Đặt vấn đề
Nền móng của các công trình xây dựng trên đất yếu như nhà ở, đường sá và đê điều thường gặp phải vấn đề về sức chịu tải thấp, độ lún lớn và sự mất ổn định Tỉnh Kiên Giang nổi bật với nhiều vùng đất yếu, đặc biệt là đất than bùn và bùn sét, hình thành từ các kênh rạch Điều này yêu cầu phát triển các công nghệ tiên tiến để xử lý nền đất yếu Đề tài "Nghiên cứu giải pháp gia cố nền đất yếu tại khu lấn biển Kiên Giang bằng phương pháp ổn định toàn khối" sẽ phân tích các vấn đề do nền đất yếu gây ra và các công nghệ xử lý, đồng thời đề xuất giải pháp ổn định toàn khối cho nền đất yếu.
Phương pháp ổn định toàn khối là kỹ thuật kết hợp chất liên kết với đất yếu để cải thiện đặc tính cơ lý của nó, biến đổi các lớp đất này thành lớp đất tốt đồng nhất đến độ sâu thiết kế Phương pháp này giúp hạn chế độ lún của kết cấu trong quá trình xây dựng và khai thác, nâng cao tính ổn định của công trình và giảm thiểu nguy cơ sụp đổ.
Phương pháp được trình bày trong hình 1.1 bao gồm thiết bị trộn kết hợp với máy đào, cho phép xử lý hiệu quả đến độ sâu từ 7m đến 8m.
Chất liên kết được đưa vào đất bằng hệ thống máy bơm áp lực và vòi phun ở đầu thiết bị trộn Trống quay giúp trộn đều chất liên kết với đất, đảm bảo sự đồng nhất trong quá trình thi công.
Quá trình trộn được thực hiện theo sơ đồ di chuyển trống quay từ trên xuống dưới, từ sau ra trước theo hướng di chuyển của máy thi công
Công suất của máy trộn ảnh hưởng lớn đến tiến độ gia cố nền bằng biện pháp toàn khối Các khu vực lớn thường được chia nhỏ từ 3m2 đến 5m2 để xử lý riêng biệt, đảm bảo hiệu quả cao hơn Sau khi xử lý, mỗi khối nền sẽ có cường độ và độ ổn định cao, cho phép máy thi công di chuyển an toàn Trong quá trình gia cố, có thể kết hợp với công tác đắp gia tải, đặc biệt tại các khu vực có than bùn và chất hữu cơ Hỗn hợp đất gia cố thường đạt cường độ yêu cầu sau một khoảng thời gian nhất định.
Để nâng cao hiệu quả trong công tác thi công nạo vét đất yếu, phương pháp ổn định toàn khối có thể được áp dụng trong khoảng thời gian từ 1 đến 3 tháng nhằm xử lý sơ bộ khối đất cần đào bỏ.
Phương pháp này được áp dụng để cô đặc và chuyển đổi các chất ô nhiễm thành dạng khối ít hòa tan, đặc biệt hiệu quả trong xử lý đất và trầm tích ô nhiễm Ở những khu vực khan hiếm vật liệu đắp, công nghệ gia cố toàn khối cho phép xử lý đất yếu và tái sử dụng ngay tại công trường, giúp cải thiện lớp nền, làm vật liệu san lấp, hoặc thậm chí là vật liệu xây dựng chất lượng cao.
Hình 1 1: Nguyên tắc của phương pháp gia cố toàn khối và thiết bị
Các chất liên kết phổ biến thường được sử dụng là xi măng và vôi, hoặc một sự kết hợp của cả hai Bên cạnh đó, có thể thêm vào một số loại chất khác như bột xỉ lò, tro bay và thạch để cải thiện tính chất của hỗn hợp.
