Nền nhân tạo

Nền nhân tạo


5.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Khi nền thiên nhiên không đủ khả năng chịu tải, tải trọng giới hạn nhỏ hơn 30kPa, biến dạng lớn, đồng thời tải trọng công trình
không quá lớn nhưng diện tích mặt bằng lớn như nhà kho, đường sá, khi đó người ta nghĩ đến giải pháp gia cố nền.

2
Đất yếu là những đất có khả năng chịu lực thấp (0,5-1kG/cm ), hầu như hoàn toàn bão hòa nước, có hệ số rỗng lớn (thường lớn
2
hơn 1), hệ số nén lún lớn, mô đun tổng biến dạng bé (E0≤50kG/cm ), trị số sức kháng cắt không đáng kể. Công trình xây dựng
trên đất yếu buộc phải xử lý, nếu không khó hoặc không thể thi công được.

Đất yếu có thể là đất sét yếu, đất cát yếu, bùn, than bùn, đất thải,…Ở Việt Nam, đất yếu phân bố chủ yếu ở vùng đồng bằng:
- Vùng đồng bằng Bắc bộ.
- Đồng bằng Thanh-Nghệ –Tĩnh
- Đồng bằng ven biển miền trung
- Đồng bằng Nam bộ.


Phương hướng gia cố nền nhân tạo đất yếu gồm có:
1. Cải tạo sự phân bố ứng suất và điều kiện biến dạng của nền
Biện pháp này thường dùng khi lớp đất yếu có chiều dày không lớn, nằm trực tiếp dưới móng công trình. Đất nền được gia cố bằng
đệm cát, đệm đất, bệ phản áp,…
Đệm cát thường được dùng để thay thế lớp đất yếu có chiều dày không lớn hơn 3m dưới móng tường, móng cột trong các công trình
dân dụng, công nghiệp, dưới bản đáy các công trình thủy lợi…

2. Tăng độ chặt đất nền
Tăng độ chặt đất nền bằng cọc cát, cọc vôi, giếng cát, gia tải trước bằng tải trọng tĩnh, nén chặt đất trên mặt và dưới sâu.
Khi chiều dày lớp đất yếu lớn hơn 2m có thể dùng cọc cát để nén chặt, trị số mo đun biến dạng ở trong cọc cát và ở vùng đất được nén

chặt xung quanh là như nhau nên nền đất khi này được xem như nền thiên nhiên.
Cọc vôi dùng để nén chặt các lớp đất bão hòa nước, đất than bùn.


Nếu công trình có tải trọng lớn tác dụng thay đổi theo thời gian được đặt trên bùn, than bùn, đất dính bão hòa nước thì có thể dùng
giếng cát để rút ngắn thời gian lún nhằm khi đưa công trình vào sử dụng, độ lún tiếp đó không vượt giới hạn cho phép.

Gia tải trước bằng tải trọng tĩnh làm cho nền đất được nén chặt một phần, độ ẩm và biến dạng của đất giảm đi, khả năng chịu lực
tăng lên và công trình có thể sử dụng ngay sau khi thi công.


Xử lý nền đất yếu bằng biện pháp cọc cát đầm chặt



Đặc điểm và phạm vi áp dụng

Dùng biện pháp thích hợp tạo nên các lỗ có đường kính 20 ÷ 40cm trên nền đất yếu rồi nhồi đầy cát vào những lỗ này và đầm chặt. Sau khi làm cọc
cát xong, trước khi xây móng, nên rải một lớp cát cùng loại với cọc cát dưới móng dày khoảng 20cm để dễ thoát nước.
Nhiều khi người ta còn dùng một số vật liệu khác để trộn với cát đổ vào trong lỗ cọc như vôi hoặc ximăng.

