Báo cáo kỹ thuật xử lý nền đất yếu vacuum consolidation for soft soils

VACUUM CONSOLIDATION FOR SOFT SOILS

VACUUM CONSOLIDATION FOR SOFT SOILS
1. TÓM LƯỢC (ABSTRACT)
- Giai đoạn gia tải trước hay phụ tải để cố kết các loại đất yếu bão hòa (như sét mềm)
luôn được yêu cầu đảm bảo về độ ổn định vì những loại đất này có sức chịu tải rất
kém. Cố kết chân không so với phương pháp gia tải trước truyền thống là sẽ không
gây ra mất ổn định với nền yếu. Cố kết chân không thường được sử dụng như một lựa
chọn khác cho việc gia tải hoặc thêm phụ tải khi có những lo ngại về mất ổn định. Bài
báo này sẽ trình bày một nghiên cứu về ứng dụng kỹ thuật cố kết chân không trong
giải pháp cố kết nền đất yếu.
- Cảng sâu Kuching Deepwater Port dọc theo Sungai Sarawak cách cửa sông Sarawal
12km, miền Đông Malaysia. Điều kiện đất nền có 20m bùn sét yếu nằm trên lớp sét
cứng hơn, lớp đất đá nằm ở độ sâu 30m, mực nước ngầm cách mặt đất tự nhiên 3m và
đạt mức cao nhất là 1.5m. Lượng nước đến khoảng 60% và nhìn chung rất gần với
giới hạn chảy. Với trường hợp lớp yếu quá dầy, việc cần làm là phải tiến hành xử lý
để tăng sức chống cắt của đất và giảm độ lún sau thi công. Bấc thấm kết hợp phụ tải
là phương pháp chính trong khu vực cảng. Tuy nhiên, một khu vực rộng 40m và dài
300m dọc theo bờ sông, cần được sử dụng kỹ thuật cố kết chân không bởi vì sự mất
ổn định có thể gây ra bởi phụ tải chất thêm. Áp lực chân không 0.6 bars cho giai đoạn
kéo dài 2 tháng được áp dụng để tạo ra phụ tải tương đương với khối đất cao
3m.Trong giai đoạn này, độ lún trung bình ghi nhận được là 60 cm. sức chống cắt của
lớp sét yếu đã tăng 12-19 KN/m2. Hệ số an toàn được tính toán là 1.6 trong quá trình
cố kết chân không.
2. GIỚI THIỆU (INTRODUCTION)
- 1994, lãnh đạo cảng Kuching bắt đầu xây dựng cảng sâu mới tại Kampung Senari,
Sarawak. Đó là 1 cảng ven sông nằm cách Sungai 12 km.
- Kế hoạch hoàn chỉnh cho cảng hoàn thành vào 1998. Nhận thấy được sự cấp thiết của
dự án, công tác xử lý nền sử dụng bấc thấm kết hợp phụ tải được xúc tiến. Nó được
diễn ra trong suốt quá trình thiết kế chi tiết dự án, điều này là để tận dụng thời gian
cho lớp sét yếu cố kết để tăng sức chống cắt của đất và giảm độ lún sau thi công.

- Trong hợp đồng về công tác đất, 3 khối đất đúng kích thước thực tế được tiến hành để
nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng cách bấc thấm để độ lún. Hình 1 thể hiện 3 vị trí
thí nghiệm, bấc thấm sâu 26m. Nền đáp T1 ở vị trí bãi container nơi dự kiến có tải
chất nhiều nhất. Khoảng cách giữa các bấc thấm là 1.5m theo lưới tam giác. Nền đắp
T2 ở khu vực kho mở với tải trọng ít hơn, bấc thấm khoảng cách 2m bố trí lưới tam
giác. Nền đắp T3 ở vị trí bãi đậu xe hơi với tải trọng không đáng kể, không sử dụng
bấc thấm,T3 sử dụng để kiểm sóat tải nền đắp. Ở cả 3 vị trí, 3m đất được đắp lên tới
cao độ +8.5m.
Page | 1


