Gia cố nền đất yếu bằng Bơm hút chân không?

Đã có rất nhiều phương pháp để gia cố nền đất yếu, đặc biết là những vùng đất yếu ở Nam bộ, nơi có máy chục mét bùn. Một số các phương pháp đó như: Dùng đệm cát, cọc cát, trụ vật lrời thoát nước thẳng đứng, trụ đất - xi măng, đất - vôi, cát - xi măng, bấc thấm, bản nhựa .... Nõi chung là đều tìm cách gia tải và cưỡng bức làm thoát nước để đất cố kết nhanh.

Phương pháp nén trước bằng chân không là một trong những phương pháp gia cố nền đất sét yếu, theo đó, áp suất chân không được áp dụng lên một diện tích nền được bao bởi các tấm (màng) vật liệu kín khí (airtight membrane), để bơm thoát nước lỗ rỗng chứa trong nền làm cho đất cố kết nhanh. Nếu ai đã tạo mẫu thí nghiệm 3 trục, hình trụ rỗng thì chắc biết là để cho mẫu đứng được, người ta phải áp dụng một áp suất chân không khoảng 0.3 kgf/cm², rồi kiểm tra xem mẫu có kín nước không bằng cách quan sát sự xuất hiện các bọt khí trong de-aired water tank.

Công nghệ này được thực hiện thông qua vài lần làm áp lực bằng chân không kết hợp với số lần biến đổi năng lượng thích hợp để đóng nền từ đó hạ thấp tỷ lệ chứa nước trong đất, nâng cao mật độ đất, sức tải của nền, giảm sự sụt lún sau khi thi côngvà sự sụt lún sai khác ở nền đất Theo các chuyên gia trong lĩnh vực xử lý nền đất thì phương pháp này sẽ tạo ra được một áp lực (trên 1 atmosphere) khống chế sức tải của mặt đất, tạo độ dày cần thiết theo yêu cầu kỹ thuật, khống chế được độ lún và tạo độ lún đồng đều cho mặt đất.

Phương pháp này được thừa nhận là hiệu quả nhằm gia cố đất rất yếu, đặc biệt khi thiếu vật liệu gia tải.

Công nghệ này đã được Uỷ ban Khoa học Thượng Hải (Trung Quốc) giám định “đạt tiêu chuẩn tiên tiến quốc tế”, hiện đang được áp dụng tại nhiều công trình xây dựng cảng biển, đường bộ và đường hàng không, được nhiều quốc gia đón nhận trong đó có Việt Nam.

Lịch sử

Các nguyên lý cơ bản của phương pháp nén trước bằng chân không được Kjellman giới thiệu vào đầu những năm 1950. Từ năm 1952, Kjellman đã đề xuất ý tưởng dùng phương pháp gia tải chân không để xử lý nền đất yếu khi làm công trình bên trên. Đã có một số tác giả công bố về phương pháp này như Holtz ( 1975); Chen và Bao ( 1983); Bergado và công sự ( 1998) ; Chu và cộng sự ( 2000); Indraratna và cộng sự (2005). Bằng phương pháp kết hợp thiết bị mới với công nghệ mới, phương pháp này đã có những cải thiện rõ rệt. Theo những nét chung thì sự thoát nước trong cát sử dụng phương pháp bấc thấm đã phân bố áp lực chân không và làm thoát ra nước lỗ rỗng. Áp lực chân không danh định là 80 kPa dùng khi thiết kế nhưng thực tế đôi khi áp lực này đạt đến 90 kPa. Khi tải lớn trên 80 kPa thường dùng hỗn hợp phương pháp hút chân không và gia tải.

Tác dụng của áp lực chân không  

Nhiều công trình cần sử dụng sớm, không đủ kiên nhẫn đợi chờ thời gian cố kết lớp nền đất yếu bên dưới nên khi đưa vào sử dụng, công trình tiếp tục lún, sửa chữa lớp mặt biết bao cho vừa mà công trình còn tiếp tục lún. Đường Pháp Vân - Cầu Giẽ đưa vào sử dụng còn ghi đường còn chờ lún tiếp. Đường Văn Thánh vào thành phố Hồ Chí Minh cứ làm, cứ chữa, chưa bao giờ hết lún vì lớp đất bên dưới đã đủ độ cố kết để chịu lực đâu?

Phương pháp hút chân không thay thế cho phần gia tải trong công nghệ kết cố trước, tức là vẫn phải có cột thoát nước thẳng đứng. Phương pháp này không nhanh hơn phương pháp gia tải vì tốc độ cố kết phụ thuộc vào hệ số thấm ngang của đất giữa các biên thoát nước. Theo lý thuyết nếu đạt được độ chân không tuyệt đối sẽ tương đương với khối tải tạo áp lực 1 kg/cm². Trong trường hợp cần áp lực lớn hơn người ta áp dụng "gia tải + chân không".So với phương pháp gia tải trước nó có nhiều ưu điểm hơn như trong phương pháp gia tải cần lưu ý đến sức chịu tải của nền đất và ổn định của mái khối đất đắp. Đối với phương pháp gia tải phụ thuộc vào cường độ chịu tải của nền đất mà người ta quy định chiều cao chất tải, còn với gia tải bằng chân không có thể đưa tải lên giá trị 1 kg/cm² ngay (theo lý thuyết). Tuy nhiên để áp dụng phương pháp này đòi hỏi công nghệ phức tạp hơn.

