Công nghệ mới trong xử lý nền đất yếu dưới công trình giao thông

PHẦN 1: PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI
TRƯỚC BẰNG BƠM HÚT CHÂN
KHÔNG KẾT HP VỚI CÁC ĐƯỜNG
THOÁT NƯỚC ĐỨNG
1. GIỚI THIỆU:
Phương pháp gia tải trước bằng
đất đắp có một số nhược điểm sau:
+ Giá vật liệu đắp
+ Tốn chi phí vận chuyển
vật liệu đắp,
+ Đất đắp gây ảnh hưởng
các công trình lân cận.
 Phương pháp có thể thay
thế: gia tải trước bằng
bơm hút chân không ( Ý
tưởng đầu tiên của
Kjellman ( 1951 )).
2. PHƯƠNG PHÁP GIẾNG
ĐIỂM ( WELL – POINT
vacuum pumping
u : decrease
σ′
: increase
progress of
consolidation
vacuum-induced
consolidation
METHOD ): có thể coi là dạng tiền thân của phương pháp gia
tải trước bằng bơm hút chân không.
Dọc theo chu vi hố đào bố trí các ống đứng
Đầu ống là lớp vật liệu lọc

Nước trong đất nền chỉ thoát qua vật liệu lọc.
 theo ống đứng đi lên ống ngang  được hút ra ngoài.
3. PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI TRƯỚC BẰNG BƠM HÚT CHÂN
KHÔNG KẾT HP VỚI CÁC ĐƯỜNG THOÁT NƯỚC
ĐỨNG ( tên gọi đầu tiên: gia tải trước bằng áp lực khí quyển)
3.1 Cấu tạo của phương pháp
* Đường thoát nước ngang để làm tăng cao hiệu quả thoát nước, có
cấu tạo như đường thoát nước đứng nhưng kích thước lớn hơn.
* Màng kín khí quyết đònh hiệu quả của phương pháp bơm hút chân
không, được làm bằng các chất dẻo tổng hợp, dày ( 0.5 ÷ 1 ) mm. Mép
Vacuum
pump
Air-tight membrane
Vertical
drain
Horizontal
drain
Soft soil
layer
Drain pipe
Sand mat
màng kín khí cần được chôn vào dưới mực nước ngầm để đảm bảo tạo
ra chân không trong khu vực cần xử lý nền.
* Đường thoát nước đứng: nước thoát dọc theo thân đường thoát nước
đứng, do đó vùng cố kết được hình thành nhanh hơn phương pháp
giếng điểm ( phát triển theo chiều dài đường thoát nước đứng )
* Nội dung của phương pháp
Bằng việc bơm hút chân không, chân không được tạo ra trong khu vực
cần xử lý nền  làm cho nước thoát ra  đem lại quá trình cố kết
trong đất nền  tạo ra độ lún trước.

3.2 Nguyên lý của phương pháp gia tải trước
Tổng ứng suất
σ = σ’ + u ( đối với đất yếu bảo hoà nước )
σ = (σ’ + ∆u) + u - ∆u
∆u
u- ∆u
σ
’+∆u
Đây là điểm khác biệt cơ bản về nguyên lý của 2 phương pháp gia tải:
- Gia tải trước bằng bơm hút chân không: tăng ứng suất hữu
hiệu σ’ bằng cách giảm áp lực nước lổ rỗng u.
- Gia tải trước bằng đắp đất : tăng ứng suất hữu hiệu σ’
bằng cách tăng tổng ứng suất σ.
Do có sự khác nhau về nguyên lý giữa hai phương pháp gia tải nên có
sự khác về:
+ Sự thay đổi ứng suất trong nền đất
+ Quá trình làm việc của nền đất.
3.3 Những khác nhau chính giữa hai phương pháp gia tải:
1. Về sự thay đổi ứng suất trong nền đất
2. Về quá trình làm việc của nền đất
Stress changes and deformation caused by surface loading
A→B
undrained
shear
B→C
isotropic
consolidation
σ
v′
σ

h′
σ
v
σ
h
∆σ
v
σ
,

σ′
A
B C
B, C
A
∆τ
surface load
q
s
σ
v
σ
h
before loading
∆σ
v
∆σ
h
∆τ
additional

stresses
by loading
∆σ
h
τ
Stress change and deformation caused by vacuum pumping
A→B
isotropic
consolidation
σ
v′
σ
h′
σ
v
σ
h
σ
,

