Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Phương pháp cố kết hút chân không xử lý nền đất yếu trong xây dựng công trình...

Tài liệu Phương pháp cố kết hút chân không xử lý nền đất yếu trong xây dựng công trình

.PDF
99
415
66

Mô tả:

GS. TS. NGUYỀN CHIẾN (Chủ biên) ThS. TỒ HỮU ĐỨC - ThS. PHẠM HUY DŨNG PHƯƠNG PHÁP CÔ KẾT HÚT CHÂN KHÔNG xử LÝ NỀN ĐẤT YẾU TRONG XÂY DỤNG CÔNG TRÌNH NHÀ XUẤT BẢN XÂY DỰNG HÀ NỘI-2011 LỜI NÓI ĐẨU Sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước ngày nay đang đòi hỏi phải xây dựng hàng loạt các công trình dãn dụng, công nghiệp, giao thông, thủy lợi đê đáp ứng nhu cầu phát triển, hội nhập củng như giảm nhẹ các ảnh hưởng của thiên tai, biến đổi khí hậu. Nhiều công trình xây dựng ở vùng đồng bằng, ven sông biến có đất nền là mềm yếu, đòi hỏi phải được xử lý đê đảm bảo điều kiện ổn định và độ bền dưới tác dụng của tải trọng ngoài. Đối với một số công trinh thủy lợi như đê hay công trinh dưới đê thì còn thêm yêu cầu chống thấm trong xử lý nền. Trên thế giới hiện nay có rất nhiều phương pháp xử lý nền đất yếu để xây dựng công trình, trong đó có thê chia thành các nhóm như thay đất nền, sử dụng tác động cơ học, hóa học, nhiệt học, sinh vật học, thủy lực học. Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cô kết chân không (HCK) là một phương pháp thuộc nhóm thủy lực học, tức là áp dụng nguyên tắc rút bớt nước ra khỏi đất nền để giảm hệ số rỗng, tăng độ chặt và tăng khả năng chịu tải của nền. Công nghệ HCK đã được đề xuất từ khá lâu (1952), được phát triển và ứng dụng ở nhiều nước, đặc biệt là trong khoảng 20 năm gần đây. ơ Việt Nam, việc sử dụng công nghệ này còn là mới mẻ. Một số công trình đã áp dụng như Nhà máy khí điện đạm Cà Mau (2005), nhà máy DAP Đình Vũ - Hải Phòng (2010), và gần đây nhất là đường cao tốc Long Thành - Dầu Giây (2010) củng mới ở mức thử nghiệm, còn phụ thuộc vào công nghệ, máy móc, thiết bị của công ty nước ngoài. Mặc dù vậy, hiệu quả kính tế - kỹ thuật của công nghệ HCK đã được chứng minh là có nhiều điểm ưu việt hơn các phương pháp khác, đậc biệt là trồng việc tăng nhanh tốc độ thi công, sớm đưa công trinh vào vận hành, khai thác. Để có thể áp dụng công nghệ HCK một cách rộng rãi và chủ động, cần phải có tài liệu hướng dẫn cụ thê về nội dung thiết kế, lựa chọn thiết bị và vật liệu, triển khai thi công và kiểm soát chất lượng. Cuốn sách này là một cô'gắng của tập thê' tác giả theo hướng đã nêu. Đây củng là một phần sản phấm của đề tài khoa học “Nghiên cứu ứng dụng phương pháp cô kết hút chân không xử lý nền đất yếu phục vụ xây dựng công trình thủy lợi vùng ven biển" do Bộ Nông Nghiệp và Phát triển nông thôn chủ quản và Trường Đại học Thủy lợi chủ trì thực hiện trong thời gian 2008 - 2011. Nội dung cuôh sách này gồm 4 chương. Chương 1 giới thiệu tổng quan về các phương pháp xử lý nền đất yếu và làm rõ nguyên lý của các phương pháp thi công HCK. 3 Chương 2 trình bày các nguyên lý và thực hành tính toán xử lý nền đất yếu bằng hút chân không. Chương 3 giành cho việc hướng dẫn thiết k ế xử lý nền đất yếu bằng HCK, bao gồm khảo sát thu thập tài liệu, tính toán thiết k ế xử lý và thiết k ế tổ chức thi công. Chương 4 mô tả rõ quy trình công nghệ xử lý nền đất yếu bằng HCK, trong đó giới thiệu các máy móc thiết bị thi công, trình tự thao tác xử lý, công tác và thiết bị quan trắc, công tác thí nghiệm, đánh giá chất lượng nền sau khi xử lý. Trong phần phụ lục dẫn ra các bảng biểu và đồ thị dùng trong tính toán cô kết, thông số kỹ thuật của các thiết bị phục vụ thi công HCK. Sách được viết giành cho các kỹ sư thiết kế, triển khai thi công, quản lý và giám sát chất lượng công trình có xử lý nền đất yếu bằng HCK. Nội dung sách cũng có ích đối với các học viên cao học, nghiên cứu sinh và các nhủ nghiên cứu quan tăm đến các vấn đề xử lý nền đất