Phương pháp hút chân không xử lý nền

GS. TS. NGUYỄN CHIẾN (Chủ biên)
ThS. TÔ HỮU ĐỨC - ThS. PHẠM HUY DŨNG

PHƯƠNG PHÁP

Cớ KÍT HÚT CHÂN KHÔNG
x í l í NỂN DAT VỄU TRONG XÃV DỌNG CÕNG TRlNH

T H Ư V IỆ N

XUẤT BẢN XÂY DỰNG

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 hơn t2- Nếu tại thời điểm này bắt đầu xây dựng,
đặt công trình lên nền thì độ lún dư trong các năm '8
tiếp theo của công trình là tương đối nhỏ và x
không gây nguy hại cho kết cấu. Có thể thấy, siêu
tải (f) càng lớn, thời gian cố kết t] càng ngắn.
Một lưu ý nữa là trong quá trình xây dựng
công trình, đất nền có khả năng nở ngược do gia
tải đã được dỡ ra mà công trình vẫn chưa xây
dựng xong (hình 2.4). Vì vậy việc chọn giá trị độ
lún S(p+f) tại thời điểm ngừng gia cố đòi hỏi tính
toán cả hiện tượng nở ngược này. Nhìn chung
việc giải bài toán cố kết thấm HCK luôn luôn bao
gồm cả bài toán cố kết nén lún đơn giản.

ửng suất hiệu quả o’, thang logarithm

Hình 2.4. Sự thay đổi hệ số rỗng
khi nén đất nền

Tóm lại, nhiệm vụ của việc giải bài toán cố kết thấm để tính toán ứng dụng cho HCK
có thể chia làm ba bài toán chính sau:
Bài toán ban đầu: với tải trọng công trinh (p) xác định độ lún cuối SC(p\ (và thời gian
cố kết t2 nếu cần);
Bài toán xuôi: Cố gỉâ tải trước (p+f), tính thời gian t| cần thi công gia cố để đạt được
độ lún S(p+f) xấp xỉ giá trị độ lún cuối SC(p);
Bài toán ngược: Biết thời gian gia cố ti, tính gia tải (p+f) để kịp đạt được độ lún
S(p+f) có giá trị xấp xi giá trị độ lún cuối SC(p).
2.1.2. Phương trình vi phân cơ bản
Terzaghi cho rằng phựơng trình vi phân cơ bản của hiện tượng cố kểt thấm có dạng [18]:
ổu
ổt

_ f ỡu2 í 1 ỡu ổu2ì
+— ■
^ r2 r ỡr ỡz2

— =c v