ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT HÚT CHÂN KHÔNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU KHI XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI VÙNG VEN BIỂN (*)
GS.TS. NGUYỄN CHIẾN - TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
THS. PHẠM QUANG ĐÔNG - NCS ĐẠI HỌC THỦY LỢI
Tóm tắt: Ở Việt Nam phương pháp cố kết hút chân không (HCK) xử lý nền đất yếu đã được ứng dụng cho một số công trình giao thông và công nghiệp. Trong khi đó các công trình thủy lợi (CTTL) vùng ven biển như đê và các công trình qua đê thường xây trên nền đất yếu và dễ ngập nước trong mùa mưa lũ nên cần phải tăng tốc độ thi công xử lý nền. Trong bài giới thiệu công nghệ HCK và các phương pháp thi công cụ thể; điều kiện áp dụng công nghệ HCK cho xây dựng các CTTL vùng ven biển; các nội dung tính toán thiết kế xử lý nền bằng HCK và ví dụ áp dụng.
THE APPLICATION VACUUM CONSOLIDATION METHOD FOR IMPROVEMENT POOR UNDERLYING SOIL FOR CONSTRUCTION HYDRAULIC WORKS IN COASTAL ZONE
Abstract: Vacuum consolidation method for improvement poor underlying soil is now being applied in Vietnam on some of highway and industrial works. Mean while hydraulic works in coastal zone, such as dikes and underdike structures are often constructed on poor and easy to be flooded in rainy seson underlying soil, and it is necessary to increase speed of improvement it. In this paper introducted vacuum consolidation technology (VCT) an some of realization methods, VTC applied conditions for construction hydraulic works in costal zone. The paper presents contents of design for VTC and cites calculation as example.
1. Đặt vấn đề
Phương pháp cố kết HCK xử lý nền đất yếu để xây dựng công trình đã được ứng dụng nhiều trên thế giới. Ở Việt Nam, công nghệ này mới được áp dụng trong khoảng hơn chục năm gần đây và chủ yếu cho các công trình giao thông, công nghiệp.
Công nghệ HCK cũng rất thích hợp cho việc xử lý nền để xây dựng các CTTL vùng ven biển. Việt Nam có hơn 3000 km bờ biển. Với nền kinh tế đang phát triển mạnh mẽ, nhu cầu xây dựng các tuyến đê biển và đê vùng cửa sông ven biển là rất lớn nhằm bảo vệ các khu dân cư, kinh tế và các vùng đất canh tác. Nhu cầu này càng cấp thiết trong điều kiện biến đổi khí hậu toàn cầu và nước biển dâng. Đặc điểm của nhiều tuyến đê và CTTL vùng ven biển là được xây dựng trên nền đất yếu và bị ngập nước trong mùa mưa lũ. Vì vậy cần phải áp dụng các biện pháp gia tăng tốc độ xử lý nền nhằm giảm độ lún và tăng khả năng chịu tải, đảm bảo an toàn cho công trình xây dựng. Phương pháp cố kết HCK làm tăng nhanh tốc độ cố kết đất nền nên đáp ứng được các yêu cầu này.
2. Mô tả công nghệ
2.1.Tổng quát
Hút chân không (HCK) là phương pháp xử lý nền bằng cách bơm hút nước ra khỏi đất nền để giảm hệ số rỗng, tăng liên kết giữa các hạt đất, nhờ đó mà giảm được độ lún và tăng sức chịu tải của nền khi xây dựng công trình. Hiện nay trên thế giới có rất nhiều công ty xây dựng triển khai công nghệ HCK, mỗi một công ty lại có những cải tiến riêng, những thiết bị riêng để phù hợp với các công trình xây dựng mà công ty đó thực hiện. Vì vậy trong thực tế có nhiều biện pháp thi công HCK khác nhau. Tuy nhiên các phương pháp này đều dùng gia tải để hỗ trợ quá trình rút nước khỏi nền. Về cơ bản có thể phân thành hai loại chính là thi công HCK có màng kín khí và không có màng kín khí.
2.2.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 suất 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 1). 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.
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý phương pháp MVC
Nhìn chung, phương pháp MVC có ưu điểm là có thể giảm khối lượng gia tải, tuy nhiên công tác chuẩn bị thi công phức tạp do phải hàn nối màng kín khí và kiểm soát chặt chẽ khả năng kín khí của màng.
2.3. Nhóm phương pháp thi công không có màng kín khí
Nguyên tắc của nhóm phương pháp thi công không có màng kín khí dựa trên việc đơn giản hóa phương pháp MVC bằng cách 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). Nhìn chung nhóm phương pháp này thi công đơn giản, nhưng khối lượng gia tải lại tương đối lớn.
Đại diện cho nhóm thi công HCK không có màng kín khí là phương pháp Beaudrain (hệ thống ống tập trung nước được thi công lắp đặt ngầm dưới mặt đất) và phương pháp Beaudrain-S (hệ thống ống tập trung nước được thi công lắp đặt nổi trên mặt đất, sau đó đắp lớp gia tải phủ lên trên).
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. Điều này làm cho áp suất chân không trong bấc đạt tới độ sâu lớn hơn, tăng lưu lượng nước bơm hút được.
Hình 2. Sơ đồ nguyên lý phương pháp thi công không có màng kín khí
3. Điều kiện áp dụng cho CTTL
Các điều kiện áp dụng phương pháp HCK xử lý nền khi xây dựng các công trình thủy lợi vùng ven biển như sau:
3.1. Đối với đê:
- Xây dựng trên vùng đất không thường xuyên ngập nước, thời gian có thể thi công trên khô từ 4-6 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 daN/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 địa 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).
3.2. 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 giống như đối với đê đã nêu ở trên;
- Khi áp lực đáy móng công trình lớn thì cần so sánh kinh tế - kỹ thuật với các giải pháp xử lý nền khác.
4. Các nội dung tính toán thiết kế xử lý nền đất yếu bằng HCK
4.1. Các tài liệu cần thiết cho thiết kế
4.1.1. Tài liệu về công trình xây dựng.
Cần thu thập thông tin về nhiệm vụ, cấp công trình; bố trí cụ thể công trình, phạm vi chiếm đất, tải trọng lớn nhất của công trình lên nền, các yêu cầu về xử lý nền (hạn chế lún, tăng cường độ, giảm hệ số thấm); yêu cầu về thời gian thi công xử lý nền.
4.1.2. Tài liệu địa hình.
- Bình đồ khu vực xây dựng công trình.