Tác dụng

- Làm cho độ rỗng, độ ẩm của nền đất giảm đi, trọng lượng thể tích, modun biến dạng, lực dính và góc ma sát trong tăng lên.
- Do nền đất được nén chặt, nên sức chịu tải tăng lên, độ lún và biến dạng không đều của đất nền dưới đế móng giảm đi đáng kể.
- Dưới tác dụng của tải trọng, cọc cát và vùng đất được nén chặt xung quanh cọc cùng làm việc đồng thời, đất được nén chặt đều trong khoảng
cách giữa các cọc. Vì vậy sự phân bố ứng suất trong nền được nén chặt bằng cọc cát có thể được coi như một nền thiên nhiên.
- quá trình cố kết của nền đất diễn ra nhanh hơn.

Ưu điểm
- có độ tin cậy cao
- tạo khả năng thoát nước ở xung quanh cọc làm tăng độ cố kết cho nền đất.
- Sử dụng cọc cát rất kinh tế so với cọc cứng (so với cọc bê tông giá thành giảm 50%, so với cọc gỗ giảm 30%), không bị ăn mòn, xâm thực.
Biện pháp thi công đơn giản không đòi hỏi những thiết bị thi công phức tạp.

Nhược điểm:

- Tuy nhiên cọc cát có nhược điểm là kéo dài thời gian thi công và tạo ra chấn động trong quá trình thi công ảnh hưởng đến sự an toàn công trình
lân cận.
- Nếu cọc cát còn thoát nước thì có khả năng dễ bị tắc đường thấm do các hạt nhỏ chui vào cọc và có thể bị ngắt đường thấm do nền đất bị biến
dạng.
Phạm vi áp dụng:

Cọc cát được sử dụng trong các trường hợp sau đây: Công trình chịu tải trọng lớn trên nền đất cát rời rạc (độ chặt tương đối Id ≤ 1/3) hoặc tỉ
lệ khe hở tương đối lớn hoặc là đất cát pha, sét pha có chỉ số độ sệt IL ≥ 1; chiều dày lớp đất yếu cần gia cố lớn hơn 3m.

Không nên dùng cọc cát: - Chiều dày lớp đất yếu <3m (dùng đệm cát thích hợp hơn)
- Đất quá nhão yếu (dùng cọc cát không thể đầm chặt được đất)


Phương pháp tính cọc cát một cách ước lượng

-

Người ta coi vùng đất bị ảnh hưởng có dạng hình tròn có đường kính De (đường kính ảnh hưởng)
- Khi bố trí hình tam giác đều: De = 1,05.S
- Khi bố trí hình vuông: De = 1,113.S

Với S là khoảng cách giữa 2 tâm cọc.

Mục đích làm cọc cát là để giảm bớt trị số của hệ số rỗng cho nên đầu tiên phải quyết định giảm hệ số rỗng đến giá trị nào đó.

Δe = e - etk

 Đất có tính chất cát
etk = emax – Id.(emax – emin)

 Đất sét pha
Hàm lượng nước sau khi làm rắn chắc:
Wtk = WP – IL.(WL – WP)
Lúc đó hệ số rỗng tương ứng là:

etk = Wtk .

Trong đó:
+ γs: Trọng lượng riêng của hạt;
+ γn: Trọng lượng riêng của nước.

 Cát pha sét
etk = 0,6 - 0,8, tính chất cát nhiều thì dùng trị số nhỏ, tính dính nhiều thì dùng trị số lớn.

γs
γn


Diện tích được lèn chặt tính theo công thức:
A = (b + 2.c).(l + 2.c)
Trong đó:

+ c = 0,1.b nhưng không nhỏ hơn 0,5m;
+ b và l: Chiều rộng và chiều dài móng.
Tổng diện tích mặt cắt ngang cọc cát cần thiết để lèn chặt nền có diện tích A từ e 0 đến etk là:

e0 − etk
F=
.A
1 + e0

Từ đó tính được số lượng cọc cát cần thiết:

F
n=
fc
Trong đó:
+ f : diện tích 1 cọc cát;
c
+ d: đường kính cọc cát.

