Nghiên cứu ứng dụng phương pháp có hút chân không xử lý nền đất yếu phục vụ xây dựng công trình thuỷ lợi vùng ven biển

1
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUÁT 6
1.1. Thông tin chung về đề tài 6
1.2. Các sản phẩm chính của đề tài 7
1.3. Công tác tổ chức và triển khai thực hiện đề tài 8
1.3.1. Tình hình triển khai thực hiện. 8
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN
ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÚT CHÂN KHÔNG 10
2.1. Nền đất yếu: 10

2.2. Các công trình xây dựng trên nền đất yếu 11
2.3. Các phương pháp xử lý nền đất để xây dựng công trình 13
2.4. Công nghệ bơm hút chân không xử lý nền đất yếu 16
2.4.1. Lược sử phát triển 16
2.4.2. Giới thiệu nguyên lý một số phương pháp thi công HCK 18
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN XỬ LÝ NỀN ĐẤT
YẾU BẰNG HCK 23
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN X
Ử LÝ NỀN ĐẤT
YẾU BẰNG HCK 23
3.1. Bài toán cố kết thấm 23
3.1.1. Giới thiệu chung 23
3.1.2. Phương trình vi phân cơ bản 25
3.2. Các phương pháp giải bài toán cố kết thấm 26
3.2.1. Phương pháp cố kết lún nén tương đương 26
3.2.2. Phương pháp Barron – Terzaghi 29
3.2.3. Lời giải áp dụng trực tiếp cho HCK 33
3.3. Tính toán thiế
t kế xử lý nền bằng hút chân không 34
3.3.1. Một số tính toán thiết kế ban đầu 34

3.3.2. Tính toán dự báo lún 40
3.3.3. Các phần mềm tính toán. 43
3.4. Thiết kế tổ chức thi công 46
3.4.1.Lập sơ đồ nhân sự 46
3.4.2.Lập lịch trình công tác 48
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
BẰNG PHƯƠ
NG PHÁP HCK 50
4.1. Nghiên cứu thí nghiệm trong phòng. 50
4.1.1. Mục đích nghiên cứu. 50
4.1.2. Mô tả thí nghiệm 50
2
4.1.3. Kết quả thí nghiệm và phân tích 58
4.2. Nghiên cứu thí nghiệm hiện trường. 67
4.2.1. Mục đích nghiên cứu: 67
4.2.2. Lựa chọn địa điểm và khảo sát địa chất khu vực thí nghiệm. 68
4.2.3. Quy hoạch các seri thí nghiệm. 70
4.2.4. Thiết bị và vật liệu sử dụng cho thí nghiệm. 70
4.2.5. Quá trình thí nghiệm 72
4.2.6. Các kết quả thí nghiệm. 72

4.3. Nghiên cứu trên công trình thực tế. 88
4.3.1. Đặt vấn đề: 88
4.3.2. Mô tả bố trí thí nghiệm: 89
4.3.3. Phân tích kết quả đo đạc ban đầu: 94
4.3.4. Một số kết luận: 98
CHƯƠNG 5. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG
BƠM HÚT CHÂN KHÔNG 99
5.1. Các loại máy móc, thiết bị thi công 99

5.1.1. Máy cắm bấc thấm 99
5.1.2. Máy bơm hút chân không 107
5.2. Trình tự thao tác xử lý 109
5.2.1. Khảo sát địa chất 110
5.2.2. Chuẩn bị mặt bằng 110
5.2.3. Cắm bấc và lắp đặt hệ thống 111
5.2.4. Vận hành và quan trắc 114
5.2.5. Tái chuẩn bị mặt bằng 115
5.3. Công tác và thiết bị quan trắ
c trong và sau khi xử lý 115
5.3.1. Quan trắc chuyển vị 116
5.3.2. Quan trắc áp lực nước lỗ rỗng 119
5.4. Thí nghiệm hiện trường đánh giá chất lượng đất nền sau khi xử lý 121
5.4.1. Thí nghiệm cắt cánh - Vane Shear (Theo BS 1377- Phần 9 - 1990) 121
5.4.2. Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn –SPT (Theo TCXD 226:1999) 122
5.4.3. Thí nghiệm xuyên tĩnh – CPT (Theo TCXD 174 :1989)) 124
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 129
6.1. Các kết quả đạt được của đề tài 129

6.2. Một số kiến nghị 133
PHỤ LỤC 134
TÀI LIỆU THAM KHẢO 144
3
CHÚ THÍCH CÁC KÝ HIỆU
a – hệ số nén lún của đất ;
diện tích xử lý trung bình cho 1 nhân công.
A – diện tích xử lý.
A
1
– diện tích một lần xử lý.

B – độ sệt.
c – lực dính đơn vị.
c
c
– chỉ số nén lún.
c
r
– chỉ số nén lún phục hồi; hệ số cố kết phương bán kính.
c
v
– hệ số cột kết phương thẳng đứng.
c
α
– chỉ số nén lún thứ cấp.
d
c
– đường kính ảnh hưởng của cọc thấm.
d
w
– đường kính cọc thấm.
e – hệ số rỗng.
E – chỉ số sắp xếp thời gian.
F
c
– hệ số biến dạng bấc.
F
fc
– hệ số bấc.
F
n

– hệ số khoảng cách bấc
F
s
– hệ số vùng miết.
F
t
– hệ số thời gian.
F
w
– hệ số kháng giếng.
g - gia tốc trọng trường.
G – độ bão hòa của đất.
H
i
– chiều dày lớp đất thứ i.
H
s
– chiều dày lớp gia tải khí.
K
air
– hệ số thấm khí của lớp gia tải.
K
c
– hệ số thấm.
K
r
– hệ số thấm phương ngang.
K
s
- hệ số thấm ngang vùng miết.

4
K
soil
– hệ số thấm của đất.
K
v
– hệ số thấm phương đứng.
l – chiều sâu cắm bấc;
chiều dài thoát nước thấm lớn nhất của bấc.
N – hệ số xuyên tiêu chuẩn;
số lượng nhân công.
p
vac
– áp suất chân không tương đối.
q
req
, q
w
– lưu lượng yêu cầu cho bấc thấm.
Q
a
– lưu lượng bơm hút chân không.
R
ah
– bán kính ảnh hưởng.
S – hệ số vùng miết.
S
c
, S
t

– độ lún.
S
u
– sức kháng cắt không thoát nước.
t – thời gian.
t
pre
– thời gian làm công việc bơm hút.
t
pump
– thời gian bơm hút.
T
r
, T
v
– nhân tố thời gian.
u - áp lực nước lỗ rỗng dư.
u
r
– độ cố kết theo phương bán kính.
u
v
– độ cố kết theo phương đứng.
u
10
– 10% giá trị độ cố kết tính toán.
γ
– tham số vùng miết khi gia tải trước.
γ
w

– trọng lượng riêng của nước.
ε
f
– độ lún cuối.
ε
0
– độ rỗng ban đầu của đất.
µ – hệ số nở hông.
σ – ứng suất.
ξ – tham số vùng miết.
5


NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT

DC – đầm chậm.
HCK – hút chân không.
MVC – phương pháp cố kết chân không Menard
(sử dụng màng kín khí).
PVD – bấc thấm thẳng đứng.
RDC – đầm nhanh.




