Cải Thiện đất Yếu Bằng Chất Tải Trước Và Bấc Thấm - Bộ Xây Dựng

Giới thiệu

Các loại đất hình thành một cách tự nhien trong những môi trường khác nhau. Do vậy các công trình xây dựng cần chấp nhận và cố gắng điều chỉnh để phù hợp với điều kiện nền đất như là vốn có. Tuy nhiên nhiều khi nền đất tự nhiên lại chua đủ chắc khỏe để hỗ trợ các công trình như nhà của, cầu cống, đê đập... xây dựng trên chúng, hay nói cách khác, khả năng chịu tải của chúng kém hơn so với tải trọng dự kiến. Một số trường hợp có thể sử dụng móng cọc nhưng biện pháp này đối với các công trình vừa và thấp tầng nhiều khi lại quá đắt. Vì vậy cần cải thiện tính chất của nền đất trong phạm vi đới ảnh hưởng để chúng có thể đủ sức chịu tải trọng dự kiến.

Ở nhiều nơi nền đất tự nhiên thường rất yếu với độ tự nhiên gần đạt tới giới hạn chảy và rất dễ bị nén. Do tính thấm thấp, chúng thường mất khá nhiều thời gian để đạt tới trạng thái cố kết gần như hoàn toàn. Vì vậy chúng thường có khả năng chịu tải thấp, dẫn tới độ lún cao ngay cả khi chỉ chịu tải trọng vừa phải.

Về cơ bản, cải thiện nền đất tức là tăng sức bền kháng cắt và giảm khả năng lún của đất đến một mức độ nào đó. Trong vòng 50 năm qua đã có khá nhiều biện pháp được áp dụng nhưng một số biện pháp đòi hỏi phải có trang thiết bị chuyên dùng.

Chất tải trước là một trong những biện pháp gây lún đơn giản và kinh tế nhát để giảm thiểu lún cho công trình xây dựng sau đó đến mức có thể chấp nhận được. Đất được gia cường trở nên có sức chịu tải cao hơn và bị nén lún ít hơn. Nhược điểm chính của biện pháp này là mất nhiều thời gian để đạt tới độ cố kết yêu cầu và ít có dự án nào có thể chờ đợi lâu như thế.

Sử dụng thêm bấc thấm sẽ giúp giảm bớt thời gian cố kết và do vậy, kết hợp cả hai quá trình chính là một trong những giải pháp cải thiện nền đất hiệu quả và được ưa chuộng nhất.

Chất tải trước

Nguyên lý chất tải trước: công trình xây dựng trên nền đất yếu sẽ chịu lún đáng kể. Do vậy trước đó người ta đã chất tải để buộc nền đất lún xuống đến mức cần thiết. Sau đó dỡ tải và tiến hành thi công công trình. Khi dỡ tải sẽ xảy ra hiện tượng bùng nền, nhưng sau đó nền đất sẽ lại lún xuống một khoảng tương đương với phần bùng nền do tải trọng của công trình. Tất nhiên công trình vẫn tiếp tục lún do đất có tính dẻo cao, nhưng biên độ lún khi đó sẽ chỉ bằng một phàn nhỏ, khoảng 5-10% so với trường hợp không chất tải trước. Tải trọng do công trình gây ra có tính lâu dài, đến hết tuổi thọ của công trình, trong khi chất tải trước chỉ kéo dài trong một thời gian ngắn. Tuy nhiên do chất tải trước khá lớn nên mặc dù nền đất chưa đạt tới cố kết hoàn toàn nhưng cũng để đạt độ lún yêu cầu. Tức là tổng ứng suất do chất tải trước phải lớn hơn ứng suất thiết kế cho phép đối với công trình.

