Xử lý nền đất yếu bằng phương pháp bấc thấm - địa kỹ thuật công trình giao thông

I. ĐẶT VẤN ĐỀ

Nền đất yếu là nền đất không đủ sức chịu tải, không đủ độ bền và biến dạng nhiều, do vậy không thể làm nền thiên nhiên cho công trình xây dựng.

Khi xây dựng các công trình dân dụng, cầu đường, thường gặp các loại nền đất yếu, tùy thuộc vào tính chất của lớp đất yếu, đặc điểm cấu tạo của công trình mà người ta dùng phương pháp xử lý nền móng cho phù hợp để tăng sức chịu tải của nền đất, giảm độ lún, đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho công trình.

Trong thực tế xây dựng, có rất nhiều công trình bị lún, sập hư hỏng khi xây dựng trên nền đất yếu do không có những biện pháp xử lý phù hợp, không đánh giá chính xác được các tính chất cơ lý của nền đất. Do vậy việc đánh giá chính xác và chặt chẽ các tính chất cơ lý của nền đất yếu (chủ yếu bằng các thí nghiệm trong phòng và hiện trường) để làm cơ sở và đề ra các giải pháp xử lý nền móng phù hợp là một vấn đề hết sức khó khăn, nó đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa kiến thức khoa học và kinh nghiệm thực tế để giải quyết, giảm được tối đa các sự cố, hư hỏng công trình khi xây dựng trên nền đất yếu.

Có rất nhiều những biện pháp xử lí nền đất yếu để góp phần làm tăng tiến độ thi công công trình cũng như tăng khả năng khai thác của công trình sau này. Một số biện pháp như:

- Biện pháp cọc cát.

- Biện pháp giếng cát.

- Biện pháp thay đất.

- Biện pháp bấc thấm.

II. KHÁI NIỆM

1. Khái niệm

Bấc thấm là một vật liệu địa kỹ thuật dùng để xử lý nền đất yếu, nó được cấu tạo từ hai lớp: vỏ hay áo lọc bằng vải địa kĩ thuật không dệt sợi liên tục chất liệu PP hoặc PE 100 % có độ bền cơ học lớn, hệ số thấm cao, kích thước lỗ nhỏ giúp ngăn các hạt đất xét nhỏ thâm nhập vào lõi thoát nước; lớp lõi thoát nước đùn bằng nhựa hạt PP, có rãnh cả hai phía.

Hình 1: Chi tiết bấc thấm thoát nước.

2. Phân loại

Có 2 loại chính:

- Bấc thấm đứng CD (Ceteau-drain)): là một loại của bấc thấm PVD (Prefabricate Vetical Drainages) được sản xuất bởi công ty Thai Miltec. Sản phẩm này đã được sử dụng rộng rãi tại khu vực Đông Nam Á. Như: Thái Lan, Việt Nam, Singapore, Indonesia, …

- Bấc thấm ngang SD: là một loại của bấc thấm PVD được sản xuất để thay thế lớp đệm cát trong hệ thống PVD, thay thế hệ thống ống thoát nước đục lỗ trong hệ thống PVD và thay thế vật liệu thoát nước ngầm. Sản phẩm có độ bền cao, dễ thi công và giá cả cạnh tranh.

III. TÁC DỤNG CỦA BIỆN PHÁP

- Gia cố nền đất yếu:

Bấc thấm được sử dụng để xử lý gia cố nền đất yếu, trong thời gian ngắn có thể đạt tới 95 % độ ổn định dài hạn, tạo khởi động cho quá trình ổn định tự nhiên ở giai đoạn sau. Quá trình cố kết có thể được tăng tốc bằng cách gia tải.

Hình 2: Gia cố nền đất yếu

- Ổn định nền:

Các công trình có thể ứng dụng bấc thấm để xử lý nền đất yếu rất đa dạng, bao gồm đường cao tốc, đường dẫn đầu cầu, đường băng sân bay, đường sắt, bến cảng, kho xăng dầu, … xây dựng trên nền đất yếu và có tải trọng động.

- Xử lý môi trường:

Bấc thấm được sử dụng để xử lý nền đất yếu, đất nhão thường thấy ở các khu vực ô chôn lấp rác. Bấc thấm cũng được sử dụng để tẩy rửa các khu vực đất bị ô nhiễm, bằng công nghệ hút chân không, hút nước ngầm thấm qua các lớp đất bị ô nhiễm, mang theo các chất ô nhiễm hoá tan trong nước lên bề mặt để xử lý.