6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUÁT
1.1. Thông tin chung về đề tài.
1. Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng phương pháp cố kế hút chân không xử lý nền
đất yếu phục vụ xây dựng công trình thủy lợi vùng ven biển.

2. Câp quản lý: Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn.
3. Cơ quan chủ trì đề tài: Trường Đại học Thủy Lợi.
4. Chủ nhiệm đề tài: GS.TS. Nguyễn Chiến
Giảng viên trường Đại học Thủy Lợi.
5. Nhữ
ng người tham gia thực hiện đề tài:
- GS.TS. Nguyễn Chiến, chủ nhiệm đề tài.
- PGS.TS. Nguyễn Cảnh Thái: phó chủ nhiệm, nghiên cứu bài toán cố kết
thấm.
- PGS.TS. Trịnh Minh Thụ - nghiên cứu phương pháp tính toán xử lý nền
đất yếu bằng HCK.
- PGS.TS. Nguyễn Quang Hùng – nghiên cứu bài toán cố kết thấm.
- TS. Nguyễn Thế Điện – nghiên cứu tổng quan phương pháp xử lý nên đất
yếu bằng HCK.
- ThS. Nguyễn Đình Khiêm – nghiên cứu thực nghi
ệm về xử lý nền đất yếu
bằng HCK.
- ThS. Hoàng Việt Hùng – nghiên cứu thực nghiệm về xử lý nền đất yếu
bằng HCK.
- ThS. Tô Hữu Đức – Quy trình công nghệ xử lý nền đất yếu bằng HCK.
- ThS. Phạm Huy Dũng – công tác thí nghiệm đánh giá chất lượng nền sau
xử lý.
- ThS. Nguyễn Hoàng Long – Nghiên cứu thí nghiệm hiện trường.
- TS Đào Tuấn Anh – Nghiên cứu thí nghiệm hiện trường
- ThS. Phạm Quang Đ
ông – Nghiên cứu thí nghiệm trong phòng và hiện
trường.
6. Mục tiêu của đề tài:
a) Mục tiêu tổng quát:
Làm chủ được công nghệ xử lý nền đất yếu bằng cố kết HCK phục vụ xây

dựng công trình thủy lợi vùng ven biển có giá thành hợp lý.
b) Mục tiêu cụ thể:
7
- Xây dựng phương pháp thiết kế và quy trình công nghệ xử lý nền đất yếu
bằng cố kế HCK (trình tự, thiết bị, các thông số kỹ thuật trong xử lý nền bằng cố
kết HCK).
- Xác định phạm vi ứng dụng của phương pháp (theo loại và đặc điểm phân
bố của đất nền, tính chất của tải trọng, yêu cầu thi công …).
- Xây dựng chỉ tiêu và quy trình đánh giá chất lượng xử
lý nền đất yếu ven
biển của công trình thủy lợi bằng phương pháp cố kết HCK.
7. Phương pháp nghiên cứu:
- Tổng hợp các tài liệu nghiên cứu đã có ở trong và ngoài nước, kế thừa
kiến thức và kinh nghiệm, xác định nội dung nghiên cứu mới phù hợp với mục
tiêu đề tài.
- Nghiên cứu lý thuyết bài toán cố kết ứng dụng vào sơ đồ hút chân không,
sử dụng các mô hình toán và phần mềm máy tính để tìm lờ
i giải về xác định các
đặc trưng bố trí HCK.
- Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng và hiện trường để chính xác hóa các
kết quả tính toán và thực hành triển khai công nghệ HCK.
- Thu thập và phân tích số liệu về các công trình đã ứng dụng công nghệ
HCK ở trong nước để đối chiếu và khái quát hóa phạm vi áp dụng.
1.2. Các sản phẩm chính của đề tài.
1. Báo cáo tổng kết đề tài “Nghiên cứu ứng dụng phương pháp cố kết hút chân
không xử lý nề
n đất yếu phục vụ xây dựng công trình thủy lợi vùng ven biển”.
2. Báo cáo tóm tắt kết quả đề tài.
3. Báo cáo: Hướng dẫn thiết kế xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết hút
chân không .

4. Báo cáo: Quy trình công nghệ xử lý nền đất yếu bằng bơm hút chân không.
5.Số liệu tham khảo trong thiết kế xử lý nền bằng cố kết chân không.
6. Báo cáo phân tích lựa chọn phương pháp dự báo lún trong xử lý nền b
ằng cố
kết chân không.
7. Các bài báo đã công bố:
- Kết quả bước đầu về nghiên cứu bố trí hợp lý bấc thấm khi xử lý nền đất
yếu bằng phương pháp cố kết chân không – Tạp chí KHKT Thủy lợi và Môi
trường số 24 (tháng 3-2009).
8
- Một số kết quả nghiên cứu thí nghiệm hiện trường về phương pháp cố kết
hút chân không xử lý nền đường cao tốc Long Thành – Dầu Giếng – Tạp chí
KHKT Thủy lợi và Môi trường số 24 (tháng 3-2011).
8. Sách chuyên khảo:
Phương pháp cố kết hút chân không xử lý nền đất yếu trong xây dựng công
trình – NXB Xây dựng, Hà Nội, 2011.
9. Kết quả đào tạo:
a.Đào tạo thạc sĩ:
3 luận văn thạc sĩ
về các vấn đề thuộc đề tài đã bảo vệ thành công:
-Nghiên cứu xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết chân không; HV:
Trần Đình Phong, bảo vệ năm 2009;
-Nghiên cứu phương pháp cố kết chân không để xử lý nền đất yếu khi đắp
đê ven biển; HV: Phạm Quang Đông, bảo vệ năm 2009;
-Nghiên cứu xác định các đặc trưng của nền đất được xử lý b
ằng phương
pháp cố kết chân không; HV: Nguyễn Thanh Vân, bảo vệ năm 2010.
b.Đào tạo tiến sĩ:
1 NCS đang làm luận án tiến sĩ với đề tài “Nghiên cứu phương pháp cố kết
hút chân không xử lý nền đê ven biển” (NCS: Phạm Quang Đông).