Khi phải xử lý đất rất yếu, phương pháp hút chân không có hiệu quả nhanh hơn phương pháp gia tải đơn thuần. như là khi áp lực chân không 80 kPa thường được giữ không đổi trừ khi có tải tĩnh tác động thêm. Phương pháp hút chân không để tăng tải cũng rẻ hơn khi so sánh với chỉ gia tải với sức tải tương đương ( Chu và cộng sự ). Phương pháp gia tải hút chân không là bộ phận của quá trình cải tạo đất khi bùn sét vét từ đáy khi dùng vật liệu lấp để cải tạo đất. Bùn sét lấp làm vật liệu lấp thì phương pháp gia tải hút chân không rất tốt để gia cố lớp bùn sét. Hàng ngàn hecta đất ở Tianjin , Trung quốc, đã được cải tạo theo phương pháp này ( Chen và Bao , 1983 ; Yan và Chu , 2005). Những năm gần đây, kỹ thuật chân không tương tự đã sử dụng để cải thiện địa điểm xây dựng ( Lindhult và cộng sự , 1995). Các phương án dựa vào kỹ thuật chân không để gia cường cho độ ổn định của kết cấu tường chắn ( Miyazaki và cộng sự , 2005). Cơ chế gia tải kiểu chân không hoặc theo cách gia tải truyền thống , những phát minh mới thường liên quan đến thiết bị, máy móc mới.

Công nghệ

Trên thế giới hiện nay phổ biến hai công nghệ bơm hút chân không đó là:

• Dùng màng tạo vùng chân không kết hợp với thu nước từ những rãnh xương cá
• Tạo chân không trực tiếp bằng vòi và cút nối vào đầu PVD đã thi công

Cả hai phương pháp trên đều có những ưu điểm riêng của nó và đã được ứng dụng thực tế trong các công trình. Trong khi phương pháp bơm hút chân không bằng cách tạo màng ra đời trước tuy nhiên lại có những nhược điểm như khó tạo vùng chân không bằng màng chống thấm, thi công hệ thống phức tạp, yêu cầu kỹ thuật cao dồng thời khó kiểm soát chất lượng khi màng bị thủng, rách thì phương pháp bơm hút chân không theo phương pháp tạo ống hút trực tiếp lại dễ dàng trong việc thi công cũng như kiểm soát chất lượng. Nguyên lý của phương pháp này cung rất đơn giản vận đễ vận hành.

Ứng dụng            

Phương pháp cố kết chân không đã được áp dụng thành công ở một số nước, trên vùng xưa kia là cánh đồng. Tại Nhật Bản, phương pháp này được sử dụng thường xuyên trong xây dựng công trình từ những năm 1960 đến 1980.

Ảnh:Sân bay Quốc tế Phố Đông Thượng Hải

Tại Trung Quốc, công trình sửa chữa, mở rộng đường băng số 2 Sân bay Quốc tế Phố Đông Thượng Hải (ảnh bên) là một phương án “sân bay hướng ra đại dương”. Sau khi sử dụng công nghệ này không chỉ giải quyết được vấn đề lún sâu của nền đất trên bờ biển mà còn tiết kiệm được cả nhiệu triệu đo-la Mỹ tiền vốn đầu tư. Hơn nữa chất lượng công trình được các chuyên gia đánh giá “tốt nhất, vượt xa yêu cầu thiết kế”. Công trình Cảng Tân Thành khi sử dụng công nghệ mới này đã tiết kiệm được 360 triệu nhân dân tệ. Ngoài ra còn nhiều công trình khác như: công trình xử lý nền đất ở cảng Tam Kỳ, Ninh Ba, Chiết Giang (Trung Quốc) cũng dùng công nghệ hút chân không, tiết kiệm được 73 triệu nhân dân tệ. Trong gần 3 năm riêng khu vực Thượng Hải đã tiết kiệm được 1 tỷ nhân dân tệ khi sử dụng phương pháp này.

Lần đầu tiên ở Việt Nam sử dụng phương pháp cố kết chân không tại khu vực khí điện đạm Cà Mau. Thời gian dự tính kết thúc 90% cố kết là 5 tháng tại nhà Nhà máy khí điện đạm Cà Mau. Trong khi thiết bị thi công không phức tạp. Một diện tích 90ha được dành cho nhà máy liên hợp khí, điện, đạm. Giai đoạn I xây dựng nhà máy điện 720MW. Giai đoạn II là xây dựng nhà máy điện thứ 2 có cùng công suất và giai đoạn III là xây dựng nhà máy có công suất 800.000tấn/năm. Các yêu cầu về thiết kế cho cố kết như sau:

+ Lún dư không được vượt quá 10cm/10 năm cho toàn bộ diện tích xây dựng,đối với mỗi cấp tải được xét.

