Tài liệu Nghiên cứu gia cố nền đất yếu bằng cọc tràm ứng dụng cho công trình trên địa bàn tỉnh sóc trăng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI -------------- NGUYỄN HOÀNG NAM NGHIÊN CỨU GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC TRÀM ỨNG DỤNG CHO CÔNG TRÌNH TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH SÓC TRĂNG Chuyên ngành: Địa Kỹ thuật xây dựng Mã số: 60-58-02-04 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. BÙI VĂN TRƯỜNG HÀ NỘI – 2017 LỜI CAM ĐOAN Đề tài luận văn cao học “Nghiên cứu gia cố nền đất yếu bằng cọc tràm ứng dụng cho công trình trên địa bàn tỉnh Sóc Trăng” của học viên đã được nhà trường giao nghiên cứu theo Quyết định 451/QĐ-ĐHTL, ngày 24 tháng 02 năm 2017 của Hiệu trưởng Trường Đại học Thủy lợi. Trong thời gian học tập tại trường với sự định hướng của các thầy cô cộng với kinh nghiệm làm việc tại cơ quan, sự giúp đỡ của bạn bè đồng nghiệp và đặc biệt là sự giúp đỡ chỉ bảo của PGS.TS. Bùi Văn Trường, học viên đã tự nghiên cứu và thực hiện đề tài. Đây là thành quả lao động, là công trình nghiên cứu của tác giả. Hà Nội, tháng 12 năm 2017 Học viên Nguyễn Hoàng Nam i LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian học tập và nghiên cứu theo chương trình đào tạo Thạc sĩ ngành Địa kỹ thuật thuộc trường Đại Học Thủy Lợi. Nay tôi đã hoàn thành với bản luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô trong Khoa công trình, Bộ môn Địa kỹ thuật đã trực tiếp giảng dạy và cung cấp nguồn tài liệu trong thời gian học tập. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô và các Cán bộ Phòng Nghiên Cứu Địa Kỹ Thuật - Viện Khoa Học Thủy Lợi Miền Nam, đã hỗ trợ rất nhiều trong công tác nguyên cứu khoa học. Tôi xin trân trọng cảm ơn Phòng Đào Tạo Sau Đại Học - Trường Đại học Thủy Lợi, đã tạo điều kiện thuận lợi trong suốt khóa học. Sự kính trọng và biết ơn cao cả đến thầy PGS.TS. Bùi Văn Trường, đã tận tình chỉ bảo em hoàn thành bản luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp, các thầy, cô đã giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. Cuối cùng tôi xin trân trọng cảm ơn những người thân trong gia đình, đã luôn động viên giúp đỡ về mặt tinh thần và vật chất để tôi hoàn thành chương trình học tập. Với khả năng và sự hiểu biết còn giới hạn, chắc chắn sẽ không tránh khỏi được những sai sót nhất định xin quý Thầy, Cô cùng đọc giả bỏ qua và chỉ dẫn cho tôi trong việc hoàn thiện hơn nữa kiến thức của mình. Xin trân trọng cảm ơn! ii MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG ................................................................................................................ v DANH MỤC HÌNH ẢNH ......................................................................................................vi MỞ ĐẦU ................................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP MÓNG CỌC .......................................................................................... 3 1.1 Tổng quan về đất yếu.......................................................................................................... 3 1.1.1 Khái niệm về đất yếu ....................................................................................................... 3 1.1.2 Các loại đất yếu ................................................................................................................ 3 1.1.3 Các giải pháp xử lý nền đất yếu ...................................................................................... 7 1.2 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng giải pháp móng cọc. ...................................................12 1.2.1 Lịch sử ra đời và phát triển của móng cọc ...................................................................12 1.2.2 Tình hình thiết kế và thi công móng cọc ......................................................................14 1.3 Kết luận chương 1 .............................................................................................................23 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT, PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÓNG CỌC TRÀM .................................................................................................25 2.1 Quan điểm và nguyên tắc tính toán, thiết kế và thi công cọc tràm. ...............................25 2.1.1 Quan điểm tính toán, thiết kế và thi công.....................................................................25 2.1.2 