Cải thiện đất yếu bằng chất tải trước và bấc thấm

Like và chia sẻ bài viết
Giớithiệu
Cácloại đất hình thành một cách tự nhien trong những môi trường khác nhau. Do vậycác công trình xây dựng cần chấp nhận và cố gắng điều chỉnh để phù hợp với điềukiện nền đất như là vốn có. Tuy nhiên nhiều khi nền đất tự nhiên lại chua đủchắc khỏe để hỗ trợ các công trình như nhà của, cầu cống, đê đập... xây dựngtrên chúng, hay nói cách khác, khả năng chịu tải của chúng kém hơn so với tảitrọng dự kiến. Một số trường hợp có thể sử dụng móng cọc nhưng biện pháp nàyđối với các công trình vừa và thấp tầng nhiều khi lại quá đắt. Vì vậy cần cảithiện tính chất của nền đất trong phạm vi đới ảnh hưởng để chúng có thể đủ sứcchịu tải trọng dự kiến.

Ở nhiềunơi nền đất tự nhiên thường rất yếu với độ tự nhiên gần đạt tới giới hạn chảyvà rất dễ bị nén. Do tính thấm thấp, chúng thường mất khá nhiều thời gian đểđạt tới trạng thái cố kết gần như hoàn toàn. Vì vậy chúng thường có khả năngchịu tải thấp, dẫn tới độ lún cao ngay cả khi chỉ chịu tải trọng vừa phải.
Về cơbản, cải thiện nền đất tức là tăng sức bền kháng cắt và giảm khả năng lún củađất đến một mức độ nào đó. Trong vòng 50 năm qua đã có khá nhiều biện pháp đượcáp dụng nhưng một số biện pháp đòi hỏi phải có trang thiết bị chuyên dùng.
Chấttải trước là một trong những biện pháp gây lún đơn giản và kinh tế nhát để giảmthiểu lún cho công trình xây dựng sau đó đến mức có thể chấp nhận được. Đấtđược gia cường trở nên có sức chịu tải cao hơn và bị nén lún ít hơn. Nhược điểmchính của biện pháp này là mất nhiều thời gian để đạt tới độ cố kết yêu cầu vàít có dự án nào có thể chờ đợi lâu như thế.
Sử dụngthêm bấc thấm sẽ giúp giảm bớt thời gian cố kết và do vậy, kết hợp cả hai quátrình chính là một trong những giải pháp cải thiện nền đất hiệu quả và được ưachuộng nhất.
Chấttải trước
Nguyênlý chất tải trước: côngtrình xây dựng trên nền đất yếu sẽ chịu lún đáng kể. Do vậy trước đó người tađã chất tải để buộc nền đất lún xuống đến mức cần thiết. Sau đó dỡ tải và tiếnhành thi công công trình. Khi dỡ tải sẽ xảy ra hiện tượng bùng nền, nhưng sauđó nền đất sẽ lại lún xuống một khoảng tương đương với phần bùng nền do tảitrọng của công trình. Tất nhiên công trình vẫn tiếp tục lún do đất có tính dẻocao, nhưng biên độ lún khi đó sẽ chỉ bằng một phàn nhỏ, khoảng 5-10% so với trườnghợp không chất tải trước. Tải trọng do công trình gây ra có tính lâu dài, đếnhết tuổi thọ của công trình, trong khi chất tải trước chỉ kéo dài trong mộtthời gian ngắn. Tuy nhiên do chất tải trước khá lớn nên mặc dù nền đất chưa đạttới cố kết hoàn toàn nhưng cũng để đạt độ lún yêu cầu. Tức là tổng ứng suất dochất tải trước phải lớn hơn ứng suất thiết kế cho phép đối với công trình.
Chấttải 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 phápphổ biến nhất. Tuy nhiên không dễ đạt được một tải trọng lớn, đạt độ cao tới5-6m. Do vậy cường độ chất tải trước thường chỉ đạt khoảng 80-100kPa, tức làthích hợp với các công trình vừa và thấp tầng. Các công trình cao tầng hoặc cáccông trình nanựg vừa đòi hỏi phải chất tải trước lớn hơn nhiều và do vậy khóthực hiện. Chất tải trước cũng có thể thực hiện theo một số giai đoạn để nềnđất có thể gia tăng sức bền đáng kể trước khi tiếp tục chất tải.
Ứngsuất 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)
Trongđó mv hệ số biến đổi thể tích của đất tại hiện trườngcho khoảng ứng suất thích hợp, qn và qs - ứng suấtdo tải trọng thực của công trình và do chất tải trước gây ra, H- chiềudày lớp đất chịu nén, U(t) - độ cố kết tại thời gian t. Do vậy, ứng suất cầnđạt do chất tải trước có thể tính theo phương trình sau:
qs = qn/ U(t)
Độ cốkết 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
