Tài liệu Nghiên cứu giải pháp xử lý nền zone 1, nhà máy nhiệt điện sông hậu 1 bằng bấc thấm kết hợp hút chân không và gia tải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI TRẦN PHÚ CƯỜNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ZONE 1 NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN SÔNG HẬU 1 BẰNG BẤC THẤM KẾT HỢP HÚT CHÂN KHÔNG VÀ GIA TẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI, NĂM 2017 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI TRẦN PHÚ CƯỜNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ZONE 1 NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN SÔNG HẬU 1 BẰNG BẤC THẤM KẾT HỢP HÚT CHÂN KHÔNG VÀ GIA TẢI CHUYÊN NGÀNH: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG MÃ SỐ: 60 – 58 – 02 – 04 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. PHẠM QUANG TÚ HÀ NỘI 2017 ii LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận văn Chữ ký Trần Phú Cường i LỜI CẢM ƠN Được sự hướng dẫn tận tình của TS. Phạm Quang Tú, cùng sự giúp đỡ của các Chuyên gia và Kỹ sư thực hiện dự án, Sau 6 tháng tiến hành, tác giả đã hoàn thành Luận văn tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu giải pháp xử lý nền zone 1- Nhà máy nhiệt điện Sông Hậu 1 bằng bấc thấm kết hợp hút chân không và gia tải” theo đúng yêu cầu và kế hoạch được giao. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với Ban giám hiệu, các thầy cô Khoa sau đại học, các thầy cô Bộ môn Địa kỹ thuật đã hết lòng giảng dạy nhiệt tình giúp đỡ trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn này. Trong quá trình làm luận văn, tác giả đã cố gắng nghiên cứu, vận dụng kiến thức đã học, tham khảo các tài liệu liên quan, các quy trình, quy phạm hiện hành học hỏi những kinh nghiệm quý báu của Nhiều Giáo Sư, Tiến sĩ của Trường Đại học Thủy Lợi hướng dẫn để hoàn thành tốt nhiệm vụ được giao. Tuy nhiên do kiến thức chưa vững, kinh nghiệm của bản thân còn ít nên việc vận dụng kiến thức tính toán một công trình cụ thể còn hạn chế và không tránh khỏi những sai sót. Kính mong các Giảng viên tận tình chỉ bảo, bổ sung những kiến thức cần thiết. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn TS. Phạm Quang Tú – Người đã rất tận tình trực tiếp chỉ bảo, đôn đốc, hướng dẫn em trong suốt quá trình làm luận văn, cùng toàn thể giảng viên trong bộ môn Địa kỹ thuật trường Đại học Thủy lợi, những người đã truyền đạt kiến thức chuyên môn và thực tế cho em. Đồng thời em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè luôn ủng hộ giúp đỡ em trong quá trình em làm Luận văn tốt nghiệp. ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH......................................................................................v DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................... vi MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1.Tính cấp thiết của đề tài................................................................................................1 2. Mục đích của đề tài......................................................................................................2 3. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................................2 6. Kết quả đạt được ..........................................................................................................3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH. .................................................................4 1.1. Tổng quan về đất yếu...............................................................................................4 1.1.1. Khái niệm về đất yếu .............................................................................................4 1.1.2. Các loại đất yếu thường gặp và đặc điểm của chúng ............................................4 1.2. Các giải pháp xử lý nền đất yếu ...............................................................................8 1.2.1. Nhóm giải pháp cơ học ..........................................................................................8 1.2.2. Nhóm giải pháp vật lí ( thoát nước) ....................................................................15 1.2.3. Nhóm các giải pháp hóa học ...............................................................................18 1.3. Kết luận chương 1 ..................................................................................................20 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN XỬ LÝ NỀN BẰNG BẤC THẤM KẾT HỢP HÚT CHÂN KHÔNG VÀ GIA TẢI ...........................................................22 2.1. Nguyên lý tính toán. ...............................................................................................22 2.1.1. Kiểm tra sức chịu tải của nền: .............................................................................22 2.1.2. Kiểm tra tính ổn định của mái dốc nền đắp:........................................................22 2.1.3. Kiểm tra lún (biến dạng) của nền: .......................................................................23 2.2. Thiết kế bấc thấm và xác định độ cố kết của nền. ..................................................25 2.2.1. Dự báo tốc độ lún trong giai đoạn khai thác .......................................................26 2.2.2. Quan trắc trong quá trình thi công .......................................................................27 2.3. Kết luận chương 2 ..................................................................................................30 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ XỬ LÝ NỀN BẰNG BẤC THẤM KẾT HỢP HÚT CHÂN KHÔNG VỚI GIA TẢI TRƯỚC ......................................................................32 3.1. Giới thiệu chung về nhà máy nhiệt điện Sông Hậu 1. ............................................32 iii 3.1.1. Quy mô công suất nhà máy. ................................................................................ 32 3.1.2. Vị trí nhà máy Nhiệt điện Sông Hậu 1. ............................................................... 32 3.2. Nội dung thiết kế .................................................................................................... 33 3.2.1. Yêu cầu phải xử lý nền và phạm vi xử lý nền ..................................................... 34 3.2.2. Xác định tải trọng tính toán. ................................................................................ 35 3.2.3. Điều kiện địa chất đặt trưng ................................................................................ 37 3.2.4. Kiểm tra độ ổn định của nền. ............................................................................. 38 3.2.5. Tính toán độ lún cố kết của đất nền. ................................................................... 40 3.2.6. Tính toán độ lún theo thời gian khi có xử lý nền bằng bấc thấm ........................ 42 3.2.7. Ứng dụng Mô hình GEO SLOPE tính toán thiết kế bấc thấm. ........................... 54 3.2.8. Kết quả tính toán xuất từ mô hình. ..................................................................... 54 3.3. Kết luận chương 3 .................................................................................................. 57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 59 iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Thi công cọc cát bằng cách hạ ống thép ...........................................................9 Hình 1.2 Quy trình thi công cọc đá dăm .......................................................................10 Hình 1.3 Sơ đồ bố trí đệm cát. ....................................................................................... 11 Hình 1.4 Robot ép cọc ...................................................................................................13 Hình 1.5 Công tác khoan đào đất và hạ lồng thép .........................................................14 Hình 1.6 Cấu tạo bấc thấm ............................................................................................15 Hình 1.7 Thi công bấc thấm ..........................................................................................16 Hình 1.8 Nguyên lý hoạt động giếng Cát ......................................................................17 Hình 1.9 Thi công giếng Cát .........................................................................................18 Hình 1.10 thi công cọc ximăng đất ................................................................................19 Hình 1.11 Sơ họa công nghệ Jet- Grouting ...................................................................20 Hình 2.1 Mô hình bài toán ổn định................................................................................23 Hình 3.1 Bản đồ vị trí nhà máy nhiệt điện Sông Hậu 1 ................................................33 Hình 3.3 Biểu đồ gia tải theo giai đoạn thi công ...........................................................37 Hình 3.4 Kết quả tính ổn định khi đắp và gia tải...........................................................39 Hình 3.5 Biểu đồ độ lún trong quá trình cắm bấc thấm PA1.........................................44 Hình 3.6 Biểu đồ độ lún trong quá trình hút chân không và gia tải PA1 ......................46 Hình 3.7 Biểu đồ độ lún trong quá trình cắm bấc thấm PA2.........................................48 Hình 3.8 Biểu đồ độ lún trong quá trình cắm bấc thấm PA2.........................................49 Hình 3.9 Biểu đồ độ lún trong quá trình cắm bấc thấm PA3.........................................52 Hình 3.10 Biểu đồ độ lún trong quá trình cắm bấc thấm PA3.......................................53 Hình 3.11 Mô hình khi cắm bấc thấm ...........................................................................54 Hình 3.12 Đường đẳng chuyển vị theo phương Y ........................................................55 Hình 3.12 Biểu đồ lún theo thời gian theo phương Y ...................................................55 Hình 3.13 Kết quả chuyển vị thời gian hút chân không 120 ngày ................................56 Hình 3.14 Kết quả chuyển vị thời gian hút chân không từ 1 đến 120 ngày ..................56 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Tọa độ các điểm khống chế và diện tích tương ứng của Zone 1. .................. 34 Hình 3.2 Vị trí nhà máy chính ...................................................................................... 35 Bảng 3.2 Tải trọng tính toán trong trường hợp không có xử lý nền ............................. 36 Bảng 3.3 Tải trọng tính toán trong giai đoạn khai thác ................................................. 36 Bảng 3.4: Tải trọng tính toán trong giai đoạn bơm hút chân không kết hợp với gia tải trước............................................................................................................................... 37 Bảng 3.5 Các tham số của nền tại hố khoan BH2 được lựa chọn đưa vào tính toán .... 38 Bảng 3.6 Các tham số của nền tại hố khoan BH2 (tiếp theo) ....................................... 38 Bảng 3.7 Bảng tính lún khi chưa xử lý nền. .................................................................. 40 Bảng 3.8 Bảng tính lún trong quá trình xử lý nền. ........................................................ 41 Bảng 3.9 Bảng tính lún trong quá trình khai thác. ........................................................ 42 Bảng 3.10 Các tham số bấc thấm phương án 1. ............................................................ 43 Bảng 3.11 Các tham số thoát nước phương án 1........................................................... 43 Bảng 3.12 Tính lún theo thời gian dưới tải trọng san lấp và thi công bấc thấm – PA1. 44 Bảng 3.13 Độ lún còn lại sau khi cắm bấc thấm PA1 ................................................... 45 Bảng 3.14 Độ lún theo thời gian dư khi hút chân không và gia tải PA1 ....................... 45 Bảng 3.15 Độ lún còn lại sau khi cắm bấc thấm PA1 ................................................... 46 Bảng 3.16 Các tham số của bấc thấm PA2. ................................................................... 46 Bảng 3.17 Các tham số thoát nước của bấc thấm PA2 .................................................. 47 Bảng 3.18 Tính lún theo thời gian dưới tải trọng san lấp và thi công bấc thấm PA2 ... 47 Bảng 3.19 Độ lún còn lại sau khi cắm bấc thấm PA2 ................................................... 48 Bảng 3.20 Độ lún theo thời gian dư khi hút chân không và gia tải PA2 ....................... 48 Bảng 3.21 Độ lún còn lại sau khi cắm bấc thấm PA2 .................................................. 49 Bảng 3.22 Các tham số bấc thấm PA3. ......................................................................... 50 Bảng 3.23 Các tham số thoát nước của bấc thấm PA3 .................................................. 50 Bảng 3.24 Tính lún theo thời gian dưới tải trọng san lấp và thi công bấc thấm PA3. .. 51 Bảng 3.25 Độ lún còn lại sau khi cắm bấc thấm PA3 ................................................... 51 Bảng 3.26 Độ lún theo thời gian dư khi hút chân không và gia tải PA3 ....................... 52 Bảng 3.27 Độ lún còn lại sau khi cắm bấc thấm PA3 ................................................... 53 Bảng 3.28 Bảng tổng hợp độ lún dư và tốc độ lún lớn nhất của nền Zone 1 ............... 53 vi MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài. Nước ta đang bước vào thời kỳ công nghiệp hoá hiện đại hoá, các nhà máy công nghiệp, các khu công nghiệp tập trung, cơ sở hạ tầng kỹ thuật, khu đô thị mới... đang được xây dựng với tốc độ ngày càng lớn. Nền móng của các công trình xây dựng công trình chính, công trình phụ, đường sá, đê điều, đập chắn nước ...trên nền đất yếu thường đặt ra hàng loạt các vấn đề phải giải quyết như: sức chịu tải của nền thấp, độ lún lớn và độ ổn định của cả diện tích lớn. Việt Nam được biết đến là nơi có nhiều đất yếu, đặc biệt lưu vực sông Hồng và sông Mê Kông nói chung và đồng bằng sông Cửu long nói riêng. Nhiều thành phố và thị trấn quan trọng được hình thành và phát triển trên nền đất yếu với những điều kiện hết sức phức tạp của đất nền, dọc theo các dòng sông và bờ biển. Thực tế này đã đòi hỏi phải hình thành và phát triển các công nghệ thích hợp và tiên tiến để xử lý nền đất yếu. Việc xử lý nền đất yếu là vấn đề bức thiết và quan trọng hàng đầu trong ngành Xây dựng hiện đại. Xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải của nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: Giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số modun biến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất... đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho công trình. Một số các phương pháp như: gia tải trước, tầng đệm cát, gia cố nền đường, bệ phản áp, sử dụng vật liệu nhẹ (sử dụng phụ gia để gia cố nền đất, nền đất bằng vật liệu nhẹ); thay bằng lớp đầm chặt, thả đá hộc (với chiều dày lớp bùn không sâu); thoát nước cố kết (bấc thấm, giếng bao cát, cọc cát, giếng cát, cọc đá dăm, dự ép chân không, chân không chất tải dự ép liên hợp); nền móng phức tạp (hạ cọc bê tông, hạ cọc bằng chấn động, cọc xi măng đất, cọc đất - vôi - xi măng, cọc bê tông có lẫn bột than); cọc cứng (cọc ống mỏng chế tạo tại chỗ); cọc cừ tràm hoặc cọc tre. Hiện nay có 2 phương pháp cố kết trước được dùng và phổ biến hơn cả đó là: Phương pháp gia tải trước truyền thống, Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm còn mới áp dụng kỹ thuật cao. 1 Từ những phân tích nêu trên, xuất phát từ nhu cầu thực tế, việc nghiên cứu giải pháp xử lý nền zone 1- Nhà máy nhiệt điện Sông Hậu 1 bằng bấc thấm kết hợp hút chân không và gia tải là cần thiết, đáp ứng được các yêu cầu của thực tế đặt ra. 2. Mục đích của đề tài Tổng quan lại các giải pháp xử lý nền đất yếu truyền thống và giải pháp xử lý bằng bấc thấm áp dụng khoa học kỹ thuật hiện đại Nghiên cứu phương pháp tính toán thiết kế xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp hút chân không và gia tải theo các tiêu chuẩn hiện hành, ưu nhược điểm của phương pháp; Đánh giá khả năng áp dụng giải pháp bấc thấm kết hợp hút chân không gia tải và để xử lý nền cho Zone 1, nhà máy nhiệt điện Sông Hậu 1 Ứng dụng nghiên cứu cho Zone 1, nhà máy xử lý khí Sông Hậu 1. 3. Nội dung nghiên cứu Tổng quan về các giải pháp xử lý nền. Cơ sở lý thuyết tính toán phương pháp xử lý nền bằng bấc thấm kết hợp hút chân không với gia tải trước. Thiết kế xử lý nền chọn giải pháp cắm bấc thấm tối ưu kết hợp hút chân không với gia tải trước, ứng dụng cho zone 1 khu nhà máy chính, nhiệt điện Sông Hậu 1. 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp khảo sát, thu thập số liệu thực tế tại một số công trình đã xây dựng ở trong nước; Tập hợp, phân tích ý kiến của các chuyên gia; Kế thừa các nghiên cứu trong và ngoài nước trong thiết kế xử lý nền đất yếu cho các công trình xây dựng; Phương pháp mô hình toán để phân tích giải pháp xử lý nền. 5. Đối tượng nghiên cứu 2 Nghiên cứu lý thuyết trong thiết kế xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải và hút chân không; 6. Kết quả đạt được Có được kết quả khảo sát địa chất và điều kiện tự nhiên tại vị trí xây dựng nhà máy nhiệt điện Sông Hậu 1 cũng như các vấn đề phát sinh khi xây dựng công trình; Nắm vững lý thuyết, tính toán thiết kế xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải và hút chân không, dùng excel tính toán chi tiết có thể áp dụng vào thực tiển cho các công trình khác. So sánh các giải pháp xử lý nền từ đó lựa chọn để tìm được giải pháp xử lý nền phù hợp cho phạm vi dự kiến xây dựng nhà máy chính của nhà máy nhiệt điện Sông Hậu 1; Sử dụng mô hình bằng phần mềm GEO LOPE để mô phỏng bài toán ổn định để đề tài thêm phong phú và thuyết phục. 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH. 1.1. Tổng quan về đất yếu 1.1.1. Khái niệm về đất yếu Đất yếu là những đất có khả năng chịu tải nhỏ vào khoảng 0,5 - 1,0 kg/cm2 ít khi lơn hơn, tính nén lún mạnh, hầu như bão hòa nước, có hệ số rỗng lớn (e > 1), mô đun biến dạng thấp (thường thì Eo < 50 kg/cm2) lực chống cắt nhỏ,... Nếu không có biện pháp xử lý đúng đắn thì việc xây dựng công trình trên nền đất yếu sẽ rất khó khăn hoặc không thể thực hiện được. Xét theo nguồn gốc thì đất yếu có thể được tạo thành trong điều kiện lục địa, vùng vịnh hoặc biển. Nguồn gốc lục địa có thể là tàn tích, sườn tích, bồi tích do gió, nước, lũ bùn đá, do con người gây ra. Nguồn gốc vũng, vịnh có thể ở cửa sông, tam giác châu hoặc vịnh biển. Đất yếu nguồn gốc biển được tạo thành ở khu vực nước nông (không quá 200m), khu vực thềm lục địa (200 - 3000m) hoặc khu vực biển sâu (trên 3000m). Tùy theo thành phần vật chất, phương pháp và điều kiện hình thành, vị trí trong không gian, điều kiện vật lý và khí hậu,... mà tồn tại các loại đất yếu khác nhau như đất sét mềm, các hạt mịn, than bùn, các loại trầm tích bị mùn hóa, than bùn hóa,... Trong thực tế xây dựng thường gặp nhất là đất sét yếu bão hòa nước. Loại đất này có những tính chất đặc biệt, đồng thời cũng có các tính chất tiêu biểu cho các loại đất yếu nói chung. Nguồn gốc địa chất của đất sét yếu thuộc đời cận đại, vì chúng mới hình thành vào khoảng 20.000 năm nay. Các hạt tạo thành đất sét được phong hóa từ đá mẹ, có tính chất thay đổi theo tính chất của đá mẹ, điều kiện khí hậu, sự vận chuyển và trầm lắng. Sau sự vận chuyển của sông ngòi, việc hình thành các hạt sét chỉ có thể xảy ra trong các môi trường trầm tích yên tĩnh. Tùy theo môi trường trầm tích khác nhau mà có thể có các loại đất sét khác nhau. 1.1.2. Các loại đất yếu thường gặp và đặc điểm của chúng Nói chung các loại đất yếu thường có những đặc điểm sau đây: 4 - Thường là đất sét có lẫn hữu cơ (nhiều hoặc ít). - 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, 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. 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. 5 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 cấu) của chúng. Nếu tải trọng truyền lên đất nhỏ hơn trị số cường độ kết cấu thì biến dạng rất nhỏ, có thể bỏ qua, còn khi vượt quá cường độ kết cấu thì đường cong quan hệ giữa hệ số rỗng và áp lực bắt đầu có độ dốc lớn. Trị số cường độ kết cấu của 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 6 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. 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 – 7 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. 1.2. Các giải pháp xử lý nền đất yếu 1.2.1. Nhóm giải pháp cơ học Nhóm giải pháp cơ học được sử dụng rất phổ biến trong việc xử lí, gia cố nền đất yếu bởi tính hiệu quả rõ rệt mà nó mang lại trong việc ổn định nền về trượt cũng như biến dạng. Sau đây là một số giải pháp tiêu biểu. 1.2.1.1. Cọc cát - Nguyên lí làm việc: Khi cọc được hạ vào trong đất yếu, nhờ thể tích cọc chiếm chỗ mà đất xung quanh dọc theo chiều dài cọc được lèn chặt lại. - Thi công cọc cát: • Tạo lỗ bằng cách hạ ống thép • Tạo lỗ bằng nổ mìn ép đất • Sau khi đã tạo lỗ, tiến hành nhồi cát vào đồng thời đầm chặt lần lượt từng lớp cát trong lỗ với chiều dày từng lớp khoảng từ 0,5- 1,0 m 8 Hình 1.1 Thi công cọc cát bằng cách hạ ống thép - Ưu điểm: • Cọc cát làm cho độ rỗng, độ ẩm của đất nền giảm và góc ma sát trong tăng lên. Vì đất nền được nén chặt lại do đó sức chịu tải của nền tăng lên, biến dạng và sự chênh lệch biến dạng của nền công trình gảm đi đáng kể. • Khi dùng cọc cát, quá trình cố kết của nền đất diễn ra nhanh hơn nhiều so với nền thiên nhiên hoặc nền đất được gia cố bằng cọc cứng. - Nhược điểm: • Dễ xuất hiện co ngót trong quá trình thi công và khai thác • Cần trang bị thiết bị thi công nặng, ống vách dài. • Khó kiểm soát được chất lượng cọc 1.2.1.2. Cọc đá dăm - Nguyên lí hoạt động: Tương tự đối với cọc cát, khi cọc được hạ vào trong đất yếu, nhờ thể tích cọc chiếm chỗ mà đất xung quanh dọc theo chiều dài cọc được lèn chặt lại. - Thi công cọc: • Khác với cọc cát, việc tạo lỗ khi thi công cọc đá dăm bằng cách đưa thanh thép 9 (đầu thanh cấu tạo dạng trụ xoắn) khoan sâu vào trong đất nền. Đất bị phá hủy được trụ xoắn nâng lên đưa ra bên ngoài, tạo thành lỗ khoan có đường kính từ 0.3 – 0,5 m. • Sau khi khoan đến độ sâu thiết kế, ta tiến hành đổ đá dăm vào trong lỗ khoan. Nguyên tắc khi đổ đó là đổ từng lớp đồng thời đầm chặt từng lớp cho đến khi đá dăm lấp kín lỗ khoan đó. Hình 1.2 Quy trình thi công cọc đá dăm - Ưu điểm: • Cường độ chịu nén và cường độ chống cắt của cọc đá dăm lớn hơn so với cọc cát, vì vậy mà sức chịu tải của nền tốt hơn. • Thi công dễ dàng trong điều kiện đất sét dẻo mềm, sét pha trạng thái chảy, cát pha trạng thái xốp. - Nhược điểm: • Độ liên tục của cọc thấp • Khó kiểm soát chất lượng cọc • Giá thành cao hơn so với cọc cát 1.2.1.3. Đệm cát - Nguyên lí hoạt động: Thay lớp đất yếu nằm ngay dưới đáy móng chịu ứng suất lớn bằng một đệm cát để đủ sức chịu tải trọng mà vẫn tận dụng được khả năng làm việc của lớp đất yếu nằm dưới. Phương pháp này thường được áp dụng khi đất yếu là sét chảy có chiều dày tương đối mỏng (3-5m) - Thi công tầng đệm cát: 10 • Hiệu quả của tầng đệm cát phụ thuộc phần lớn vào độ chặt của nó. Khi thi công đệm cát phải đảm bảo độ chặt lớn nhất đồng thời không làm phá hoại kết cấu đất thiên nhiên dưới tầng đệm cát, thường gặp hai trường hợp sau: • Khi hố đào khô: cát được đổ từng lớp dày 20 cm và đầm chặt (bằng đầm lăn, xung kích, chấn động ). • Trường hợp mực nước ngầm cao (mà không dung biện pháp hạ mực nước ngầm) : thì nên dung biện pháp thi công trong nước bằng xỉa thép ( xỉa lắc cát, D= 0,7) hoặc bằng máy rung hình dùi. Hình 1.3 Sơ đồ bố trí đệm cát. - Ưu điểm: • Tăng sức chịu tải của nền • Giảm độ lún của móng công trình vì cát có modun biến dạng E 0 lớn hơn đất sét. • Giảm độ chênh lún của móng vì có sự phân bố lại ứng suất do tải trọng ngoài gây ra trong phần đất nền nằm dưới tầng đệm cát, • Giảm chiều sâu chôn móng • Tăng nhanh tốc độ cố kết của nền, rút ngắn quá trình lún • Thi công đơn giản. - Nhược điểm: 11 • Đòi hỏi khối lượng cát lớn. • Đất thải đổ ra ngoài gây tốn diện tích • Giá thành tương đối cao • Chỉ áp dụng với công trình có lớp đất yếu mỏng và gần đất mặt. • Trường hợp mực nước ngầm cao rất dễ xảy ra hiện tượng cát chảy. 1.2.1.4. Cọc bê tông cốt thép - Nguyên lí làm việc: • Cọc bê tông cốt thép là sự kết hợp giữa bê tông và thép, chúng có mối tương quan về sự giãn nở do nhiệt, ngoài ra “bê tông” và “thép” mối quan hệ bổ trợ lẫn nhau. • Nhờ thể tích mà cọc chiếm chỗ, cường độ chịu nén của vật liệu làm cọc tốt hơn hẳn so với đất nền mà đất nền được lèn chặt lại, sức chịu tải của nền tăng lên rõ rệt. • Khả năng làm việc tốt khiến cho cọc bê tông cốt thép là sự lựa chọn hàng đầu nhằm gia cố nền đất yếu cho nhiều công trình dân dụng và công nghiệp; công trình giao thông. - Thi công cọc bê tông cốt thép: + Thi công cọc ép • Chiều dài và tiết diện cọc phụ thuộc vào yêu cầu thiết kế. Nếu chiều dài cọc quá lớn có thể chia cọc thành những đoạn cọc ngắn để phù hợp cho việc chế tạo và thi công • Chiều dày lớp bảo vệ tối thiểu là 3cm • Đổ bê tông phải liên tục,khuôn đúc cọc phải phẳng, dùng đầm dùi để đầm từ đỉnh cọc đến mũi cọc tránh khuyết tật bên trong cọc • Cọc được hạ vào trong đất nền theo hai phương pháp chính đó là: “ Ép cọc” và “ Đóng cọc” tùy thuộc vào điều kiện đất nền cũng như điều kiện dân sinh, môi trường quanh khu vực thi công. 12