Nguyên tắc tính toán, thiết kế và thi công. ..................................................................27 2.2 Cơ sở lý thuyết, phương pháp tính toán, thiết kế và thi công cọc tràm .......................28 2.2.1 Tính toán, thiết kế quan điểm cọc làm chặt nền .........................................................28 2.2.2 Tính toán, thiết kế theo quan điểm cọc cứng ..............................................................33 2.2.3 Kiểm toán ổn định trượt của nền ..................................................................................45 2.3 Quy trình kỹ thuật thi công cọc tràm ..............................................................................46 2.3.1 Phạm vi áp dụng............................................................................................................46 2.3.2 Yêu cầu của cọc tràm....................................................................................................47 2.3.3 Phương pháp hạ cọc......................................................................................................47 2.3.4 Trình tự thi công cọc tràm ............................................................................................48 2.4 Kết luận chương 2 ............................................................................................................48 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP MÓNG CỌC TRÀM CHO CÔNG TRÌNH THỰC TẾ TẠI SÓC TRĂNG .................................50 3.1 Các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm móng cọc tại hiện trường..........................50 iii 3.1.1 Thí nghiệm tải trọng động (đóng cọc thử) tại hiện trường ......................................... 51 3.1.2 Thí nghiệm nén tĩnh cọc tại hiện trường ...................................................................... 55 3.1.3 Thí nghiệm nén tĩnh tấm nén phẳng tại hiện trường .................................................. 60 3.2 Nghiên cứu thực nghiệm móng cọc tràm tại hiện trường .............................................. 63 3.2.1 Đặc điểm nền đất yếu tại vị trí nghiên cứu ................................................................. 63 3.2.2 Mục đích nghiên cứu.................................................................................................... 66 3.2.3 Nội dung, phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 66 3.2.4 Vị trí nghiên cứu ........................................................................................................... 67 3.2.5 Kết quả nghiên cứu ...................................................................................................... 68 3.3 Nghiên cứu móng cọc tràm bằng mô hình số ................................................................ 71 3.3.1 Giới thiệu phần mềm..................................................................................................... 71 3.3.2 Tính toán theo quan điểm cọc tràm làm chặt nền ....................................................... 72 3.3.3 Tính toán theo quan điểm cọc cứng ............................................................................. 78 3.3.4 Phân tích, đánh giá kết quả .......................................................................................... 83 3.4. Nghiên cứu, ứng dụng cho công trình thực thế ............................................................ 85 3.4.1 Giới thiệu về công trình ................................................................................................ 85 3.4.2 Tính toán xử lý nền gia cố cọc tràm theo phương pháp giải tích ............................... 85 3.4.3 Tính toán xử lý nền gia cố cọc tràm bằng phần mềm Plaxis ...................................... 93 3.4.4 Phân tích kết quả tính toán ứng dụng ........................................................................ 101 3.5 Kết luận chương 3 ......................................................................................................... 102 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 107 PHỤ LỤC TÍNH TOÁN ...................................................................................................... 