- Hiện trạng mặt bằng khu vực xây dựng: cây cối, khe lạch, tình trạng ngập nước …
- Các công trình ở lân cận khu vực xây dựng: quy mô, cự ly đến biên công trình.
4.1.3. Tài liệu địa chất công trình.
a) Các tài liệu từ khảo sát địa chất thông thường.
- Địa tầng khu vực nền công trình.
- Các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất: thành phần hạt, độ ẩm tự nhiên, hệ số rỗng tự nhiên, dung trọng tự nhiên, dung trọng khô, tỷ trọng hạt, giới hạn chảy, giới hạn dẻo, hệ số nén lún (nén nhanh), lực dính đơn vị và góc ma sát trong (cắt trực tiếp), hệ số thấm.
- Mực nước ngầm.
b) Các tài liệu khảo sát bổ sung cho việc thiết kế xử lý nền bằng HCK.
- Sức kháng cắt không thoát nước Cu hoặc Su.
- Chỉ tiêu độ bền jcu, Ccu (cố kết không thoát nước).
- Hệ số thấm ngang (Kr) và thấm đứng (Kv).
4.2. Lựa chọn hình thức xử lý nền
4.2.1. Các điều kiện để xem xét lựa chọn phương pháp HCK khi xử lý nền:
a) Nền đất yếu có độ rỗng lớn hơn 0,4.
b) Đất yếu có cường độ chịu tải nhỏ hơn 0,9 daN/cm2.
c) Nền địa chất có tính chất đồng nhất tương đối (xem mục 3.1).
d) Chiều sâu yêu cầu xử lý không quá 30m. Trường hợp chiều sâu bắt buộc phải xử lý lớn hơn 30m thì tính hiệu quả của phương pháp bơm HCK giảm hẳn, khi đó cần phân tích, so sánh một số phương án để lựa chọn hợp lý.
e) Các công trình ở lân cận không bị ảnh hưởng bởi quá trình xử lý. Việc hạ thấp mực nước ngầm trong xử lý bằng bơm HCK không làm mất ổn định các công trình lân cận.
4.2.2. Điều kiện để lựa chọn xử lý HCK bằng phương pháp có màng kín khí.
a) Có các điều kiện ở mục 4.2.1.
b) Có mặt bằng thi công đủ rộng để bố trí thiết bị, đào hào vây;
c) Có hạn chế về khối lượng vật liệu gia tải;
4.2.3. Điều kiện để lựa chọn HCK bằng phương pháp không có màng kín khí.
a) Có các điều kiện ở mục 4.2.1.
b) Mặt bằng thi công bị hạn chế.
c) Có đủ khối lượng vật liệu gia tải phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của nền công trình.
d) Có hệ thống thiết bị công nghệ phù hợp.
4.3. Tính toán thiết kế xử lý nền bằng bơm hút chân không
4.3.1. Xác định chiều dày lớp gia tải.
a) Đối với phương pháp HCK có màng kín khí.
Theo phương pháp này, lớp gia tải có vai trò chính là tạo khoảng không để bơm hút khí, tạo áp lực chân không phía dưới màng kín khí. Vì vậy, vật liệu gia tải cần có hệ số thấm khí lớn, còn chiều dày lớp gia tải thì không cần lớn, thường trong khoảng 0,5÷1,5 m, tùy thuộc loại máy bơm và khả năng cung cấp vật liệu gia tải. Máy bơm có công suất lớn thì chọn chiều dày gia tải thiên lớn.
b) Đối với phương pháp hút chân không không có màng kín khí.
Trường hợp này, chiều dày lớp gia tải phải đủ lớn để ngăn không khí đi vào nền đang được xử lý bơm hút. Ngoài ra, lớp gia tải còn có tác dụng tăng tốc độ cố kết đất nền.
Theo điều kiện kín khí, chiều dày gia tải HS(m) được xác định theo công thức (1):
(1)
trong đó:
Pvac: áp suất chân không dưới lớp gia tỉa kín khí (KN/m2);
gw: trọng lượng riêng của nước (KN/m3);
Qa: lưu lượng máy bơm hút chân không (m3/s);
Kair: hệ số thấm khí của lớp gia tải kín khí (m/s);
A: diện tích bề mặt xử lý (m2).
4.3.2. Xác định chiều sâu cắm bấc thấm.
Chiều sâu cắm bấc thấm phụ thuộc vào điều điện địa chất nền, cấp tải trọng do công trình tác dụng lên nền và yêu cầu hạn chế độ lún sau khi xây dựng công trình. Trước khi quyết định biện pháp xử lý nền cần thực hiện các tính toán địa kỹ thuật, xác định:
- Ổn định tổng thể của công trình trên nền (trạng thái giới hạn I);
- Độ lún của công trình (lún sơ cấp, lún cố kết, lún dư): theo trạng thái giới hạn II.
Từ các tính toán nêu trên sẽ xác định được yêu cầu về xử lý nền để tăng cường độ (đảm bảo ổn định) và giảm độ lún dư (đảm bảo điều kiện biến dạng). Chiều sâu nền cần xử lý là trị số lớn nhất xác định từ 2 điều kiện đã nêu. Chiều sâu cắm bấc được xác định như sau:
- Trường hợp chiều dày lớp đất yếu trong nền nhỏ hơn chiều sâu cần xử lý theo tính toán: lấy chiều sâu cắm bấc bằng chiều dày lớp đất yếu, tức là hút chân không xử lý toàn bộ lớp đất yếu trong nền.
- Trường hợp chiều dày lớp đất yếu trong nền lớn hơn chiều sâu cần xử lý theo tính toán: lấy chiều sâu cắm bấc bằng chiều sâu cần xử lý.
- Nếu chiều sâu cắm bấc xác định như trên đây có giá trị L ≥ 30m thì cần luận chứng bằng cách so sánh với một số phương án xử lý khác.
4.3.3. Lựa chọn loại bấc thấm.
Việc lựa chọn loại bấc thấm chủ yếu phụ thuộc vào khả năng cung cấp của thị trường và thông số kỹ thuật của máy cắm bấc. Hiện nay, điều kiện cung cấp bấc thấm của thị trường là tương đối dễ dàng. Vì vậy việc lựa chọn loại bấc là theo đặc tính kỹ thuật của hệ thống thiết bị do từng đơn vị thi công sở hữu.
4.3.4. Lựa chọn sơ đồ cắm bấc.
Trong thi công thường gặp 2 sơ đồ cắm bấc chính là sơ đồ tam giác và sơ đồ hình vuông. Việc chọn sơ đồ nào là phụ thuộc vào cách vận hành thiết bị cắm bấc.