2
fc = π.d /4


Thường bố trí cọc cát theo hình tam giác đều, khi đó khoảng cách giữa các cọc cát (S) được tính như sau:

S=

π .d 2 . ( 1 + e0 )
3. ( e0 − etk )

≈ 0,952.d .

( 1 + e0 )

( e0 − etk )

Với biện pháp thi công hiện nay thì đường kính cọc cát tối đa có thể là 45cm
=> để tăng hiệu quả của cọc cát: dùng sơ đồ bố trí tam giác và tăng khoảng cách giữa các cọc cát

Với cọc cát đường kính thông thường sử dụng là d = 40cm, khoảng cách S nên chọn trong khoảng (1 – 1,5m)

Khối lượng cát cần thiết trên 1m dài cọc cát:

Trong đó:
+ γhc: Trọng lượng đơn vị hạt của cát làm cọc;
+ etkc: Hệ số rỗng của cát sau khi lèn chặt;
+ W1: Độ ẩm của cát làm cọc.

F .γ hc 
W 
G=
. 1 + 1 ÷
1 + etkc  100 


Sức chịu tải của nền đất được nén chặt bằng cọc cát có thể lấy lớn hơn từ 2 ÷3 lần sức chịu tải của nền đất thiên nhiên khi chưa gia cố; với nền
2
đất sét, đất bùn có thể lấy từ 2 ÷ 3daN/cm .

Độ lún nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát được tính theo công thức:

n
Sc=

∑ pi hi
i =1

β
E0 i

trong đó:
i: số lớp nằm trong chiều sâu chịu nén của đất nền;
p : ứng suất trung bình phụ thêm của lớp đất thứ i do tải trọng công trình truyền xuống;
i
h : chiều dày lớp đất thứ i trong vùng chịu nén của nền đất;
i

: hệ số hiệu chỉnh cho sơ đồ tính đã đơn giản hóa, lấy β = 0,80 cho tất cả các loại đất;
E : môđun biến dạng của lớp đất thứ i:
0i


Các bước chính thi công cọc cát
Trình tự thi công như sau:
- Chuẩn bị mặt bằng;
- Đóng, rung để hạ ống vách thép đến độ sau thiết kế;
- Cho cát vào ống vách;
- Đầm chặt cát và tạo ra đường kính cọc như thiết kế.

Tiến hành đào hố móng theo bản vẽ thiết kế và không đào tới cốt đáy hố móng mà để chừa lại khoảng 1 m để khi xây móng sẽ vét đi
vì cát ở đầu cọc thường không chặt. Rồi tiến hành đóng cọc cát bằng máy chuyên dụng

Nhờ bộ phận chấn động, máy ấn ống thép vào đất đến độ saai thiết kế. Khi ấn đầu ống thép đóng lại. Sau đó nhấc bộ phận chấn động
ra, nhồi cát vào và đổ cao chừng 1m. Rồi lại đặt máy chấn động và rung trong khoảng 15-20s. Tiếp theo bỏ máy chấn động ra và rút
ống lên 0,5m rồi lại đặt máy chấn động vào và rung 15s để cho đầu của ống mở ra và cát tụt xuống. Sau đó rút ống lên dần dần với
vận tốc đều, vừa rút ống vừa rung cho cát được làm chặt.


 Biện pháp bấc thấm xử lý nền đất yếu
Xử lý nền đất yếu bằng phương pháp bấc thấm là phương pháp thoát nước thẳng đứng lên lớp đệm cát bằng bấc thấm kết hợp với việc gia
tải trước, làm tăng tốc độ cố kết của nền đất yếu

Phạm vi áp dụng

- Xây dựng nền đường trên đất yếu có yêu cầu tăng nhanh tốc độ cố kết và tăng nhanh cường độ của đất yếu để bảo đảm ổn định nền đắp
và hạn chế độ lún trước khi làm kết cấu áo đường.

- Tôn nền trên đất yếu để làm mặt bằng chứa vật liệu, để xây dựng các kho chứa một tầng, để xây dựng các công trình dân dụng và công
nghiệp loại nhỏ có tải trọng phân bố trên diện rộng (sau khi nền đã lún đến ổn định).
- Xây dựng các công trình dân dụng trên nền đất yếu.