108 iv DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Sức kháng tính toán của đất dưới mũi cọc ............................................................36 Bảng 2.2 Hệ số nén ngang của đất ........................................................................................36 Bảng 2.3. Cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc (γqb) ..................................................38 Bảng 3.1 Các chỉ tiêu cơ lý của đất kiến nghị dùng cho tính toán ......................................65 Bảng 3.2 Kết quả thí nghiệm tĩnh nền được gia cố bằng cọc tràm và tính toán xác định mô đun biến dạng tại TN01 (trục 3-D) .................................................................................69 Bảng 3.3 Kết quả thí nghiệm tĩnh nền được gia cố bằng cọc tràm và tính toán xác định mô đun biến dạng tại TN02 (trục 12-J).................................................................................70 Bảng 3.4 Các thông số mô hình thí nghiệm bàn nén hiện trường theo quan điểm cọc tràm làm chặt nền .............................................................................................................................73 Bảng 3.5a Các thông số mô hình thí nghiệm bàn nén hiện trường trên nền gia cố cọc tràm theo quan điểm cọc cứng ........................................................................................................78 Bảng 3.5b. Tổng hợp kết quả nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng thí nghiệm nén tĩnh nền gia cố bằng cọc tràm ........................................................................................................84 Bảng 3.6 Thí nghiệm nén mẫu đất trong phòng ....................................................................86 Bảng 3.7 Tính lún theo quan điểm cọc tràm làm chặt nền ...................................................88 Bảng 3.7 Tính lún theo quan điểm cọc tràm làm chặt nền ...................................................89 Bảng 3.8 Tính sức chịu tải cọc tràm theo quan điểm cọc cứng ...........................................90 Bảng 3.9 Tính lún theo quan điểm cọc cứng .........................................................................92 Bảng 3.10 Các thông số mô hình tính toán xử lý nền bằng cọc tràm theo quan điểm cọc tràm làm chặt nền ....................................................................................................................93 Bảng 3.11 Các thông số mô hình tính toán xử lý nền bằng cọc tràm theo quan điểm cọc cứng ..........................................................................................................................................97 Bảng 3.12 Tổng hợp kết quả nghiên cứu thực nghiệm và tính toán, mô phỏng gia cố nền bằng cọc tràm ........................................................................................................................101 v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Xử lý nền đất yếu bằng phương pháp làm chặt đất ............................................... 8 Hình 1.2. Xử lý nền đất yếu bằng đệm cát .............................................................................. 8 Hình 1.3. Gia tải trước bằng cách sử dụng khối đắp hoặc áp suất chân không .................... 9 Hình 1.4. Xử lý nền đất yếu bằng thiết bị tiêu nước thẳng đứng......................................... 10 Hình 1.5 Thi công đóng cọc tre ............................................................................................. 14 Hình 1.6 Thi công đóng cọc tràm .......................................................................................... 16 Hình 1.7 Chi tiết cọc gỗ và một số cách nối cọc thông dụng .............................................. 18 Hình 1.8Thi công cọc cát ....................................................................................................... 19 Hình 1.9 Thi công cọc khoan nhồi ........................................................................................ 21 Hình 1.10 Thi công cọc xi măng đất ..................................................................................... 22 Hình 1.11 Thi công cọc bê tông cốt thép .............................................................................. 23 Hình 2.1 Mô hình tính toán quan điểm cọc tràm làm chặt nền ........................................... 29 Hình 2.2 Chiều cao vùng đất cần gia cố ................................................................................ 30 Hình 2.3 Mặt bằng đóng cọc .................................................................................................. 31 Hình 2.4 Sự phân bố ứng suất của nền gia cố cọc tràm dưới công trình đất ...................... 32 Hình 2.5Quan hệ giữa hệ số rỗng và ứng suất cố kết (đường cong cố kết) ........................ 