4.3.5. Xác định khoảng cách cắm bấc (d).
Khoảng cách cắm bấc phụ thuộc vào thời gian gia cố cho phép và khối lượng gia tải. Trình tự tính toán như sau:
- Với một thời gian gia cố dự định trước (t) giả thiết một số giá trị khoảng cách bấc thấm d.
- Với trị số t và d, theo các công thức tính toán cố kết, xác định được chiều dày gia tải tương ứng HS.
- So sánh kinh tế giữa các phương án khoảng cách bấc thấm d, với các thành phần chi phí được tính bao gồm chi phí cho bấc thấm (tính theo tổng chiều dài bấc) và chi phí theo gia tải (tính theo tổng khối lượng gia tải), từ đó lựa chọn được khoảng cách bấc thấm hợp lý.
Bài toán xác định mối quan hệ giữa khoảng cách cắm bấc với các thông số khác (chiều sâu cắm bấc, chiều dày gia tải, áp lực chân không, thời gian xử lý …) có thể được giải theo các phương pháp khác nhau. Thường sử dụng các phần mềm tính toán chuyên dụng (ví dụ: các phần mềm Plaxis, Fossa, Msettle…).
4.3.6. Lựa chọn máy bơm và sơ đồ nối ống.
Thông thường đối với một đơn vị thi công, hệ thống máy bơm đã được trang bị sẵn và được sử dụng cho nhiều công trình. Khi đó nội dung tính toán không phải là chọn máy bơm mà là chọn sơ đồ nối ống tập trung nước vào máy bơm, theo các bước sau:
- Tính toán khả năng tập trung nước của một bấc thấm Qg (m3/s);
- Tính toán số bấc thấm do 1 máy bơm phụ trách:
(2)
trong đó:
Qa: năng lực của máy bơm (m3/s);
Qg: khả năng tập trung nước của 1 giếng (bấc), m3/s;
Kb: hệ số xét đến tổn thất năng lượng trong hệ thống tập trung nước.
Khi một máy bơm phụ trách hút nước cho nhiều ống thì thường nối ống theo sơ đồ phân cấp: cấp 1- ống nối với máy bơm; cấp 2- các ống cùng đổ vào một ống cấp 1; cấp 3- các ống cùng đổ vào một ống cấp 2.
4.3.7. Bố trí hệ thống hào vây.
Hệ thống hào vây chỉ được bố trí khi xử lý bơm HCK có màng kín khí. Nhiệm vụ của hào là để nhém mí màng kín khí phủ trên bề mặt khu vực xử lý. Sau khi gắn chặt mí màng chống thấm vào đáy hào thì đổ vữa bentonite lên để làm kín khí. Trong trường hợp quy mô khu vực xử lý không lớn thì có thể dùng đất sét nhão để nhém mí màng chống thấm thay cho vữa bentonite.
Hào được đào trong đất nguyên thổ, với kích thước mặt cắt không lớn: chiều rộng đáy: (0,3÷0,5)m; chiều sâu: (0,4÷0,6)m; hệ số mái dốc: m = 0,5÷1,0 (phụ thuộc vào khả năng ổn định của mái).
4.3.8. Bố trí thiết bị quan trắc, bao gồm:
Thiết bị quan trắc thường bao gồm: quan trắc lún đứng bề mặt (lún tổng); quan trắc lún cho từng lớp địa chất; quan trắc lún nghiêng (chuyển vị ngang); quan trắc áp lực nước lỗ rỗng trong đất, áp lực chân không trong bấc thấm.
Các số liệu quan trắc được sử dụng trong quá trình xử lý để điều chỉnh áp lực chân không khi bơm hút cho phù hợp với sơ đồ tính toán và quyết định thời điểm dừng bơm hút (khi độ cố kết đã đạt yêu cầu thiết kế).
5. Ví dụ áp dụng
Yêu cầu tính toán các thông số để xử lý nền bằng hút chân không cho đê biển có mặt cắt như hình 3 (đê biển Ba Tri, Bến Tre). Các chỉ tiêu cơ lý của đất nền và đất đắp đê như ở bảng 1 (thân đê được gia cố bằng cốt vải địa kỹ thuật). Tính toán khối lượng và giá thành xử lý nền cho một đoạn đê có chiều dài 20m.
Hình 3 - Mặt cắt đê biển tính toán
Bảng 1: Các chỉ tiêu cơ lý của đất nền và thân đê
|
Thông số
|
Ký hiệu
|
Đơn vị
|
Lớp 1
|
Lớp 1c
|
Đất đắp đê
|
|
Độ ẩm tự nhiên
|
Wn
|
%
|
56,5
|
27,2
|
24,1
|
|
Giới hạn chảy
|
LL
|
%
|
59
|
28
|
|
|
Giới hạn dẻo
|
PL
|
%
|
33
|
19
|
|
|
Chỉ số dẻo
|
A
|
%
|
33
|
9
|
|
|
Dung trọng tự nhiên
|
γw
|
kN/m3
|
15,8
|
18,1
|
|
|
Dung trong khô
|
γk
|
kN/m3
|
10,1
|
14,2
|
|
|
Tỷ trọng hạt
|
∆
|
|
2,70
|
2,71
|
|
|
Độ rỗng
|
n
|
%
|
62,6
|
47,4
|
|
|
Hệ số rỗng
|
e
|
|
1,671
|
0,902
|
|
|
Độ bão hòa
|
G
|
%
|
91,3
|
81,7
|
|
|
Lực dính đơn vị
|
C
|
kN/m²
|
4.0
|
0.4
|
19.0
|
|
Góc ma sát trong
|
j
|
độ
|
1°25’
|
21°09’
|
7°
|
|
Hệ số thấm
|
kt
|
cm/s
|
1,210-5
|
9,510-3
|
|
|
Hệ số ép co (p = 0,5kG/cm2)
|
a0,5
|
cm2/kG
|
0,44
|
|
|
|
Mô đun đàn hồi (p = 0,5kG/cm2)
|
E0,5
|
kG/cm2
|
5,70
|
|
|
|
|
Giải:
a) Phân loại đất nền và trạng thái của đất (theo TCXD 45-78)
- Lớp 1: A=33% - loại sét; B = 0,9: trạng thái dẻo chảy;
- Lớp 1c: A = 9% - loại á sét; B = 0,91: trạng thái dẻo chảy.
- Cả 2 lớp (1 và 1c ) đều có n > 40% nên thuộc loại đất yếu cần xử lý để giảm độ rỗng do đó giảm độ lún và tăng khả năng chiu tải.
