Kỹ thuật xử lý nền đất yếu

BƠM HÚT CHÂN KHÔNG KẾT HỢP GIA TẢI
TRƯỚC BẰNG ĐẤT ĐẮP
Tóm tắt: Bài báo trình bày việc thiết kế, vận hành và kết quả của một dự án cải tạo
đất bằng phương pháp bơm hút chân không kết hợp gia tải trước trên 480 000 m2 đất
ở Cảng Xingang, Thiên Tân , Trung Quốc. Các khu vực được xử lý bằng phương
pháp hút chân không có diện tích trong khoảng từ 5000 - 30 000 m2 . Hiệu quả đạt
được từ phương pháp này là độ lún cố kết trung bình đạt được là 2,0 m và sức kháng
cắt không thoát nước tăng lên từ 2 - 4 lần và còn có thể lớn hơn. Nghiên cứu đã chỉ ra
rằng phương pháp bơm hút chân không rất có hiệu quả cho việc xử lý gia cố nền đất
yếu, chứa nhiều sét trên một diện tích lớn. Phương pháp này đặc biệt là khả thi trong
trường hợp thiếu hụt đất đắp gia tải trước, sức chống cắt của nền rất thấp, đất mềm
tiếp giáp với sườn dốc và có nguồn cung cấp điện.
GIỚI THIỆU
Bài báo trình bày về việc thiết kế, vận hành và kết quả của một dự án cải tạo xử
lý nền đất bằng phương pháp bơm hút chân không trên 480 000 m2 đất tại Cảng
Xingang, Thiên Tân, Trung Quốc.
Nguyên lý của phương pháp bơm hút chân không kết hợp gia tải trước trên nền
sét yếu lần đầu tiên được giới thiệu bởi W. Kjellman thuộc viện nghiên cứu địa chất
Thụy Điển đầu 1950s. Khi hút chân không một khối đất, nó sản sinh ra một áp lực
nước lỗ rỗng âm. Khi ứng suất tổng không đổi, áp lực nước lỗ rỗng âm là do sự gia
tăng của ứng suất hữu hiệu, dẫn tới sự cố kết của đất. Phương pháp bơm hút chân
không được mô tả trong hình 1. Các chi tiết bao gồm một lớp đệm cát kết nối với hệ
thống thoát nước đứng trong nền. Một lớp màng chân không bao phủ bên trên lớp
đệm cát bao phủ khu vực xử lý và được neo vào các rãnh rồi bịt kín bằng một lớp
tường sét. Một hệ thống ống đục lỗ được đặt bên dưới lớp màng chân không để thu
nước. Đặc biệt phải chuẩn bị hệ thống bơm hút có khả năng tạo chân không trong đất
và bơm hút nước – không khí được kết nối vào hệ thống thu gom. Điều cần thiết là
khu vực xử lý phải hoàn toàn kín và cách ly với các loại đất thấm xung quanh để
tránh sự mất mát của khoảng chân không. Cũng cần tránh các lỗ thủng và khe hở

hơn ngay cả với những nước đang phát triển.
Hiện nay, các nghiên cứu về phương pháp hút chân không kết hợp gia tải trước
đang tập trung vào các khía cạnh như mô hình số ba chiều của quá trình cố kết, ứng
dụng trong đất ngập nước (Harvey 1997) và các vấn đề kỹ thuật như việc thực hiện
và bảo vệ các lớp màng chân không trên một diện tích xử lý lớn cũng như phát triển
các thiết bị hút chân không cho hiệu quả cao hơn.
KHÁI QUÁT VỀ KHU VỰC XỬ LÝ
Cảng Xingang, một cảng thương mại quốc tế ở phía bắc Trung Quốc, thuộc
Thiên Tân, thành phố lớn thứ ba Trung Quốc. Bến phía đông là một cầu cảng hình
thang, hình 2a và 2b . Phần trung tâm bến là một lớp đất bồi đắp trải dài 1.133 m và
Trang 2