33 Hình 2.6. Kích thước móng quy ước xác định theo cách 1.................................................. 41 Hình 2.7. Kích thước móng quy ước xác định theo cách 2 đối với nền đồng nhất ............ 41 Hình 2.8. Kích thước móng quy ước xác định theo cách 2 đối với nền có lớp đất yếu ..... 42 Hình 2.9. Kích thước móng quy ước xác định theo cách 2 đối với nền nhiều lớp ............. 42 Hình 2.10 Sơ đồ để tính lún theo phương pháp cộng lớp .................................................... 43 Hình 3.1. Sơ đồ thiết bị thí nghiệm nén tĩnh cọc tại hiện trường......................................... 55 Hình 3.2. Biểu đồ xác định sức chịu tải của cọc ................................................................... 57 Hình 3.3 Biểu đồ xác định sức chịu tải cực hạn của cọc theo Canadian Foundation Engineering Manual ............................................................................................................... 59 Hình 3.4. Sơ đồ thí nghiệm nén tĩnh tấm nén phẳng tại hiện trường ................................. 61 Hình 3.5. Sơ đồ xác định môđun biến dạng E từ thí nghiệm nén tĩnh tấm nén phẳng tại hiện trường .............................................................................................................................. 61 Hình 3.6 Trụ hố khoan địa chất tại khu thí nghiệm .............................................................. 65 Hình 3.7 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm nén tĩnh nền được gia cố bằng cọc tràm tại hiện trường .................................................................................................................................................. 66 vi Hình 3.9 Biểu đồ quan hệ tải trọng P và độ lún S (vị trí thí nghiệm 01) .............................69 Hình 3.10 Biểu đồ quan hệ tải trọng P và độ lún S (vị trí thí nghiệm 02) ...........................70 Hình 3.11 Sơ đồ mô phỏng thí nghiệm bàn nén trên nền gia cố cọc tram trong phần mềm Plaxis theo quan điểm làm chặt nền .......................................................................................73 Hình 3.12. Lưới biến dạng của nền ở cấp tải 80 kN/m2 ......................................................74 Hình 3.13 Chuyển vị đứng (lún) của nền ở cấp tải 80 kN/m2 ..............................................74 Hình 3.14 Phân bố ứng suất trong nền ở cấp tải 80 kN/m2 ..................................................75 Hình 3.15 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong nền đất ở cấp tải 80 kN/m2 ..........................75 Hình 3.16 Lưới biến dạng của nền ở cấp tải 160 kN/m2 .....................................................76 Hình 3.17 Chuyển vị đứng (lún) của nền ở cấp tải 160 kN/m2 ............................................76 Hình 3.18 Phân bố ứng suất trong nền ở cấp tải 160 kN/m2 ................................................77 Hình 3.19 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong nền đất ở cấp tải 160 kN/m2........................77 Hình 3.20 Sơ đồ mô phỏng thí nghiệm bàn nén trên nền gia cố cọc tràm trong phần mềm Plaxis theo quan điểm cọc cứng .............................................................................................78 Hình 3.21 Lưới biến dạng của nền ở cấp tải 80 kN/m2 .......................................................79 Hình 3.22 Chuyển vị đứng (lún) của nền ở cấp tải 80 kN/m2 ..............................................80 Hình 3.23 Phân bố ứng suất trong nền ở cấp tải 80 kN/m2 ..................................................80 Hình 3.24 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong nền ở cấp tải 80 kN/m2 ................................81 Hình 3.25 Lưới biến dạng của nền ở cấp tải 160 kN/m2 .....................................................81 Hình 3.26 Chuyển vị đứng (lún) của nền ở cấp tải 160 kN/m2 ............................................82 Hình 3.27 Phân bố ứng suất trong nền ở cấp tải 160 kN/m2 ................................................82 Hình 3.28 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong nền ở cấp tải 160 kN/m2 ..............................83 Hình 3.29. Quan hệ Tải trọng - Độ lún từ kết quả thí nghiệm bàn nén hiện trường và tính toán mô hình số ...........................................................................................................83 Hình 3.30 Biểu đồ quan hệ giữa hệ số rỗng e - áp lực nép P (trước gia cố cọc tràm) ........86 Hình 3.31 Biểu đồ quan hệ giữa hệ số rỗng e - áp lực nép P (sau khi