+ Sức chịu tải nhỏ nhất là 2t/m2 cho toàn bộ diện tích xây dựng, ngoại trừ:

+ Hạng mục nhà máy, yêu cầu có sức chịu tải là 5t/m²

+ Phía dưới tháp làm mát có sức chịu tải yêu cầu là 8t/m²

+ Dưới một số bồn chứa có sức chịu tải yêu cầu là 10t/m².

Bộ phận quan trọng nhất của nhà máy là phần chia nước của nhà máy, đòi hỏi phải được hoàn thành trong vòng 8 tháng từ khi bắt đầu đặt thiết bị tiêu nước thẳng đứng (bấc thấm), đầu tiên. Đây là thách thức về thời gian nên phương pháp gia tải chân không đã được áp dụng.

Ngoài nhà Nhà máy khí điện đạm Cà Mau thì còn có một số công trình như: Nhà máy DAP, dự án Long Thành - Dầu Giây, Nhà máy soil Polyester Đình Vũ, Nhà máy điện CTHH Nhơn Trạch Đồng Nai, Cảng Đình Vũ Hải Phòng...đã dùng công nghệ Bơm hút chân không để hút nước trong đất làm cho đất cố kết rất nhanh chỉ trong thời gian rất ngắn. Tức là thay cho việc đặt các vật liệu thoát nước, chất tải để cưỡng bức cho nước thoát ra ta phải mất thời gian rất dài từ 6 tháng đến 2 năm, đất mới cố kết được một phần và có thể đặt công trình lên được.

Nhược điểm  

Tuy nhiên, ứng xử thực sự của phương pháp này trong xây dựngchưa tốt vì một số nguyên nhân dưới đây.

1) Rất khó làm kín khí

2) Có giới hạn về độ sâu gia cố

3) Hiệu quả thấp đối với nền gồm các tầng cát với hệ số thấm cao nằm xen kẹp

4) Giá thành cao do sử dụng các cọc cừ ngăn cách vùng cần gia cố nhằm làm tăng độ chân không

Vì thế, phương pháp này không được ủng hộ tại Nhật Bản vào những năm 1990. Gần đây một người Nhật tìm cách cải tiến nhằm khắc phục những nhược điểm nói trên  về vật liệu làm màng kín khí và thoát nước thẳng đứng.

Mô hình hóa bằng phương pháp phân tử hư

Bài toán này là cố kết đẳng hướng, ghép đôi. Trong thực hành thiết kế có thể sử dụng công thức của Barron (1 chiều). Kết quả tính lún có thể lớn hơn so với tính theo bài toắn ghép đôi, 2 chiều theo phương pháp phân tử hữu hạn Có thể tham khảo cách tính ở

Trong Plaxis có phần tử VD, chương trình tự mặc định là trong VD không xuất hiện áp lực nước lỗ rỗng thặng dư (EPWP=0) nên phần tử VD thực chất là một điều kiện biên khi activate nó. Có thể dùng phần tử này để mô phỏng PVD. Không cần nhập thông số gì cho phần tử VD (vì nó đã được lập trình là biên thoát nước).

Có thể dùng đất đắp tương đương để mô phỏng áp lực chân không nhưng ứng xử tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư (EPWP dissipation) sẽ không được thể hiện và chỉ có thể tìm ra được độ lún tương đương. Không thể dùng dùng đất đắp tính ra tải tương đương với áp suất chân không được vì hai trường hợp gia tải này đi theo lộ trình ứng suất (stress path) hoàn toàn khác nhau. Với gia tải thì lộ trình ứng suất sẽ theo đường gần như K₀ (nếu gia tải một chiều), hoặc lộ trình anisotropic consolidation. Với gia tải chân không thì lộ trình ngược lại (isotropic consolidation).

Cũng có thể dùng biện pháp hạ mực nước (nhưng cũng không thể hiện hết được ứng xử của nền như atmospheric loading). Trong Plaxis hiện nay chưa cho phép bạn nhập điều kiện biên là áp lực nước lỗ rỗng nên khó có thể dùng trong bài toán này được.

Có thể dùng Sage crisp (của hãng crispconsortium) hay geostudio (của hãng geoslope) để mô phỏng cái áp lực chân không (vacuum preloading) vì hai phần mềm này cho phép dùng điều kiện biên là áp lực nước lỗ rỗng âm. Ngược lại chúng lại không có phần tử VD nên phải tạo ra phần tử này (với hệ số thấm lớn) cho bài toán mô phỏng.

Một điều quan trọng nữa là khi dùng bài toán phẳng để mô phỏng một bài toán đối xứng trục (thực tế) thì cũng cần có sự chuyển đổi. Việc này liện quan đến hệ số thấm tường đương của nền trong bài toán phẳng được tính toán dựa vào hệ số thấm của nền, và khoảng cách bố trí bấc thấm.

Nguồn :hopnghiep co.ltd