Bài giảng gia tải chân không rút ngắn thời gian cố kết đất yếu dưới công trình

Bài viết của PGS. Lê Kiều (Trường ĐHKT HN) gửi tặng các thành viên www.ketcau.com
1
Công nghệ mới :

GIA TẢI CHÂN KHÔNG RÚT NGẮN THỜI GIAN CỐ KẾT ĐẤT YẾU
DƯỚI CÔNG TRÌNH
PGs Lê Kiều
Trường Đại học Kiến trúc

Vấn đề :

Bài này giới thiệu về cơ chế, phát triển mới về kỹ thuật và ứng dụng của phương
pháp gia tải chân không tăng nhanh tốc độ cố kết nền đất yếu dưới công trình.
Sự phát triển mới bao gồm cả sử dụng thiết bị mới, sự mở rộng phương pháp,
phân tích số mới.

Khái niệm :

Từ năm 1952, Kjellman đã đề xuất ý tưởng dùng phương pháp gia tải chân
không để xử lý nền đất yếu khi làm công trình bên trên. Đã có một số tác giả
công bố về phương pháp này như Holtz ( 1975); Chen và Bao ( 1983); Bergado
và công sự ( 1998) ; Chu và cộng sự ( 2000); Indraratna và cộng sự (2005).
Bằng phương pháp kết hợp thiết bị mới với công nghệ mới, phương pháp này đã
có những cải thiện rõ rệt. Theo những nét chung thì sự thoát nước trong cát sử
dụng phương pháp bấc thấm đã phân bố áp lực chân không và làm thoát ra nước
lỗ rỗng. Áp lực chân không danh định là 80 kPa dùng khi thiết kế nhưng thực tế
đôi khi áp lực này đạt đến 90 kPa. Khi tải lớn trên 80 kPa thường dùng hỗn hợp
phương pháp hút chân không và gia tải.
Khi phải xử lý đất rất yếu, phương pháp hút chân không có hiệu quả nhanh hơn
phương pháp gia tải đơn thuần. như là khi áp lực chân không 80 kPa thường
được giữ không đổi trừ khi có tải tĩnh tác động thêm. Phương pháp hút chân

không để tăng tải cũng rẻ hơn khi so sánh với chỉ gia tải với sức tải tương đương
( Chu và cộng sự ). Phương pháp gia tải hút chân không là bộ phận của quá trình
cải tạo đất khi bùn sét vét từ đáy khi dùng vật liệu lấp để cải tạo đất. Bùn sét lấp
làm vật liệu lấp thì phương pháp gia tải hút chân không rất tốt để gia cố lớp bùn
sét. Hàng ngàn hecta đất ở Tianjin , Trung quốc, đã được cải tạo theo phương
pháp này ( Chen và Bao , 1983 ; Yan và Chu , 2005). Những năm gần đây, kỹ
thuật chân không tương tự đã sử dụng để cải thiện địa điểm xây dựng ( Lindhult
và cộng sự , 1995). Các phương án dựa vào kỹ thuật chân không để gia cường
cho độ ổn định của kết cấu tường chắn ( Miyazaki và cộng sự , 2005). Cơ chế
gia tải kiểu chân không hoặc theo cách gia tải truyền thống , những phát minh
mới thường liên quan đến thiết bị, máy móc mới, đến phương pháp tương tự số
hóa được đề cập đến được giới thiệu như dưới đây.

Một thí dụ tại Hàn Quốc đã xử lý nền đất yếu dưới đoạn đường cao tốc rút thời
gian cố kết nền đất đến ba năm. Xử lý hút chân không được thực hiện do công ty
Vacuum Menard như minh họa khu vực và sơ đồ:
Bài viết của PGS. Lê Kiều (Trường ĐHKT HN) gửi tặng các thành viên www.ketcau.com
2



Bố trí sơ đồ thực hiện theo phương pháp kết hợp bấc thấm và hút chân không:


Khu nhà máy xử lý nước thải cũng tại Hàn Quốc ( 1995) cũng được Công ty
Vacuum Menard thực hiện rút ngắn thời gian cố kết lớp đất yếu bên dưới rất
đáng kể : hàng năm trời.