- Kết quả tính ổn định cho thấy đê bị mất ổn định với mặt trượt nằm hoàn toàn trong phạm vi lớp 1(do thân đê đã được gia cường bằng cốt vải địa kỹ thuật).
b. Xác định phạm vi xử lý
Chọn phạm vi xử lý là đất lớp 1 sát dưới thân đê mà không xử lý đến lớp 1c do:
- Đất lớp 1 rất yếu (φ = 1°25’ ; n = 62,6%)
- Đất lớp 1c có khả năng chịu lực cao ( φ = 21°09’), hệ số thấm lớn gấp 792 lần so với lớp 1, nếu cắm bấc thấm đến lớp 1c thì nước từ bên ngoài sẽ thấm mạnh vào khu vực xử lý, làm giảm hiệu quả HCK.
c. Chọn các thông số xử lý
- Chiều dài bấc thấm: L = 7,0 m (trong phạm vi lớp 1).
- Loại bấc thấm: loại tiêu chuẩn có mặt cắt a x b = 100 x 4 mm.
- Cự ly bấc: tính với các phương án d = 0,8m ; 1,0m; 1,2m; 1,5m.
- Phương pháp thi công HCK: có màng kín khí.
- Áp lực chân không khống chế: P = 70kPa
- Chiều dày gia tải trước: T = 1,0m; vật liệu: đất á cát có γw = 16 kN/m³.
d. Tính toán độ lún và cố kết trong quá trình xử lý HCK
- Phần mềm tính toán: sử dụng phần mềm FoSSA ( 2.0 )
- Các thông số đầu vào (tính được từ tài liệu đất nền và lớp gia tải).
Đất nền γw = 15,8 kN/m³; e0 = 1,671; E = 1728 kN/m²; Cc = 0.58 ; Cr = 1,16 ; Cv = 1,307m²/ngày.
Lớp gia tải: γw = 16,0 KN/m³
Áp lực gia tải tương đương: P = 86 KPa
- Kết quả tính toán: quan hệ S ~ t như trên bảng 2 và hình 4
Bảng 2.Kết quả tính toán quan hệ S ~ t,d
|
C.sâu
bấc thấm
|
K.thước
bấc thấm
|
K.c bấc thấm d(m)
|
Lún theo thời gian (tháng)
|
Lún
cuối cùng (m)
|
|
0
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
|
7m
|
a =100mm
|
0.8
|
0.000
|
0.518
|
0.666
|
0.725
|
0.749
|
0.758
|
0.762
|
0.763
|
0.764
|
0.764
|
|
b = 4mm
|
1
|
0.000
|
0.475
|
0.629
|
0.701
|
0.735
|
0.750
|
0.758
|
0.761
|
0.763
|
|
|
1.2
|
0.000
|
0.451
|
0.606
|
0.684
|
0.723
|
0.744
|
0.754
|
0.759
|
0.762
|
|
|
|
1.5
|
0.000
|
0.431
|
0.584
|
0.667
|
0.712
|
0.736
|
0.749
|
0.756
|
0.760
|
Hình 4.Kết quả tính toán quan hệ S-t,d
e. Phân tích kết quả
- Với các phương pháp cắm bấc khác nhau đều cho độ lún ổn định (sơ cấp Sp = 0,764m).
- Thời gian HCK(t) để đạt được độ lún St = 90% Sp
Cự ly bấc d (m) : 0,8 1,0 1,2 1,5
t (ngày) : 51 56 58 60
- Bằng so sánh kinh tế giữa các yếu tố: tổng chiều dài cắm bấc và thời gian duy trì HCK, chọn được phương án hợp lý là d =1,0m tương ứng t = 56 ngày; tp = 360 ngày, độ lún còn lại là ∆S = 0,076< ∆SCP = 0,15m. (Trị số ∆SCP lấy bằng một nửa độ vượt cao an toàn của đê, ở đây là đê cấp IV: a = 0.3m).
Kết quả khái toán kinh phí xử lý nền bằng HCK (phương pháp có màng kín khí) cho một đoạn đê dài 20 m là K= 375.564.000 đồng (bình quân 626.000 đồng/m2).
6. Kết luận:
1) Các CTTL vùng ven biển thường được xây dựng trên nền đất yếu và bị ngập nước trong mùa mưa lũ, do đó cần áp dụng các biện pháp xử lý để đẩy nhanh quá trình cố kết của đất nền nhằm giảm độ lún và tăng ổn định của công trình. Phương pháp cố kết HCK có thể đáp ứng tốt các yêu cầu này nên cần được xem xét áp dụng.
2) Điều kiện để áp dụng công nghệ HCK xử lý nền CTTL vùng ven biển là đất nền phải có tính đồng nhất tương đối và thời gian bị ngập nước không quá 6-8 tháng/năm. Trường hợp trong nền có lớp thấm mạnh thì cần xét phương án không cắm bấc thấm đến chiều sâu của lớp này. Khi chiều sâu nền cần xử lý vượt quá 30 m thì phương pháp HCK cho hiệu quả thấp.
3) Trong thiết kế xử lý nền bằng HCK cần phân tích các điều kiện để lựa chọn phương pháp thi công phù hợp. Tóm tắt các nội dung tính toán thiết kế như nêu ở mục 4 của bài.
4) Từ ví dụ tính toán trong bài cho thấy việc áp dụng công nghệ HCK trong xây dựng các CTTL vùng ven biển là có tính khả thi và có nhiều lợi thế để đẩy nhanh tốc độ thi công, giảm chi phí xử lý nền đất yếu.
(*) Bài báo đã được đăng trên Tạp chí Địa kỹ thuật, số 2 năm 2012
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.Nguyễn Chiến, Tô Hữu Đức, Phạm Huy Dũng. Phương pháp cố kết hút chân không xử lý nền đất yếu trong xây dựng công trình. NXB Xây dựng. Hà Nội, 2011.
2. Nguyễn Chiến, Tô Hữu Đức, Phạm Quang Đông. Một số kết quả nghiên cứu thí nghiệm hiện trường về phương pháp cố kết chân không xử lý nền đường cao tốc Long Thành- Dầu Giây. Tạp chí KHKT Thủy lợi và Môi trường số 32, tháng 3-2011.
3. Trần Quang Hộ, Trịnh Thị Thùy Dương, Võ Minh Thắng. Hiệu quả của phương pháp cố kết chân không kết hợp với gia tải trước trên nền đất yếu khu công nghiệp Phú Mỹ. Tạp chí Địa kỹ thuật số 4- 2009.
ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT HÚT CHÂN KHÔNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU KHI XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI VÙNG VEN BIỂN (*)
GS.TS. NGUYỄN CHIẾN - TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
THS. PHẠM QUANG ĐÔNG - NCS ĐẠI HỌC THỦY LỢI
Tóm tắt: Ở Việt Nam phương pháp cố kết hút chân không (HCK) xử lý nền đất yếu đã được ứng dụng cho một số công trình giao thông và công nghiệp. Trong khi đó các công trình thủy lợi (CTTL) vùng ven biển như đê và các công trình qua đê thường xây trên nền đất yếu và dễ ngập nước trong mùa mưa lũ nên cần phải tăng tốc độ thi công xử lý nền. Trong bài giới thiệu công nghệ HCK và các phương pháp thi công cụ thể; điều kiện áp dụng công nghệ HCK cho xây dựng các CTTL vùng ven biển; các nội dung tính toán thiết kế xử lý nền bằng HCK và ví dụ áp dụng.
THE APPLICATION VACUUM CONSOLIDATION METHOD FOR IMPROVEMENT POOR UNDERLYING SOIL FOR CONSTRUCTION HYDRAULIC WORKS IN COASTAL ZONE
Abstract: Vacuum consolidation method for improvement poor underlying soil is now being applied in Vietnam on some of highway and industrial works. Mean while hydraulic works in coastal zone, such as dikes and underdike structures are often constructed on poor and easy to be flooded in rainy seson underlying soil, and it is necessary to increase speed of improvement it. In this paper introducted vacuum consolidation technology (VCT) an some of realization methods, VTC applied conditions for construction hydraulic works in costal zone. The paper presents contents of design for VTC and cites calculation as example.
1. Đặt vấn đề
Phương pháp cố kết HCK xử lý nền đất yếu để xây dựng công trình đã được ứng dụng nhiều trên thế giới. Ở Việt Nam, công nghệ này mới được áp dụng trong khoảng hơn chục năm gần đây và chủ yếu cho các công trình giao thông, công nghiệp.
Công nghệ HCK cũng rất thích hợp cho việc xử lý nền để xây dựng các CTTL vùng ven biển. Việt Nam có hơn 3000 km bờ biển. Với nền kinh tế đang phát triển mạnh mẽ, nhu cầu xây dựng các tuyến đê biển và đê vùng cửa sông ven biển là rất lớn nhằm bảo vệ các khu dân cư, kinh tế và các vùng đất canh tác. Nhu cầu này càng cấp thiết trong điều kiện biến đổi khí hậu toàn cầu và nước biển dâng. Đặc điểm của nhiều tuyến đê và CTTL vùng ven biển là được xây dựng trên nền đất yếu và bị ngập nước trong mùa mưa lũ. Vì vậy cần phải áp dụng các biện pháp gia tăng tốc độ xử lý nền nhằm giảm độ lún và tăng khả năng chịu tải, đảm bảo an toàn cho công trình xây dựng. Phương pháp cố kết HCK làm tăng nhanh tốc độ cố kết đất nền nên đáp ứng được các yêu cầu này.
2. Mô tả công nghệ
2.1.Tổng quát
Hút chân không (HCK) là phương pháp xử lý nền bằng cách bơm hút nước ra khỏi đất nền để giảm hệ số rỗng, tăng liên kết giữa các hạt đất, nhờ đó mà giảm được độ lún và tăng sức chịu tải của nền khi xây dựng công trình. Hiện nay trên thế giới có rất nhiều công ty xây dựng triển khai công nghệ HCK, mỗi một công ty lại có những cải tiến riêng, những thiết bị riêng để phù hợp với các công trình xây dựng mà công ty đó thực hiện. Vì vậy trong thực tế có nhiều biện pháp thi công HCK khác nhau. Tuy nhiên các phương pháp này đều dùng gia tải để hỗ trợ quá trình rút nước khỏi nền. Về cơ bản có thể phân thành hai loại chính là thi công HCK có màng kín khí và không có màng kín khí.
2.2.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 suất 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 1). 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.
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý phương pháp MVC
Nhìn chung, phương pháp MVC có ưu điểm là có thể giảm khối lượng gia tải, tuy nhiên công tác chuẩn bị thi công phức tạp do phải hàn nối màng kín khí và kiểm soát chặt chẽ khả năng kín khí của màng.
2.3. Nhóm phương pháp thi công không có màng kín khí
Nguyên tắc của nhóm phương pháp thi công không có màng kín khí dựa trên việc đơn giản hóa phương pháp MVC bằng cách 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). Nhìn chung nhóm phương pháp này thi công đơn giản, nhưng khối lượng gia tải lại tương đối lớn.
Đại diện cho nhóm thi công HCK không có màng kín khí là phương pháp Beaudrain (hệ thống ống tập trung nước được thi công lắp đặt ngầm dưới mặt đất) và phương pháp Beaudrain-S (hệ thống ống tập trung nước được thi công lắp đặt nổi trên mặt đất, sau đó đắp lớp gia tải phủ lên trên).
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. Điều này làm cho áp suất chân không trong bấc đạt tới độ sâu lớn hơn, tăng lưu lượng nước bơm hút được.
Hình 2. Sơ đồ nguyên lý phương pháp thi công không có màng kín khí
3. Điều kiện áp dụng cho CTTL
Các điều kiện áp dụng phương pháp HCK xử lý nền khi xây dựng các công trình thủy lợi vùng ven biển như sau:
3.1. Đối với đê:
- Xây dựng trên vùng đất không thường xuyên ngập nước, thời gian có thể thi công trên khô từ 4-6 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 daN/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 địa 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).
3.2. 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 giống như đối với đê đã nêu ở trên;
- Khi áp lực đáy móng công trình lớn thì cần so sánh kinh tế - kỹ thuật với các giải pháp xử lý nền khác.
4. Các nội dung tính toán thiết kế xử lý nền đất yếu bằng HCK
4.1. Các tài liệu cần thiết cho thiết kế
4.1.1. Tài liệu về công trình xây dựng.
Cần thu thập thông tin về nhiệm vụ, cấp công trình; bố trí cụ thể công trình, phạm vi chiếm đất, tải trọng lớn nhất của công trình lên nền, các yêu cầu về xử lý nền (hạn chế lún, tăng cường độ, giảm hệ số thấm); yêu cầu về thời gian thi công xử lý nền.
4.1.2. Tài liệu địa hình.
- Bình đồ khu vực xây dựng công trình.