σ′
A
B
A, B
vacuum pumping
q
s
p
v
: reduced water pressure

σ
v
p
v
crack
σ
h

* Đặc điểm của phương pháp gia tải bằng bơm hút chân không
+ Không có khả năng xãy ra phá hoại cắt trong nền
+ Quá trình cố kết đẵng hướng xãy ra  làm cho đất nền co lại
 xãy ra vết nứt trên mặt đất và bên ngoài vùng đất được xử
lý
+ p lực cố kết khi gia tải là có hạn từ (80 ÷ 85) KPa
( chân không lý tưởng tuyệt đối là 100 Kpa ∼ 100 KN/m² )
 Có thể kết hợp với gia tải bằng đắp đất
* Điểm khác nhau về quá trình biến dạng của nền đất trong hai
phương pháp gia tải
embankment
movement during banking
embankment
movement during consolidation
ground movement caused by banking
* Phạm vi xử lý nền có hiệu quả bằng phương pháp bơm hút chân
không
Quá trình cố kết xãy ra không chỉ trong phạm vi 10m ( tính từ mặt đất )
mà còn xãy ra ở tại độ sâu > 10m : theo nguyên tắc của phương pháp
này
* Lưu ý về chiều dài cọc bản nhựa
- Trường hợp 1: có tầng thấm nước tốt ở mũi cọc bản nhựa:

 Yêu cầu mũi cọc bản nhựa phải cách tầng thấm tốt 1 đoạn khoảng
≥ 2m.
- Trường hợp 2: thân của cọc bản nhựa xuyên qua các tầng thấm tốt
vacuum pumping
movement during banking
ground movement caused by vacuum pumping
vertical drains
crack
: gây rò rỉ chân không trong quá trình bơm hút chân không  xử lý: có
thể xử lý bằng cách đóng cọc ván thép
* Bố trí cự ly giữa các cọc bản nhựa
Qua tính toán cân đối chi phí cho cọc bản nhựa và điện năng phục vụ
cho bơm hút chân không, nhận thấy: cự ly hợp lý giữa các cọc bản
nhựa ( 0.7 ÷ 1.3 )m
* Tham khảo: Phương pháp thiết kế được áp dụng tại Nhật
- Phân chia khu vực xử lý nền: theo kinh nghiệm, phạm vi khu vực
được xử lý có hiệu quả bởi 1 hệ thống bơm hút chân không có diện
tích khoảng 2000 m²
- Xác đònh giá trò áp lực nén trước ( cố kết ) khi bơm hút chân không :
(50 ∼ 80) KPa, sơ bộ có thể lấy áp lực nén trước là 60 Kpa và không
đổi theo chiều sâu của cọc bản nhựa.
- Quá trình bơm hút chân không tiến hành theo hai giai đoạn:
+ Bơm thử nghiệm: trong khoảng ( 1 ∼ 2 ) tuần
+ Bơm chính thức: để tạo ra áp lực gia tải, trong quá trình này
phải tiến hành theo dõi, đo đạc, quan trắc sự làm việc của toàn hệ
thống, độ giảm u, đo lượng nước hút ra, độ chuyển dòch lún tại các độ
sâu trong nền, do chuyển dòch ngang, quan sát theo dõi các vết nứt xãy
ra trong nền ( nếu có )
PHẦN 2: GIA CỐ NỀN YẾU BẰNG PHƯƠNG
PHÁP CỌC ĐẤT TRỘN VÔI / CEMENT

1. Trình tự thi công cọc đất + vôi / cement
có 2 giai đoạn:
+ Giai đoạn 1: hạ đầu khoan đến độ sâu thiết kế
+ Giai đoạn 2: hình thành cọc đất + vôi / cement.
Có hai phương pháp trộn:
+ Phương pháp trộn khô: đất được trộn với bột cement / vôi bột
+ Phương pháp trộn ướt: đất được trộn với vữa cement / vữa vôi
Phương pháp trộn ướt có thể tạo ra cọc đất + vôi / cement có tiết diện
ngang thay đổi theo chiều sâu phù hợp với điều kiện cụ thể của đất
nền
2. Khái niệm về gia cố nền đất yếu bằng cách trộn đất +
vôi/cement :
Đất sau khi được trộn với vơi/cement để tạo nên các trụ hỗn hợp đất +
vôi/ cement đem lại sự tăng cao sức chống cắt cho nền và làm giảm
tính biến dạng của nền.
Sự tăng cao sức chống cắt trong nền chủ yếu xãy ra trong các cọc đất +
vôi / cement: nơi xãy ra các phản ứng hoá học giữa đất với các chất
kết dính ( vôi / cement ). Ngoài ra sự tăng sức chống cắt cũng xãy ra
trong nền xung quanh các cọc đất + vôi/cement do 1 lượng nước mất đi
( do phản ứng với vôi/cement )
3. Cấu tạo và đặc điểm của cọc đất + vôi / cement
3.1 Cấu tạo cọc:
- Có tiết diện ngang với đường kính Þ = ( 0.5 ÷ 1.6 )m ( phổ
biến có Þ = ( 0.6 ÷ 1.1 )m )
- Cọc có chiều dài khoảng ( 16 ÷ 33 )m
- Cọc đất + vôi / cement: có cường độ chòu nén lên đến 1500
KPa
- Đất nền sau khi gia cố bằng cọc đất + vôi / cement có thể chòu
được áp lực bề mặt đến 180 kPa ( 1.8 kG/cm² )
- Các chất kết dính có thể dùng để trộn: cement portland,

cement tro xỉ, vôi, các chất kết dính khác, các chất phụ gia.
- Hàm lượng chất kết dính: từ ( 80 ÷ 240 ) kg chất kết dính cần
cho 1m³ đất cần gia cố.
- Tỉ lệ sử dụng cọc đất + vôi / cement ( A )
Xét vùng đất cần gia cố có kích thước L x B
BL
d
nm
A
s
.
4