yếu. Tham gia biên soạn sách là một tập thể giáo viên của Khoa Công trình Trường Đại học Thủy lợi gồm: GS.TS. Nguyễn Chiến (chủ biên), ThS. Tô Hữu Đức (cùng với Giáo sư Nguyễn Chiến viết các chương 1, 2, 3 tiết 4.1, 4.2, 4.3 của chương 4), ThS. Phạm Huy Dũng (viết tiết 4.4 của chương 4). Các tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Trịnh Minh Thụ, Trưởng Bộ môn Địa kỹ thuật, Trường Đại học Thủy lợi đã giành thời gian đọc và góp nhiều ý kiến quý báu đ ể hoàn thiện nội dung sách; GS. Nguyễn Công Mẫn, ThS. Hoàng Việt Hùng Trường Đại học Thủy lợi đã cung cấp nhiều tài liệu cần thiết; Công ty TEINCO đã tạo điều kiện thuận lợi trong việc tìm hiểu và thu thập tài liệu hiện trường; Kỹ sư Nguyễn Văn Tâm - Bộ môn Thủy cộng, Trường Đại học Thủy lợi đã có nhiều dóng góp trong việc trình bày sách. Do thời gian và kinh nghiệm thực tế có hạn nên trong sách không thể tránh khỏi thiếu sót. Các tác giả mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp đê nội dung sách aưực hoàn thiện hơn trong lần xuất bản sau. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về Bộ môn Thủy công, Trường Đại học Thủy lợi, 175 - Tây Sơn, Hà Nội. Xin chân thành cảm ơn!. Tập thê tác giii 4 CHÚ THÍCH CÁC KÝ HIÊU a - hệ số nén lún của đất; diện tích xử lý trung bình cho 1 nhân côn A - diện tích xử lý. A ị - diện tích một lần xử lý. B - độ sệt. c - lực dính đơn vị. Cc - chỉ s ố nén lún. cr - chỉ số nén lún phục hồi; hệ số cố kết phương bán kính. cv - hệ số cố kết phương thẳng đứng. ca - chỉ số nén lún thứ cấp. dc - đường kính ảnh hưởng của cọc thấm. dvv- đường kính cọc thấm. e - hệ số rỗng. E - chỉ số sắp xếp thời gian. Fc - hệ số biến dạng bấc. Ffc - hệ số bấc. Fn - hệ số khoảng cách bấc Fs - hệ số vùng miết. Ft - hệ số thời gian. Fw- hệ số kháng giếng, g - gia tốc trọng trường. G - độ bão hòa của đất. H¡ - chiều dày lớp đất thứ i. Hs - chiều dày lớp gia tải khí. Kair - hệ số thấm khí của lớp gia tải. Kc - hệ số thấm. Kr - hệ số thấm phương ngang. Ks - hệ số thấm ngang vùng miết. Ksoj| - hệ số thấm của đất. Kv - hệ số thấm phương đứng. / - chiều sâu cắm bấc; chiều dài thoát nước thấm lớn nhất của bấc. N - hệ số xuyên tiêu chuẩn; số lượng nhân công. Pvac ■áp suất chân không tương đối. qretJ, qw - lưu lượng yêu cầu cho bấc thấm. Qa - lưu lượng bơm hút chân không. Rah - bán kính ảnh hưởng, s - hệ số vùng miết. Sc, st - độ lún. Su - sức kháng cắt không thoát nước, t - thời gian. tpre - thòi gian làm công việc bơm hút. tpUmp - thời gian bơm hút. Tr, Tv - nhân tố thời gian, u - áp lực nước lỗ rỗng dư. ur - độ cố kết theo phương bán kính. uv - độ cố kết theo phương đứng. u,0 - 10% giá trị độ cố kết tính toán. z - độ sâu. y - tham số vùng miết khi gia tải trước. yw - trọng lượng riêng của nước. 8f - độ lún cuối. S() - độ rỗng ban đầu của đất. p - hệ số nở hông, ơ - ứng suất. Ễ, - tham số vùng miết. NHŨNG CHỮ VIẾT TẮT DC - đầm chậm. HCK - hút chân không. MVC - phương pháp cố kết chân không Menard (sử dụng màng kín khí). PVD - bấc thấm thẳng đứng. RDC - đầm nhanh. Chương 1 GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG PHÁP x ử LÝ NÊN ĐẤT YÊU 1.1. NỂN ĐẤT YẾU Trong xây dựng các công trình yếu tố đặc tính chịu tải của nền đất là rất quan trọng. Nền đất tốt giúp công trình vững chãi, ổn định trong quá trình vận hành trước các tác dụng của các tải trọng thường xuyên, tạm thời và cả tải trọng đặc biệt, đồng thời tránh được các hậu quả khôn lường do các hiện tượng lún, lún không đều, sạt, trượt... Tuy nhiên do yêu cầu về dân sinh và về giao thông, rất nhiều công trình không có khả năng lựa chọn linh hoạt địa điểm thi công như công trình xây dựng đô thị ven sông, ven biển, đường giao thông, đê điều, cầu, cảng... Các công trình này bắt buộc phải được xây dựng trên nền đất có đặc tính chịu tài kém, gọi chung là nền đất yếu. Có rất