làm lại hoặc cải tạo nâng cấp. Với quy định này độ lún cho phép còn lại trong 15 năm là 10 - 30cm (tùy thuộc vị trí đoạn đường) thì trung bình mỗi năm chỉ phải bù lún 0.65 – 2 cm/năm và như vậy sẽ rất ít ảnh hưởng đến chất lượng khai thác sử dụng trong 15 năm đó. 2.1.3. Phương pháp dự báo tổng cộng Các tiêu chuẩn và tài liệu nước ngoài, hiện nay đều đưa ra hai phương pháp dự báo S: - Phương pháp tính riêng từng thành phần độ lún theo biểu thức (2.2). - Phương pháp dự báo theo biểu thức (2.3) với m là một hệ số kinh nghiệm, Tải bản FULL (97 trang): https://bit.ly/3AdT3Un Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net
- 48. xét đến thành phần độ lún tức thời và độ lún từ biến. a. V hư ng há tính riêng từng thành h n đ l n a.1. Theo hư ng há này, thành h n đ l n cố kết (cố kết chủ yếu) Sc c th được tính theo các cách sau: - Dùng đường cong nén lún e =f(p) tức là đường cong quan hệ giữa hệ số rỗng e và áp lực nén p có được khi thí nghiệm nén cố kết mẫu đất yếu nguyên dạng trong phòng thí nghiệm rồi dùng phương pháp “phân tầng lấy tổng” để tính Sc theo biểu thức (2.4). i n i i i i c h e e e S . 1 1 1 2 1 (2.4) Trong đó: ▪ e1i và e2i: là hệ số rỗng của lớp đất yếu i tương ứng với áp lực lớp đất yếu thứ i phải chịu lúc đầu p1i (do trọng lượng bản thân của các lớp đất yếu phía trên i gây ra) và sau khi chịu thêm tải trọng nền đắp trên đất yếu p2i (p2i = p1i + szi với szi là áp lực do tải trọng đắp gây ra ở lớp i); ▪hi: là bề dày lớp đất yếu i; khi phân tầng tính toán nên chia vùng đất yếu thành các lớp hi=0.5-1.0m để tính toán; ▪ n: là số lớp đất yếu trong phạm vi vùng gây lún cố kết. - Dùng cách tính trị số theo trị số mô đun ép lún có nở hông Ei của mỗi lớp đất yếu i để tính Sc theo (2.5): i n i i zi c h E S . 1 (2.5) Trong đó: ▪ zi là áp lực (ứng suất nén) thẳng đứng do tải trọng nền đắp gây ra ở lớp đất yếu thứ i; ▪ hi: có ý nghĩa như ở (2.4). - Ở các nước Tây Âu và Bắc Mỹ lại thường dùng cách tính theo đường cong nén lún e = f (logp) có xét đến lịch sử chịu tải của nền đất yếu thông qua trị số áp lực tiền cố kết sp xác định được trên đường e = f(logp) đó (đây là cách được sử dụng trong quy trình 22TCN 262 - 2000 của nước ta hiện nay). Theo cách này độ lún cố kết được tính theo biểu thức (2.6): pi vi zi ci vi pi ri n i i i c c c e h S log . log . 1 1 1 (2.6) Trong đó: ▪ hi, e1i, và szi có ý nghĩa như ở (2.4) và (2.5); 7740283
|