Hình 3: Xử lý môi trường

IV. ĐẶC TÍNH VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG

1. Đặc tính

- Nước lỗ rỗng được hấp thụ qua lớp vải lọc vào bản thoát nước và chảy vào trong lõi bấc một cách êm thuận. Do đặc tính này nên ngay cả khi bấc ngang được mở rộng thì khả năng thoát nước vẫn được duy trì.

- Hệ số thấm của lớp vải lọc được thiết kế thấp nên kiểm soát được tốc độ chảy bên trong của bản thoát nước vì thế làm giảm sự dịch chuyển của các hạt xung quang bản thoát nước từ đó hạn chế được sự hình thành lớp màng sét trên bề mặt lớp vải lọc.

- Đây là loại vật liệu có cường độ chịu kéo và độ dãn dài cao trong khi cố định tốc độ dịch chuyển tự do của lõi và lớp vải lọc. Do đó nó có thể biến dạng theo sự thay đổi của địa hình do lún cố kết.

- Bản thoát nước không chỉ nhẹ và dễ vận chuyển mà cũng không cần một vật liệu liên kết đặc biệt nào.

2. Phạm vi áp dụng

- Loại đất: áp dụng cho đất sét, đất cát mịn.

- Tải trọng: chịu tải trọng trên 250 kN/m2 tương đương với chiều cao đắp 14 m.

- Ứng dụng:

+ Vùng đắp: thay thế cho lớp đệm cát và cọc cát.

+ Khu thể thao: sân golf, bề mặt sân thể thao.

+ Các ứng dụng khác thay khối đắp, ngăn ngừa thấm.

V. TÍNH TOÁN VÀ BỐ TRÍ BẤC THẤM

1. Tính toán

- Tính toán và bố trí bấc thấm phải xuất phát từ yêu cầu đối với mức độ cố kết cần đạt được hoặc tố độ lún dự báo còn lại trước khi xây dựng công trình.

- Tính toán mật độ cắm bấc theo nguyên tắc thử dần với các cự li cắm bấc khác nhau. Để không làm xáo trộn đất quá lớn, khoảng cách cắm bấc tối thiểu là 1.3 m, còn để chúng đảm bảo khả năng làm việc không nên bố trí chúng xa quá 2.2 m.

- Khi có các ống thoát nước đứng, độ cố kết toàn phần trung bình là sự kết hợp ảnh hưởng sự thấm theo phương ngang (xuyên tâm) và sự thấm theo phương đứng, nó được tính theo:

U = 1 - (1 - U_h) * (1 - U_v)   (1)

Trong đó:

U: Độ cố kết toàn phần trung bình.

U_h: Độ cố kết theo phương pháp ngang (xuyên tâm).

U_v: Độ cố kết theo phương đứng.

- Ở đây sẽ đi sâu vào nghiên cứu sự cố kết theo phương ngang (hướng tâm) và đánh giá ảnh hưởng kết hợp khi cố kết theo cả hai phương.

- Việc thiết kế các ống thoát nước PV (Prefabricated Vertical) yêu cầu cần phải dự đoán được mức độ tiêu tán của áp lực dư kẽ rỗng do hiện tượng thấm hướng tâm vào ống thoát nước đứng cũng như đánh giá được vai trò của sự thấm theo phương đứng. Giải pháp đầy đủ đầu tiên cho vấn đề thấm xuyên tâm đã được đưa ra bởi Barron, ông đã nghiên cứu lý thuyết về ống thoát nước đứng bằng cát.

- Hệ thức mà ông đưa ra dựa trên giả thiết của Terzaghi về cố kết thấm một hướng. Đây là biểu thức được ứng dụng rộng rãi nhất trong các phân tích của Barron [2], nó cung cấp các quan hệ theo thời gian giữa các thông số: Đường kính ống thoát nước PV và khoảng cách, hệ số cố kết và độ cố kết trung bình. 

T = (D² / 8 * C_h) * F(n) * ln(1 / (1 - U_h))   (2)

Trong đó:

T: Thời gian yêu cầu để đạt được độ kết cấu trung bình U_h.

U_h: Độ cố kết trung bình theo phương ngang.

D: Đường kính hình trụ bao đất bao quanh ống thoát nước PV hình thành sau khi lắp ống (vùng ảnh hưởng thấm).

C_h: Hệ số cố kết theo phương ngang.