Ưu điểm:
+ Công nghệ thi công phổ biến, thiết bị thi công đơn giản;
+ Thời gian thi công nhanh hơn giếng cát;
+ Vật liệu được sản xuất trong nhà máy
+ Phù hợp với những vị trí có chiều dày lớp đất yếu nhỏ hơn 20m

Nhược điểm:
+ Tốc độ cố kết chậm, thời gian chờ lún cố kết lâu hơn biện pháp giếng cát;
+ Chiều sâu xử lý nhỏ hơn biện pháp giếng cát
+ Tốc độ thoát nước giảm theo thời gian

+ độ lún dư sau khi xử lý lớn hơn biện pháp giếng cát
+ Không cải thiện tính chất cơ lý của đất yếu, độ ổn định và khả năng chống trượt thấp
+ mức độ rủi ro cao, diễn biến phức tạp.


Cấu tạo các bộ phận chính của biện pháp bấc thấm

 Bấc thấm
Bấc thấm dạng băng: rộng 100mm, dày từ 2 đến 10mm lõi có dạng máng, dạng bản hoặc lưới chéo

Bấc thấm tròn là ống có gờ, thân có lỗ, đường kính ngoài của lõi 50mm, đường kính trong 45mm, có khả năng chống bẹp, chống lão
hóa, chịu được va đập và lực kéo.


Các thông số quan trọng của bấc thấm
- Khả năng thoát nước
-6 3
-6 3
Khả năng thoát nước dưới áp lực 10KPa với gradient thủy lực i=0,5 từ 80.10 m /s đến 140.10 m /s. Khả năng thoát nước dưới áp
-6 3
-6 3
lực 400KPa với gradient thủy lực i=0,5 từ 60.10 m /s đến 80.10 m /s Đối với bấc thấm đã được cắm vào nền đất, khả năng thoát nước
của bấc thấm bị giảm đi đáng kể. Nguyên nhân sự giảm khả năng thoát nước của bấc thấm có thể kết luận là:
+ Sự biến dạng và sự rão của lớp vải địa kỹ thuật làm thay đổi mặt cắt thoát nước.
+ Sự giảm độ thấm của lớp vải địa kỹ thuật và sự lắng đọng các hạt nhỏ trong cấu trúc lõi làm tắc đường bọc thoát nước.
+ Sự giảm khả năng thoát nước của bấc thấm do bị gập hay bị uốn cong trong quá trình lún cố kết của nền đất.

- Độ bền kéo
Cường độ chịu kéo (cặp hết chiều rộng bấc thấm) không dưới 1,6 kN. Độ giãn dài (cặp hết chiều rộng bấc thấm) lớn hơn 20%.

 Tầng đệm cát
Chiều dày tầng đệm cát tối thiểu là 50 cm và phải có biện pháp đảm bảo thoát nước ngang

Cát để làm tầng đệm cát phải là cát thô hoặc cát trung, đạt các yêu cầu sau:
- Tỷ lệ cỡ hạt lớn hơn 0,5mm phải chiếm trên 50%
- Tỷ lệ cỡ hạt nhỏ hơn 0,14mm không quá 10%
- Hệ số thấm của cát không nhỏ hơn 10

-4

m/sec

- Hàm lượng hữu cơ không quá 5%
Độ đầm nén của lớp đệm cát phải thỏa mãn hai điều kiện:
- Máy thi công di chuyển và làm việc ổn định.
- Phù hợp độ chặt K yêu cầu trong kết cấu nền đắp.

 Vải địa kỹ thuật
- Dùng vải địa kỹ thuật để ngăn cách giữa lớp đất yếu và lớp đệm cát
- Sử dụng vải địa kỹ thuật để tăng khả năng chống trượt của khối đắp
- Sử dụng vải địa kỹ thuật để làm kết cấu tầng lọc ngược.