VACUUM CONSOLIDATION FOR SOFT SOILS
-

Dải đất 300m rộng 40m dọc theo bờ sông được đánh giá là không ổn định với bấc
thấm kết hợp 3m đất phụ tải. Vì mất ổn định, phần đất phụ tải được giới hạn cách xa
bờ sông 30m. Hình 2 thể hiện mặt cắt dọc khu vực. Mặt bằng làm việc ở cao độ
+5.5m, cao độ hoàn thiện là +7.0m. Phần đất đắp tới cao độ +8.5m; tổng cộng lớp đất
thêm là 3m trong đó có 1.5m là phần phụ tải chất thêm. Độ dốc trung bình của của bờ
sông là 1V:6H. Mức thủy triều dao động từ +1.3m đến 0.0m. Bến cảng được kết nổi
với cảng chính bằng cầu trên cọc. Với sự hiện diện của lớp đất yếu dầy, việc cần thiết
là phải cố kết dải đất này để hạn chế sự lún lệch giữa các cọc đỡ cầu với cảng chính.
Vì vậy, cố kết chân không được tiến hành ở cao độ +7.0m, áp lực chân không thiết kế
0.6 bars (tương đương 3m đất) được sử dụng để cố kết. Hệ số an toàn cung trượt được
tính toàn là 1.6 trong quá trình cố kết.

3. NGUYÊN LÝ CỐ KẾT BẰNG CHÂN KHÔNG
(PRINCIPLE OF VACUUM CONSOLIDATION)
- Dr. W. Kjellman giới thiệu khái niệm “phụ tải chân không” tại Royal Geological
University, Thụy Sĩ, năm 1952 là 1 phương pháp hiệu quả để cải tạo nền đất yếu.

Năm 1957, kỹ thuật này đã được sử dụng cho việc mở rộng sân bay ở Philadenphia
với áp suất chân không 0.5 bars. Vào những năm 1960s, Liên Hiệp Kỹ Sư Mỹ đã
nghiên cứu về tính khả thi của ứng dụng cố kết bằng chân không cho áp lực nước.
Những nghiên cứu độc lập về cố kết chân không được tiến hành trong 2 thập kỷ sau
đó. Gần đây, với sự tăng lên về giá thành của đất đắp cũng như việc vận chuyển đất
đắp đã thúc đẩy những sáng kiến mới về công nghệ. Với sự ra đời của những công
nghệ mới, sử dụng màng địa kỹ thuật và thiết bị bơm hơi nước chuyên dụng, cố kết
chân không giờ đây đã được công nhận và sử dụng rộng rãi như một phương pháp
thay thế hoặc bổ sung cho phụ tải.
- Cố kết bằng chân không so với việc sử dụng phụ tải sẽ không gây ra sự mất ổn định
nền đất yếu. Thay vì gia tăng ứng suất hữu hiệu bằng cách gia tăng ứng suất tổng theo
như cách dùng phụ tải, cố kết chân không tạo ra áp lực nước lỗ rỗng âm trong khi ứng
Page | 2


VACUUM CONSOLIDATION FOR SOFT SOILS

-

-

suất tổng không thay đổi. Theo nguyên lý của Terzaghi về ứng suất hữu hiệu cho đất
bão hòa hoàn toàn, sự thay đổi ứng suất có hiệu (’) chính là sự thay đổi áp lực
nước lỗ rỗng thặng dư (-u’) khi ứng suất tổng (t) giữ nguyên. Khi mà áp lực nước
lỗ rỗng thặng dư (u) giảm, ứng suất hữu hiệu (’) sẽ tăng. Kết quả là sự gia tăng sức
bền cũng như sự giảm thể tích của đất.
Hình 3 minh họa hiệu quả của cố kết chân không trên 1 khối đất. Nó cho thấy trường
hợp không sử dụng chân không (3a) và trường hợp áp dụng chân không (3b). Hiệu
quả chính là sự gia tăng ứng suất có hiệu vì sự xuất hiện của áp lực nước lỗ rỗng âm
gây ra bởi sự xả áp chân không (vacuum depressurization).