F(n): Hàm số của yếu tố khoảng cách ống.

- Hansbo đã cải tiến công thức (2) để áp dụng với ống thoát nước đúc sẵn PV và xét đến các ảnh hưởng gây cản trở dòng thấm của vùng xáo trộn. Lý luận và các điều kiện của Hansbo dựa trên phân tích về lý thuyết [1]. Công thức chung cuối cùng là:

T = (D² / 8 * C_h) * (F(n) + F_s + F_r) * ln (1 / 1 - U_h))   (3)

Trong đó:

T: Thời gian cần thiết để đạt độ cố kết trung bình U_h. 

U_h: Độ cố kết trung bình tại độ sâu Z khi xét thoát nước theo phương ngang. 

D: Đường kính hình trụ ảnh hưởng của ống thoát nước.

C_h: Hệ số cố kết theo phương ngang.

F(n): Hàm số ảnh hưởng của khoảng cách giữa các cống thoát nước.

F(n) = ln(D / d_w) - 3 / 4

F_s: Hàm số do xáo trộn đất.

Fs = ((K_h / K_s) - 1) * ln(d_s / d_w)

F_r: Hệ số kháng nước

F_r: = 𝜋 * z * (L - z) * (k_h / q_w)

z: Khoảng cách bên dưới so với lớp đất gia tải.

L: Chiều dài thoát nước hiệu quả, là chiều dài của ống thoát nước so với so đồ thoát nước một mặt, là một nửa chiều dài ống khi thoát nước hai mặt.

k_h, k_s: Lần lượt là hệ số thấm theo phương ngang trong vùng đất không bị xáo trộn và trong vùng đất bị xáo trộn.

q_w: Lưu lượng thấm nước khi gradient bằng 1.

d_s: Đường kính vùng xáo trộn xunh quanh ống thoát nước.

d_w: Đường kính quy đổi tương đương d_w = 2 * (a + b) / 𝜋 với a, b là bề rộng và bề dày của bấc thấm.

2. Bố trí

- Phải bố trí phân bố đều trên mặt bằng công trình có điều kiện địa chất công trình như nhau.

- Đối với công trình dân dụng và công nghiệp, bấc thấm được bố trí ngay dưới móng công trình và ra ngài mép công trình về mỗi phía một khoảng 0.2b (b: bề rộng móng).

- Đối với công trình đường thì phải bố trí bấc thấm đến chân taluy của nền đắp.

- Bấc thấm được bố trí theo lưới ô vuông hoặc tam giác đều.

Chiều dài cắm của bấc thấm phải bố trí hết chiều dài chịu nén cực hạn Z_a của đất nền dưới tác dụng của tải trọng công trình. Chiều sâu Z_a này kết thúc ở chỗ có σ_z = (0.1 ~ 0.2) * σ_vz (σ_z : do tải trọng công trình, σ_vz : do trọng lượng bản thân của các lớp đất) và phải xét đến các trường hợp sau: 

Nếu Z_a < chiều dày tầng đất yếu thì bấc thấm chỉ cần cắm hết chiều dày Z_a.

Khi lớp đất yếu quá dày, bề rộng công trình quá lớn (Z_a > 20 m) thì cần chú ý đến chiều sâu hiệu quả thực sự của bấc thấm.

Trường hợp bên dưới Z_a có tầng cát mịn chứa nước có áp thì không cắm bấc thấm vào tầng cát mịn đó.

- Khoảng cách giữa các bấc thấm được tính theo công thức: 

L = α / λ * D² * (D * ɣ_n * ∆P ^-1) ^0.5 * [(1 - U) ^{- 0.5} -1]

Trong đó:

λ = 0.5 ~ 1.0

α: Hệ số, phụ thuộc vào n = D / d_w xác định theo biểu đồ.

d_w: Đường kính tương đương của bấc thấm. 

d_w = (2 *(a + b)) / 𝜋 (với a, b là kích thước của bấc thấm).

ɣ_n: trọng lượng riêng của nước.

∆𝑃: Tải trọng công trình hay tải trọng nén trước.

U: Độ cố kết tổng cộng:

U = 1 - [(1 - U_v) * (1 - U_h)]

- Xác định U_v như tính giếng cát, còn U_h được tính như sau:

U_h = 1 - exp(−8 * T(h)) / (F(n) + F(s)+ F(v))

Trong đó: 

T(h): Nhân tố thời gian theo phương ngang.