- Hiện trạng mặt bằng khu vực xây dựng: cây cối, khe lạch, tình trạng ngập nước …
- Các công trình ở lân cận khu vực xây dựng: quy mô, cự ly đến biên công trình.
4.1.3. Tài liệu địa chất công trình.
a) Các tài liệu từ khảo sát địa chất thông thường.
- Địa tầng khu vực nền công trình.
- Các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất: thành phần hạt, độ ẩm tự nhiên, hệ số rỗng tự nhiên, dung trọng tự nhiên, dung trọng khô, tỷ trọng hạt, giới hạn chảy, giới hạn dẻo, hệ số nén lún (nén nhanh), lực dính đơn vị và góc ma sát trong (cắt trực tiếp), hệ số thấm.
- Mực nước ngầm.
b) Các tài liệu khảo sát bổ sung cho việc thiết kế xử lý nền bằng HCK.
- Sức kháng cắt không thoát nước Cu hoặc Su.
- Chỉ tiêu độ bền jcu, Ccu (cố kết không thoát nước).
- Hệ số thấm ngang (Kr) và thấm đứng (Kv).
4.2. Lựa chọn hình thức xử lý nền
4.2.1. Các điều kiện để xem xét lựa chọn phương pháp HCK khi xử lý nền:
a) Nền đất yếu có độ rỗng lớn hơn 0,4.
b) Đất yếu có cường độ chịu tải nhỏ hơn 0,9 daN/cm2.
c) Nền địa chất có tính chất đồng nhất tương đối (xem mục 3.1).
d) Chiều sâu yêu cầu xử lý không quá 30m. Trường hợp chiều sâu bắt buộc phải xử lý lớn hơn 30m thì tính hiệu quả của phương pháp bơm HCK giảm hẳn, khi đó cần phân tích, so sánh một số phương án để lựa chọn hợp lý.
e) Các công trình ở lân cận không bị ảnh hưởng bởi quá trình xử lý. Việc hạ thấp mực nước ngầm trong xử lý bằng bơm HCK không làm mất ổn định các công trình lân cận.
4.2.2. Điều kiện để lựa chọn xử lý HCK bằng phương pháp có màng kín khí.
a) Có các điều kiện ở mục 4.2.1.
b) Có mặt bằng thi công đủ rộng để bố trí thiết bị, đào hào vây;
c) Có hạn chế về khối lượng vật liệu gia tải;
4.2.3. Điều kiện để lựa chọn HCK bằng phương pháp không có màng kín khí.
a) Có các điều kiện ở mục 4.2.1.
b) Mặt bằng thi công bị hạn chế.
c) Có đủ khối lượng vật liệu gia tải phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của nền công trình.
d) Có hệ thống thiết bị công nghệ phù hợp.
4.3. Tính toán thiết kế xử lý nền bằng bơm hút chân không
4.3.1. Xác định chiều dày lớp gia tải.
a) Đối với phương pháp HCK có màng kín khí.
Theo phương pháp này, lớp gia tải có vai trò chính là tạo khoảng không để bơm hút khí, tạo áp lực chân không phía dưới màng kín khí. Vì vậy, vật liệu gia tải cần có hệ số thấm khí lớn, còn chiều dày lớp gia tải thì không cần lớn, thường trong khoảng 0,5÷1,5 m, tùy thuộc loại máy bơm và khả năng cung cấp vật liệu gia tải. Máy bơm có công suất lớn thì chọn chiều dày gia tải thiên lớn.
b) Đối với phương pháp hút chân không không có màng kín khí.
Trường hợp này, chiều dày lớp gia tải phải đủ lớn để ngăn không khí đi vào nền đang được xử lý bơm hút. Ngoài ra, lớp gia tải còn có tác dụng tăng tốc độ cố kết đất nền.
Theo điều kiện kín khí, chiều dày gia tải HS(m) được xác định theo công thức (1):
(1)
trong đó:
Pvac: áp suất chân không dưới lớp gia tỉa kín khí (KN/m2);
gw: trọng lượng riêng của nước (KN/m3);
Qa: lưu lượng máy bơm hút chân không (m3/s);
Kair: hệ số thấm khí của lớp gia tải kín khí (m/s);
A: diện tích bề mặt xử lý (m2).
4.3.2. Xác định chiều sâu cắm bấc thấm.
Chiều sâu cắm bấc thấm phụ thuộc vào điều điện địa chất nền, cấp tải trọng do công trình tác dụng lên nền và yêu cầu hạn chế độ lún sau khi xây dựng công trình. Trước khi quyết định biện pháp xử lý nền cần thực hiện các tính toán địa kỹ thuật, xác định:
- Ổn định tổng thể của công trình trên nền (trạng thái giới hạn I);
- Độ lún của công trình (lún sơ cấp, lún cố kết, lún dư): theo trạng thái giới hạn II.
Từ các tính toán nêu trên sẽ xác định được yêu cầu về xử lý nền để tăng cường độ (đảm bảo ổn định) và giảm độ lún dư (đảm bảo điều kiện biến dạng). Chiều sâu nền cần xử lý là trị số lớn nhất xác định từ 2 điều kiện đã nêu. Chiều sâu cắm bấc được xác định như sau:
- Trường hợp chiều dày lớp đất yếu trong nền nhỏ hơn chiều sâu cần xử lý theo tính toán: lấy chiều sâu cắm bấc bằng chiều dày lớp đất yếu, tức là hút chân không xử lý toàn bộ lớp đất yếu trong nền.
- Trường hợp chiều dày lớp đất yếu trong nền lớn hơn chiều sâu cần xử lý theo tính toán: lấy chiều sâu cắm bấc bằng chiều sâu cần xử lý.
- Nếu chiều sâu cắm bấc xác định như trên đây có giá trị L ≥ 30m thì cần luận chứng bằng cách so sánh với một số phương án xử lý khác.
4.3.3. Lựa chọn loại bấc thấm.
Việc lựa chọn loại bấc thấm chủ yếu phụ thuộc vào khả năng cung cấp của thị trường và thông số kỹ thuật của máy cắm bấc. Hiện nay, điều kiện cung cấp bấc thấm của thị trường là tương đối dễ dàng. Vì vậy việc lựa chọn loại bấc là theo đặc tính kỹ thuật của hệ thống thiết bị do từng đơn vị thi công sở hữu.
4.3.4. Lựa chọn sơ đồ cắm bấc.
Trong thi công thường gặp 2 sơ đồ cắm bấc chính là sơ đồ tam giác và sơ đồ hình vuông. Việc chọn sơ đồ nào là phụ thuộc vào cách vận hành thiết bị cắm bấc.