Nhiều công trình cần sử dụng sớm, không đủ kiên nhẫn đợi chờ thời gian cố kết
lớp nền đất yếu bên dưới nên khi đưa vào sử dụng, công trình tiếp tục lún, sửa

chữa lớp mặt biết bao cho vừa mà công trình còn tiếp tục lún. Đường Pháp Vân
- Cầu Giẽ đưa vào sử dụng còn ghi đường còn chờ lún tiếp. Đường Văn Thánh
vào thành phố Hồ Chí Minh cứ làm, cứ chữa, chưa bao giờ hết lún vì lớp đất bên
dưới đã đủ độ cố kết để chịu lực đâu?
Bài viết của PGS. Lê Kiều (Trường ĐHKT HN) gửi tặng các thành viên www.ketcau.com
3

Ở nước ta gần đây, tại hai nhà máy điện khí Cà Mau đã dùng phương pháp gia
tải hút chân không. Kết quả cho thấy có thể rút ngắn được thời gian cố kết của
lớp sét yếu bão hòa nước dưới công trình đáng kể.
Một trong những băn khoăn là áp lực lỗ rỗng có cho phép thoát được nước để
nhường chỗ cho hạt sét lấp đầy làm tăng độ cố kết hay không ? Ảnh hưởng do
hút chân không sẽ ra sao khi tiến hành hút chân không? Bằng nhiều thực
nghiệm, kết hợp giữa phương pháp hút chân không với chất tải tĩnh cùng với
biện pháp bấc thấm ( thoát nước thẳng đứng ) ngày nay phương pháp này đã có
những kết quả đáng kể. Bài dưới sẽ lý giải về biện pháp này.

Lần đầu tiên ở Việt Nam sử dụng phương pháp cố kết chân không tại khu vực
khí điện đạm Cà Mau . Phương pháp cố kết chân không đã được áp dụng thành
công ở một số nước, trên vùng xưa kia là cánh đồng. Ở nước ta, một diện tích
90ha được dành cho nhà máy liên hợp khí, điện, đạm. Giai đoạn I xây dựng nhà
máy điện 720MW. Giai đoạn II là xây dựng nhà máy điện thứ 2 có cùng công
suất và giai đoạn III là xây dựng nhà máy có công suất 800.000tấn/năm.
Các yêu cầu về thiết kế cho cố kết như sau:
+ Lún dư không được vượt quá 10cm/10 năm cho toàn bộ diện tích xây dựng,
đối với mỗi cấp tải được xét.
+ Sức chịu tải nhỏ nhất là 2t/m
2
cho toàn bộ diện tích xây dựng, ngoại trừ:
+ Hạng mục nhà máy, yêu cầu có sức chịu tải là 5t/m

2
+ Phía dưới tháp làm mát có sức chịu tải yêu cầu là 8t/m
2

+ Dưới một số bồn chứa có sức chịu tải yêu cầu là 10t/m
2
.
Bộ phận quan trọng nhất của nhà máy là phần chia nước của nhà máy, đòi hỏi
phải được hoàn thành trong vòng 8 tháng từ khi bắt đầu đặt thiết bị tiêu nước
thẳng đứng (bấc thấm), đầu tiên. Đây là thách thức về thời gian nên phương
pháp gia tải chân không đã được áp dụng. Chúng tôi giới thiệu dưới đây nguyên
lý của phương pháp gia tải chân không rút ngắn thời gian cố kết của đất yếu
dưới lớp nền công trình.

Cơ chế :

Nguyên tắc và cơ chế của sự gia tải chân không đã được phân tích trong các tài
liệu như của Kjellman ( 1952), Chen và Bao (1983), Chu và cộng sự (2000) ,
Indraratna và cộng sự (2004). So sánh với phương pháp gia tải bằng cách chất
tải đơn thuần, áp lực lỗ rỗng của nước và ứng suất thay đổi trong quá trình tạo
chân không được phân tích như sau đây.
Quá trình cố kết của đất dưới tác động gia tải được minh họa như hình 1a.