T(h) = (C_h / D²) * t 

- Với sơ đồ hình vuông: D = 1.13 L

- Với sơ đồ hình tam giác: D = 1.05 L

C_h: Hệ số cố kết theo phương ngang. Ở giai đoạn lập dự án khả thi trị số C_h = (2 ~ 5) * C_v.    

C_v: Hệ số cố kết theo phương đứng.

F(n): Nhân tố ảnh hưởng của khoảng cách bố trí bấc thấm, được xác định tùy thuộc vào n, theo công thức:                   

F(n) = [n² / (n² - 1) * ln(n)] - [(3 * n² - 1) / (4 * n²)] với n = D / d_w

F(s): Nhân tố ảnh hưởng của vùng đất bị xáo động xung quanh bấc thấm (làm hệ số thấm trong vùng đó giảm đi).

F(v): Nhân tố xét ảnh hưởng về sức cản của bấc thấm.

VI. PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG.

Thiết bị thi công bấc thấm có các đặc trưng kỹ thuật sau:

- Trục tâm để lắp bấc thấm có tiết diện 61x120 mm, dọc trục có vạch chia đến cm để theo dõi chiều sâu cắm bấc và phải có quả dọi để thường xuyên kiểm tra độ thẳng đứng khi cắm bấc vào trong đất.

- Máy phải có lực đủ lớn để cắm bấc thấm đến độ sâu thiết kế.

Trình tự thi công bấc thấm như sau:

(1) Định vị tất cả các điểm sẽ phải cắm bấc thấm bằng máy đo đạc thông thường theo hàng dọc và hàng ngang đúng với sơ đồ thiết kế, công việc này áp dụng cho từng ca máy.

(2) Đưa máy cắm bấc vào đúng vị trí theo đúng hành trình đã vạch trước. Xác định vạch xuất phát trên trục tâm để tính chiều dài bấc thấm được cắm vào đất, kiểm tra độ thẳng đứng của bấc thấm.

(3) Lắp bấc thấm vào trục tâm và điều khiển máy dài bấc thấm được gấp lại tối thiểu là 30 cm và đưa đầu trục đến vị trí cắm bấc thấm.

(4) Gắn đầu neo vào đầu dưới của bấc thấm với chiều dài bấc thấm  được gấp lại tối thiểu là 30 cm và được ghim bằng ghim thép. Các đầu neo phải có kích thước phù hợp với đầu bấc thấm (thường là bằng tôn 85 x 150 mm dày 0.5 mm).

(5) Cắm trục tâm đã được lắp bấc thấm đến độ sâu thiết kế với tốc độ đều trong phạm vi 0.2 ~ 0.6 m/s. Sau khi cắm xong, kéo trục tâm lên (lúc này đầu neo giữ bấc thấm lại trong đất). Khi trục tâm đã được kéo lên hết, dùng kéo cắt đứt bấc thấm sao cho còn lại ít nhất 20 cm đầu bấc thấm nhô lên trên lớp đệm cát và quá trình lặp lại cho vị trí khác.

(6) Sau khi cắm xong thi công lớp đệm cát thoát nước ở bên trên.

VI. ƯU NHƯỢC ĐIỂM

1. Ưu điểm

- Thi công nhanh.

- Tốc độ thoát nước tốt. 

- Không làm xáo trộn nền đất.

- Thân thiện với môi trường.

- Hiệu quả xử lí cao do bấc thấm không bị cắt hay hay tắc đường thấm mà có khả năng biến dạng khi nền biến dạng.

2. Nhược điểm

- Độ tin cậy không cao do quá trình tính toán phải phụ thuộc vào rất nhiều tham số khác nhau, nên người thiết kế dễ mắc sai lầm khi đưa vào các giá trị tham số tính toán.

- Nước ta vẫn phải nhập bấc thấm nên giá thành cao.

- Cấu tạo của bấc thấm là nhựa tổng hợp nên khi được cắm sâu vào trong đất sau nhiều năm sẽ có tác động xấu đến môi trường.

VII. VÍ DỤ VỀ CÔNG TRÌNH THỰC TẾ

- Cảng Posco - Bà Rịa - Vũng Tàu.

Hình 4: Cảng Posco - Bà Rịa - Vũng Tàu

- Dự án đường cao tốc Cầu Giẽ - Ninh Bình

Hình 5: Dự án đường cao tốc Cầu Giẽ - Ninh Bình

- Nhà máy điện nhiệt Cà Mau

Hình 6: Nhà máy điện nhiệt Cà Mau