4.3.5. Xác định khoảng cách cắm bấc (d).
Khoảng cách cắm bấc phụ thuộc vào thời gian gia cố cho phép và khối lượng gia tải. Trình tự tính toán như sau:
- Với một thời gian gia cố dự định trước (t) giả thiết một số giá trị khoảng cách bấc thấm d.
- Với trị số t và d, theo các công thức tính toán cố kết, xác định được chiều dày gia tải tương ứng HS.
- So sánh kinh tế giữa các phương án khoảng cách bấc thấm d, với các thành phần chi phí được tính bao gồm chi phí cho bấc thấm (tính theo tổng chiều dài bấc) và chi phí theo gia tải (tính theo tổng khối lượng gia tải), từ đó lựa chọn được khoảng cách bấc thấm hợp lý.
Bài toán xác định mối quan hệ giữa khoảng cách cắm bấc với các thông số khác (chiều sâu cắm bấc, chiều dày gia tải, áp lực chân không, thời gian xử lý …) có thể được giải theo các phương pháp khác nhau. Thường sử dụng các phần mềm tính toán chuyên dụng (ví dụ: các phần mềm Plaxis, Fossa, Msettle…).
4.3.6. Lựa chọn máy bơm và sơ đồ nối ống.
Thông thường đối với một đơn vị thi công, hệ thống máy bơm đã được trang bị sẵn và được sử dụng cho nhiều công trình. Khi đó nội dung tính toán không phải là chọn máy bơm mà là chọn sơ đồ nối ống tập trung nước vào máy bơm, theo các bước sau:
- Tính toán khả năng tập trung nước của một bấc thấm Qg (m3/s);
- Tính toán số bấc thấm do 1 máy bơm phụ trách:
(2)
trong đó:
Qa: năng lực của máy bơm (m3/s);
Qg: khả năng tập trung nước của 1 giếng (bấc), m3/s;
Kb: hệ số xét đến tổn thất năng lượng trong hệ thống tập trung nước.
Khi một máy bơm phụ trách hút nước cho nhiều ống thì thường nối ống theo sơ đồ phân cấp: cấp 1- ống nối với máy bơm; cấp 2- các ống cùng đổ vào một ống cấp 1; cấp 3- các ống cùng đổ vào một ống cấp 2.
4.3.7. Bố trí hệ thống hào vây.
Hệ thống hào vây chỉ được bố trí khi xử lý bơm HCK có màng kín khí. Nhiệm vụ của hào là để nhém mí màng kín khí phủ trên bề mặt khu vực xử lý. Sau khi gắn chặt mí màng chống thấm vào đáy hào thì đổ vữa bentonite lên để làm kín khí. Trong trường hợp quy mô khu vực xử lý không lớn thì có thể dùng đất sét nhão để nhém mí màng chống thấm thay cho vữa bentonite.
Hào được đào trong đất nguyên thổ, với kích thước mặt cắt không lớn: chiều rộng đáy: (0,3÷0,5)m; chiều sâu: (0,4÷0,6)m; hệ số mái dốc: m = 0,5÷1,0 (phụ thuộc vào khả năng ổn định của mái).
4.3.8. Bố trí thiết bị quan trắc, bao gồm:
Thiết bị quan trắc thường bao gồm: quan trắc lún đứng bề mặt (lún tổng); quan trắc lún cho từng lớp địa chất; quan trắc lún nghiêng (chuyển vị ngang); quan trắc áp lực nước lỗ rỗng trong đất, áp lực chân không trong bấc thấm.
Các số liệu quan trắc được sử dụng trong quá trình xử lý để điều chỉnh áp lực chân không khi bơm hút cho phù hợp với sơ đồ tính toán và quyết định thời điểm dừng bơm hút (khi độ cố kết đã đạt yêu cầu thiết kế).
5. Ví dụ áp dụng
Yêu cầu tính toán các thông số để xử lý nền bằng hút chân không cho đê biển có mặt cắt như hình 3 (đê biển Ba Tri, Bến Tre). Các chỉ tiêu cơ lý của đất nền và đất đắp đê như ở bảng 1 (thân đê được gia cố bằng cốt vải địa kỹ thuật). Tính toán khối lượng và giá thành xử lý nền cho một đoạn đê có chiều dài 20m.
Hình 3 - Mặt cắt đê biển tính toán
Bảng 1: Các chỉ tiêu cơ lý của đất nền và thân đê
|
Thông số
|
Ký hiệu
|
Đơn vị
|
Lớp 1
|
Lớp 1c
|
Đất đắp đê
|
|
Độ ẩm tự nhiên
|
Wn
|
%
|
56,5
|
27,2
|
24,1
|
|
Giới hạn chảy
|
LL
|
%
|
59
|
28
|
|
|
Giới hạn dẻo
|
PL
|
%
|
33
|
19
|
|
|
Chỉ số dẻo
|
A
|
%
|
33
|
9
|
|
|
Dung trọng tự nhiên
|
γw
|
kN/m3
|
15,8
|
18,1
|
|
|
Dung trong khô
|
γk
|
kN/m3
|
10,1
|
14,2
|
|
|
Tỷ trọng hạt
|
∆
|
|
2,70
|
2,71
|
|
|
Độ rỗng
|
n
|
%
|
62,6
|
47,4
|
|
|
Hệ số rỗng
|
e
|
|
1,671
|
0,902
|
|
|
Độ bão hòa
|
G
|
%
|
91,3
|
81,7
|
|
|
Lực dính đơn vị
|
C
|
kN/m²
|
4.0
|
0.4
|
19.0
|
|
Góc ma sát trong
|
j
|
độ
|
1°25’
|
21°09’
|
7°
|
|
Hệ số thấm
|
kt
|
cm/s
|
1,210-5
|
9,510-3
|
|
|
Hệ số ép co (p = 0,5kG/cm2)
|
a0,5
|
cm2/kG
|
0,44
|
|
|
|
Mô đun đàn hồi (p = 0,5kG/cm2)
|
E0,5
|
kG/cm2
|
5,70
|
|
|
|
|
Giải:
a) Phân loại đất nền và trạng thái của đất (theo TCXD 45-78)
- Lớp 1: A=33% - loại sét; B = 0,9: trạng thái dẻo chảy;
- Lớp 1c: A = 9% - loại á sét; B = 0,91: trạng thái dẻo chảy.
- Cả 2 lớp (1 và 1c ) đều có n > 40% nên thuộc loại đất yếu cần xử lý để giảm độ rỗng do đó giảm độ lún và tăng khả năng chiu tải.