nhiều quan niệm khác nhau về nền đất yếu. Theo quan điểm của một số nhà xây dựng, nếu tính chịu tải của đất không đáp ứng được các yêu cầu của thiết kế, phải gia cố mới có thể thi công và vận hành công trình thì gọi là đất yếu. Đây là một quan niệm mang tính vận dụng cao, được chấp nhận rộng rãi, tuy nhiên quan niệm này lại không có hạn định rõ ràng vì đối với một số công trình một nền cụ thể có thể coi là nền đất yếu, nhung đối với một số công trình khác thì không. Điểm này gây khó khăn cho việc quy hoạch. Một quan niệm khác cho rằng nền đất yếu là nền có chứa lớp đất yếu có độ dày lớn hơn 0,5 m. Đất yếu ở đây được hiểu là các loại như đất nhiễm than bùn, đất sét, á sét có hệ số chảy lớn hơn 0,5 và đất nhiễm mặn. Mặt khác, theo P.L. Ivanov, các loại đất yếu chủ yếu là các loại đất cát pha, á sét và đất sét có hàm lượng hạt mịn (R < 0,005mm) lớn hơn 3% [43]. Đối với xây dựng đường ô tô, theo tiêu chuẩn 22TCN262 - 2000 [10], đất yếu là đất ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của đất gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, đất yếu có hệ số rỗng lớn (đất sét: e > 1,5; đất á sét: e > 1), lực dính c theo thí nghiệm cắt nhanh không thoát nước nhỏ hơn 0,15 daN/cm2 (tương đương kG/cm2), góc nội ma sát ọ < 10° hoặc lực dính từ kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường c u< 0,35 daN/cm2 Theo một quan điểm khác [12], đất yếu có thể coi là đất sét, á sét có độ sệt B > 0,5 hoặc đất có lượng hữu cơ > 20% hoặc đất bùn cát có độ bão hòa G > 0,8. Theo quan điểm xây dựng của một số nước [2] đất yếu được xác định theo tiêu chuẩn về sức kháng cắt không thoát nước s uvà hệ số xuyên tiêu chuẩn N như sau: - Đất rất yếu: su< 12,5 kPa họặc N <2 - Đất yếu: Su < 25 kPa hoặc N < 4. 7 Từ một khía cạnh khác, nền đất không có lóp đất yếu nhưng có kết cấu yếu (có hang Karst, sông ngầm, mặt trượt đứt gãy kéo dài ...) vẫn có thế xếp vào dạng nền đất yếu. Tuy nhiên đối với các loại nền này, sự mất ồn định của công trình chì rõ rệt khi tái trọng vượt quá tải trọng cho phép. Dạng nền này không thể, sử dụng các biện pháp gia cố thông thường và không phải là đối tượng xử lý được đề cập đến ở dưới đây. Tóm lại, nền đất yếu là nền đất không thuận lợi cho việc xây dựng công trình. Thi công công trình trên nền đất yếu đòi hỏi phải xử lý nền thật tốt để đảm bảo an toàn cho việc xây dựng và vận hành. 1.2. CÁC TRƯỜNG HỢP XÂY DỤNG CÔNG TRÌNH TRÊN NEN đ ấ t yếu Việc lựa chọn địa điểm xây dựng công trình có nền đất tốt có thể tiết kiệm rất nhiều về mặt chi phí cũng như thời gian xây dựng. Tuy nhiên, trong thực tế có rất nhiều công trình bắt buộc phải xây dựng trên nền đất yếu vì nhiều lý do như mục đích sử dụng, giao thông, nguồn vật tư ... Các công trình xây dựng trên nền đất yếu nói chung mà trong đó có các công trình ứng dụng Công nghệ bom hút chân không xử lý nền đất yếu (HCK) cỏ thể chia làm bốn nhóm chính sau: 1.2.1. Các công trình giao thông Đây là nhóm công trình rât quan trọng và đa dạng, phân chia thành các nhóm nhỏ hon theo đặc điểm vận hành: các công trình giao thông thủy (cảng sông, cảng biển, âu thuyền...); các công trình giao thông bộ (đường cao tốc ven biển, cầu, hầm vượt sông...); các công trình giao thông khác (sân bay, đường tàu, nhà ga...). Trên hình 1.1 là sân bay Suvamabbumí (Thái Lan), một công trình được xử lý nền bằng HCK với diện tích xử lý 400.000 m2. Hình 1.1. Sân bay Suvarnabhumi, Thái Lan Hình 1.2. Khu dân cưSteiger Eiland Ịịburg, Hà Lan Ở Việt Nam cũng đã có một số công trình giao thông được ứng dụng HCK xử lý nền đất yếu như cảng Đình Vũ, Hải Phòng; đường cao tốc Long Thành - Dầu Giây. 8 1.2.2. Các công trình dân dụng , Nhóm các công trình dân dụng xây dựng trên nền đất yếu là nhóm công trình phố biến nhất, tuy nhiên nhóm này ít được ứng dụng HCK mà chủ yếu sử dụng các