Dưới sự cố kết chân không, đất yếu chịu tác dụng như áp lực đẳng hướng. Nó không
giống với trường hợp gia tải khi đất chỉ chịu ứng suất lệch. Hình 4 cho thấy lộ trình
ứng suất với p’ là ứng suất hữu hiệu trung bình, q là ứng suất lệch. Trong trường hợp
sử dụng phụ tải, trạng thái ứng suất cuối cùng (final stress state) luôn trong vùng
active zone h<0, biểu diễn sự dịch chuyển ngang ra bên ngoài bờ. Trong khi đó, cố
kết bằng chân không có trạng thái ứng suất cuối cùng nằm dưới đường K0. Trong
vùng passive zone, tức là có h<0, biểu diễn sự dịch chuyển ngang vào bên trong bờ.
Như vậy với việc gia tăng lực dính giữa các lớp thoát nước, cố kết bằng chân không
tăng mức độ ổn định của nền đất yếu bão hòa nước.

Page | 3


VACUUM CONSOLIDATION FOR SOFT SOILS

-

Nguyên lý cơ bản của quá trình bao gồm việc lắp đặt một màng vải địa kỹ thuật trên
nền đất yếu cần cố kết. Áp lực chân không sau đó được tạo ra bên dưới lớp màng này.
Hình 5 thể hiện quá trình lắp đặt hệ thống cố kết chân không và hình 6 là lược đồ các
thành phần theo French Method (Menard Vacuum Technique).

-

Theo Menard Vacuum Technique, có nhiều yếu tố về kỹ thuật và vận hành để có 1 hệ
thống hoạt động tốt. Sau đây là những yếu tố chính:
o Sự lắp đặt hệ thống thoát nước ngang cho phép nước thoát đi một cách hiệu
quả trong suốt quá trình cố kết. Lớp đất đắp thoát nước (drainage layer) sẽ
không tạo ra áp lực chân không.

Page | 4


VACUUM CONSOLIDATION FOR SOFT SOILS
o Kiểm tra các đường thấm đứng và ngang thường xuyên vì trong quá trình cố
kết có thể gây ra những chuyển vị ngang.
o Đất dưới các rãnh xung quanh khu vực cố kết phải duy trì mức độ bão hòa
hoàn toàn
4. ĐIỀU KIỆN CÔNG TRÌNH (SITE CONDITIONS)
- Công trình bị ngập trong khi triều cao và bao quanh bởi rừng ngập mặn và rừng nipah
trước khi cải tạo. Khi triều thấp, có thể thấy được những con kênh bao quanh công trình
với dòng sông chính Sungai Langit chảy ra Sungai Sarawak.
- Về địa chất có lớp phù sa nằm phía trên, lớp đá cứng xuất hiện ở độ sâu 30m và trên nó là
lớp phù sa, được xem như lớp sét yếu. bề dầy lớp sét này thay đổi từ 20m đến 30m.
- Chương trình khảo sát địa chất chi tiết bao gồm 9 hố khoan, 12 thí nghiệm đo áp lực
nước lỗ rỗng (piezocone), 19 thí nghiệm cắt cánh hiện trường (field vane shear), trên khu
vực 12000 m2 xử lý cố kết chân không. Kết quả khảo sát cho thấy 20m sét phía trên rất
yếu, có sức chống cắt 10 kN/m2 ở 5m trên cùng. Mực nước ngầm ở độ sâu 3m và dâng
lên 1.5m khi triều cao. Độ chứa nước khoảng 60%. Giới hạn dẻo và giới hạn nhão lần
lượt à 20% và 70%. Lớp sét yếu là đất cố kết thường đến cố kết trước nhẹ.