Bài viết của PGS. Lê Kiều (Trường ĐHKT HN) gửi tặng các thành viên www.ketcau.com
4

Hình 1 . Mô hình tương tự hóa kiểu lò xo cho quá trình cố kết : (a) dưới tác động
của phương pháp chất tải đơn thuần ; (b) dưới sự gia tải chân không.

Áp lực ghi trong hình 1 là các giá trị tuyệt đối và p

a
là áp suất khí quyển. Tại
hình 1a, thời điểm khi tác động chất tải đơn thuần,
D
p là áp lực nước lỗ rỗng khi
chịu tải. Khi đất bão hòa nước, áp lực nước lỗ rỗng lớn trội ban đầu
D
u
o
tương
tự như
D
p khi chất tải đơn thuần. Dần dần áp lực nước lỗ rỗng lớn trội và tải
trọng chuyển từ nước sang dạng lò xo ( cốt liệu đất) như được mô tả trong hình
1a. Lượng tăng ứng suất có hiệu quả bằng lượng áp lực nước lỗ rỗng bị mất
giảm,
D
p -
D
u ( hình 1a). Tại thời điểm kết thúc giai đoạn cố kết ,
D
u = 0 và
tổng ứng suất hữu hiệu đạt được giống như trường hợp chất tải đơn thuần,
D
p (
hình 1a). Điều này nói lên rằng quá trình trên không phải do tác động của áp
suất khí quyển, p
a
.
Cơ chế gia tải chân không cũng được minh họa bằng cách tương tự sử dụng mô

hình lò xo trong hình 1(b).Khi tải trọng chân không được sử dụng như hình 1(b),
áp lực nước lỗ rỗng trong đất giảm. Ứng suất tổng sử dụng không đổi nhưng ứng
suất hữu hiệu trong đất lại tăng. Thời điểm khi có tải chân không, -
D
u , tác
động thì áp lực nước lỗ rỗng trong đất là p
a
. Dần dần áp lực lỗ rỗng giảm và bắt
đầu lò xo bị nén , điều này có nghĩa là cốt liệu đất tạo ra ứng suất hữu hiệu.
Lượng ứng suất hữu hiệu tăng lên bằng lượng áp lực nước lỗ rỗng giảm đi,
D
u
sẽ không vượt quá áp suất khí quyển, p
a
, hay trong thực tế thường là 80 kPa .

Kỹ thuật :
Hệ thống gia tải chân không điển hình giới thiệu tại hình 2 ( Chu và cộng sự,
2000) . Ống bấc thấm và các ống ngang được dùng để phân bố áp lực chân
không và làm mất nước lỗ rỗng. OOnga ngang và đầu trên của ống bấc thấm
nằm trong lớp cát gia tải, truyền chân không vào các ống bấc thấm. Những ống
chứa bấc thấm đường kính từ 50 ~ 100 mm có gân gờ dùng làm ống ngang.
Những ống này có đục lỗ ở thân ống và được quấn quanh bằng vải thấm nước
dùng làm lớp lọc như hình 3(a). Ống ngang nối với ống chủ để phân bố lực chân
không. Ba lớp nylon (PVC) mỏng phủ trên mặt khu vực định hút chân không.
Các lớp nylon này có mép ngoài đặt trong rãnh theo 4 cạnh bao quanh khu vực
Bài viết của PGS. Lê Kiều (Trường ĐHKT HN) gửi tặng các thành viên www.ketcau.com
5
hút chân không. Do vậy khu đất cần hút chân không được chia thành các phân
khu nhỏ để dễ đặt các lớp nylon.

Hình 2A : Minh họa hệ thống hút chân không
1, Ống bấc thấm ; 2, Ống ngang ; 3, Lớp phủ ; 4, Đường thoát nước; 5, Van một
chiều ; 7, Bơm phụt ; 8, Bơm ly tâm ; 9, Rãnh ; 10, Ống chủ để hút chân không ; 11,
Màng che chắn

Những phát triển mới :

Sử dụng những tấm thoát nước
Hình 2 trên vừa giới thiệu sơ đồ kỹ thuật tạo chân không mấy năm gần đây.
Ống hút chân không được làm liền với ống bấc thấm qua các hình tiến triển
thuận lợi
hơn.