gia cố cọc tràm) .....87 Hình 3.32 Sơ đồ tính lún theo quan điểm cọc tràm làm chặt nền ........................................88 Hình 3.33 Sơ đồ tính lún theo quan điểm cọc tràm cứng .....................................................92 Hình 3.34 Sơ đồ mô phỏng nền công trình gia cố cọc tràm trong phần mềm Plaxis theo quan điểm làm chặt nền ..........................................................................................................94 Hình 3.35 Lưới biến dạng của nền công trình xử lý bằng cọc tràm theo quan điểm làm chặt nền ....................................................................................................................................95 vii Hình 3.36 Chuyển vị đứng của nền công trình xử lý bằng cọc tràm theo quan điểm làm chặt nền (độ lún lớn nhất của nền sau khi xử lý là 63,73 mm) .............................................. 95 Hình 3.37 Phân bố ứng suất trong nền công trình xử lý bằng cọc tràm theo quan điểm làm chặt nền.................................................................................................................................... 96 Hình 3.38 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong nền đất ở cấp tải 160 kN/m2 ....................... 96 Hình 3.39 Sơ đồ mô phỏng nền gia cố cọc tràm trong phần mềm Plaxis theo quan điểm cọc cứng .................................................................................................................................. 98 Hình 3.40 Lưới biến dạng của nền công trình xử lý bằng cọc tràm theo quan điểm cọc cứng ......................................................................................................................................... 99 Hình 3.41 Chuyển vị đứng (lún) của nền công trình xử lý bằng cọc tràm theo quan điểm cọc cứng (độ lún lớn nhất của công trình là 27,88 mm)....................................................... 99 Hình 3.42 Phân bố ứng suất trong nền công trình xử lý bằng cọc tràm theo quan điểm cọc cứng ....................................................................................................................................... 100 Hình 3.43 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong nền công trình xử lý bằng cọc tràm theo quan điểm cọc cứng .............................................................................................................. 100 viii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của Đề tài Hiện nay, ở đồng bằng Sông Cửu Long trong đó có địa bàn tỉnh Sóc Trăng các công trình xây dựng có tải trọng tương đối nhỏ chủ yếu được thi công bằng phương pháp dùng cọc tràm để gia cố nền đất yếu. Tuy nhiên, việc tính toán thiết kế, xác định sức chịu tải của đất nền cũng như tính ổn định có nhiều vấn đề xảy ra như: sức chịu tải của đất nền lớn hơn nhiều so với sức chịu tải thiết kế giả định khi kiểm tra thực tế gây lãng phí, hay nhiều công trình có sức chịu tải của đất nền nhỏ hơn so với sức chịu tải thiết kế giả định làm cho công trình có độ lún quá giới hạn cho phép làm hư hỏng mất an toàn trong sử dụng gây thiệt hại kinh tế. Do vậy việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết, phương pháp tính toán và nghiên cứu thực nghiệm để lựa chọn các thông số thiết kế nền sau khi gia cố bằng cọc tràm là hết sức cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Vì vậy đề tài: “Nghiên cứu gia cố nền đất yếu bằng cọc tràm, ứng dụng cho công trình trên địa bàn tỉnh Sóc Trăng” Có tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 2. Mục đích nghiên cứu Mục tiêu của đề tài luận văn là trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm tại hiện trường để lựa chọn phương pháp, thông số thiết kế giải pháp gia cố nền bằng cọc tràm phù hợp với đặc điểm nền đất yếu ở Sóc Trăng, đảm bảo yêu cầu kinh tế - kỹ thuật. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Giải pháp gia cố nền bằng cọc tràm. Phạm vi nghiên cứu: Trong khuôn khổ thời gian có hạn, đề tài sẽ tập trung nghiên cứu, các khu vực có số liệu địa chất và có thí nghiệm thử tải do bản thân trực tiếp thực hiện. 4. Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, phương pháp tính toán, lựa chọn các thông số thiết kế nền sau khi gia cố bằng cọc tràm; Nghiên cứu thực nghiệm, đánh giá khả năng làm việc, sức chịu tải của đất nền sau khi gia cố bằng cọc tràm tại hiện trường, từ đó kiến nghị lựa chọn các thông số thiết kế 1 phù hợp, nhằm tăng tính khả thi và hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của giải pháp gia cố nền bằng cọc tràm; Ứng dụng thiết kế gia cố nền bằng cọc tràm cho công trình thực tế ở Sóc Trăng. 