Chất tải trước được tiến hành ngoài hiện trường bằng cách đổ đất, đắp các bao cát, chất gạch, đá và các loại vật liệu xây dựng khác trong đó bao cát là giải pháp phổ biến nhất. Tuy nhiên không dễ đạt được một tải trọng lớn, đạt độ cao tới 5-6m. Do vậy cường độ chất tải trước thường chỉ đạt khoảng 80-100kPa, tức là thích hợp với các công trình vừa và thấp tầng. Các công trình cao tầng hoặc các công trình nanựg vừa đòi hỏi phải chất tải trước lớn hơn nhiều và do vậy khó thực hiện. Chất tải trước cũng có thể thực hiện theo một số giai đoạn để nền đất có thể gia tăng sức bền đáng kể trước khi tiếp tục chất tải.

Ứng suất do chất tải trước gây ra được tính theo độ lún mong muốn bằng công thức:

Sf = mv.qn.H = mv.qs.H.U t

Trong đó mv là hệ số biến đổi thể tích của đất tại hiện trường cho khoảng ứng suất thích hợp, qn và qs - ứng suất do tải trọng thực của công trình và do chất tải trước gây ra,H- chiều dày lớp đất chịu nén, Ut - độ cố kết tại thời gian t. Do vậy, ứng suất cần đạt do chất tải trước có thể tính theo phương trình sau:

qs = qn/ Ut

Độ cố kết theo lý thuyết kinh điển Tezzaghi được tính gần đúng bằng công thức:

U = 2√ T/π for T<0.2 và U = 1-2/Me-MT

Trong đó M = π2/4 và T hệ số thời gian = cv. t/H2, cv - hệ số cố kết và H- chiều dài đoạn tiêu thoát nước, bằng chièu dầy hoặc 1/2 chiều dầy lớp đât chịu nén, tương ứng đối với các trường hợp thoát nước một mặt hoặc hai mặt. Thời gian t càng dài thì độ cố kết đạt tới càng lớn và ứng suất yêu cầu do chất tải trước càng nhỏ.

Do độ cố kết trong trường hợp thoát nước thẳng đứng khá nhỏ nên chỉ áp dụng biện pháp chất tải trước là sẽ không hiệu quả. Chất tải trước kết hợp với bấc thấm chính là giải pháp thay thế lý tưởng và phổ biến nhất.

Cả ba thành phần của lún, gồm lún tức thời, cố kết sơ cấp và cố kết thứ cấp dão đều triệt giảm đáng kể dưới tác động của chất tải trước. Lún tức thời hầu như triệt tiêu hoàn toàn trong khi lún do cố kết giảm thiểu đáng kể với điều kiện áp lực nước lỗ rỗng dư ngay trước khi dỡ tải trước nhỏ hơn rất nhiều so với ứng suất thiết kế lên nền đất. Tức độ dão cũng giảm do dỡ tải.

' border=0 src='/image/images?img_id=com.vportal.portlet.vcms.model.VcmsArticle.7898.1316' />

Biến đổi trạng thái ứng suất trong nền đất được minh họa trên một biểu đồ hình 1, mà trong đó

p= σ1 + σ2/2 - là trung bình của các ứng suất pháp chính, còn q = σ1 - σ2/2 - là một nửa của hiệu các ứng suất pháp chính. AB là đường ứng suất không thoát nước trong quá trình chất tải. Điểm B tiệm cậnđường Kf - line cho thấy sức bền không thoát nước của nền đất khá bé. Đường BC tương ứng với giai đoạn cố kết dưới tác động của chất tải. Điểm C tương đương với thời điểm kết thúc chất tải, nằm cách khá xa đường Kf - line . Đường ứng suất không thoát nước từ điểm C đến Kf - line khá dài chứng tỏ sức bền của nền đất đã tăng lên đáng kể.

Đường ứng suất AE thể hiện sự thay đổi ứng suất trong trường hợp tạo chân không trong nền đất thay vì chất tải trước. Khi đó sức bền của nền đất còn tăng lên nhiều hơn vì áp suất chân không là áp suất thủy tĩnh và đường ứng suất song song với trục p.