công nghệ cố kết khác như đầm lăn, đầm rung... hoặc làm móng sâu, xuyên qua lóp đất yếu, đem công trình tựa lên lớp địa chất tốt hơn. Trên hình 1.2 là khu dân cư Steiger Eiỉand Ịịburg (Hà Lan) được xử lý nền bằng HCK với tổng chiều dài bấc sử dụng là 320.000m. 1.2.3. Các công trình công nghiệp Nhóm các công trình công nghiệp xây dựng trên nền đất yếu không nhiều, do đặc thù xây dựng xa khu dân cư cho phép lựa chọn địa điểm xây dựng linh hoạt hơn. Cũng nhờ vậy, các công trình xây dựng công nghiệp thường ít sử dụng giải pháp xử lý nền bang HCK mà có điều kiện sử dụng các phương pháp cố kết khác rẻ tiền và tiện lợi hơn. Tuy nhiên do yêu cầu về nguồn nguyên liệu và giao thông, vẫn có nhiều công trình xây dựng công nghiệp ứng dụng HCK. Trên hình 1.3 là nhà máy điện nguyên tử Singori của Hàn Quốc, được xử lý nền bằng phương pháp cố kết hút chân không với 695.000m bấc. Hình 1.3. Nhà máy điện nguyên tửSingori, Korea Hình 1.4. Sơ đồ trạm xử lý nước Pusan (xử lí nước thải trên sôngNakdong - Korea) ở Việt Nam cũng có một số công trình công nghiệp ứng dụng công nghệ này xử lý đất nền như Nhà máy khí điện đạm Cà Mau; Nhà máy DAP, Nhà máy Polyester Đình Vũ, Hải Phòng; Nhà máy điện Nhơn Trạch - Đồng Nai. 1.2.4. Các công trình thủy lọi Nhóm các công trình thủy lợi ứng dụng HCK chủ yếu là các công trình chỉnh trị như đê và các công trình dưới đê, kè ở ven sông, ven biển các trạm bơm và công trình xử lý nước. Trên hình 1.4 là sơ đồ công trình xử lý nước thải trên sông Nakdong, Hàn Quốc với diện tích xử lý nền ứng dụng HCK là 160.000m2. 9 1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỂN đ ấ t y ê u đ ể x â y d ụ n g c ô n g t r ìn h Các phương pháp gia cố nền đất yếu đã được ứng dụng từ hàng ngàn năm trước bàng những phương pháp thô sơ như là dùng đầm tay nện đất hay đóng cọc tre ép đẩt nền chặt hơn. Tuy nhiên việc nghiên cứu một cách khoa học, và có hệ thống chỉ bắt đầu từ thế kỷ trước, sau khi các cơ sở lý luận cơ bản của môn cơ học đất được hoàn thiện. Trải qua gần một thế kỷ nghiên cứu và phát triển, các nhà khoa học đã tìm ra nhiều phương pháp hiệu quả để cố kểt đất yếu. về cơ bản, các phương pháp đó được chia thành các nhóm như sau: 1.3.1. Phương pháp thay nền Nguyên tắc của phương pháp này được nghĩ đến từ rất sớm và rất đơn giản: trực tiếp bóc bỏ một phần hoặc toàn bộ lớp đất yếu chịu tải, thay bằng loại đất có khả năng chịu tải tốt hơn. Trong quá trình bóc bỏ nếu gặp phải khó khăn do đất quá yếu có thể bỏ thêm đất khô rồi xúc cả đi. Phương pháp này nhìn chung tốn kém và ít được sử dụng. 1.3.2. Nhóm phương pháp cơ học Nguyên tắc cơ bản của nhóm phương pháp cơ học là sử dụng tác động cơ học làm giảm hệ số rỗng của đất nền. Các phương pháp thuộc về nhóm này tương đối đa dạng và được ứng dụng rộng rãi, bao gồm: sử dụng tải trọng tĩnh, động, đóng cọc, nhồi rung cọc đá, sử dụng thuốc nổ sâu [42]. Nguyên lý của phương pháp sử dụng tải trọng là tạo ra các lực tác dụng theo phương đứng và ngang nhằm nén đất nền lại để giảm hệ số rỗng, trong khi đó việc đóng thêm cọc nhằm giảm thể tích của đất nền, tạo ra các lực nén theo phương ngang để từ đó giảm hệ số rỗng của nền. Phương pháp sử dụng thuốc nổ sâu chỉ áp dụng cho đất rất yếu, sử dụng trọng lượng của khối đất và lực nén cùa thuốc nổ để giảm hệ số rỗng của đất nền. Phương pháp đầm thông thường chỉ được sử dụng khi lớp đất yếu nằm ở phía dưới, lớp đất trên bề mặt khô ráo và có sức chịu tải nhất định, chịu được tải trọng tĩnh và động Hình 1.5. Thiến bị đầm DC 10 Hình 1.6. Hố nén phương pháp RDC của thiết bị đầm nén mà không gây lún cục bộ. Nếu chiều sâu đầm nén không lớn (nhỏ hơn 5 m) có thể sử dụng xe đầm lăn, đầm rung. Trong trường họp muốn khu vực ảnh hưởng sâu hơn phải sử dụng máy đầm liên tục và cục bộ tại một điểm. Đối với đầm cục bộ, có hai cách đầm chính là