5. Phương pháp nghiên cứu Đề tài được nghiên cứu theo phương pháp lý thuyết, phương pháp thực nghiệm và phương pháp mô hình số. Phương pháp tổng hợp, phân tích, tính toán lý thuyết để thu thập, tổng hợp tài liệu địa chất kết quả thí nghiệm, phân tích các phương pháp tính toán gia cố nền bằng cọc tràm; xử lý và lựa chọn thông số thiết kế gia cố nền bằng cọc tràm từ các kết quả thí nghiệm hiện trường; Phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu sự khả năng làm việc, sức chịu tải của nền đất sau khi gia cố bằng cọc tràm tại hiện trường; Phương pháp mô hình số: Sử dụng phần mềm Plaxis, Geo-slope để mô phỏng, tính toán, thiết kế nền bằng cọc tràm. 6. Kết quả đạt được Tình hình nghiên cứu, ứng dụng; cơ sở lý thuyết, phương pháp tính toán, thiết kế gia cố nền bằng cọc tràm; Lựa chọn được phương pháp tính toán, thiết kế gia cố nền bằng cọc tràm phù hợp đặc điểm nền đất yếu ở Sóc Trăng; Ứng dụng thiết kế gia cố nền bằng cọc tràm cho công trình cụ thể ở địa bàn tỉnh Sóc Trăng; Kết quả của đề tài nghiên cứu góp phần bổ sung tài liệu tham khảo cho các công trình tương tự. 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP MÓNG CỌC 1.1 Tổng quan về đất yếu 1.1.1 Khái niệm về đất yếu Nếu sức chịu tải của đất nền không đáp ứng tải trọng thiết kế hoặc mức độ thấm của đất vượt quá yêu cầu về độ thấm thiết kế thì gọi là nền đất yếu. Một quan niệm khác cho rằng, đất yếu được hiểu là các loại đất ở trạng thái tự nhiên có: - Độ ẩm của đất cao hơn hoặc bằng giới hạn chảy. - Hệ số rỗng lớn (đất sét: e ≥ 1,5; đất á sét: e ≥ 1). - Lực dính theo thí nghiệm cắt cánh không thoát nước nhỏ hơn 0,15 kG/cm2. - Góc nội ma sát < 100 hoặc lực dính từ kết quả cắt cánh hiện trường Cu < 0,35 kG/cm2. Đất yếu có thể được phân loại theo trạng thái tự nhiên dựa vào độ sệt B: B= W − Wd Wch − Wd Trong đó: W, Wd, Wch: là độ ẩm ở trạng thái tự nhiên, giới hạn dẻo và giới hạn chảy của đất. Nếu B>1: đất ở trạng thái chảy; Nếu 0,7513%) - Cát chảy: Gồm các loại cát mịn, cát hạt nhỏ, cát bụi chứa nước có thể tự chảy; - Đất có hàm lượng tạp chất hòa tan muối cloua >5%, muối sunphat hoặc muối sunphat clorua >10% tính theo trọng lượng; - Đất phù sa, bùn, đất mùn. Đất yếu thường có những đặc điểm sau đây: - Hàm lượng nước cao và trọng lượng thể tích nhỏ. - Độ thấm nước rất nhỏ. - Cường độ chống cắt nhỏ và khả năng nén lún lớn. Ở Việt Nam thường gặp các loại đất sét mềm yếu, bùn và than bùn. Ngoài ra ở một số vùng còn gặp loại đất có ít nhiều tính chất của loại đất lún sập như đất bazan ở Tây Nguyên và thỉnh thoảng còn gặp các loại cát chảy là những loại đất yếu có những đặc điểm riêng biệt. 1.1.2.1. Đất sét mềm Theo quan điểm địa kỹ thuật thì không có sự phân biệt rõ ràng giữa đất sét mềm và bùn. Tuy nhiên ở đây ta hiểu đất sét mềm là các loại đất sét hoặc á sét tương đối chặt, bão hòa nước và có cường độ cao so với bùn. Đất sét mềm có những đặc điểm riêng biệt nhưng cũng có nhiều tính chất chung của các đất đá thuộc loại sét, đó là sản phẩm của giai đoạn đầu của quá trình hình thành đất đá loại sét. Đất sét gồm chủ yếu là các hạt nhỏ như thạch anh, felspar (phần phân tán thô) và các khoáng vật sét (phần phân tán mịn). Các khoáng vật sét này là các silicate alumin có thể chứa các ion Mg2+, K+, Ca, và Fe... chia thành ba loại chính là ilite, kaolinite và montmorlonite. Đây là những khoáng vật làm cho đất sét có đặc tính riêng của nó. 4 Ilite là một khoáng vật đại biểu của nhóm hydromica. Hydromica được thành tạo chủ yếu là ở môi trường kiềm (pH tới 9,5), trung bình và axit yếu, luôn chứa khá nhiều kali trong dung dịch. Về cấu tạo mạng tinh thể, ilite chiếm vị trí trung gian giữa kaolinite và montmorilonite. Kaolinite được thành tạo do phong hóa đá magma, đá biến chất và đá trầm tích trong điều kiện khí hậu ẩm khác nhau. Đặc điểm của mạng tinh thể kaolinite là tương đối bền, ổn định. Montmorilonite phổ biến nhất là loại chứa oxit nhôm, cấu tạo mạng tinh thể gần giống như kaolinit nhưng kém bền vững, nước dễ xuyên vào gây trương nở mạnh. Montmorilonite được thành tạo chủ yếu trong quá trình phong hóa đất magma trong điều kiện môi trường kiềm (pH= 7 – 8,5), khí hậu khô, ôn hòa và ẩm. Montmorilonite cũng có thể phát sinh ở biển trong điều kiện môi trường kiềm. Các khoáng vật sét là dấu hiệu biểu thị các điều kiện môi trường mà nó thành tạo và có ảnh hưởng quyết định đến các tính