1.3. Công tác tổ chức và triển khai thực hiện đề tài.
1.3.1. Tình hình triển khai thực hiện.
- Bắt đầu thực hiện: năm 2008.
- Trường Đại học Thủy l
ợi ra quyết định thành lập Ban chủ nhiệm đề tài
gồm 7 người.
Việc triển khai đề tài thực hiện theo kế hoạch tiến độ đã được duyệt, cụ thể
như sau:
- Năm 2008: Nghiên cứu tổng quan, thu thập và dịch thuật tài liệu; nghiên
cứu phương pháp giải bài toán cố kết nền đất yếu, vận dụng cho trường hợp gia
tải bằng hút chân không; nghiên cứu thí nghiệm mô hình tạ
i phòng thí nghiệm địa
kỹ thuật – trường Đại học Thủy Lợi để xác định các thống số bơm hút CK.
- Năm 2009: Nghiên cứu thí nghiệm hiện trường tại khu vực ven biển
huyện Tiên Lãng, thành phố Hải Phòng – Tiến hành khảo sát địa chất hiên trường,
tính toán thiết kế các seri thí nghiệm, tiến hành thí nghiệm bơm hút chân không và
đo đạc các thông số, kiểm tra chất lượng đất nền đã xử lý. Tiến hành hội th
ảo báo
cáo kết quả ban đầu.
9
- Năm 2010: tiếp tục công tác nghiên cứu thí nghiệm hiện trường, kết hợp
thu thập tài liệu thực tế về bơm hút chân không ở các công trình khác( cảng Đình
Vũ, đường cao tốc Long Thành – Dầu Giây). Tiến hành xây dựng bản thảo hướng
dẫn thiết kế xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết hút chân không. Thực
hiện chuyến tham quan học tập ở nước ngoài (Singapore). Các công việc đã tiến
hành trong đợt công tác:
+Trao đổi kinh nghiệm nghiên cứu và thông tin khoa học kỹ thuật về công
nghệ HCK xử lý nền đất yếu với khoa Kỹ thuật dân dụng và Môi trường, trường
đại học Công nghệ Nanyang, Singapore.
+Tham gia hội thảo quốc tế về xử lý nền trong phát triển cơ sở hạ tầng, với

báo cáo của các nhóm nghiên cứu từ Singapore, Trung Quốc, Pháp, Úc…
+Tham quan tìm hiểu các máy móc, thiết bị đo đạc trong phòng và ngoài
trời tại hãng cung cấp thi
ết bị quan trắc Tritech.
+Tham quan một số công trình thực tế tại Singapore.
Tồn tại: nội dung 6 của đề tài về áp dụng cho công trình thực tế chưa triển
khai được mặc dù đã có sự đồng ý của đơn vị đối tác là Công ty quản lý khai thác
công trình thủy lợi Tiên Lãng, Hải Phòng về việc triển khai xử lý nền cho một
đoạn đê trong Dự án nâng cấp đê sông Văn Úc, nhưng sẽ được triể
n khai trong
năm 2011.
Bộ Nông nghiệp và PTNT đã có công văn cho phép kéo dài thời gian thực
hiện đề tài đến hết năm 2011 để hoàn thành nội dung 6. Tuy nhiên, do tác động
của Quyết định số 11/NĐ-CP ngày 24 tháng 02 năm 2011, dự án chưa được bố trí
vốn để triển khai. Theo đề nghị của Trường Đại học Thủy lợi, Bộ Nông nghiệp và
PTNT đã có công văn số 6034/BNN-KHCN ngày 01 tháng 12 năm 2011 đồng ý
cho phép đề tài không thực hiện nộ
i dung 6: triển khai ứng dụng cho công trình
thực tế và tổ chức nghiệm thu trong tháng 12 năm 2011.
10
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ
NỀN ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÚT CHÂN KHÔNG
2.1. Nền đất yếu:
Trong việc xây dựng các công trình thì đặc tính chịu tải của nền đất là rất
quan trọng. Nền đất tốt giúp công trình vững chãi, ổn định trong quá trình vận
hành trước các tác dụng của các tải trọng thường xuyên, tạm thời và cả tải trọng
đặc biệt, đồng thời tránh được các hậ
u quả khôn lường do các hiện tượng lún, lún
không đều, sạt, trượt… Tuy nhiên do yêu cầu về dân sinh và về giao thông, rất
nhiều công trình không có khả năng lựa chọn linh hoạt địa điểm thi công như

công trình xây dựng đô thị ven sông, ven biển, đường giao thông, đê điều, cầu,
cảng… Các công trình này bắt buộc phải được xây dựng trên nền đất có đặc tính
chịu tải kém, gọi chung là nền đất yếu.
Có rất nhiều quan ni
ệm khác nhau về nền đất yếu. Theo quan điểm của một
số nhà xây dựng, nếu tính chịu tải của đất không đáp ứng được các yêu cầu của
thiết kế, phải gia cố mới có thể thi công và vận hành công trình thì gọi là đất yếu.
Đây là một quan niệm mang tính vận dụng cao, được chấp nhận rộng rãi, tuy
nhiên quan niệm này lại không có hạn định rõ ràng vì đối với một số công trình
mộ
t nền cụ thể có thể coi là nền đất yếu, nhưng đối với một số công trình khác thì
không. Điểm này gây khó khăn cho việc quy hoạch.
Một quan niệm khác cho rằng nền đất yếu là nền có chứa lớp đất yếu có độ
dày lớn hơn 0,5 m. Đất yếu ở đây được hiểu là các loại như đất nhiễm than bùn,
đất sét, á sét có hệ số chảy lớn hơn 0,5 và đất nhiễ
m mặn. Mặt khác, theo P.L.
Ivanov, các loại đất yếu chủ yếu là các loại đất cát pha, á sét và đất sét có hàm
lượng hạt mịn (R<0.005mm) lớn hơn 3% [43]. Đối với xây dựng đường ô tô, theo
tiêu chuẩn 22TCN262-2000 [10], đất yếu là đất ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của
đất gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, đất yếu có hệ số rỗng lớn (đất sét:
e≥1,5; đất á sét: e≥1), lực dính C theo thí nghi
ệm cắt nhanh không thoát nước nhỏ
hơn 0,15 daN/cm
2
(tương đương kG/cm
2
), góc nội ma sát φ<10
o
hoặc lực dính từ
kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường C

u
<0,35 daN/cm
2
. Theo một quan điểm
khác [12], đất yếu có thể coi là đất sét, á sét có độ sệt B>0,5 hoặc đất có lượng
hữu cơ > 20% hoặc đất bùn cát có độ bão hòa G > 0,8. Theo quan điểm xây dựng
của một số nước [2] đất yếu được xác định theo tiêu chuẩn về sức kháng cắt
không thoát nước s
u
và hệ số xuyên tiêu chuẩn N như sau:
- Đất rất yếu: s
u
≤ 12,5 kPa hoặc N ≤ 2
- Đất yếu: s
u
≤ 25 kPa hoặc N ≤ 4.
11
Từ một khía cạnh khác, nền đất không có lớp đất yếu nhưng có kết cấu yếu
(có hang Karst, sông ngầm, mặt trượt đứt gãy kéo dài …) vẫn có thể xếp vào dạng
nền đất yếu. Tuy nhiên đối với các loại nền này, sự mất ổn định của công trình chỉ
rõ rệt khi tải trọng vượt quá tải trọng cho phép. Dạng nền này không thể sử dụng
các biện pháp gia cố thông thường và không phải là
đối tượng xử lý được đề cập
đến ở dưới đây.
Tóm lại, nền đất yếu là nền đất không thuận lợi cho việc xây dựng công
trình. Thi công công trình trên nền đất yếu đòi hỏi phải xử lý nền thật tốt để đảm
bảo an toàn cho việc xây dựng và vận hành.
2.2. Các công trình xây dựng trên nền đất yếu
Việc lựa chọn địa điểm xây dựng công trình có nền
đất tốt có thể tiết kiệm