5. THIẾT BỊ ĐO ĐẠC (INSTRUMENTATION)
- Quá trình cố kết chân không được tiến hành trên 3 khu vực zone 1, zone 2, zone 3 theo
như điều kiện tại công trình đã được trình bày. Trong đó, zone 2 được bao ngoài bởi cửa
sông Sungai Langit. Khu vực này được cải tạo bằng cát đắp trong quá trình chuẩn bị công
Page | 5


VACUUM CONSOLIDATION FOR SOFT SOILS

-

trường, chiều cao cát đắp là 5m. Tốc độ thấm của đất vào khoảng 1.2x10-3 cm/s và người
ta nhận thấy rằng cần phải xây dựng tường chắn nước tại các rãnh bao quanh công trình
để giảm thiểu sự thấm nước bên ngoài vào. Công tác cố kết bằng chân không sẽ được tiến
hành ở cao độ +7.0m.
Thiết bị đo đạc gồm có 24 máy cắt cánh hiện trường (field vane shear), 20 thiết bị quan
trắc lún nông (settlement plate) và thiết bị quan trắc lún sâu (extensometer), 6 máy đo
chuyển vị ngang (inclinometer) và 16 đồng hồ đo áp lực chân không (CPV). Thiết bị đo
áp lực chân không (CPV) được lắp đặt bên trong tấm phủ thoát nước đặt bên dưới lớp vải
địa kỹ thuật để đo sự giảm áp lực chân không thực sự trong đất.

6. KẾT QUẢ (RESULTS)
6.1. Áp lực chân không (Induced Vacuum Pressures)
- Kết quả đọc từ thiết bị hiển thị CPV cho thấy 1 giá trị trung bình khoảng 0.7 bars ở zone
1 và zone 3. Ở zone 2, kết quả từ CPV khá thất thường và ghi lại kết quả thấp hơn, nhìn
chung vào khoảng 0.55-0.6 bars. Rõ ràng, sự xuất hiện những khe hở xảy ra ở các tường
chắn nước (làm cho nước thấm quá). Biển pháp bổ sung được thực hiện là phải đảm bảo
cho các rãnh nước luôn duy trì trạng thái bão hòa hoàn toàn.
- Biểu đồ 9 cho là kết quả trên màn hình CPV. Máy bơm chân không được giữ trong 65
ngày cho zone 1 và zone 2 và 60 ngày cho zone 3. Tuy nhiên, máy bơm chân không được
kích hoạt lại thêm 15 ngày cho zone 1 để nghiên kiến ứng xử “reloading”.

6.2. Độ lún (Settlements)
- Độ lún đạt được sau 2 tháng sử dụng kỹ thuật cố kết chân không là 55-60 cm ở zone 1 và
zone 3, trong khi ở khu vực 2 chỉ lún 35 cm.
- Độ lún nhỏ hơn ở khu vực 2 là do sự giảm áp chân không thấp hơn và bề dầy lớp sét
mỏng hơn, vì đã được thay thế bằng 5m cát đắp. Độ cố kết trung bình kể đến áp lực chân
không là 76% cho zone 1 và zone 3, và 72% cho zone 2.

Page | 6


VACUUM CONSOLIDATION FOR SOFT SOILS
-

Hình 10 thể hiện quan hệ độ lún và thời gian ở cả 3 zone.

6.3. Chuyển vị ngang (Lateral Movements)
- Inclinometers được gắn xung quanh khu vực sử dụng cố kết chân không và cách các
mương bao quanh 2-3 m. Chỉ số đọc được cho kết quả trung bình đất bị dịch chuyển nén
vào bên trong khoảng 3-5 cm.
6.4. Sức chống cắt (Shear Strength)
- Để đánh giá sức chống cắt, người ta thực hiện thí nghiệm cắt cánh tại hiện trường và sau
khi cố kết bằng chân không tại cùng một vị tri. Kết quả thu được ghi lại trên hình 11.

-

Có thể thấy rằng, sức chống cắt tăng lên ở cả 3 zone. Sự gia tăng sức chống chắc ở zone 1
và zone 3 khoảng 12-19 kN/m2, ở zone 2 là 9-11 kN/m2.
Sức chống cắt sau khi cố kết chân không được ghi lại trong bảng 1:
Page | 7


VACUUM CONSOLIDATION FOR SOFT SOILS

7. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ (DISCUSSIONS)
7.1. Độ lún (Settlements)
- Thiết bị quan trắc lún mặt được bố trí theo lưới 100mx100m cho toàn bộ khu vực cảng.
độ lún trung bình từ khu đất đắp sử dụng nền đất đắp (test embarkment) và cảng tổng hợp

sau 12 tháng cố kết được ghi nhận trong bảng 2:

Giả thiết rằng mv=0.72m2/MN (dựa vào BH2) cho ra được độ lún 58.1 cm. Có thể thấy
rằng, giá trị quan trắc lún khá phù hợp với kết quả tính toán.
- Sau 2 tháng cố kết chân không, độ lún trung bình ghi nhận ở zone 1 và zone 3 vào
khoảng 55-60 cm, không sai lệch so với kết quả bên trên (58.1 cm). Do đó, ta có thể nói
rằng việc cố kết chân không rút ngắn thời gian cho giai đoạn cố kết.
- Kết quả của zone 2 không được đưa vào so sánh vì lớp sét của khu này đã bị thay bằng
5m cát đắp.
7.2. Chuyển vị ngang (Lateral Movements)
- Kết quả chuyển vị ngang:
-

Page | 8


VACUUM CONSOLIDATION FOR SOFT SOILS

-

-

-

Có thể thấy rằng khu vực vùng sử dụng tải đắp T1 và T2 có độ lún lớn hơn cho ra chuyển
vị ngang tối đa lớn hơn so với T3, vùng chỉ sử dụng đất đắp mà không xài bấc thấm
đứng.
Inclinometer được lắp đặt trong khu vực cố kết chân không cho kết quả chuyển vị ngang
nhỏ hơn khoảng 3-5 cm và cho ra dịch chuyển theo hướng ngược lại. Do đó tạo ra sự ổn
định cho nên đất tốt hơn.

Hơn nữa, độ lún theo phương đứng của khu vực cố kết chân không nhìn chung nhỏ hơn
so với phương pháp bấc thấm gia tải trước cũng là do không có sự dịch chuyển lớn theo
phương ngang của lớp đất yếu bên dưới khỏi lớp đất đắp bên trên.

7.3. Sức chống cắt (Shear Strength)
- Bảng 4 trình bày sự gia tăng sức chống cắt sau 12 tháng của phương pháp cố kết bằng
nền đắp.

-

Có thể thấy rằng, sức chống cắt ở T1 và T2 (có sử dụng bấc thấm đứng) tăng nhiều hơn
so với T3.
Sự gia tăng sức chống cắt ở 3 khu vực dùng đất đắp để cố kết so với phương pháp cố kết
bằng chân không là gần như giống nhau. Từ đó có thể suy ra rằng, mặc dù việc cố kết
bằng phụ tải sẽ cho sức chống cắt tăng nhiều hơn đôi chút, nhưng nếu xét trong một
khoảng thời gian ngắn, hiệu quả của nó sẽ thấp hơn phương pháp cố kết bằng chân
không.
Page | 9


VACUUM CONSOLIDATION FOR SOFT SOILS

8. KẾT LUẬN
- Bài báo này trình bày việc ứng dụng kỹ thuật cố kết nền đất bằng chân không sẽ cho
những nền đất yếu sự ổn định cần thiết, khi mà phương án sử dụng bấc thấm kết hợp gia
tải là không khả thi. Dựa vào những trình bày bên trên, có thể kết luận những ý sau:





Công nghệ cố kết chân không có thể sử dụng hiệu quả cho giải pháp gia cố nền đất
rất yếu, chú ý bịt kín những mương nước xung quanh khu vực đang được xử lý.
Sự giảm áp chân không có thể gây ra 1 áp lực 0.7 kg/cm2, tương đương với 3.5-4 m
đất đắp trong suốt quá trình cố kết chân không kéo dài 2 tháng.
Thời gian cố kết bằng chân không trong 2 tháng sẽ tạo ra độ lún và sự gia tăng sức
chống cắt tương đương với việc chất 1.5 m đất đắp trong 12 tháng.
Cố kết chân không tạo ra các dịch chuyển ngang hướng vào trong với mức độ chỉ
khoảng 10-15% so với chuyển vị ra bên ngoài của phương pháp bấc thấm kết hợp
gia tải trước.

Page | 10