chất cơ – lý của đất sét. Vì vậy, khi đánh giá đất sét về mặt địa chất công trình cần nghiên cứu thành phần khoáng vật sét (phần phân tán mịn) của nó. Trong trường hợp chung, đất sét là một hệ phân tán ba pha (hạt khoáng, nước lỗ rỗng và hơi), tuy nhiên do đất sét yếu thường bão hòa nước nên nó xem là một hệ hai pha cốt đất và nước lỗ rỗng. Các hạt sét và hoạt tính của chúng với nước trong đất làm cho đất sét mang những tính chất mà những loại đất khác không có: Tính dẻo và sự tồn tại của gradient ban đầu, khả năng hấp thụ, tính chất lưu biến,... từ đó mà đất sét có những đặc điểm riêng về cường độ, tính biến dạng. Một trong những đặc điểm quan trọng của đất sét mềm là tính dẻo. Nhân tố chủ yếu chi phối độ dẻo là thành phần khoáng vật của nhóm hạt kích thước nhỏ hơn 0,002 mm và hoạt tính của chúng đối với nước. Trong thực tế xây dựng thường dùng các giới hạn Atterberg để đánh giá độ dẻo của đất loại sét. Theo cách phân loại đó thì đất sét mềm có độ sệt từ dẻo chảy đến chảy. Một trong những tính chất quan trọng nữa của đất sét là độ bền cấu trúc (hay cường độ kết 5 cấu) của chúng. Nếu tải trọng truyền lên đất nhỏ hơn trị số cường độ kết cấuthì biến dạng rất nhỏ, có thể bỏ qua, còn khi vượt quá cường độ kết cấuthì đường cong quan hệ giữa hệ số rỗng và áp lực bắt đầu có độ dốc lớn. Trị số cường độ kết cấucủa đất sét mềm vào khoảng 0,2 – 0,3 daN/cm2. Tính chất lưu biến cũng là một tính chất quan trọng của đất sét yếu. Đất sét yếu là một môi trường dẻo nhớt. Chúng có tính từ biến và có khả năng thay đổi độ bền khi chịu tác dụng lâu dài của tải trọng. Khả năng đó gọi là tính lưu biến. Trong tính chất lưu biến của đất sét còn có biểu hiện giảm dần ứng suất trong đất khi biến dạng không đổi, gọi là sự chùng ứng suất. Thời gian mà ứng suất gây nên biến dạng đang xét giảm đi 2,7183 lần gọi là chu kỳ chùng ứng suất. Ở đất sét yếu chu kỳ chùng ứng suất thường rất ngắn. Hiện tượng hấp thụ là khả năng đất sét yếu hút từ môi trường chung quanh và giữ lại trên chúng những vật chất khác nhau (cứng, lỏng, hơi), những ion phân tử và các hạt keo. Người ta dùng nó để giải thích nhiều hiện tượng và tính chất đặc biệt của đất sét. 1.1.2.2. Bùn Theo quan điểm địa chất thì bùn là các lớp đất mới được tạo thành trong môi trường nước ngọt hoặc trong môi trường nước biển, gồm các hạt rất mịn (nhỏ hơn 200µm) với tỷ lệ phần trăm các hạt < 2µm cao, bản chất khoáng vật thay đổi và thường có kết cấu tổ ong. Tỷ lệ phần trăm các chất hữu cơ nói chung dưới 10%. Bùn được tạo thành chủ yếu do sự bồi lắng tại các đáy biển, vũng, vịnh, hồ hoặc các bãi bồi của sông, nhất là các cửa sông chịu ảnh hưởng của thủy triều. Bùn luôn no nước và rất yếu về mặt chịu lực. Theo quy phạm Liên Xô SNIP II – 1,62 thì bùn là trầm tích thuộc giai đoạn đầu của quy trình hình thành đất đá loại sét, được thành tạo trong nước, có sự tham gia của các quá trình vi sinh vật. Độ ẩm của bùn luôn cao hơn giới hạn chảy, còn hệ số rỗng e > 1 (với á cát và á sét) và e > 1,5 (với sét). Trong thành phần hạt, bùn có thể là á cát, á sét, sét và cũng có thể là cát mịn và đều có chứa một hàm lượng hữu cơ nhất định (đôi khi đến 10 – 12%), càng xuống sâu hàm lượng này càng giảm. 6 Cường độ của bùn rất nhỏ, biến dạng rất lớn (bùn có đặc tính là nén chặt không hạn chế kèm theo sự thoát nước tự do), môđun biến dạng chỉ vào khoảng 1 – 5 daN/cm2 (với bùn sét) và 10 – 25 daN/cm2 (với bùn á sét, bùn á cát), còn hệ số nén lún thì có thể đạt tới 2 – 3 cm2/daN. Như vậy, bùn là những trầm tích nén chưa chặt và dễ bị thay đổi kết cấu tự nhiên, do đó việc xây dựng trên bùn chỉ có thể thực hiện được sau khi áp dụng các biện pháp xử lý đặc biệt. 1.1.2.3 Than bùn Than bùn là đất yếu nguồn gốc hữu cơ, được thành tạo do kết quả phân hủy các di tích hữu cơ (chủ yếu là thực vật) tại các đầm lầy. Than bùn có dung trọng khô rất thấp (3 – 9 kN/m3), hàm lượng hữu cơ chiếm 20 – 80%, thường có màu đen hoặc màu nâu sẫm, cấu trúc không mịn, còn thấy tàn dư thực vật. Trong điều kiện tự nhiên, than bùn có độ ẩm cao, trung bình 85 – 95% và có thể đạt hàng trăm phần trăm. Than bùn là loại đất bị nén lún lâu dài, không đều và mạnh nhất, hệ số nén lún có thể đạt 3 – 8 – 10cm2/daN, vì thế phải thí nghiệm than bùn trong các thiết bị nén với mẫu cao ít nhất 40 – 50cm. Than bùn thường được phân loại theo địa chất công trình và theo tính chất cơ – lý của đất. 1.1.3 Các giải pháp xử lý nền đất yếu 1.1.3.1 Xử lý nền đất yếu bằng phương pháp làm chặt đất bằng cơ học Phương pháp làm chặt đất trên mặt bằng cơ học là một trong những phương pháp cổ điển nhất, được sử dụng rất phổ biến trên thế giới. Bản chất của phương pháp này là dùng các thiết bị cơ giới như xe lu, máy đầm, búa rung... làm chặt đất. Các yếu tố chính làm ảnh hưởng đến khả năng đầm chặt của đất gồm: Độ ẩm, công đầm, thành phần hạt, thành phần khoáng hóa, nhiệt độ của đất và phương thức tác dụng của tải trọng. Mục đích làm chặt đất là phải xác định độ ẩm tốt nhất (Wopt) ứng với giá trị khối lượng thể tích khô lớn nhất (γdmax). 