Việc lựa chọn loại chất liên kết hoặc hỗn hợp chất liên kết phải dựa trên tính chất cơ lý của đất Để tối ưu hóa khối lượng chất liên kết, cần thực hiện các thí nghiệm cả trong phòng thí nghiệm và hiện trường.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Từ năm 2004, nhiều công nghệ xử lý nền đất yếu đã được áp dụng tại Việt Nam, đáp ứng nhu cầu nghiên cứu và phát triển ngày càng tăng Thách thức lớn nhất là điều kiện đất nền phức tạp và hạn chế về máy móc thiết bị Trong tương lai, công nghệ xử lý nền đất sẽ tiếp tục phát triển để phục vụ xây dựng đường, cảng biển, lấn biển và các công trình hạ tầng khác Hiện nay, nhiều công trình xây dựng trên đất yếu gặp hư hỏng do lựa chọn sai giải pháp xử lý nền đất và thiết kế móng từ các nhà thiết kế.
Trước đây, việc xử lý nền đất yếu ở Việt Nam chủ yếu dựa vào cừ tre và cừ tràm, giải pháp này kinh tế cho công trình có tải trọng nhỏ Tuy nhiên, chiều dài cọc hạn chế đã ảnh hưởng đến khả năng áp dụng thực tế Do đó, cần đánh giá sức chịu tải và độ lún của nền gia cố bằng cọc ngắn, và các giải pháp này chỉ phù hợp với công trình nhà ở độc lập, dựa vào điều kiện thực tế của từng địa phương và được các nhà khoa học tin tưởng áp dụng hiệu quả.
Phương pháp gia tải trước là giải pháp kinh tế hiệu quả để xử lý nền đất yếu, có thể thành công mà không cần giếng thoát nước thẳng đứng nếu điều kiện cho phép Tải trọng gia tải trước có thể bằng hoặc lớn hơn tải trọng công trình tương lai Trong quá trình gia tải, độ lún và áp lực nước được theo dõi chặt chẽ, và lớp đất đắp sẽ được dỡ bỏ khi độ lún hoàn tất Phương pháp này đã được áp dụng thành công cho nhiều công trình như Rạp xiếc Trung ương, Viện nhi Thụy Điển và Trường Đại học Hàng Hải.
Gia tải trước là một công nghệ đơn giản nhưng cần thiết phải khảo sát đất nền một cách chi tiết Việc xác định các lớp đất mỏng, xen kẹp thường gặp khó khăn với các phương pháp thông thường Do đó, nên sử dụng thiết bị xuyên tĩnh để đo áp lực nước lỗ rỗng và khoan lấy mẫu liên tục Trong một số trường hợp, thời gian gia tải ngắn và thiếu sự quan trắc, đánh giá đầy đủ có thể dẫn đến tình trạng đất nền tiếp tục bị lún và công trình bị hư hỏng sau khi xây dựng.
Cọc đất – vôi - đất xi măng nên được dùng rộng rãi để gia cố sâu đất nền Đây là giải pháp hữu ích, nhằm tăng cường độ của nền
Cọc cát giúp tăng cường sức chịu tải và rút ngắn thời gian cố kết của đất nền Thiết bị thi công hiện nay cho phép tạo ra cọc có đường kính từ 40-70cm và chiều dài lên đến 25m Đây là giải pháp công nghệ hiệu quả, kinh tế và phù hợp cho việc xử lý sâu Việc đầm chặt cọc cát tại vị trí mũi cọc cũng góp phần nâng cao hiệu quả gia cố.
Cố kết động là một phương pháp tiết kiệm chi phí để xử lý nền đất, cho phép thi công trên diện tích lớn trong thời gian ngắn Để đảm bảo hiệu quả của giải pháp này, cần thực hiện kiểm tra bằng các thiết bị khảo sát Công nghệ này rất phù hợp cho việc gia cố các lớp đất đắp chưa đạt yêu cầu về độ chặt.