đầm chậm - (deep) Dynamic Compaction (DC) và dam nhan Rapid (deep) Dynamic Compaction (RDC). Các phương pháp đầm chậm (hình 1.5) thông thường dùng quả đầm có trọng lượng 1(H40 tấn thả rơi từ độ cao 1CH-40m với tần suất 0,5-K lần/phút. Quả đầm có thể dài tới 7m và sẽ tạo ra một hố có thể sâu tới hơn 5m, quả đầm không cần phải làm đối xứng tròn mà có thể làm góc cạnh và khu vực chịu ảnh hưởng có thể sâu tới hơn 16m. Trong khi đó, phương pháp đầm nhanh (hình 1.6) thông thường dùng quả đầm nhỏ hơn có trọng lượng 9^16 tấn, ném thả có gia tốc ban đầu từ độ cao 0,2^-lm với tần suất 4(H80 lần/phút. Quả đầm hình trụ có đường kính l,5-^2,6m và khu vực ảnh hưởng có thể sâu tới hơn 9m. 1.3.3. Nhóm phưoìig pháp hóa học Nhóm phương pháp hóa học dựa trên nguyên lý là bơm hóa chất vào đất nền để gia cố đất. Hóa chất chủ yếu được sử dụng là vữa xi măng và thủy tinh lỏng [44]. Mũi khoan quay và đâm sâu vào đất nền đến độ sâu thiết kế thì quay ngược lại để rút trở ra. Trong quá trình rút mũi khoan dung dịch được bơm dưới áp lực cao thành tia (jet grouting) vào đất nền, len vào các khe nứt trong đất (hình 1.7). Hiệu quả phun phụt tốt khi kích thước các khe lớn hơn 0,1 mm. Đe tạo thuận lợi cho phun phụt, có thể dùng lưỡi thép gắn vào mũi khoan, khi mũi khoan quay, lưỡi thép tách đất ra, làm đất tơi hơn, dễ tiếp nhận dung dịch vữa hơn. Phần đất được phụt dung dịch vữa xi măng sau khi cứng hóa có dạng cọc xi măng đất (hình 1.8). Hình 1.7. Mô tà quá trình jet grouting Hình 1.8. Cọc xi măng đất khi đào lên Tuy nhiên phương pháp này cũng có những hạn chế nhất định là hóa chất trong cột có thể tác dụng vơi muối và nước ngầm để tạo thành chất tan. Vì vậy trong quá trình vận hành thường xuyên phải phun phụt ữở lại. 11 Một cải tiển nhằm khắc phục tình trạng trên là bơm vào đất nền một dung dịch hồn hợp của hai hay nhiều hóa chất, mà sau đó các hóa chất này tác dụng với nhau tạo thành chất kết tủa lấp đầy các khe rồng, làm việc như một loại đất nhân tạo, ví dụ: Na20 .n S i0 2 + CaCl2+m H20 = n S i0 2.(m -1)H20 + Ca(OH)2 + 2NaCl. 1.3.4. Nhóm phương pháp nhiệt học Nguyên tắc của nhóm phương pháp nhiệt học là cứng hóa nền đất yếu bằng cách bơm hóa chất và khí nóng với nhiệt độ rất cao 70(K900°C vào các kẽ nứt nhân tạo được đóng kín bề mặt (phương pháp của I.M.Litminova). Gần đây, Nga còn phát triển thêm một phương pháp nhiệt học mới, dùng máy nung điện họp kim nichrome đế đốt nóng hố khoan theo chiều sâu, từ đó điều chỉnh được nhiệt độ cho phù hợp với từng lớp đất nền. Tuy nhiên về cơ bản thì phương pháp này tiêu tốn nhiều năng lượng và ít được sử dụng. 1.3.5. Nhóm phương pháp sinh học Nhóm phương pháp sinh học dựa trên nguyên tắc sử dụng các vi sinh vật làm đầy các lỗ rồng của đất nền (bioclogging) từ đó làm giảm hệ số rỗng hoặc gắn kết các hạt đất lại với nhau (biocementation) để làm tăng lực dính đơn vị của đất [41], Nhìn chung, nhóm phương pháp này có giá thành thâp tuy nhiên khả năng kiêm soát kém và đòi hỏi thời gian dài. 1.3.6. Nhóm phương pháp thủy lực học Nguyên tắc cùa nhỏm phương pháp thủy lực học là rút bớt nước ra khởi đất nền để giảm thành phần nước trong đất, từ đó giảm hệ số rỗng của đất. Vật liệu dùng để rút nước thường là bấc thấm composite. Cơ chể hút nước có thể là bơm hút cơ học hoặc điện thấm [10]. Để gia tăng tốc độ cố kết, có thể đóng tường chống thấm nhằm hạn chế nước ngầm từ xung quanh chảy đến hoặc kết họp thêm với gia tải. về cơ bản, HCK có thể COI là một phương pháp nhánh của nhóm phương pháp này. 1.4. GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ BƠM HÚT CHÂN KHÔNG x ử LÝ NỀN ĐẤT YẾU 1.4.1 . Lược sử phát triển Công nghệ bơm hút chân không xử lý nền đất yếu (HCK) lần đầu tiên được giới thiệu là vào năm 1952 bởi tiến sĩ w. Kjellman. Sau đó bài toán cổ kết hút chân không được nghiên cứu lại bởi giáo