7 Hình 1.1. Xử lý nền đất yếu bằng phương pháp làm chặt đất Do được làm chặt, các chỉ tiêu về độ bền của đất tăng lên đáng kể, tính biến dạng và tính thấm giảm đi. Hiện nay phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong xây dựng đường giao thông, sân bay, các công trình thủy lợi và trong xây dựng dân dụng và công nghiệp. 1.1.3.2 Xử lý nền đất yếu bằng lớp đệm Xử lý nền bằng lớp đệm nhằm mục đích tăng sức chịu tải và giảm tính nén lún của nền. Người ta thường xử lý bằng đệm cát, đất, đá, sỏi. Hình 1.2. Xử lý nền đất yếu bằng đệm cát - Đệm cát: Vì ứng suất do tải trọng ngoài giảm dần theo chiều sâu cho nên khi gặp lớp đất yếu người ta thay một phần lớp đất yếu bằng các vật liệu thay thế (gọi là tầng đệm cát) ngay dưới đáy móng để đủ sức chịu tải trọng mà vẫn tận dụng được khả năng của lớp đất yếu nằm ở phía bên dưới. 8 - Đệm đất: Thay toàn bộ lớp đất yếu áp dụng cho đất yếu xuất hiện ngay trên bề mặt với chiều dày lớp đất yếu không lớn. Bằng giải pháp này chúng ta tạo ra dưới đáy móng lớp đất mới có góc ma sát trong cao và trọng lượng riêng lớn, hệ số rỗng thấp không những đảm bảo tăng cường cường độ của đất mà còn làm giảm tính lún của đất. - Đệm đá sỏi: Khi chiều dày lớp đất yếu nhỏ hơn 3m ở trạng thái bão hòa nước dưới lớp đất yếu là lớp đất chịu lực tốt và xuất hiện nước có áp lực cao thì dùng đệm đá, sỏi. Lớp đệm đá yêu cầu phải xếp chèn thật tốt nếu không sẽ mất ổn định toàn bộ lớp đệm. 1.1.3.3 Xử lý nền đất yếu bằng phương pháp nén trước Công trình xây dựng trên nền đất yếu sẽ chịu lún đáng kể. Do vậy, trước đó người ta đã chất tải buộc nền đất lún xuống đến mức cần thiết. Trong thời gian chất tải, độ lún và áp lực nước được quan trắc. Lớp gia tải được dỡ khi độ lún kết thúc hoặc đã cơ bản xảy ra. Công trình vẫn tiếp tục lún do đất có tính dẻo cao, nhưng biên độ lún khi đó sẽ chỉ bằng một phần 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. Hình 1.3. Gia tải trước bằng cách sử dụng khối đắp hoặc áp suất chân không 1.1.3.4 Xử lý nền đất yếu bằng thiết bị tiêu nước thẳng đứng Lún do cố kết nền đất sét yếu tạo ra nhiều sự cố cho nền móng công trình. Cần nhiều thời gian để hoàn thành cố kết thứ nhất do tính thấm của đất sét nhỏ. Để rút ngắn thời 9 gian cố kết này, thường dùng thiết bị tiêu nước thẳng đứng kết hợp với nén trước bằng khối đắp tạm thời hay áp lực chân không. Thiết bị tiêu nước thẳng đứng có nhiều loại với các đặc trưng vật lý khác nhau nhằm tạo ra đường thoát nước nhân tạo cho đất. Có hai loại đường thấm thẳng đứng: Giếng cát và bấc thấm. Tác dụng của đường thấm thẳng đứng là để tăng nhanh quá trình thoát nước trong các lỗ rỗng của đất yếu, làm giảm độ rỗng, độ ẩm, tăng dung trọng. Kết quả là làm tăng quá trình cố kết của nền đất yếu, tăng sức chịu tải và làm cho nền đất đạt độ lún quy định trong thời gian cho phép. Để tăng nhanh tốc độ cố kết, ta thường kết hợp biện pháp xử lý bằng bấc thấm, giếng cát với biện pháp gia tải tạm thời, tức là đắp cao thêm nền đường so với chiều dày thiết kế 2 – 3m trong vài tháng rồi sẽ lấy phần gia tải đó đi ở thời điểm t mà nền đường đạt được độ lún cuối cùng như trường hợp nền đắp không gia tải. Hình 1.4. Xử lý nền đất yếu bằng thiết bị tiêu nước thẳng đứng 1.1.3.5 Xử lý nền đất yếu bằng cọc vật liệu rời Cọc vật liệu rời có thể áp dụng cho nhiều loại đất khác nhau, từ các loại đất rời đến đất sét yếu và các loại đất hữu cơ. Cọc vật liệu rời rất kinh tế kể cả khi phải chịu tải ở mũi cọc. Chúng được thi công bằng biện pháp đầm rung, đầm trong lỗ khoan, cọc cát đầm, cọc đá đóng, đầm nặng. Cọc đá đóng cũng có thêm tác dụng của đầm nặng vì thực chất chúng được chất tải trước. Cọc đá sẽ nâng cao sức chịu tải của nền 240 – 480kPa, giảm độ lún cho móng, chuyển dịch ngang, chèn lấp các hang hốc. Khả năng chịu tải của nền được cải thiện từ 50 – 100% trong khi lún giảm đi 3 – 4 lần. Đáng lưu ý là lún hầu như chỉ xảy ra trong giai đoạn chất tải và còn rất nhỏ ở giai đoạn sau thi công. 10