rất nhiều về mặt chi phí cũng như thời gian xây dựng. Tuy nhiên, trong thực tế có
rất nhiều công trình bắt buộc phải xây dựng trên nền đất yếu vì nhiều lý do như
mục đích sử dụng, giao thông, nguồn vật tư… Các công trình xây dựng trên nền
đất yếu nói chung mà trong đó có các công trình ứng dụng công nghệ bơm hút
chân không xử lý nền đất yếu (HCK) có thể chia làm bốn nhóm chính sau:
a)
Các công trình giao thông
Đây là nhóm công trình rất quan trọng và đa dạng, phân chia thành các
nhóm nhỏ hơn theo đặc điểm vận hành: các công trình giao thông thủy (cảng
sông, cảng biển, âu thuyền ); các công trình giao thông bộ (đường cao tốc ven
biển, cầu, hầm vượt sông…); các công trình giao thông khác (sân bay, đường tàu,
nhà ga…). Trên hình 1.1 là sân bay Suvarnabhumi (Thái Lan), một công trình
được xử lý nền bằng HCK với diện tích xử lý 400.000 m
2
.

Hình 2.1. Sân bay Suvarnabhumi,
Thái Lan
Hình 2.2. Khu dân cư Steiger Eiland
Ijburg, Hà Lan
12
Ở Việt Nam cũng đã có một số công trình giao thông được ứng dụng HCK
xử lý nền đất yếu như cảng Đình Vũ, Hải Phòng; đường cao tốc Long Thành –
Dầu Giây…
b) Các công trình dân dụng
Nhóm các công trình dân dụng xây dựng trên nền đất yếu là nhóm công
trình phổ biến nhất, tuy nhiên nhóm này ít được ứng dụng HCK mà chủ yếu sử
dụng các công nghệ cố kết khác như đầm lăn, đầm rung… hoặc làm móng sâu,
xuyên qua lớp
đất yếu, đem công trình tựa lên lớp địa chất tốt hơn. Trên hình 1.2

là khu dân cư Steiger Eiland Ijburg (Hà Lan) được xử lý nền bằng HCK với tổng
chiều dài bấc sử dụng là 320.000 m.
c) Các công trình công nghiệp
Nhóm các công trình công nghiệp xây dựng trên nền đất yếu không nhiều,
do đặc thù xây dựng xa khu dân cư cho phép lựa chọn địa điểm xây dựng linh
hoạt hơn. Cũng nhờ vậy, các công trình xây dựng công nghiệp thường ít sử dụng
gi
ải pháp xử lý nền bằng HCK mà có điều kiện sử dụng các phương pháp cố kết
khác rẻ tiền và tiện lợi hơn. Tuy nhiên do yêu cầu về nguồn nguyên liệu và giao
thông, vẫn có nhiều công trình xây dựng công nghiệp ứng dụng HCK. Trên hình
1.3 là nhà máy điện nguyên tử Singori của Hàn quốc, được xử lý nền bằng
phương pháp cố kết hút chân không với 695.000 m bấc.


Hình 2.3. Nhà máy điện nguyên tử
Singori, Korea.
Hình 2.4. Sơ đồ trạm xử lý nước
Pusan, Korea.

Ở Việt Nam cũng có một số công trình công nghiệp ứng dụng công nghệ này
xử lý đất nền như Nhà máy khí điện đạm Cà Mau; Nhà máy DAP, Nhà máy
Polyester Đình Vũ, Hải Phòng; Nhà máy điện Nhơn Trạch - Đồng Nai.
d) Các công trình thủy lợi:
13
Nhóm các công trình thủy lợi ứng dụng HCK chủ yếu là các công trình chỉnh
trị như đê và các công trình dưới đê, kè ở ven sông, ven biển các trạm bơm và
công trình xử lý nước. Trên hình 2.4 là sơ đồ công trình xử lý nước thải trên sông
Nakdong, Hàn Quốc với diện tích xử lý nền ứng dụng HCK là 160.000 m
2
.

2.3. Các phương pháp xử lý nền đất để xây dựng công trình
Các phương pháp gia cố nền đất yếu đã được ứng dụng từ hàng ngàn năm
trước bằng những phương pháp thô sơ như là dùng đầm tay nện đất hay đóng cọc
tre ép đất nền chặt hơn. Tuy nhiên việc nghiên cứu một cách khoa học, và có hệ
thống chỉ bắt đầu từ thế kỷ trước, sau khi các cơ sở lý lu
ận cơ bản của môn cơ học
đất được hoàn thiện. Trải qua gần một thế kỷ nghiên cứu và phát triển, các nhà
khoa học đã tìm ra nhiều phương pháp hiệu quả để cố kết đất yếu. Về cơ bản, các
phương pháp đó được chia thành bảy nhóm như sau:
a) Phương pháp thay nền
Nguyên tắc của phương pháp này được nghĩ đến từ rất sớm và rất đơ
n giản:
trực tiếp bóc bỏ một phần hoặc toàn bộ lớp đất yếu chịu tải, thay bằng loại đất có
khả năng chịu tải tốt hơn. Trong quá trình bóc bỏ nếu gặp phải khó khăn do đất
quá yếu có thể bỏ thêm đất khô rồi xúc cả đi. Phương pháp này nhìn chung tốn
kém và ít được sử dụng.
b) Nhóm phương pháp cơ học
Nguyên tắc cơ bản c
ủa nhóm phương pháp cơ học là sử dụng tác động cơ
học làm giảm hệ số rỗng của đất nền. Các phương pháp thuộc về nhóm này tương
đối đa dạng và được ứng dụng rộng rãi, bao gồm: sử dụng tải trọng tĩnh, động,
đóng cọc, nhồi rung cọc đá, sử dụng thuốc nổ sâu [42]. Nguyên lý của phương
pháp sử dụng tải trọng là tạ
o ra các lực tác dụng theo phương đứng và ngang
nhằm nén đất nền lại để giảm hệ số rỗng, trong khi đó việc đóng thêm cọc nhằm
giảm thể tích của đất nền, tạo ra các lực nén theo phương ngang để từ đó giảm hệ
số rỗng của nền. Phương pháp sử dụng thuốc nổ sâu chỉ áp dụng cho đất rất yếu,
sử dụng trọng l
ượng của khối đất và lực nén của thuốc nổ để giảm hệ số rỗng của
đất nền.