Ngoài ra còn những phương pháp nhân tạo cũng được nghiên cứu áp dụng như trong Bảng 1.1 dưới đây
Bảng 1 1: Những phương pháp xử lý nền nhân tạo
Các phương pháp xử lý nền nhân tạo
Dạng nền và khả năng xây dựng chúng phụ thuộc vào điều kiện địa chất công trình Việc thay thế nền mới có thể thực hiện bằng cách sử dụng đệm cát hoặc đất, hoặc đắp nền bằng đá hoặc cát sỏi Đối với các loại đất yếu như than bùn, bùn, và đất đắp xốp yếu, có thể gặp tình trạng lún nhiều, đặc biệt khi tầng bùn nằm dưới nước.
5 Đầm chặt đất Đầm chặt trên mặt đất:
- đầm bàng các khối nặng
- đầm rung Làm chặt dưới sâu:
- Nén chặt bằng rung cơ học hay phương pháp thủy lực
- làm chặt bằng phương pháp nổ
Các loại đất lỗ rỗng lớn, cát tơi xốp, đất dính chưa nén chặt
Cát rời xốp Các loại đất lỗ rỗng lớn Đất yếu thấm nước (bùn, á sét, á cát nhão yếu) Đất cát rời xốp Đất loại cát rời xốp
Cát xốp, các loại đất có lỗ rỗng lớn
Phương pháp điện Điện hóa Điện thấm Dùng tia lửa điện Đất sét yếu, hệ số thấm k σipz của lớp đất thứ i cũng cần được xem xét.
Chỉ số nén lún C i r là một chỉ số quan trọng trong việc đánh giá đường cong nén lún, đặc biệt trong phạm vi σi thì áp dụng công thức (2.5) với cả hai số hạng
+ Nếu + < thì áp dụng công thức sau:
Trên cơ sở độ lún cố kết tính được ta có thể tính ra độ lún tức thời và độ lún tổng cộng theo (2.3) và (2.4) i e o i
Để tính toán độ lún tổng cộng của nền đắp trên đất yếu, cần xác định độ lún cố kết Sc theo các công thức đã nêu, từ đó xác định các thông số và trị số tính toán liên quan đến tải trọng đắp Tải trọng này không chỉ bao gồm phần đắp mà còn cả độ lún vào trong đất yếu S Do chưa biết giá trị của S ngay từ đầu, quá trình tính lún sẽ diễn ra theo phương pháp lặp thử dần.
Độ lún tổng cộng (Sgt) thường được giả thiết là từ 5-10% bề dày của đất yếu hoặc chiều sâu của vùng đất yếu chịu lún Đối với các khu vực có than bùn, độ lún có thể cao hơn, với Sgt có thể đạt từ 20-30% bề dày đất yếu.
Để tính toán phân bố ứng suất theo đồ thị Osterberg, cần xác định chiều cao nền đắp thiết kế với dự phòng lún, được tính bằng công thức H’tk = Htk + Sgt Trong đó, Htk là chiều cao nền đắp thiết kế, được đo từ mặt đất thiên nhiên trước khi đắp đến mép vai đường trong trường hợp đắp trực tiếp, hoặc từ cao độ mặt đất yếu sau khi đã đào bớt đất yếu.
+ Với tải trọng đắp H’tk tính toán độ lún cố kết Sc theo các công thức nói trên tùy từng trường hợp
Nếu giá trị Sc tính được thỏa mãn điều kiện Sc = S/m, thì kết quả sẽ được chấp nhận và đồng thời xác định Sc = S = Sgt Ngược lại, nếu không thỏa mãn điều kiện này, cần phải giả thiết lại giá trị S và lặp lại quá trình tính toán.
* Chiều cao đắp thiết kế có dự phòng lún: H’tk
Cao độ nền đắp trên đất yếu cần được thiết kế với một trị số S bổ sung để phòng ngừa lún Đồng thời, bề rộng của nền đắp tại cao độ tương ứng với chiều cao H’tk phải đảm bảo bằng bề rộng của nền đường.
* Những chú ý khi dự tính lún
Để đánh giá ảnh hưởng của thời gian thi công đắp kéo dài đối với diễn biến lún của nền đắp yếu, có thể áp dụng phương pháp suy diễn đơn giản với giả thiết tải trọng đắp tăng dần theo thời gian.