Tính toán bấc thấm
Các bước chính thi công bấc thẩm xử lý đất nền đất yếu.
Quy định về bố trí bấc thấm như sau:
+ Phải bố trí bấc thấm phân bố đều trên mặt bằng của công trình có điều kiện địa chất công trình như nhau.

+ Đối với công trình đường thì phải bố trí bấc thấm đến chân ta luy của nền đắp.

+ Bố trí mạng lưới bấc thấm có thể theo hình tam giác đều hoặc theo hình ô vuông.
+ Để không làm xáo động đất quá lớn, khoảng cách giữa các bấc thấm quy định tối thiểu là 1,30m. Để bảo đảm hiệu quả làm việc
của mạng lưới bấc thấm, khoảng cách lớn nhất giữa các bấc thấm không quá 2,20m.


Trình tự thi công bấc thấm:

•Thi công lớp đệm cát trên đầu bấc thấm (phải thi công tầm đệm cát trước khi thi công cắm bấc thấm);
•Thi công cắm bấc thấm
•Đắp vật liệu gia tải và dỡ tải
•Quan trắc lún.




Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng bơm hút chân không



Đặc điểm và phạm vi áp dụng
Phương pháp nén trước bằng chân không là một trong những phương pháp gia cố nền đất sét yếu, theo đó, áp suất chân không được

áp dụng lên một diện tích nền được bao bởi các tấm (màng) vật liệu kín khí, để bơm thoát nước lỗ rỗng chứa trong nền làm cho đất cố kết
nhanh.

 Nguyên lý
Nguyên lý của phương pháp bơm hút chân không là kết hợp với bấc thấm, đôi khi cả gia tải để tăng nhanh quá trình cố kết của đất
yếu.



Phạm vi áp dụng
Được sử dụng để xử lý nền đất yếu của các công trình như đường ô tô, công trình dân dụng và công trình thủy lợi như đê đập với

chiều sâu tương đối lớn khoảng 10 ÷ 25m. Dùng cho các loại nền đất yếu bão hòa nước như sét yếu bão hòa nước, bùn…


Ưu điểm
Tăng nhanh thời gian cố kết của đất;
Do áp lực chân không được phân bố đều trong đất, tạo cố kết đẳng hướng, nên nền đất ổn định hơn;
Giảm thiểu đáng kể lượng vật liệu đắp, diện tích đắp;
Có thể nói đây là công nghệ xanh, thân thiện với môi trường.
Nhược điểm
Rất khó làm kín khí.
Có giới hạn về độ sâu gia cố.
Hiệu quả thấp đối với nền gồm các tầng cát với hệ số thấm cao nằm xen kẹp.
Giá thành cao do sử dụng các cọc cừ ngăn cách vùng cần gia cố nhằm làm tăng độ chân không.




Thi công biện pháp bơm hút chân không xử lý nền đất yếu



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.

Đại diện của nhóm phương pháp thi công HCK có màng kín khí là phương pháp MVC (Menard Vacuum Consolidation).
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.
Giữ kín khí trên toàn bộ diện tích màng phủ, đặc biệt 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.




Nhóm phương pháp thi công không có màng kín khí


Biện pháp dùng cọc xi măng đất



Đặc điểm và phạm vi áp dụng

Cọc ximăng đất (Deep soil mixing columns, soil mixing pile) là hỗn hợp giữa đất nguyên trạng nơi gia cố và ximăng được phun xuống nền
đất bởi thiết bị khoan phun.

Hiện nay thi công cọc ximăng đất phổ biến hai công nghệ: Công nghệ trộn khô (Dry Jet Mixing) và công nghệ trộn ướt (Wet Mixing).



Phạm vi ứng dụng

Các ứng dụng khác nhau của trộn sâu cho công việc gia cố tạm thời hoặc lâu dài cho công trình trên cạn hoặc dưới nước
Các ứng dụng chủ yếu của cọc ximăng đất là: giảm độ lún, tăng cường ổn định và chống đỡ.