Phương pháp đầm thông thường chỉ được sử dụng khi lớp đất yếu nằm ở
phía dưới, lớp đất trên bề mặt khô ráo và có sức chịu tải nhất định, chịu được tải
trọng tĩnh và động của thiết bị đầm nén mà không gây lún cục b
ộ. Nếu chiều sâu
đầm nén không lớn (nhỏ hơn 5 m) có thể sử dụng xe đầm lăn, đầm rung. Trong
trường hợp muốn khu vực ảnh hưởng sâu hơn phải sử dụng máy đầm liên tục và
14
cục bộ tại một điểm. Đối với đầm cục bộ, có hai cách đầm chính là đầm chậm –
(deep) dynamic compaction (DC) và đầm nhanh - rapid (deep) dynamic
compaction (RDC).
Các phương pháp đầm chậm (hình 2.5) thông thường dùng quả đầm có
trọng lượng 10÷40 tấn thả rơi từ độ cao 10÷40 m với tần suất 0,5÷1 lần/phút. Quả
đầm có thể dài tới 7 m và sẽ tạo ra một hố có thể sâu tới hơn 5m, quả đầm không
cần phải làm đố
i xứng tròn mà có thể làm góc cạnh và khu vực chịu ảnh hưởng có
thể sâu tới hơn 16m. Trong khi đó, phương pháp đầm nhanh (hình 2.6) thông
thường dùng quả đầm nhỏ hơn có trọng lượng 9÷16 tấn, ném thả có gia tốc ban
đầu từ độ cao 0,2÷1 m với tần suất 40÷80 lần/phút. Quả đầm hình trụ có đường
kính 1,5÷2,6 m và khu vực ảnh hưởng có thể sâu tới hơn 9m.


Hình 2.5. Thiến bị đầm DC Hình 2.6. Hố nén phương pháp RDC

Nhóm phương pháp hóa học dựa trên nguyên lý là bơm hóa chất vào đất nền
để gia cố đất. Hóa chất chủ yếu được sử dụng là vữa xi măng và thủy tinh lỏng
[44]. Mũi khoan quay và đâm sâu vào đất nền đến độ sâu thiết kế thì quay ngược
lại để rút trở ra. Trong quá trình rút mũi khoan dung dịch được bơm dưới áp lực
cao thành tia (jet grouting) vào đất nền, len vào các khe nứ
t trong đất (hình 2.7).
Hiệu quả phun phụt tốt khi kích thước các khe lớn hơn 0,1 mm. Để tạo thuận lợi

cho phun phụt, có thể dùng lưỡi thép gắn vào mũi khoan, khi mũi khoan quay,
lưỡi thép tách đất ra, làm đất tơi hơn, dễ tiếp nhận dung dịch vữa hơn. Phần đất
được phụt dung dịch vữa xi măng sau khi cứng hóa có dạng cọc xi măng đất (hình
2.8).
15


Hình 2.7. Mô tả quá trình jet grouting. Hình 2.8. Cọc xi măng đất khi đào lên

Tuy nhiên phương pháp này cũng có những hạn chế nhất định là hóa chất
trong cột có thể tác dụng với muối và nước ngầm để tạo thành chất tan. Vì vậy
trong quá trình vận hành thường xuyên phải phun phụt trở lại.
Một cải tiến nhằm khắc phục tình trạng trên là bơm vào đất nền một dung
dịch hỗn hợp c
ủa hai hay nhiều hóa chất, mà sau đó các hóa chất này tác dụng với
nhau tạo thành chất kết tủa lấp đầy các khe rỗng, làm việc như một loại đất nhân
tạo, ví dụ:
Na
2
O.nSiO
2
+ CaCl
2
+mH
2
O = nSiO
2
.(m-1)H
2
O + Ca(OH)

2
+ 2NaCl.
c) Nhóm phương pháp nhiệt học
Nguyên tắc của nhóm phương pháp nhiệt học là cứng hóa nền đất yếu bằng
cách bơm hóa chất và khí nóng với nhiệt độ rất cao 700÷900
o
C vào các kẽ nứt
nhân tạo được đóng kín bề mặt (phương pháp của I.M.Litminova). Gần đây, Nga
còn phát triển thêm một phương pháp nhiệt học mới, dùng máy nung điện hợp
kim nichrome để đốt nóng hố khoan theo chiều sâu, từ đó điều chỉnh được nhiệt
độ cho phù hợp với từng lớp đất nền. Tuy nhiên về cơ bản thì phương pháp này
tiêu tốn nhiều năng lượng và ít được sử d
ụng.
d) Nhóm phương pháp sinh học
Nhóm phương pháp sinh học dựa trên nguyên tắc sử dụng các vi sinh vật làm
đầy các lỗ rỗng của đất nền (bioclogging) từ đó làm giảm hệ số rỗng hoặc gắn kết
các hạt đất lại với nhau (biocementation) để làm tăng lực dính đơn vị của đất [41].
Nhìn chung, nhóm phương pháp này có giá thành thấp tuy nhiên khả năng kiểm
soát kém và đòi hỏi thời gian dài.
e) Nhóm phương pháp thủ
y lực học
Nguyên tắc của nhóm phương pháp thủy lực học là rút bớt nước ra khỏi đất
nền để giảm thành phần nước trong đất, từ đó giảm hệ số rỗng của đất. Vật liệu
16
dùng để rút nước thường là bấc thấm composite. Cơ chế hút nước có thể là bơm
hút cơ học hoặc điện thấm [10]. Để gia tăng tốc độ cố kết, có thể đóng tường
chống thấm nhằm hạn chế nước ngầm từ xung quanh chảy đến hoặc kết hợp thêm
với gia tải.
Về cơ bản, HCK có thể coi là một phương pháp nhánh của nhóm phương
pháp này.