Trongđó 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 chièudầy hoặc 1/2 chiều dầy lớp đât chịu nén, tương ứng đối với các trường hợp thoátnước một mặt hoặc hai mặt. Thời gian t càng dài thì độ cố kết đạt tới càng lớnvà ứng suất yêu cầu do chất tải trước càng nhỏ.
Do độcố kết trong trường hợp thoát nước thẳng đứng khá nhỏ nên chỉ áp dụng biện phápchất tải trước là sẽ không hiệu quả. Chất tải trước kết hợp với bấc thấm chínhlà giải pháp thay thế lý tưởng và phổ biến nhất.
Cả bathành phần của lún, gồm lún tức thời, cố kết sơ cấp và cố kết thứ cấp (dão) đềutriệt giảm đáng kể dưới tác động của chất tải trước. Lún tức thời hầu như triệttiêu hoàn toàn trong khi lún do cố kết giảm thiểu đáng kể với điều kiện áp lựcnước lỗ rỗng dư ngay trước khi dỡ tải trước nhỏ hơn rất nhiều so với ứng suấtthiết kế lên nền đất. Tức độ dão cũng giảm do dỡ tải.
p= (σ1 + σ2)/2 - là trung bình của các ứng suất pháp chính, cònq = (σ1 - σ2)/2 - là một nửa của hiệu các ứng suấtpháp chính. AB là đường ứng suất không thoát nước trong quá trình chất tải.Điểm B tiệm cận đường Kf - line cho thấy sức bền khôngthoát nước của nền đất khá bé. Đường BC tương ứng với giai đoạn cố kết dưới tácđộng của chất tải. Điểm C tương đương với thời điểm kết thúc chất tải, nằm cáchkhá xa đường Kf - line . Đường ứng suất không thoát nước từđiểm C đến Kf - line khá dài chứng tỏ sức bền của nền đất đãtăng lên đáng kể.
Đườngứng suất AE thể hiện sự thay đổi ứng suất trong trường hợp tạo chân không trongnền đất thay vì chất tải trước. Khi đó sức bền của nền đất còn tăng lênnhiều hơn vì áp suất chân không là áp suất thủy tĩnh và đường ứng suất songsong với trục p.
Bấcthấm
Chấttải trước kết hợp với bấc thấm khiến cho cố kết xảy ra nhanh hơn vì hai lý dochính sau. Các bấc thấm, kiểu PVD hoặc băng, thường ở khá gần nhau, chỉ cáchnhau khoảng 1.0m. Do vậy chiều dài thoát nước tối đa giảm xuống chỉ còn khoảng1/2 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 hếtcác loại trầm tích đều có tính thấm dị hướng, hệ số thấm theo phương nằm ngangthường ít nhất cũng gấp hai lần so với hệ số thấm theo phương thẳng đứng. Vìhai lý do này mà thời gian cần để đạt tới độ cố kết cần thiết giảm xuống chỉcòn vài tuần hay vài tháng so với hàng năm trời nếu chỉ có thoát nước theophương 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 mandrel(displacement or low displacement)
0.05 - 0.1
(equivalent diameter)
1.2 – 3.5
≤ 60
Cáckiểu bấc thấm
a. Sanddrains (bấc thấm cát, Cọc cát): Được sử dụng rộng rãi trongchất tải trước từ đầu những năm 30 của thế kỷ trước. Cọc cát (đường kính300-500mm) được tạo bằng cách đóng một ống chống bằng thép, đầu ống có thể mởrộng, xuống nền đất và sau đó lấp đầy ống bằng cát. Cọc cát có đường kính nhỏhơn 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 liệudễ thấm khác như HDPE, may lại thành các ống hình trụ và đựng đầy cát. Dồi cátđược làm sẵn trên mặt đất, có thể làm thủ công) rồi thả vào bể cho bão hòanước. Đóng một ống hình trụ đường kính 65-75mm, đầu bọc sắt, xuống nền đất sét.Sau đó tuồn cát vào khi đang rút ống lên. Dồi cát để nhô lên trên mặt đấtvà phủ một tấm đệm thoát nước. Đường kính dồi cát có thể dao động trong khoảng55-75mm, cách nhau khoảng 1-2m.
c. Banddrains ( Bấc thấm): Bấc thấm làm từ vải địa kỹ thuật PVD cótính thấm cao, thường rộng khoảng 75-100mm, dầy khoảng 3-5mm. Chúng được ấn vàotrong nền đất bằng xe cẩu chuyên dụng.
Ngoàira còn có các loại bấc thấm dây hoặc carton như được nêu ở Bảng 1. Hiện naythực tế người ta chỉ còn sử dụng bấc thấm PVD, sản xuất sẵn đại trà và dễ thicông bằng thiết bị chuyên dụng.
TheoMadhira R. Madhav - JNT University, Hyderabad,India
Viết và chia sẻ bình luận: Like để cập nhật các bài viết qua facebook. Cảm ơn bạn đã ghé thăm, ủng hộ!

About Tứ Đoàn Ngọc

Đoàn Ngọc Tứ chào mừng bạn tới với website và cảm ơn bạn đã ủng hộ trang này.