- Kết quả tính ổn định cho thấy đê bị mất ổn định với mặt trượt nằm hoàn toàn trong phạm vi lớp 1(do thân đê đã được gia cường bằng cốt vải địa kỹ thuật).
b. Xác định phạm vi xử lý
Chọn phạm vi xử lý là đất lớp 1 sát dưới thân đê mà không xử lý đến lớp 1c do:
- Đất lớp 1 rất yếu (φ = 1°25’ ; n = 62,6%)
- Đất lớp 1c có khả năng chịu lực cao ( φ = 21°09’), hệ số thấm lớn gấp 792 lần so với lớp 1, nếu cắm bấc thấm đến lớp 1c thì nước từ bên ngoài sẽ thấm mạnh vào khu vực xử lý, làm giảm hiệu quả HCK.
c. Chọn các thông số xử lý
- Chiều dài bấc thấm: L = 7,0 m (trong phạm vi lớp 1).
- Loại bấc thấm: loại tiêu chuẩn có mặt cắt a x b = 100 x 4 mm.
- Cự ly bấc: tính với các phương án d = 0,8m ; 1,0m; 1,2m; 1,5m.
- Phương pháp thi công HCK: có màng kín khí.
- Áp lực chân không khống chế: P = 70kPa
- Chiều dày gia tải trước: T = 1,0m; vật liệu: đất á cát có γw = 16 kN/m³.
d. Tính toán độ lún và cố kết trong quá trình xử lý HCK
- Phần mềm tính toán: sử dụng phần mềm FoSSA ( 2.0 )
- Các thông số đầu vào (tính được từ tài liệu đất nền và lớp gia tải).
Đất nền γw = 15,8 kN/m³; e0 = 1,671; E = 1728 kN/m²; Cc = 0.58 ; Cr = 1,16 ; Cv = 1,307m²/ngày.
Lớp gia tải: γw = 16,0 KN/m³
Áp lực gia tải tương đương: P = 86 KPa
- Kết quả tính toán: quan hệ S ~ t như trên bảng 2 và hình 4
Bảng 2.Kết quả tính toán quan hệ S ~ t,d
|
C.sâu
bấc thấm
|
K.thước
bấc thấm
|
K.c bấc thấm d(m)
|
Lún theo thời gian (tháng)
|
Lún
cuối cùng (m)
|
|
0
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
|
7m
|
a =100mm
|
0.8
|
0.000
|
0.518
|
0.666
|
0.725
|
0.749
|
0.758
|
0.762
|
0.763
|
0.764
|
0.764
|
|
b = 4mm
|
1
|
0.000
|
0.475
|
0.629
|
0.701
|
0.735
|
0.750
|
0.758
|
0.761
|
0.763
|
|
|
1.2
|
0.000
|
0.451
|
0.606
|
0.684
|
0.723
|
0.744
|
0.754
|
0.759
|
0.762
|
|
|
|
1.5
|
0.000
|
0.431
|
0.584
|
0.667
|
0.712
|
0.736
|
0.749
|
0.756
|
0.760
|
Hình 4.Kết quả tính toán quan hệ S-t,d
e. Phân tích kết quả
- Với các phương pháp cắm bấc khác nhau đều cho độ lún ổn định (sơ cấp Sp = 0,764m).
- Thời gian HCK(t) để đạt được độ lún St = 90% Sp
Cự ly bấc d (m) : 0,8 1,0 1,2 1,5
t (ngày) : 51 56 58 60
- Bằng so sánh kinh tế giữa các yếu tố: tổng chiều dài cắm bấc và thời gian duy trì HCK, chọn được phương án hợp lý là d =1,0m tương ứng t = 56 ngày; tp = 360 ngày, độ lún còn lại là ∆S = 0,076< ∆SCP = 0,15m. (Trị số ∆SCP lấy bằng một nửa độ vượt cao an toàn của đê, ở đây là đê cấp IV: a = 0.3m).
Kết quả khái toán kinh phí xử lý nền bằng HCK (phương pháp có màng kín khí) cho một đoạn đê dài 20 m là K= 375.564.000 đồng (bình quân 626.000 đồng/m2).
6. Kết luận:
1) Các CTTL vùng ven biển thường được xây dựng trên nền đất yếu và bị ngập nước trong mùa mưa lũ, do đó cần áp dụng các biện pháp xử lý để đẩy nhanh quá trình cố kết của đất nền nhằm giảm độ lún và tăng ổn định của công trình. Phương pháp cố kết HCK có thể đáp ứng tốt các yêu cầu này nên cần được xem xét áp dụng.
2) Điều kiện để áp dụng công nghệ HCK xử lý nền CTTL vùng ven biển là đất nền phải có tính đồng nhất tương đối và thời gian bị ngập nước không quá 6-8 tháng/năm. Trường hợp trong nền có lớp thấm mạnh thì cần xét phương án không cắm bấc thấm đến chiều sâu của lớp này. Khi chiều sâu nền cần xử lý vượt quá 30 m thì phương pháp HCK cho hiệu quả thấp.
3) Trong thiết kế xử lý nền bằng HCK cần phân tích các điều kiện để lựa chọn phương pháp thi công phù hợp. Tóm tắt các nội dung tính toán thiết kế như nêu ở mục 4 của bài.
4) Từ ví dụ tính toán trong bài cho thấy việc áp dụng công nghệ HCK trong xây dựng các CTTL vùng ven biển là có tính khả thi và có nhiều lợi thế để đẩy nhanh tốc độ thi công, giảm chi phí xử lý nền đất yếu.
(*) Bài báo đã được đăng trên Tạp chí Địa kỹ thuật, số 2 năm 2012
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.Nguyễn Chiến, Tô Hữu Đức, Phạm Huy Dũng. Phương pháp cố kết hút chân không xử lý nền đất yếu trong xây dựng công trình. NXB Xây dựng. Hà Nội, 2011.
2. Nguyễn Chiến, Tô Hữu Đức, Phạm Quang Đông. Một số kết quả nghiên cứu thí nghiệm hiện trường về phương pháp cố kết chân không xử lý nền đường cao tốc Long Thành- Dầu Giây. Tạp chí KHKT Thủy lợi và Môi trường số 32, tháng 3-2011.
3. Trần Quang Hộ, Trịnh Thị Thùy Dương, Võ Minh Thắng. Hiệu quả của phương pháp cố kết chân không kết hợp với gia tải trước trên nền đất yếu khu công nghiệp Phú Mỹ. Tạp chí Địa kỹ thuật số 4- 2009.