2.4. Công nghệ bơm hút chân không xử lý nền đất yếu
2.4.1. Lược sử phát triển
Công nghệ bơm hút chân không xử lý nền đất yếu (HCK) lần đầu tiên được
giới thiệu là vào năm 1952 bởi tiến sĩ W. Kjellman. Sau đó bài toán cố kết hút
chân không được nghiên cứu lại bởi giáo sư Cognon với một số nguyên tắc lý
thuyết cơ bản mới. Đến những năm 70, HCK được ứng dụng rộng rãi,
đặc biệt là
ở Nga và Nhật. Vào thời điểm bấy giờ HCK được bổ sung một lớp tường chống
thấm bao quanh khu vực xử lý nhằm hạn chế nước ngầm từ khu vực xung quanh,
đồng thời gia tăng áp lực nén đứng của dòng thấm. Tuy nhiên cách bố trí này sớm
bộc lộ khuyết điểm là khá tốn kém.
Năm 1989 hãng xây dựng Menard (Pháp) dựa trên nghiên cứu và phát minh
của giáo sư J.M. Cognon lần đầu tiên áp dụ
ng phương pháp cố kết MVC (Menard
Vacuum Consolidation) trên diện tích 390 m
2
của một trường huấn luyện phi công
ở Ambes, Pháp [30]. Việc bố trí tường chống thấm không còn nữa mà thay vào đó
là lớp gia tải bằng đất và sự chênh lệch giữa áp suất khí quyển với áp suất chân
không dưới màng kín khí bao phủ bề mặt diện tích xử lý. Từ sau đó phương pháp
này đã được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới.
Bảng 2.1. Một số công trình ứng dụng MVC giai
đoạn 1989-2001
Năm Tên công trình Nước
Loại công
trình
Đơn vị tư vấn
Phạm vi
(m
2

)
2001 Hamburg Đức
Kho hàng sân
bay
IGB – Dr
Maybaum
238,000
2001 Bang Bo Thái Lan
Đường vào nhà
máy điện
Seatac 30,000
1999 Jangyoo STP Hàn Quốc
Nhà máy xử lý
nước thải
KECC 70,000
1999 Quebec Canada Cầu QDOT 1,000
17
1997 Wismar Đức Cảng
Steinfeld &
Part
15,000
1996 Khimae PS Hàn QuốcTrạm bơm KECC 20,000
1996 RN1
Pháp quốc
Hải ngoại
Đường vòng
CETE Fort de
France
6,150
1995 Kuching Malaysia Cầu tàu ACER 12,000

1995 Khimae STP Hàn Quốc
Nhà máy xử lý
nước thải
KECC 83,580
1994 A 837 - Phase 2 Pháp Đường cao tốc
SCETAU
ROUTE
10,000
1994

1994
Lubeck Đức Cảng INROS 22,500
1993 A837 - Phase 1 France Đường cao tốc LCPC 44,500
1992 Ipoh Gopeng Malaysia Đường cao tốc
ZAIDUN
LEENG
2,600
1992 Lamentin
Pháp quốc
Hải ngoại
Đường cao tốc BRGM 7,805
1991 Lamentin
Pháp quốc
Hải ngoại
Sân bay CEBTP 17,692
1990 Ambes Pháp Bể chứa dầu Mecasol 17,550
1990 Eurotunnel Pháp Đường SETEC 56,909
1990 Ambes Pháp Đường
CETE
Bordeaux

21,106
1990 Lomme Pháp Kho hàng FONDASOL 8,130
1989 Ambes Pháp
Trạm kiểm tra
sân bay
Test area 390

Từ năm 1997 đến năm 2004, công ty xây dựng Cofra (Hà Lan) nghiên cứu
cải tiến HCK theo hướng giản hóa, bỏ đi lớp màng bảo vệ thi công phức tạp và dễ
bị hư hại, tuy nhiên phải đắp thêm gia tải để bù cho sự chênh lệch áp suất khí
quyển bị gỡ bỏ. Hướng cải tiến mới này đã cho ra đời ba phương pháp bố trí mới,
nhanh chóng được chấp nhận và thi công tại nhiều công trình lớn trên thế
giới.

18
Bảng 2.2. Một số công trình ứng dụng phương pháp Beaudrain-S
Năm Tên công trình Nước
Phạm vi
(m
2
)
2008 Baanhoek Sliedrecht Hà Lan 4.500
2008 Waddinxveen Hà Lan 2.000
2008
Quay wall IHC, Krimpen a/d
IJssel
Hà Lan 2.500
2007 Randeburgseweg, Reeuwijk, Hà Lan 4.500
2006 Bremerhaven Đức 62.000
2005 Suvarnabhumi airport Thailand 400.000

2005 Parking Ikea Delft Hà Lan 3.700
2005 Ter Aar Hà Lan 1.800
2004
Railway Betuwelijn
Gorinchem
Hà Lan 4.400

Về bản chất, tính hiệu quả của các phương pháp MVC, Vertical drain,
Beaudrain, Beaudrain –S và các biện pháp thi công khác của HCK có thể coi là
tương đương nhau. Sự khác nhau tập trung chủ yếu vào thiết bị thi công, cách bố
trí và thời gian cố kết.
2.4.2. Giới thiệu nguyên lý một số phương pháp thi công HCK
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều công ty xây dựng triển khai HCK, mỗi
một công ty lại có những cải tiến riêng, có những thiết bị riêng để phù hợp với các
công trình xây d
ựng mà công ty đó thực hiện, chính vì vậy mà hiện nay có rất
nhiều biện pháp thi công HCK. Tuy nhiên các phương pháp này đều dùng gia tải
để hỗ trợ quá trình rút nước khỏi nền để giảm hệ số rỗng. Về bản chất có thể phân
thành hai loại chính là thi công có màng kín khí và không có màng kín khí.
a) Nhóm phương pháp thi công có màng kín khí
Màng kín khí thông thường là màng địa kỹ thuật (geo-membrane) bao kín
toàn bộ khu vực thi công. Trong quá trình bơm hút, mực nước ngầm hạ xuống và
không khí cũng được rút ra, tạo một vùng áp suấ
t nhỏ hơn áp suất khí quyển trong
lớp đất gia tải nằm dưới màng, từ đó hình thành một gia tải phụ do sự chênh lệch
về áp suất không khí ở trên và dưới màng kín khí (hình 2.9). Gia tải phụ này có
thể đạt tới 0,4 atm. Quá trình bơm hút thông thường kéo dài khoảng 3÷7 tháng.
19

Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý phương pháp MVC

Khi thi công MVC cần lưu ý các yêu cầu kỹ thuật sau:
- Duy trì hệ thống thoát nước hoạt động có hiệu quả nằm dưới màng chống
thấm để thoát nước và khí trong suốt quá trình bơm hút, không để tắc hoặc hở.
- Giữ cho vùng đất dưới màng kín khí không bão hòa nước.
- Giữ ổn định áp suất chân không dưới màng – không ít hơn -0,3 atm.
- Giữ kín khí trên toàn bộ diện tích màng phủ, đặc bi
ệt đoạn nối máy bơm và
màng,
- Neo giữ và kín khí toàn bộ hệ thống tại biên khu vực xử lý (hào bentonite).
- Hạn chế dòng thấm của nước ngầm đi vào khu vực xử lý.
Nhìn chung, phương pháp MVC có ưu điểm là có thể giảm khối lượng gia
tải, tuy nhiên thi công phức tạp, phải có hào vây để dém màng kín khí nên gây
khó khăn cho việc thi công cuốn chiếu trên các công trình có chiều dài lớn.
b) Nhóm phương pháp thi công không có màng kín khí
Nguyên tắc của nhóm phươ
ng pháp thi công không có màng kín khí dựa trên
“cải tiến lùi”, đem nguyên tắc MVC đơn giản hóa, bỏ đi màng kín khí, cũng là bỏ
đi sự trợ giúp của áp suất khí quyển. Thay vào đó, nhóm phương pháp này yêu
cầu đắp lớp gia tải cao hơn để bù đắp sự thiếu hụt về áp lực gia tải (hình 2.10).
Lớp gia tải có thể cao thêm tới 2m, tuy nhiên không phải thi công hào vây và
màng kín khí. Quá trình bơm hút thông thường kéo dài 3÷7 tháng.
20
Nhìn chung nhóm phương pháp này thi công đơn giản, nhưng khối lượng gia
tải lại tương đối lớn.

Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý phương pháp thi công không có màng kín khí

Để gia tăng hiệu quả bơm hút chân không trên diện rộng, cả hai nhóm
phương pháp đều có thể áp dụng các biện pháp cải tiến như là nối ống kín trực
tiếp với bấc. Cải tiến này giúp áp suất chân không trong bấc đạt tới độ sâu lớ
n
hơn, tăng lưu lượng nước bơm hút được.
2.4.3.Ứng dụng công nghệ HCK cho xây dựng CTTL vùng ven biển.
2.4.3.1.Điều kiện áp dụng công nghệ HCK xử lý nền đất yếu ở Việt Nam.
Ở Việt Nam, với sự phát triển mạnh của nền kinh tế đất nước, nhu cầu xây
dựng các công trình ở khu vực đồng bằng ven biển là rất lớn. Công nghệ HCK xử
lý nền đất y
ếu đã được ứng dụng trong xây dựng một số công trình công nghiệp ,
dân dụng và giao thông trong thời gian gần đây. Cả hai loại công nghệ HCK (có
và không có màng kín khí) đều đã được sử dụng. Hai đơn vị hàng đầu về thi công
theo công nghệ này là:
-Công ty FECON: sử dụng công nghệ HCK có màng kín khí, có sự hợp tác
với các đơn vị của Trung Quốc, đang từng bước nâng cao năng lực thiết bị và con
người để có thể thi công độc lậ
p ở Việt Nam.
-Công ty TEINCO: sử dụng công nghệ HCK không có màng kín khí
(phương pháp Beaudrain-S), có sự phối hợp với công ty Cofra (Hà Lan). Công
nghệ này đòi hỏi hệ thống thiết bị tương đối hiện đại và đắt tiền, nhưng các công
ty đều có thể trang bị được nếu có công trình để áp dụng, kiểu như đường cao tốc
Long Thành- Dầu Giây.
21

Riêng đối với công trình thủy lợi thì ở Việt Nam chưa có công trình nào áp
dụng xử lý nền bằng HCK, nhưng triển vọng áp dụng là rất lớn. Việt Nam có hơn
2000 km bờ biển. Để nâng cao độ an toàn của các khu vực dân cư và kinh tế vùng
đồng bằng ven biển và ứng phó với những tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu
toàn cầu thì việc củng cố và mở rộng hệ thống đê biể
n và đê cửa sông ven biển là
rất cần thiết và nằm trong chiến lược quốc gia về ứng phó với biến đổi khí hậu.
Khi đắp mới các đê này thì 2 yêu cầu được đặt ra là phải xử lý nền đất yếu và rút
ngắn thời gian thi công để tránh bị thiệt hại trong mùa mưa bão. Khi đó việc xem
xét ứng dụng phương pháp HCK để xử lý nền là rất thiết thực.
2.4.3.2.Đặc điể
m áp dụng phương pháp HCK cho công trình thủy lợi.
Khi xây dựng mới hệ thống đê biển và đê cửa sông ven biển thường phải
thực hiện đồng thời việc đắp đê, kè bảo vệ mái đê và xây dựng các công trình qua
đê (cống, cầu…).
Các điều kiện áp dụng phương pháp HCK xử lý nền khi xây dựng các công
trình thủy lợi vùng ven biển như sau:
a)Đối với đê:
-Xây dựng trên vùng đất không thường xuyên ng
ập nước, thời gian có thể
thi công trên khô từ 3-6 tháng/ năm;
-Nền thuộc loại đất yếu so với tải trọng tương ứng do đê truyền xuống. Với
đê có chiều cao khoảng 6-7 m mà mặt nền có sức chịu tải dưới 1 kG/cm2 thì cần
xem xét biện pháp xử lý để gia tăng sức chịu tải của nền, trong đó có phương
pháp HCK.
-Đất nền có tính đồng nhất tương đối, không có lớp đị
a chất nào có hệ số
thấm gấp 5 lần hệ số thấm trung bình của các lớp; không có lớp nào có hệ số thấm
gấp 10 lần hệ số thấm nhỏ nhất trong nền ( để tránh nước từ bên ngoài theo các
lớp thấm mạnh chảy vào trong khu vực xử lý).

Do tải trọng từ đê tác dụng lên nền thường không lớn nên chiều sâu xử lý
nền cũng không lớn, khoảng 10- 15 m, tùy thuộc vào đị
a chất nền. Thời gian bơm
HCK xử lý nền thường chỉ trong khoảng 3-5 tháng và được xác định thông qua
tính toán theo điều kiện hạn chế độ lún dư.
Để xử lý nền đê, có thể áp dụng công nghệ HCK có hoặc không có màng kín
khí. Tuy nhiên khi quy mô công trình không lớn thì áp dụng công nghệ HCK có
màng kín khí là thực tế hơn. Phương pháp này không đòi hỏi hệ thống thiết bị đắt
tiền, không cần đắp lớp gia tải dày. Tuy nhiên, cần có mặ
t bằng đủ để bố trí hệ
thống hào vây và phải gìn giữ lớp màng kín khí trong suốt thời gian xử lý.
22
b)Đối với các công trình qua đê:
-Có điều kiện thi công trên khô;
-Yêu cầu về tính thấm nước của các lớp trong nền cũng giống như đối với
đê đã nêu ở trên;
-Khi áp lực đáy móng công trình lớn, cần so sánh kinh tế- kỹ thuật với các
giải pháp xử lý nền khác.