Bấc thấm

Chất tải trước kết hợp với bấc thấm khiến cho cố kết xảy ra nhanh hơn vì hai lý do chính sau. Các bấc thấm, kiểu PVD hoặc băng, thường ở khá gần nhau, chỉ cách nhau khoảng 1.0m. Do vậy chiều dài thoát nước tối đa giảm xuống chỉ còn khoảng 1/2 khoảng cách đó, tức là rất nhỏ so với chiều dầy lớp đất chịu nén. Thứ đến, hướng chảy của nước chuyển từ thẳng đứng sang nằm ngang và ta biết rằng hầu hết các loại trầm tích đều có tính thấm dị hướng, hệ số thấm theo phương nằm ngang thường ít nhất cũng gấp hai lần so với hệ số thấm theo phương thẳng đứng. Vì hai lý do này mà thời gian cần để đạt tới độ cố kết cần thiết giảm xuống chỉ còn vài tuần hay vài tháng so với hàng năm trời nếu chỉ có thoát nước theo phương thẳng đứng.

Bảng 1. Các kiểu bấc thấm theo Holtz et al. 1991

Drain type	Installation method	Drain diameter m	Typical spacing m	Maximum length m
Sand drain	Driven or vibratory closed - end mandrel displacement type	0.15-0.6	1-5	≤ 30
Sand drain	Hollow stem continuous - flight auger low displacement	0.3 - 0.5	2-5	≤ 35
Sand drain	Jetted non - displacement	0.2 - 0.3	2 - 5	≤ 30
Prefabricated sand drains “sandwicks”	Driven or vibratory closed-end mandrel; flight auger, rotary wash boring displacement or non-displacement	0.06 - 0,15	1.2 - 4	≤ 30
Prefabricated band-shaped drains	Driven or vibratory closed-end mandreldisplacement or low displacement	0.05 - 0.1 equivalent diameter	1.2 – 3.5	≤60

Các kiểu bấc thấm

a. Sand drains bấc thấm cát, Cọc cát: Được sử dụng rộng rãi trong chất tải trước từ đầu những năm 30 của thế kỷ trước. Cọc cát đường kính 300-500mm được tạo bằng cách đóng một ống chống bằng thép, đầu ống có thể mở rộng, xuống nền đất và sau đó lấp đầy ống bằng cát. Cọc cát có đường kính nhỏ hơn có thể bị ngắt đoạn vì hiệu ứng tạo vòm của cát.

b. Sandwicks Dồi cát: Dồi cát được làmg từ vải đay hoặc vật liệu dễ thấm khác như HDPE, may lại thành các ống hình trụ và đựng đầy cát. Dồi cát được làm sẵn trên mặt đất, có thể làm thủ công rồi thả vào bể cho bão hòa nước. Đóng một ống hình trụ đường kính 65-75mm, đầu bọc sắt, xuống nền đất sét. Sau đó tuồn cátvào khi đang rút ống lên. Dồi cát để nhô lên trên mặt đất và phủ một tấm đệm thoát nước. Đường kính dồi cát có thể dao động trong khoảng 55-75mm, cách nhau khoảng 1-2m.

c. Band drains Bấc thấm: Bấc thấm làm từ vải địa kỹ thuật PVD có tính thấm cao, thường rộng khoảng 75-100mm, dầy khoảng 3-5mm. Chúng được ấn vào trong nền đất bằng xe cẩu chuyên dụng.

Ngoài ra còn có các loại bấc thấm dây hoặc carton như được nêu ở Bảng 1. Hiện nay thực tế người ta chỉ còn sử dụng bấc thấm PVD, sản xuất sẵn đại trà và dễ thi công bằng thiết bị chuyên dụng.

Theo Madhira R. Madhav - JNTUniversity, Hyderabad, India Nguồn tin: Tập Bài giảng Xử lý nền đất yếu và kỹ thuật nền móng công trình, 5/2007