Kỹ thuật xử lý nền đất yếu

có tổng diện tích khoảng 480 000 m2. Các công trình được xây dựng trên bến này bao
gồm chỗ neo tàu, nhà kho, đường giao thông và bãi chất hàng. Địa chất: sét mềm yếu
dày 20m, bao gồm cả lớp đất yếu dày 4m trên bề mặt, vì vậy cải tạo đất là điều cần
thiết trước khi việc xây dựng các công trình. Dự án được tài trợ bởi vốn vay từ Ngân
hàng Thế giới thông qua đấu thầu hơn 20 công ty trên thế giới. The 1st Navigational
Engineering Bureau of China đã đề xuất sử dụng phương pháp hút chân không kết
hợp gia tải trước và đã được trao hợp đồng. Dự án kéo dài 29 tháng kể từ ngày
15/06/1987 đến 07/11/1989, trước 68 ngày so với dự kiến ban đầu là 31 tháng.
ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT
Để xác định số liệu địa chất người ta tiến hành khoan 7 lỗ khoan thể hiện như
trong hình 2b
Các số liệu địa chất từ tây sang đông xác định từ các bản ghi lỗ khoan được
hiển thị trong hình 3, gồm sáu lớp:
(1) từ cao độ +5,7 đến +1,5m: đất bồi đắp từ các công tác nạo vét từ các lưu
vực bến cảng và các kênh trong khoảng 1982-1986. Đất vẫn còn trong quá trình cố

Kỹ thuật xử lý nền đất yếu

THIẾT KẾ
Phân chia các khu vực xử lý
Diện tích xử lý được chia thành 6 phân khu dựa trên tải thiết kế của các công
trình được xây dựng, 6 phân khu được đánh thứ tự từ I-VI thể hiện trong hình 2b. Áp
lực chân không tại từng khu vực xử lý được đánh dấu 1-72 trong hình 2b. Diện tích
của mỗi khu vực xử lý khoảng từ 5000 đến 30000 m2. Những kinh nghiệm trong quá
khứ đã chỉ ra rằng diện tích của một khu vực xử lý phụ thuộc vào điều kiện đất đai,
công suất của máy bơm chân không, chất lượng của màng kín khí, và tay nghề

Hình 3. Mặt cắt địa chất
Bảng 1: Các tính chất của đất

Elevation (m)

Water
content
wn (%)

Unit
weight
(kN/m3)

Void
ratio
(e)

Liquid
limit

18

3

4.5

1.5

2

+1.5 to –2.0

58.0

17.1

1.53

48.1

24.9

6

15

1.4

3


27.6

10.3

21.7

0.6

5

–9.0 to –14.0

53.0

17.1

1.45

49

25

10.3

29.2

0.8

Soil layer


Residual settlement under design load (cm)

80
≥
15
≤20

80
≥
15
≤20

87
Vacuum +
preloading
80 + 17
≥
20
≤30

83
Vacuum +
preloading
80 + 17
≥
20
≤15

80
Vacuum +

dạng ngang, áp lực nước lỗ rỗng và áp lực chân không, 3 khu vực 12-13, 44 và S-2
trong hình 2b đại diện cho 3 phương pháp xử lý: hút chân không, hút chân không kết
hợp gia tải đất đắp và chỉ gia tải đất đắp.
Hình 4. Áp lực chân không theo độ sâu tại khu vực 44.

Trang 6


Kỹ thuật xử lý nền đất yếu

Thoát nước đứng
Thoát nước đứng là hệ thống bấc thấm với vận tốc thấm là 25 cm3/s. Chiều sâu
cắm bấc thấm từ 16-20m. Nhưng trong một số chỗ bấc thấm có thể được cắm tới độ
sâu 25m. Khoảng cách giữa các bấc thấm là 1.3m bố trí theo lưới ô vuông.
Thời gian áp tải
Thời gian áp tải, bao gồm hút chân không và gia tải đất đắp ít nhất là 120 ngày
và áp lực chân không 80 kPa phải được duy trì trong suốt khoảng thời gian này.
VẬN HÀNH
Trước khi tiến hành phương pháp hút chân không
Lớp đất mặt cần được xử lý sơ bộ vì nó quá yếu để tiến hành các công tác thi
công. Việc xử lý gồm 3 bước:
1. Thi công 2 lớp đệm từ các cành cây khô, nhỏ
2. Đỗ các đống đất cao 30 cm lên trên bằng xe đẩy tay
3. Trải một lớp cát hạt trung dày 40cm lên cùng
Sau khi xử lý sơ bộ, có thể cho máy móc vào thi công cắm bấc thấm.
Thi công hệ thống thoát nước đứng
Máy khoan sẽ hạ 287 626 bấc thấm (tổng chiều dài của các bấc thấm 5 124
851m) trong vòng 18 tháng.
Thi công hệ thống thoát nước ngang
Một hệ thống các ống thoát nước ngang được đặt phía trên lớp cát sau khi đã

Độ lún
Độ lún trên bề mặt tại từng phân khu được đo bằng các chân đo lún (settlement
pins) được chôn trong các rãnh. Độ lún gây ra bởi lớp vật liệu đắp (0.3 m cành khô và
0.4 m cát hạt trung) sau khi đã cấy bấc thấm từ 0.6-1.2 m trong giai đoạn trước xử lý.
Hình 5 là một bản đồ đường đồng mức biểu thị độ lún cố kết sau khi cấy bấc thấm.
Nhìn chung, độ lún là khá đồng đều, độ lún lớn dọc theo các biên và nhỏ dần trong
khu vực trung tâm. Mối quan hệ giữa độ lún và thời gian trong quá trình hút chân
không được ghi nhận tại khu vực 44, hình 6. Độ lún sau khi hút chân không và đắp
đất gia tải trước là 1.4 m sau 250 ngày.