sư J.M. Cognon với một số nguyên tắc lý thuyết cơ bản mới. Đến những năm 70, HCK được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là ở Nga và Nhật. Vào thời điểm bấy giờ HCK được bổ sung một lớp tường chống thấm bao quanh khu vực xử lý nhằm hạn chế nước ngầm từ khu vực xung quanh, đồng thời gia tăng áp lực nén đứng của dòng thấm. Tuy nhiên cách bố trí này sớm bộc lộ khuyết điểm là khá tốn kém. Năm 1989 hãng xây dựng Menard (Pháp) dựa trên nghiên cứu và phát minh của giáo sư J.M. Cognon lần đầu tiên áp dụng phương pháp cố kết MVC (Menard Vacuum 12 Consolidation) trên diện tích 390 m2 của một trường huấn luyện phi công ở Ambes, Pháp [30]. Việc bố trí tường chống thấm không còn nữa mà thay vào đó là lớp gia tải bằng đất và sự chênh lệch giữa áp suất khí quyển với áp suất chân không dưới màng kín khí bao phủ bề mặt diện tích xừ lý. Từ sau đó phương pháp này đã được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới. Bảng 1.1. Một số công trình ứng dụng MVC giai đoạn 1989 - 2001 Nước Phạm vi (m2) Năm Tên công trình 2001 Hamburg Đức Kho hàng sân bay IGB - Dr Maybaum 2001 Bang Bo Thái Lan Đường vào nhà máy điện Seatac 30.000 1999 Jangyoo STP Hàn Quốc Nhà máy xử !ý nước thải KECC 70.000 1999 Quebec Canada Cầu QDOT 1997 Wismar Đức Cảng Steinfeld & Part 15.000 1996 Khimae PS Hàn Quốc Trạm bơm KECC 20.000 1996 RN1 Pháp quốc Hải ngoại Đường vòng CETE Fort de France Loại công trình Đơn vị tư vấn 238.000 1.000 6.150 1995 Kuching Malaysia Cầu tàu ACER 12.000 1995 Khimae STP Hàn Quốc Nhà máy xử lý nước thải KECC 83.580 Đường cao tốc SCETAU ROUTE 10.000 Đức Cảng INROS 22.500 44.500 1994 A 837 - Phase 2 Pháp 1994 Lübeck 1993 A837 Phase 1 Pháp Đường cao tốc LCPC 1992 Ipoh Gopeng Malaysia Đường cao tốc ZAIDUN LEENG 2.600 1992 Lamentin Pháp quốc Hải ngoại Đường cao tốc BRGM 7.805 Lamentin Pháp quốc Hải ngoại Sân bay CEBTP 17.692 1990 Ambes Pháp Bể chứa dầu Mecasol 17.550 1990 Eurotunnel Pháp Đường SETEC 56.909 1990 Ambes Pháp Đường CETE Bordeaux 21.106 Lomme Pháp Kho hàng FONDASOL 1989 Ambes Pháp Trạm kiểm tra sân bay Test area 1991 1990 8.130 390 13 Từ năm 1997 đến năm 2004, Công ty Xây dụng Cofra (Hà Lan) nghiên cứu ,cai tiến HCK theo hướng giản hóa, bỏ đi lớp màng bảo vệ thi công phức tạp và dễ bị hư hại, tuy nhiên phải đắp thêm gia tải để bù cho sự chênh lệch áp suất khí quyển bị gỡ bỏ. Hướng cải tiến mới này đã cho ra đời ba phương pháp bố trí mới, nhanh chóng được châp nhận và thi công tại nhiều công trình lớn trên thế giới. Các phương pháp bố trí mới đó là: Vertical drain, Beaudrain, Beaudrain-S. về bản chất, tính hiệu quả của các phương pháp MVC, Vertical drain, Beaudrain, Beaudrain-S và các biện pháp thi công khác của HCK có thể coi là tương đương nhau. Sự khác nhau tập trung chủ yểu vào thiết bị thi công, cách bố trí và thời gian cổ kết. Bảng 1.2. Một số công trình ứng dụng phưo’ng pháp Beaudrain-S Năm 2008 2008 2008 2007 2006 2005 2005 2005 2004 Tên công trình Baanhoek Sliedrecht Waddinxveen Quay wall IHC, Krimpen a/d Ussel Randeburgseweg, Reeuwijk, Bremerhaven Suvamabhumi airport Parking Ikea Delft Ter Aar Railway Betuwelijn Gorinchem Nước Phạm vi (m2) Hà Lan Hà Lan Hà Lan Hà Lan Đức Thailand Hà Lan Hà Lan Hà Lan 4.500 2.000 2.500 4.500 62.000 400.000 3.700 1.800 4.400 1.4.2. Giói thiệu nguyên lý một số phuong pháp thi công HCK Hiện nay trên thế giới có rất nhiều công ty xây dựng triển khai HCK, mồi một công ty lại có những cải tiến riêng, có những thiết bi riêng để phù hợp với các công trình xây dựng mà công ty đó thực hiện, chính vì vậy mà đã xuât hiện rât nhiêu biện pháp thi cong HCK. Tuỳ nhiên các phương pháp này đều dùng gia tái để hỗ trợ quá trình rút nước khỏi nền để giâm hệ số rỗng, về 'bản chất có thể phân thành hai loại chính là thi công có màng kín khí và không có màng kín khí. ; a) Nhỏm phương pháp thi công có màng kín khí Màng kín khí thông thường là màng địa kỹ thuật (geõ-mernbrane) 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 nhở hơn áp suất khí quyển trong lớp đất gia tải nằm dưới mảng, 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 1.9). Gia tải phụ này có thể đạt tới 0,4 atm. Quá trình bơm hút thông thường kéo dài khoảng 3-Ĩ-7 tháng. Khi thi công MVC cần lưu ý các yêu cầu kỳ thuật sau: 14 - Duy trì hệ thống thoát nước hoạt động có hiệu quả nằm dưới màng chống thấm dể 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 - không nhỏ hơn 0,3 atm. - 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. Nhìn chung, phương pháp MVC có ưu điểm là có thế giám khối lượng gia tải, tuy nhiên thi công phức tạp, phải có hào vây đe dém màng kín khí nên gây khó khăn cho việc thi công cuốn chiểu trên các công trình có chiều dài lớn. Máy hút khi tăng cưởng Máy hút chân khống Lớpgiatải ■ ► Lópthoat ► nước Ống thoát' nước ngang Bắc đứng truyền áp lực hút chân không ầ ầ ầ ầ ầ \\ Tường thấm ngoại vi Hình L9. Sơ đồ nguyên ỉý phương pháp MVC b) 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 “cải tiến lùi”, đem nguyên tắc MVC đơn giản hóa, bỏ đi màng kín khí, cũng là bò đi sự trợ giúp của áp suất khí quyển. Thay vào đó, nhóm phương pháp này đắp lớp gia tải cao hơn để bù đắp sự thiếu hụt về áp lực gia tải (hình 1.10). Lóp gia tải có thể cao thêm tới 2m, tuy nhiên không phải thi công hào vây và màng kín khí. Quá trình bơm hút thông thường kéo dài 3^-7 tháng. Nhìn chung nhóm phương pháp này thi công đơn giản, nhưng khối lượng gia tải lại tương đối lớn. Để gia tăng hiệu quả bơm hút chân không trên diện rộng, cả hai nhỏm phương pháp đều có thể áp dụng cải tiến như là nối ống kín trực tiếp với bấc. Cải tiến này giúp áp suất chân không trong bấc đạt tới độ sâu lớn hơn, tăng lưu lượng nước bơm hút được. 15 GtATÀITRƯỚC SÉT MÈM SÉT CỨNG VÀ NỬA CÚNG Hìnìt 1.10. Sơ đồ nguyên lý phương pháp thi công không có màng kín khỉ NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN x ử LÝ NỂN ĐẤT YẾU BẰNG HÚT CHÂN KHÔNG 2.1. BÀI TOÁN CỐ KẾT THÂM 2.1.1. Giói thiệu chung Bài toán cố kết thấm đã được nghiên cứu từ đầu thế kỷ XX và không ngừng được hoàn thiện cho tới hiện nay. Nhìn chung các giải pháp đều phát triển lên từ nền móng cơ bản là phương trình của KarỊ von Terzaghi [40]. về cơ bản bài toán cố kết thấm cũng có thể giải quyết được nhờ phương trình liên tục về chuyển động của các pha trong đất nền [10]. Tuy nhiên việc thiết lập công thức tương đối phức tạp và không thuộc mục tiêu của sách chuyên khảo này. Dưới đây chỉ giới thiệu những nét cớ bàn vể bài toán cố kết thấm trong trường hợp cố kết bằng hút chân không. Trong tổng thể, đất là một tổ hợp phức tạp của bầ pha chính là thể rắn, thể lỏng và thể khí. về nguyền tắc cả bạ pha này đều tham gia vào quá trình chịu tải của đất với các mức độ khác nhau [45]. Thành phần chịu tải nhiều nhất thường là cấu trúc lỗ rồng do các hạt đất xếp chồng lên nhau. Khi đất ổn định, ứng suất tác dụng lên hạt đất bằng ứng suất max mà tải trọng và trọng lượng bản thân của khối đất có thể gây ra, gọi là ứng suất tổng. Thành phần chịu tải thứ hai là nược nằm trong lỗ rỗng. Khi giải bài toán cố kết thấm, có thể coi nước trong lỗ rỗng là không chịu nén. Phần ứng suất mà nước trong lỗ rỗng chịu gọi là ứng suất lỗ rỗng dư, còn phần yrước Hạt đất cố kết ứng suất mà các hạt đất phải chịu là ứng suất hiệu quả. ứng suất tổng có giá trị bằng giá trị của ứng suất dư và ứng suất hiệu quả. Thành phần Nước tỗ rỗng chịu tải cuối cùng là khí nằm trong đất, tuy nhiên tỉ lệ thường là vô cùng nhỏ, có thể bỏ qua. Khi giải Gia tải phương trình liên tục về chuyển động củạ các pha Sạu Hút chân không cần lưu ý rằng lượng khí thường xuyên hòa tan cố kết Giảm nước lỗ rỗng hoặc tách rời khỏi nước trong lỗ rỗng tùy theo các _Tăng sức chịu tải điều kiện nhiệt độ, áp suất. Khỉ gỉâi bài toán cổ kết cho nền " N ạ o độ lún nhất định thầm/hiện tại hầu hết đều giải bài toán ở dạng hái phá để đơn giản hổa và cũng vĩ ảnh hưởng của pha Hình 2.1. Cố kết thẩm bằng HCK khí là quá nhỏ. 17 Bản chất của hiện tượng cố kết thấm là sự giảm hệ số rỗng của đất nền bằng cách trục xuất bớt nước trong lỗ rỗng ra ngoài bằng hiện tượng thấm, nhờ đỏ các hạt đất tì chặt trực tiếp lên nhau, gia cố được sự liên kết của cẩu trúc đẩt (hình 2.1). Neu nguyên lý của phướng pháp đần nén cơ học bình thưởng sử dụng lực tác đụhg của tải trọng để gia tăng ứng suất tổng từ đọ tăng thêm ứng suất hiệu quả, thì bản chất của cố kết thấm bằng hút chân không là giảm ứng suất dư ừong lỗ rỗng, từ đó tăng ứng suất hiệu quả mà không thay đổi ứng suất tổng [18] (hỉnh 2.2). HCK nhờ áp suất chân không tạo sự chênh lệch áp suất giữa các vùng trong đất nền, từ đó nảy sinh dòng thấm cưỡng bức đem nước ngầm trong đất rút ra ngoài. Việc sáp xếp lại cấu trúc liên kết giữa các hạt đất được tiến hành bằng trọng lượng bản thân hạt đất, và có thể được hỗ trợ nhờ gia tải khi phần lớn nước trong lỗ rỗng bị trục xuất. Ap suất khi quyển Ap suất khí quyển 100 kPa Ap lực Ap suất khí: Mực nước ngầm Mực nước ngầm ứng suất hiệu quả ứng suất hiệu quà ứngsuất hiệu quảkhôngbơmhút ứng suất tổng ứng suất tổng ứng suất hiệu quả ^ khi lx#h hút ứng suất dư I Khi không kết hợp hút chân không ứng suất dưtrUớckhibanhú» Khi kết hợp hút chân không - Hình 2.2. Lỷ giải tác dụng cùa HCKvởi việc cố kết đất nền Bản chất và tác dụng của việc cố kết đất nền trước khi xây dựng nói chung và bằng HCK nói riêng có thể được giải thích trên hình 2.3. Nếu trước khi xây dựng công trình mà không gia cố nền, thì sau khi đặt công trinh lên, tải trộng công trình (p) gia tăng áp lực lên nền, Hình 2.3. Đường quá trình lún của nền khiến quá trình cố kết xảy ra do nước vẫn bị đẩy khỏilỗ rậng. Kết quả là đất nển bị lún tương đối nhanh, có thể gây ra hiện tượng ỉún không đều, từ đó có thể dận đến nứt, gẫy kết cầu. Tại thời điểm t2, đất nên cô kêt hoàn toàn và đạt độ lún cuôi Sc(p). Nêu không có sự thay đổi về tải trọng, nền ổn định và không tĩếị) tục h k nữa. 18 Gia cố nền trước khi xây dựng được tiến hành bằng cách gia tải trước có giá trị bằng tổng tải trọng công trình (p) với một siêu tải (f), tổng siêu tải (p+f) sẽ khiến nền lún nhanh hơn và mau chóng đạt được giá trị S(p+f) xấp xỉ giá trị độ lún cuối sc(p) tại thời điểm ti, sớm ơpZ của lóp đất i (giá trị tham khảo xem bảng 1.1, phụ lục I); cị. - chỉ số nén lún trong phạm vi ơ' < ơpZ của lớp đất i*; ơp2-ứng suất nén thăng đứng tiền cố kết của lớp,i; ơỳz- ứng suất nén thẳng đửng do trọng lượng bản thân các lớp đất tự nhiên nằm trên lớp i; ơ z - áp lực do tải trọng đắp gây ra ở lớp i. Lưu ý: Khi đất chưa cố kết xong, ơỳz > ơpZ, tức chưa cỏ nén lún phục hồi thì không tính c [ vì vậy hạng tử thứ nhất trong ngoặc của (2.7) bằng 0. Khi đất ở trạng thái quá cố kết, ơyZ < ơpZ: Nếu ơ z + ơỳz > ơpZ- tức là tổng áp lực vẫn lớn hơn áp lực tiền cố kết, đất tiếp tục nén lún theo công thức (2.7); Nếu ơz + ơỳ2 < ơpZ- tức là tổng áp lực nhỏ hơn áp lực tiền cố kết, đất trong giai đoạn phục hồi, thì áp dụng công thức biến đổi: Hi cịio g ơz+gyZ Sc=è h i+ k 'pz (2 .8) ; Theo hình 2.5, độ cố kết của lớp đất tại thời điểm t| có giá trị bằng: II = s (p+f) ~ Sc(p) ă c(p+f) ö c(p+f) V o (2.9) —C Áp dụng (2.7) cho trường hợp chưa cố kết xong vào (2.9) thu được lg u =• r \ ơ! _ 0 _ ơ 0 + Aơp + A ơt Ig I ơ 0 + A ơp Ig 1+ Áơ„ ( 2 . 10) Aơp "1+ 4 ? r ' lg 1+ p ơ() l ƠP J t £ trong đó: ơ0 - ứng suât tiên cô kêt; * Một số tài liệu gọi là chỉ số nở hay chi số nén lún hồi phục ứng với quá trình dỡ tải. 21
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan

Tài liệu vừa đăng