2
π
=
A = 0.1 ÷ 0.3
( ở Nhật A có thể lên đến 0.5 )
m, n: số hàng cọc đất + vôi / cement
d
s
: đường kính cọc
3.2 Đặc điểm
- Đối với nền đất dính không nên trộn vôi vì khi đó cần dùng 1 lượng
lớn vôi. Sau khi xãy ra các phản ứng có thể để lại trong nền 1 lượng
vôi dư thừa → gây nguy hại cho việc gia cố ⇒ nên trộn đất dính với
cement hay hỗn hợp 50% cement + 50% vôi.
Ngoài trường hợp trên thì nên trộn đất với vôi thay vì dùng cement vì :
+ Cọc đất + vôi có tính thấm nước tốt hơn nhiều cọc đất +
cement.

+ Lượng nước trong nền đất yếu mất đi nhiều hơn khi trộn với
cement.
- Đất trộn với vôi sống tốt hơn trộn với vôi tôi
4. Ứng dụng của cọc đất + vôi/cement
4.1 Trong xây dựng nền đường
- Cọc đất + vôi/cement: làm tăng tính ổn đònh cho nền đất dưới nền
đường
- Cọc đất + vôi/cement làm phân phối lại ứng suất trong nền nên làm
giảm biến dạng nén lún cho nền yếu.
4.2 Trong xây dựng nhà cửa
- Cọc đất + vôi/cement gia cố cho nền làm giảm độ lún, lún không đều
cho nền.
4.3 Ứng dụng cho đào đất sâu:
Cọc đất + vôi/cement được sử dụng nhằm:
- Làm giảm áp lực đất lên tường vây hố đào
- Làm tăng tính ổn đònh cho nền đất ở đáy hố đào, chống lại hiện
tượng đất ở đáy hố đào thường bò đẩy trồi lên.
4.4 Ứng dụng để gia cố mái hố đào
5. Bố trí các cọc đất + vôi /cement trên mặt bằng
6. Công tác khảo sát phục vụ cho thiết kế
Các công tác khảo sát chủ yếu cho nền đất bao gồm:
- Khảo sát cấu tạo đòa tầng của nền đất nơi xây dựng, thứ tự các lớp
đất, bề dày mỗi lớp, vò trí mực nước ngầm,…
- Khảo sát loại và hàm lượng chất kết dính, phù hợp với điều kiện đất
yếu: trộn thử các mẫu và nén thử.
- Khảo sát sự hiện diện của các lớp đất có chứa hữu cơ, sunfit.
- Khảo sát điều kiện lớp mặt nền ( độ dày, độ cứng chắc, sự xuất hiện
của các rễ cây, )
- Khảo sát sự hiện diện của các vật cản có thể có sâu trong nền ( các
đường ống, đường dây cáp điện,…)

Đơn
Lưới
Khối
Hàng/
Tường
* Trộn thử các mẫu: để xác đònh loại và hàm lượng chất kết dính tối
ưu:
- Lấy các loại chất kết dính khác nhau ( vôi, cement,…) với hàm lượng
nhiều ít khác nhau trộn với đất yếu để tạo nên các mẫu thử.
- Bảo dưỡng các mẫu thử rồi tiến hành nén thử các mẫu: sau thời gian
7 ngày, 28 ngày, 56 ngày theo thí nghiệm nén không bó hông.
* Hiệu quả của việc nén gia cố vôi / cement thể hiện qua tỉ số:
Sức kháng cắt của đất + vôi / cement
Sức kháng cắt của đất chưa gia cố
- Đối với đất yếu thuộc loại sét: tỉ lệ trên thường đạt từ 10 ∼ 40 ( đối
với đất có chứa hữu cơ, sunfit, hiệu quả gia cố có thể giảm đi, nên
cần phải lưu ý )
- Cần lưu ý: hiệu quả gia cố thu được ở ngoài hiện trường trên qui mô
lớn ( hơn so với phòng thí nghiệm ) có thể thấp hơn trong phòng thí
nghiệm do việc trộn đất ngoài hiện trường kém chất lượng.
→ Cần tiến hành thử cọc đất + vôi / cement ở ngoài hiện trường.