23
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN XỬ LÝ NỀN
ĐẤT YẾU BẰNG HCK
3.1. Bài toán cố kết thấm
3.1.1. Giới thiệu chung
Bài toán cố kết thấm đã được nghiên cứu từ đầu thế kỷ 20 và không ngừng
được hoàn thiện cho tới hiện nay. Nhìn chung các giải pháp đều phát triển lên từ
nền móng cơ bản là phương trình của Karl von Terzaghi [40]. Về cơ bản bài toán
cố kết thấm cũng có thể giải quyết đượ
c nhờ phương trình liên tục về chuyển
động của các pha trong đất nền [10]. Tuy nhiên việc thiết lập công thức tương đối

phức tạp và không thuộc mục tiêu của sách chuyên khảo này. Dưới đây chỉ giới
thiệu những nét cơ bản về bài toán cố kết thấm trong trường hợp cố kết bằng hút
chân không.
Trong tổng thể, đất là một tổ hợp phức tạp của ba pha chính là thể r
ắn, thể
lỏng và thể khí. Về nguyên tắc cả ba pha này đều tham gia vào quá trình chịu tải
của đất với các mức độ khác nhau [45]. Thành phần chịu tải nhiều nhất thường là
cấu trúc lỗ rỗng do các hạt đấp xếp chồng lên nhau. Khi đất ổn định, ứng suất tác
dụng lên hạt đất bằng ứng suất max mà tải trọng và trọng lượng bản thân của khối
đất có thể gây ra, gọ
i là ứng suất tổng. Thành phần chịu tải thứ hai là nước nằm
trong lỗ rỗng. Khi giải bài toán cố kết thấm, có thể coi nước trong lỗ rỗng là
không chịu nén. Phần ứng suất mà nước trong lỗ rỗng chịu gọi là ứng suất lỗ rỗng
dư , còn phần ứng suất mà các hạt đất phải chịu là ứng suất hiệu quả . Ứng suất
tổng có giá trị b
ằng giá trị của ứng suất dư và ứng suất hiệu quả. Thành phần chịu
tải cuối cùng là khí nằm trong đất, tuy nhiên tỉ lệ thường là vô cùng nhỏ, có thể bỏ
qua. Khi giải phương trình liên tục về chuyển động của các pha cần lưu ý rằng
lượng khí thường xuyên hòa tan hoặc tách rời khỏi nước trong lỗ rỗng tùy theo
các điều kiện nhiệt độ, áp suất. Khi giải bài toán cố kết thấm, hiện tại hầu hết đều
giải bài toán ở dạng hai pha để đơn giản hóa và cũng vì ảnh hưởng của pha khí là
quá nhỏ.
Hình 3.1. Cố kết thấm bằng HCK

24
Bản chất của hiện tượng cố kết thấm là sự giảm hệ số rỗng của đất nền bằng
cách trục xuất bớt nước trong lỗ rỗng ra ngoài bằng hiện tượng thấm, nhờ đó các
hạt đất tì chặt trực tiếp lên nhau, gia cố được sự liên kết của cấu trúc đất (hình
3.1). Nếu nguyên lý của phương pháp đầm nén cơ học bình thường sử
dụng lực

tác dụng của tải trọng để gia tăng ứng suất tổng từ đó tăng thêm ứng suất hiệu
quả, thì bản chất của cố kết thấm bằng hút chân không là giảm ứng suất dư trong
lỗ rỗng, từ đó tăng ứng suất hiệu quả mà không thay đổi ứng suất tổng [18] (hình
3.2). HCK nhờ áp suất chân không tạo sự chênh lệch áp suất gi
ữa các vùng trong
đất nền, từ đó nảy sinh dòng thấm cưỡng bức đem nước ngầm trong đất rút ra
ngoài. Việc sắp xếp lại cấu trúc liên kết giữa các hạt đất được tiến hành bằng
trọng lượng bản thân hạt đất, và có thể được hỗ trợ nhờ gia tải khi phần lớn nước
trong lỗ rỗng bị trục xuất.

Hình 3.2. Lý giải tác dụng của HCK với việc cố kết đất nền.
Bản chất và tác dụng của việc cố kết đất nền trước khi xây dựng nói chung
và bằng HCK nói riêng có thể được giải thích trên hình 3.3. Nếu trước khi xây
dựng công trình mà không gia cố nền, thì sau khi đặt công trình lên, tải trọng công
trình (p) gia tăng áp lực lên nền, khiến quá trình cố kết xảy ra do nước vẫn bị đẩy
khỏi lỗ rỗng. kết qu
ả là đất nền bị lún tương đối nhanh, có thể gây ra hiện tượng
lún không đều, từ đó có thể dẫn đến nứt, gẫy kết cấu. Tại thời điểm t
2
, đất nền cố
kết hoàn toàn và đạt độ lún cuối S
c(p)
. Nếu không có sự thay đổi về tải trọng, nền
ổn định và không tiếp tục lún nữa.
Gia cố nền trước khi xây dựng được tiến hành bằng cách gia tải trước có
giá trị bằng tổng tải trọng công trình (p) với một siêu tải (f), tổng siêu tải (p+f) sẽ
khiến nền lún nhanh hơn và mau chóng đạt được giá trị S
(p+f)
xấp xỉ giá trị độ lún
cuối S

c(p)
tại thời điểm t
1
, sớm hơn t
2
. Nếu tại thời điểm này bắt đầu xây dựng, đặt
25
công trình lên nền thì độ lún dư trong các năm tiếp theo của công trình là tương
đối nhỏ và không gây nguy hại cho kết cấu. Có thể thấy, siêu tải (f) càng lớn, thời
gian cố kết t
1
càng ngắn.

Hình 3.3. Đường quá trình lún của nền. Hình 3.4. Sự thay đổi hệ số rỗng khi
nén đất nền.
Một lưu ý nữa là trong quá trình xây dựng công trình, đất nền có khả năng
nở ngược do gia tải đã được dỡ ra mà công trình vẫn chưa xây dựng xong (hình
2.4). Vì vậy việc chọn giá trị độ lún S(p+f) tại thời điểm ngừng gia cố đòi hỏi tính
toán cả hiện tượng nở ngược này. Nhìn chung việc gi
ải bài toán cố kết thấm HCK
luôn luôn bao gồm cả bài toán cố kết nén lún đơn giản.
Tóm lại, nhiệm vụ của việc giải bài toán cố kết thấm để tính toán ứng dụng
cho HCK có thể chia làm ba bài toán chính sau:
- Bài toán ban đầu: với tải trọng công trình (p) xác định độ lún cuối S
c(p)
(và
thời gian cố kết t
2
nếu cần);
- Bài toán xuôi: Có gia tải trước (p+f), tính thời gian t

1
cần thi công gia cố để
đạt được độ lún S
(p+f)
xấp xỉ giá trị độ lún cuối S
c(p)
;
- Bài toán ngược: Biết thời gian gia cố t
1
, tính gia tải (p+f) để kịp đạt được
độ lún S
(p+f)
có giá trị xấp xỉ giá trị độ lún cuối S
c(p)
.
3.1.2. Phương trình vi phân cơ bản
Terzaghi cho rằng phương trình vi phân cơ bản của hiện tượng cố kết thấm
có dạng [18]:

⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
+

∂
∂
+
∂
=
∂
∂
2
2
2
2
1
z
u
r
u
rr
u
C
t
u
v
(3.1)
Theo Carrillo [23] bài toán cố kết 3 hướng theo (3.1) có thể được xem xét
như tổng hợp của hai bài toán cố kết theo phương thẳng đứng và phương bán
kính. (3.1) chuyển thành: