luËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt - 1 -
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của Đề tài
Nền đất yếu phân bố rộng ở đồng bằng Bắc Bộ và đồng bằng sông Cửu Long. Đây là
hai khu vực có tốc độ phát triển kinh tế xã hội nhanh, mật độ xây dựng các khu công
nghiệp, khu đô thị mới, các công trình giao thông, công trình thủy lợi không ngừng
tăng. Liên quan đến nền đất yếu đã có nhiều sự cố công trình xảy ra, như sự cố sập
nhịp dẫn cầu Cần Thơ vào tháng 9 năm 2007 gây thiệt hại nghiêm trọng về người và
của, nguyên nhân là do lún lệch đài móng trụ tạm; Sự cố cầu Văn Thánh 2, quận Bình
Thạnh bị nứt, lún sâu tới hàng mét, sau nhiều lần sửa chữa vẫn không có kết quả đáng
kể v.v… Việc khắc phục các sự cố do nền đất yếu gây ra như nứt do lún không đều,
lún nghiêng, sạt lở mái,…nhìn chung rất khó khăn và kinh phí thì tốn kém hơn so với
kinh phí để xử lý nền tốt ngay từ đầu. Để tránh được những hư hỏng gây thiệt hại lớn
và ảnh hưởng xấu tới đời sống xã hội, trước khi xây dựng bất cứ công trình gì việc
đánh giá khả năng chịu tải, biến dạng dưới tác dụng tải trọng, xử lý nền trong vùng
đất yếu là một vấn đề quan trọng và hết sức cấp thiết.
2. Mục đích của Đề tài
Đánh giá hiệu quả của giải pháp xử lý nền đất yếu bằng thiết bị thoát nước thẳng
đứng.
Đề xuất các tham số thiết kế của thiết bị thoát nước thẳng đứng hợp lý để đảm bảo
tính kỹ thuật và hiệu quả kinh tế của giải pháp thiết kế xử lý nền đất yếu.
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Thu thập, phân tích các tài liệu đã có trong vùng dự án.
Mô phỏng bài toán cố kết thấm nền đất yếu được xử lý bằng thiết bị thoát nước thẳng
đứng theo phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng phần mềm Plaxis.
Đề tài tập trung nghiên cứu và áp dụng tính toán cho công trình đường giao thông:
Tuyến đường cao tốc Cầu Giẽ - Ninh Bình, Km232+00 Km238+00. luËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt - 2 -
Cỏc c trng Than bựn t hu c Bựn t sột mm
Hm lng nc (%) 200 1000 100 200 60 150 30 100
H s rng 3.0 10.0 2.0 3.0 1.5 3.0 1.2 2.0
rng n
0.75 0.9 0.7 0.8 0.6 0.75 0.55 0.7
nộn lỳn C
c
/(1+) 0.4 0.8 0.20.35 0.25 0.4 0.15 0.3
H s thm k (m/s)
10
-4
10
-9
10
-6
10
-9
10
-7
10
-9
10
-9
10
-11
H s c kt C
v
(m
2
0.2 0.3 0.2 0.3 0.2 0.3
Khi lng th tớch khụ
(T/m
3
)
0.1 0.5 0.5 1.0 0.7 1.5 1.0 1.6
Khi lng th tớch cỏc
ht (T/m
3
)
1.4 2.0 2.0 2.6 2.4 2.7 2.6 2.7 luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 4 -
1.2 Nhng c im c bn ca t sột yu
t sột yu cú nhng c im riờng bit, nhng cng cú nhiu tớnh cht chung nh
cỏc t ỏ khỏc thuc loi sột. S khỏc nhau gia t sột yu v cỏc loi t ỏ sột
cũn li cú khi rt ln, tng nh hon ton thuc v bn cht, nhng thc ra ch l
s lng, mc th hin. Suy cho cựng ú l s bin i, chuyn hoỏ liờn tc ca
cỏc trm tớch gc di tỏc dng ca nhiu nhõn t khỏc nhau trong cỏc thi i a
cht, trong ú t sột l sn phm giai on u ca quỏ trỡnh hỡnh thnh t ỏ loi
sột.
1.2.1 Ht sột v cỏc khoỏng cht
Trong sột cú hai thnh phn: phn phõn tỏn mn v phn tỏn thụ.
phn phõn tỏn thụ (Kớch thc > 0,002mm) ch yu cú cỏc khoỏng cht ngun
gc lc a nh thch anh, penfast,v.v
phn phõn tỏn mn gm nhng ht bộ (kớch thc 2 - 0,1) v keo (0,1 - 0,001)
Phn phõn tỏn mn gm ch yu l cỏc sn phm phõn hy hoỏ hc: cỏc khoỏng cht
sột. Cú nhiu khoỏng vt sột, nhng thng gp nht l ba nhúm in hỡnh: kaolinit,
sinh, ch yu trong quỏ trỡnh phõn hoỏ (bng cỏch thy phõn) cỏc ỏ phun tro trong
iu kin mụi trng kim (pH = 78,5), khớ hu khụ v na khụ, ụn ho v m ỏp.
Monmoriolit cng cú th phỏt sinh trong bin vi iu kin mụi trng kim. Khi
mụi trng chuyn thnh axit thỡ monmoriolit b phỏ hoi, chuyn thnh kaolinit
hoc cỏc khoỏng cht sột khỏc. Ngoi ra, monmoriolit cú th thnh to bng con
ng tng hp do s kt tinh, nhng lng t dung dch keo v cỏc dung dch tht
cỏc ch tr nc, cỏc tng t mt,
luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 6 - Hỡnh 1-2. Mng tinh th ca cỏc khoỏng vt (Whitlow, 1996)
a- Kaolinit; b- Montmorillorite
1- oxy; 2- hydroxyt 3- nhụm, st, manhờ; 4- silic, ụi khi nhụm
Ilit K
<1
Al
2
[(Si,Al)
4
O
10
] (OH)
2
nH2O l mt khoỏng cht i biu ca nhúm hydro
mica. Nhúm ny l sn phm ca hydrat hoỏ (ngm nc) ca mica mc khỏc
nhau v chim v trớ trung gian gia mica v monmoriolit. Hydrat mica khỏc mica
ch cha nhiu nc v ớt kali, cũn khỏc monmoriolit ch: cha nhiu kali hn,
khụng cú hoc ớt kh nng trng n di tỏc dng ca nc v hp cht hu c.
Hydrat mica c to thnh trong nhiu iu kin khỏc nhau, nhng ch yu l
cỏc mụi trng kim (pH ti 9,5), trung tớnh v axit yu, luụn luụn cha khỏ nhiu
, nht v n hi cao, úng bng trong khong 078
o
C
(cu trỳc ca nc cn phỏ hoi nhiu thỡ nhit úng bng cng thp). Chỳng ớt
cú kh nng hũa tan v dn in (hng s in mụi t 22,2).
Nc liờn kt yu l loi nc liờn kt ri hay nc mng cú nhiu hay ớt tựy thuc
mc phõn tỏn v thnh phn khoỏng vt ca t, thnh phn v hm lng cation
trao i, cng nh m mụi trng xung quanh. Nc ny cú th bc hi, sau ú
ngng t li trờn mt ht t (b bao quanh bi nc hp ph) khi thay i m v
nhit khụng khớ. Chỳng cú nht khỏ ln, tớnh n hi khỏ cao, v lp cng
mng thỡ tớnh n hi cng tng. T trng ca nc mng cng ln hn 1. Nc ny
khụng trc tip bao quanh cỏc ht t, nhng vn cú quan h cht ch vi cỏc ht
t: c gi li bi ỏp l hng trm atmosphe. Nc cỏc lp mt ch chuyn ng
c khi chu tỏc dng ca dc thy lc ln, hoc chuyn sang dng hi. Nc
luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 8 -
cỏc lp mt di chuyn chm t ht t ny sang ht t khỏc di tỏc dng ca cỏc
lc phõn t , t nhng ch cú mng dy sang nhng ch cú mng mng hn. Ngoi
ra chỳng cũn cú th chuyn di c do ỏp lc in thm.
Hỡnh 1-3: S biu th s phõn b nc liờn kt mt ngoi ht monmoriolit
(Whitlow, 1996)
Tớnh cht quan trng nht ca nc liờn kt yu l cú kh nng gõy ỏp lc chốn ộp
do bnh trng gia b mt cỏc ht khoỏng, khi chu tỏc dng ca lc nộn.
Nc dng hi: Loi nc ny trong khụng khớ ca l rng, hang hc v khe nt
ca t ỏ khụng cha nc lng v bng. Nú thng i thụng khớ v nhng ch
m t ỏ khụng bóo ho. Tớnh hỳt m ca t ỏ liờn quan vi loi nc ny. i
vi t sột yu trng thỏi t nhiờn, loi nc dng hi ớt cú ý ngha, vỡ vy ta
khụng nghiờn cu chi tit.
Nc th cng: Loi nc ny trong t úng bng. Do ú m cú cha bng
thng gm mt s quỏ trỡnh xóy ra ng thi.
Hp th c chia ra lm nm loi: c hc, vt lý, húa lý, hoỏ hc v sinh vt.
Hp th c hc: l s gi li cỏc ht l lng trong nc khi nc thm qua t. Loi
hp ph ny c trng cho t cỏt v c s dng lm h thng lc v thoỏt
nc. S bt li ca loi hp phu ny l lm gim h s thm v bn ca t, do
tớch t li cht bn chu lc kộm.
Hp th vt lý: l s hỳt vt cht xung quanh do b mt ht t gõy nờn. Xy ra do
s chờnh lch nng cỏc hp cht trờn b mt ht keo t so vi mụi trng.
Nguyờn nhõn l do cỏc ht phõn tỏn nh cú nng lng b mt ln. n v o lc
hp ph l sc cng b mt. Khi do hp ph m sc cng b mt gim thi hin tng
hp ph gi l dng, cũn trng hp ngc li thỡ gi l hp ph õm. Hp th vt
lý c ng dng lm gim kh nng a nc ca t hoc bin nc thnh vt
liu k nc.
luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 10 -
Hp th hoỏ lý: l hin tng rt c trng cho t sột. ú l kh nng ca t trao
i mt phn no ú cỏc cation hoc anion hp th phõn b trong lp khuch tỏn ca
ht keo sột cho mt s lng tng ng cỏc cation trong dung dch tip cn vi
nú. ú l kh nng trao i mt s ion vi mt lng tng ng cỏc ion khỏc. Vỡ
vy, cú th gi hin tng ú l hp th trao i. Hin tng ny ph thuc trc
ht vo thnh phn khoỏng vt tỏn mn ca t, ri n mc phõn tỏn, v c
im ca mụi trng xung quanh (pH cng ln thỡ hp th cng mnh).Lc tng
tỏc gia cỏc ht sột tớch in v cỏc ion trong tng ion trỏi du ph thuc vo in
lng ca ht, loi húa tr ca ion, khong cỏch xa gn vi mt ht khoỏng.
Cỏc s liu c th chng t rng: dung dch hp ph ca monmorilonit khong 60-
120 mG- ng lng /100G t khụ, hydro mica: 20-40 mG- ng lng /100G
t khụ, kaolinit 3-15 mG- ng lng /100G t khụ.
Hp th hoỏ hc: l s hp th ng thi vi s to thnh cỏc mui khụng ho tan
trong dung dch bao quanh. Hp ph húa hc lm tớch ly cỏc hp cht khụng hũa
tan, lp y cỏc l hng, dn dn gn kt cỏc ht cỏt, ht sột thnh cỏc hp th, cỏc
nộn cht thiờn nhiờn (ORC),
Theo A.V. Kempton (1953) dựng ch s hot tớnh keo A
k
biu th mi quan h
gia thnh phn ht, tớnh cht hoỏ keo, v do ca t:
C
n
C
PT
k
W
W
M
WW
A
(1-1)
Trong ú:
W
T
: gii hn chy
W
P
: gii hn ln
M
C
: lng cha ht sột (%)(kớch thc nh hn 0,002 mm trong t)
W
n
2
, nhng ụi khi cng
cú th ln hn.
Nhng nghiờn cu gn õy cho bit rng: ngay c vi nc hon ton bóo hũa nc,
khi chu ti trng ỏp lc nc l rng ban u cng khụng bng tr s ti trng ú,
m bng hiu s gia nú v bn cu trỳc. bn cu trỳc cú ý ngha to ln khi
tớnh toỏn s c kt v ỏnh giỏ cỏc tớnh cht bn ca t: nh hng n chiu dy
tớnh toỏn ca tng chu ộp v ti trng cho phộp ca t nn.
luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 13 - Hỡnh 1-5. ng cong nộn ca mu t cú cu trỳc khụng b phỏ hoi theo h ta
cỏt, v h ta na loga.
1.2.7 Tớnh nộn cha n cht
So vi tr s ỏp lc m nú chu thỡ t sột yu trng thỏi nộn cha n cht hoc
c nộn cht bỡnh thng. Tớnh nộn cha n cht ca t l s khụng phự hp rừ
rng thiờn nhiờn vi ỏp lc thiờn nhiờn m t ang chu tỏc dng. Núi mt cỏch
khỏc, mt chiu sõu no ú t chu ỏp lc thiờn nhiờn l s, ỳng ra phi cú h s
rng l e, nhng li cú e
1
>e, tc l cú s nh hn ca cht tng ng vi ỏp lc.
Tớnh nộn cha n cht l do nh hng s phỏt sinh lc dớnh ca cỏc mi liờn h
cu trỳc - lc dớnh ny kim hóm tớnh nộn cht, cng nh do tỏc dng ca nc l
rng gõy nờn s chm tr ca quỏ trỡnh c kt trng lc. Ngoi ra, trng thỏi ca t
cú th l cha nộn n cht, hoc nộn quỏ cht tựy theo tr, tc , thi gian lc tỏc
dng v iu kin thoỏt nc l rng.
i vi nhng t ỏ trng thỏi nộn cha n cht, s th hin ỏp lc nc l rng
rt c bit. p lc nc l rng phỏt sinh khụng nhng khi tng ti trng ngoi, m
cũn khi gi nguyờn trng thỏi ng sut.
1.2.8 Tớnh nhy v xỳc bin
Nh lc hỳt phõn t nờn cỏc ht dớnh li vi nhau v to thnh khi. Lc hỳt ny
thay i theo c trng ca mụi trng v gim cựng s gim vi kớch thc ht.
Khi cỏc mi liờn kt ca t c thnh to di tỏc dng ca lc phõn t (cũn gi
l lc bỏm dớnh) cú tỏc dng ngc chiu nhau cựng tỏc dng ng thi: trng lc,
lc chốn ộp do bnh trng cỏc mng mng nc xung quanh ht. Khi gim kớch
thc ht t, cỏc lc tỏc dng ngc chiu vi lc bỏm dớnh s gim nhanh hn so
vi lc bỏm dớnh. Kt qu l: vi nhng kớch thc nht nh ca ht, lc bỏm dớnh
luËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt - 15 -
sẽ lớn hơn so với các lực ngược chiều với nó; nhờ đó tạo nên các khối. Do ảnh
hưởng của lực bành trướng các màng nước mỏng (vượt nhiều lần lực bám dính), mối
liên kết cấu trúc trong đất sét yếu không thể thành tạo được những khối lớn ổn định,
mà chỉ có thể thành tạo được những khối nhỏ không ổn định.
Dưới tác dụng của cơ học, các mối liên kết giữa các khối nhỏ dễ dàng bị phá hoại.
Lúc đó đất biến thành một dạng hồ loãng có độ bền thấp. Sau một thời gian, hồ ấy
có vẻ như đặc lại dần và đạt được trạng thái ban đầu. Đó là hiện tượng xúc biến đã
xét ở trên. Vì vậy theo đặc tính chung, các mối liên kết trong đất sét yếu thuộc kiểu
ngưng keo-xúc biến (theo danh từ của viện sĩ P.A. Rebinder).
1.2.10 Đặc điểm biến dạng
Tính biến dạng của đất sét yếu do bản chất của mối liên kết giữa các hạt của chúng
quyết định. Đất sét yếu có khả năng nén chặt và củng cố dưới tác dụng của ứng suất.
Ngay khi dưới áp lực bé, mức độ nén lún của chúng cũng có thể đạt đến trị số đáng
kể. Quá trình biến dạng ở những đất sét yếu xảy ra trong thời gian dài với tốc độ bé.
Có thể chia biến dạng của đất sét yếu ra thành các loại sau:
1- Biến dạng tức thời
2- Biến dạng cố kết
3- Biến dạng từ biến
1.2.11 Sức chống cắt
Cường độ chống cắt của đất theo đinh luật Coulomb xác định như sau:
Trong đó:
Ptg
w
: thành phần ma sát
: góc ma sát trong của đất
C
W
: lực dính kết tổng cộng
C
W
=
W
+C
c
W
: lực dính có nguồn gốc keo nước
C
c
: lực dính kết cấu trúc.
1.2.12 Tính chất lưu biến
Đất sét yếu là một môi trường dẻo nhớt. Chúng có tính dão và khả năng thay đổi độ
bền khi tải trọng tác dụng lâu dài. Khả năng này gọi là tính chất lưu biến, tức là tính
chất “chảy” như chất nước.
Biến dẻo bao gồm cả biến dạng cấu trúc và biến dạng cấu trúc hấp phụ.
1.3.1.1 Sự cố sập nhịp dẫn cầu Cần Thơ
Sự cố sập nhịp dẫn cầu Cần Thơ xảy ra vào ngày 26 tháng 9 năm 2007, tại xã Mỹ
Hòa, huyện Bình Minh, tỉnh Vĩnh Long, là thảm họa cầu đường và tai nạn xây dựng
nghiêm trọng nhất tại Việt Nam. Hai nhịp cầu dẫn cao khoảng 30m giữa ba trụ cầu
đang được xây dựng thì bị đổ sụp, kéo theo giàn giáo cùng nhiều công nhân, kỹ sư
đang làm việc xuống đất. Đến ngày 2 tháng 7 năm 2008, Bộ trưởng Xây dựng
Nguyễn Hồng Quân đã báo cáo Chính phủ kết quả điều tra sự cố sập nhịp dẫn cầu
Cần Thơ là do lún lệch đài móng trụ tạm. Theo kết quả điều tra, sự cố xảy ra trong
quá trình thi công tại hai nhịp neo của cầu Cần Thơ, mỗi nhịp dài 40m. Qua kiểm tra
địa chất, hàng cọc gần phía trụ P14 có mũi cọc tựa trên lớp cát xốp và hàng cọc gần
phía trụ P13 có mũi cọc tựa trên lớp cát chặt vừa. Điều này dẫn tới hàng cọc gần trụ
P14 bị lún nhiều hơn hàng cọc gần trụ P13 làm đài móng trụ tạm T13 nghiêng về trụ
P14. Độ lún lệch theo tính toán đạt 12mm gây mất ổn định trụ tạm T13 và sau đó là
sự sụp đổ của các kết cấu bên trên (tài liệu Ủy ban Quốc gia điều tra sự cố)
Hình 1-8. Hiện trường sự cố sập nhịp
()
luËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt - 20 -
1.3.1.2 Sự cố sụt lún cầu Văn Thánh 2, đường Nguyễn Hữu Cảnh - TP.HCM
Dự án đường Nguyễn Hữu Cảnh, quận Bình Thạnh do Công ty Thanh niên xung
phong (thuộc Lực lượng thanh niên xung phong TP HCM) làm chủ đầu tư. Độ dài
suốt tuyến gần 3,7 km. Điểm đầu tuyến tại giao lộ đường Tôn Đức Thắng, quận 1,
kết thúc tại khu vực chân cầu Sài Gòn với 3 cây cầu trên tuyến: Thị Nghè 2, Văn
Thánh 2 và vượt nút giao thông đầu cầu Sài Gòn.
Đường Nguyễn Hữu Cảnh đứng đầu trong số những địa chỉ thường xuyên ngập lụt ở
Thành phố Hồ Chí Minh. Nguyên nhân bị ngập chủ yếu do lún quá mức, thấp hơn
Gũn. D kin u nm 2010, hm Th Thiờm chớnh thc c vn hnh. Gia nm
2008, c quan chc nng ó phỏt hin nt rn bờ tụng trờn b mt v mt s vt nt
xuyờn cỏc t hm dỡm. Ngoi ra hm ch U-hm dn xung 4 t hm Th Thiờm
cng ang b lỳn vi tc 10mm/thỏng.
1.3.1.4 S c lỳn ng ng, kho, cng khớ húa lng Th Vi
Cụng trỡnh cú tng d toỏn trờn 57 triu USD, do Tng cụng ty Du khớ VN (Petro
Vit Nam) lm Ch u t. Hon thnh cui nm 1999, nhng mi u nm 2000
nn t thit b ca hai hng mc ó st lỳn nghiờm trng, cỏ bit cú im sõu ti
0,6m. Petro Vit Nam ó phi vo cuc cựng Vin Khoa hc cụng ngh xõy dng-
B Xõy dng thit k v thi cụng x lý s c trờn ht hn 7,1 t ng. Ngoi ra, thay
vỡ x lý ton b 89.376m
2
nn t bng bc thm, bt kinh phớ Ch u t ó
luËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt - 22 -
quyết định chỉ xử lý bấc thấm ở năm khu vực với tổng diện tích trên 35.544m
2
. Sự
tiết kiệm này đã cho kết quả là những khu vực không được xử lý bấc thấm đã tiếp
tục lún kéo dài 12,5 16,6 năm, ảnh hưởng tới cả những khu vực đã xử lý bằng bấc
thấm trước đó.
1.3.1.5 Sự cố kho ngũ cốc Transcona (Canada)
Nền bị phá hoại cắt cục bộ do lún lệch và phát triển nhanh chóng đến giai đoạn phá
hoại tổng thể (từ giai đoạn II đến giai đoạn III). Mặt trượt bắt đầu một phía móng,
dừng lại tại một điểm nào đó trong nền. Chỉ khi móng có chuyển vị theo phương
đứng lớn, mặt trượt phát triển đến mặt đất. Khi phá hoại đất xung quanh có hiện
tượng trồi lên (Nguyễn Bá Kế, 2008)
Hình 1-10. Sự cố kho ngũ cốc Transcona (Canada)
dựng đến tầng 7, thì công trình bị dừng lại một lần nữa, vì lý do chiến tranh. Và vào
năm 1370, công trình mới hoàn tất. Tháp nghiêng Pisa đã nghiêng và lún trong gần
thế kỷ nay. Có một thời gian du khách không được tham quan tháp Pisa vì nghiêng
và lún không đảm bảo an toàn dù sau nhiều lần sửa chữa gia cố. Hiện nay sau một
thời gian sửa chữa Tháp Pisa đã cho phép du khách được phép tham quan trở lại. Hình 1-13. Tháp nghiêng Pisa (Italy)
(Nguyễn Bá Kế, 2008)
luËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt - 25 - Hình 1-14. a-Mặt cắt ngang tháp; b-Đường cong nén lún; c-Hình dáng móng
(Nguyễn Bá Kế, 2008)
1.3.1.7 Công trình xi lô chứa ngũ cốc (Canada)
Sự cố công trình ở Canada, khi xây dựng xi lô chứa ngũ cốc được xây dựng trên nền
đất sét. Khi hai xi lô xây dựng gần nhau, vùng hoạt động về ứng suất sẽ rộng và sâu
hơn nhiều so với các xi lô độc lập. Khi tải trọng càng lớn thì hiện tượng này càng thể
hiện rõ. Đất trong vùng chập ứng suất sẽ chịu áp lực lớn hơn và tương ứng sẽ lún
nhiều hơn, gây ra hiện tượng si lô lún nghiêng vào nhau.
Copyright: Tài liệu đại học ©