Hình 2 2 : Diễn biến lún theo thời gian có xét đến thời gian thi công
Cơ sở lý thuyết của phương pháp xử lý nền đất yếu bằng phương pháp ổn định toàn khối
2.4.1 Các kỹ thuật gia cố
Kỹ thuật gia cố toàn khối có thể được chia thành hai nhóm như sau:
1 Gia cố tại chỗ, “in situ”
2 Gia cố đất đào/trầm tích ngoài công trường “ex situ”, có thể gọi là gia cố tại trạm Các hình vẽ từ 2.3 đến 3.6 trình bày một số ứng dụng của biện pháp gia cố toàn khối với phương pháp gia cố tại chỗ và gia cố tại trạm
Gia cố toàn khối giúp tăng cường độ cho nền đất dưới công trình như đường và sân bãi, nhằm hạn chế độ lún và nâng cao ổn định Việc xử lý đất yếu xung quanh các đường ống, đặc biệt là đường ống dẫn chất lỏng lớn và hạ ngầm, gặp nhiều khó khăn khi xây dựng và khai thác Khi đào mương đặt ống, cần chi phí để giữ vách và xử lý đất đào ra Đường ống có nguy cơ bị lún, lún lệch, gây đứt gẫy và biến dạng ngay cả khi gối đỡ đã được xây dựng kiên cố Tuy nhiên, các vấn đề này có thể được khắc phục hiệu quả bằng cách áp dụng biện pháp gia cố để xử lý đất tại khu vực đặt ống trước khi thi công.
Khi thi công nền đào trong khu vực đất yếu, cần chú ý đến việc xử lý đất thừa có chất lượng thấp nhằm tránh nguy cơ sạt lở ảnh hưởng đến các công trình xung quanh Việc vận chuyển đất đào ra gặp nhiều khó khăn và không thể tái sử dụng Do đó, áp dụng biện pháp gia cố toàn khối trước khi thi công sẽ giúp khắc phục những hạn chế này.
Để xử lý đất đào yếu và kém chất lượng, thay vì loại bỏ, đất vẫn có thể được sử dụng để đắp nền Sau khi chuyển đất vào vị trí đắp, cần thực hiện gia cố toàn khối để đảm bảo tính ổn định Nếu lớp đắp mỏng và lớp đất tự nhiên bên dưới cũng yếu, việc gia cố càng trở nên quan trọng.
37 thuộc loại sét hoặc than bùn thì có thể kết hợp xử lý luôn lớp đất tự nhiên này (hình 2.4a)
Để xử lý bùn và đất yếu từ sông, hồ phục vụ cho việc xây dựng các công trình ven bờ như bãi công ten nơ và bến cảng, cần áp dụng biện pháp gia cố toàn khối Cụ thể, khu vực cần đắp sẽ được xây dựng hệ thống đê bao bằng đất, bao gồm cả đất yếu đã được xử lý Bùn và đất yếu sẽ được đào, hút lên và bơm vào khu vực giữa các đê bao, sau đó được gia cố toàn khối Kết quả cuối cùng sẽ là nền đồng nhất, bao gồm cả khu vực đê, đạt chất lượng tốt.
Đất yếu sau khi được đào lên sẽ được xử lý gia cố toàn khối tại khu vực tập kết, và sau quá trình gia cố, đất này sẽ được tái sử dụng làm vật liệu đắp với chất lượng tốt.
Lớp đất gia cố toàn khối không chỉ có khả năng hoạt động như lớp cách nước mà còn có thể được ứng dụng làm tường chống ồn hoặc đê ngăn lũ khi được thiết kế với hình dạng và vị trí phù hợp.
4) Lượng đất nạo vét có thể được gia cố toàn khối trong một xà lan và sử dụng sau, như đất san lấp được xử lý trên biển hay trên đất liền (Hình 2.6)
2.4.2 Ảnh hưởng của gia cố toàn khối đối với các đặc tính của đất
2.4.2.1 Ảnh hưởng tới các chỉ tiêu cơ lý của đất
Gia cố toàn khối làm biến đổi rõ rệt các chỉ tiêu cơ lý của đất, bao gồm độ ẩm, độ dẻo, dung trọng, khả năng chịu cắt, chịu nén và tính thấm nước Hình 2.7 minh họa các ảnh hưởng này đối với sức kháng cắt và biến dạng của đất.
2.4.2.2 Ảnh hưởng tới môi trường trong đất
Gia cố toàn khối là phương pháp hiệu quả để xử lý các khu vực đất ô nhiễm Qua quá trình xử lý, chất liên kết giúp chuyển đổi các chất độc hại trong đất thành dạng ít hòa tan, cho phép chúng ta tận dụng hoặc loại bỏ khối đất ô nhiễm một cách an toàn.
Có thể áp dụng biện pháp gia cố toàn khối để xây dựng tường ngăn trong đất, giúp cô lập các chất độc hại mà không cần thi công đào mở, từ đó giảm xáo trộn đất và ngăn chặn sự lây lan của chúng vào môi trường Ngoài ra, một số chất liên kết có khả năng thay đổi thuộc tính của các chất độc hại trong đất theo hướng tích cực.
Gia cố toàn khối tại chỗ giúp cải thiện lớp nền và vật liệu xây dựng, bao gồm việc nâng cao chất lượng lớp nền đất của nền đường đắp, cải thiện đất xung quanh đường ống, và tận dụng khối đất sét yếu đã được xử lý trước đó.
Gia cố toàn khối tại trạm là quá trình cải thiện độ ổn định của khối đất trong một khu vực nhất định Đất yếu thừa từ khối đất cần thay thế sẽ được xử lý gia cố và tận dụng để đắp, trong khi đó, nạo vét bùn được thực hiện trong một lưu vực hạn chế nhằm đảm bảo hiệu quả và an toàn cho công trình.
Gia cố toàn khối tại trạm sử dụng vật liệu đất đã được xử lý ổn định trong một lưu vực và tận dụng cho nhiều mục đích khác nhau Các ứng dụng bao gồm: a) Đắp nền đường; b) Lớp chống nước, như đỉnh của lớp đá dăm hoặc lớp đá nghiền và lớp đất ở dưới; c) Tường cách âm.
Hình 2 6 Gia cố toàn khối tại trạm: nguyên liệu đất xử lý gia cố toàn khối trong một xà lan, sau đó được sử dụng ở một nơi khác
Hình 2 7: Ảnh hưởng của các biện pháp gia cố tới khả năng chống cắt của đất sét khi được xử lý gia cố (Sổ tay ổn định toàn khối)
2.4.3 Giải pháp thiết kế gia cố toàn khối
2.4.3.1 Khảo sát số liệu đầu vào
Lượng số liệu đầu vào cho thiết kế gia cố toàn khối thay đổi tùy thuộc vào từng mục tiêu cụ thể Nếu ranh giới giữa các lớp đất cần gia cố và lớp còn lại được xác định rõ ràng, số liệu điều tra đất sẽ ít hơn Ngược lại, nếu điều kiện nền đất không rõ ràng, sẽ cần nhiều thông tin ban đầu hơn để đảm bảo tính khả thi về kinh tế và kỹ thuật Trước khi bắt đầu thiết kế gia cố, cần thu thập các số liệu liên quan đến mục tiêu dự án.
- Ranh giới giữa các lớp đất
Gia cố toàn khối Gia cố cọc
- Các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất (tỷ lệ cỡ hạt, độ ẩm và hàm lượng chất hữu cơ)
- Các điều tra đặc biệt về các lớp đất (ví dụ độ pH, hàm lượng SO 4 và/hoặc Cl, độ ô nhiễm )
- Đặc tính về cường độ của các lớp đất
- Đặc tính biến dạng của các lớp đất
- Các công trình, kết cấu hiện trạng