Trang 8


Kỹ thuật xử lý nền đất yếu
Hình 5. Contour map showing settlement due to surface pretreatment (0.7 m of fill). All
contour lines are in metres

Hình 6. Settlement versus time in subdivision 44

Hình 7. Contour map showing settlement due to vacuum preloading. All
contour lines are in metres

Trang 9


Kỹ thuật xử lý nền đất yếu

Hình 8. Contour map showing total settlement due to the combined effects
of surface settlement and vacuum preloading. All contour lines are in metres


theo dõi nứt.
Độ ẩm và hệ số rỗng
Độ ẩm và hệ số rỗng được thể hiện trong hình 10a và 10b (ghi nhận tại khu vực
12-13, dùng phương pháp hút chân không), 11a và 11b (ghi nhận tại phân khu 44,
dùng phương pháp hút chân không kết hợp gia tải trước), 12a và 12b (tại S-2, dùng
phương pháp gia tải đất đắp). Độ ẩm giảm trung bình là 17.3; 16.3; 22.5% trong các
khu vực 12-13;44 và S-2. Vệ độ giảm hệ số rỗng lần lượt là 16.2; 14.9; 19.9% tại 1213; 44 và S-2. Độ ẩm và hệ số rỗng giảm không đáng kể dưới cao trình -8 m tại 12-13
(hình 10). Trong khi đó tại phân khu 44 và S-2 (hình 11 và 12) hiệu quả của công tác
xử lý cải tạo đạt đến cao trình -10 m.
Sức kháng cắt
Sức kháng cắt của đất sau xử lý cải tạo trong các thí nghiệm UU, VST và CPT
– hình 10c-10e; 11c-11e; 12c-12e.
Tại phân khu 12-13, sức kháng cắt không thoát nước thu được từ thí nghiệm
UU và VST cho kết quả giống nhau, tăng 1700% tại đỉnh và tăng 30-40% tại đáy
trong khu vực xử lý. Các giá trị thiết kế được liệt kê trong bảng 2. Kết quả thí nghiệm
CPT, hình 10e, sức kháng cắt tăng trong phạm vi -12m.
Trong phân khu 44 cũng tương tự cũng có sự tương đồng giữa thí nghiệm UU
và VST. Sức kháng cắt trong thí nghiệm VST sau khi xử lý đất là 25-51 kPa, so với
giá trị ban đầu là 4 - 37 kPa. Hoàn toàn thỏa các giá trị thiết kế trong bảng 2. Sức
kháng cắt tăng từ 33% tại đáy (cao trình -13m) đến 2327% tại bề mặt (cao trình
+5.5m). Kết quả của thí nghiệm CPT là phù hợp với độ giảm hệ số rỗng và độ ẩm và
sự gia tăng sức kháng cắt không thoát nước, hình 11e.
Trang 11


Kỹ thuật xử lý nền đất yếu

Trong phân khu S-2 kết quả thu thập được tương tự như ở phân khu 44, hình
12c-12e.
Hình 10. Results of soil testing after vacuum preloading in testing

Bureau, Trung Quốc vì đã cho phép công bố các kết quả. Nghiên cứu được tài trợ bởi
Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada. Các đồ thị được hỗ
trợ bởi bà S. Micic.

Trang 13


Kỹ thuật xử lý nền đất yếu

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Harvey, J.A.F. 1997. Vacuum drainage to accelerate submarine consolidation
at Chek Lap Kok, Hong Kong. Ground Engineering, 30: 34–36.
Holtz, R.D. 1975. Preloading by vacuum: current prospects. Transportation
Research Record, No. 548, pp. 26–29.
Kjellman, W. 1952. Consolidation of clayey soils by atmospheric pressure. In
Proceedings of a Conference on Soil Stabilization, Massachusetts Institute of
Technology, Boston, pp. 258–263.
Qian, J.H., Zhao, W.B., Cheung, W.B., Cheung, Y.K., and Lee, P.K.K. 1992.
The theory and practice of vacuum preloading. Computers and Geotechnics, 13: 103–
118.

Trang 14