1. Mở đầu Bấc thấm đứng PVD kết hợp với gia tải trước được xem là biện pháp xử lý đất yếu mang tính khả thi cao cho các công trình xết về chiều sâu xử lý, chi phí, thời gian để gia tải và các yếu tố khác. Mục đích của việc sử dụng bấc thấm đứng kết hợp với biện pháp gia tải trước nhằm đẩy nhanh tốc độ cố kết và hạn chế dộ lún trong tương lai của khu vực xử lý dưới tải trọng tĩnh và tải trọng động.
Trước đây, việc sử dụng phương pháp bấc thấm đứng PVD kết hợp gia tải trước, và lớp đệm cát dùng làm lớp thoát nước ngang cho bấc thấm đứng đã được áp dụng khá phổ biến ở Việt Nam đem lại hiệu quả tốt cho việc xử lý đất yếu. Tuy nhiên, trong những năm gần đây việc tìm được nguồn vật liệu cát với khối lượng lớn và chất lượng cao cần thiết cho lớp đệm cát trở nên rất khan hiếm ở khu vực miền Nam cũng như một số khu rất khan hiếm ở khu vực miền Nam cũng như một số khu vực tỉnh, thành trên cả nước. Bên cạnh đó, tình trạng ô nhiễm môi trường và mất cân bằng sinh thái tự nhiên trong khu vực khai thác cát cũng đang là vấn đề rất quan tâm. Do vậy, nhu cầu phát triển loại vật liệu thoát nước thay thế lớn đệm cát đã được mong đợi.
Bài này giới thiệu mới thay thế lớp đệm cát tự nhiên bằng lớp bấc thấm ngang tên gọi “Super Board Drain” SBD. Mặc dù giải pháp sử dụng bấc thấm ngang chưa được phổ biến tại Việt Nam, nhưng công nghệ này đã được áp dụng rộng rãi tại Việt Nam, nhưng công nghệ này đã được áp dụng rộng rãi ở nước ngoài từ những năm 90 của thế kỷ trước, nhất là tại Nhật Bản và đã thu được kết quả tốt.
2. Giới thiệu về kỹ thuật bấc thấm thoát nước ngang
2.1 Khái quát về bấc thấm ngang
Bấc thấm ngang là loại vật liệu dạng bản được dùng để thoát nước ngang. Kết cấu vật liệu bao gồm lõi nhựa làm bằng Polyvinyl Chloride và được bao bọc bên ngoài bằng loại vải polyester không dệt. Bản thân lõi và lớp vỏ bọc có kết cấu mềm dẻo và tách biệt nhau. Lõi này chịu được áp lực cao và khả năng kháng nén đủ để chịu được tải trọng vật liệu đắp và quá trình thi công do cấu tạo bởi các lỗ dập nổi đặc biệt trên lõi và cấu tạo này cho phép thoát nước cao. Hơn nữa lớp vải Polyester không dệt này có độ bền cao không bị suy giảm trong môi trường ẩm ướt.
Nước lỗ rỗng xung quang bấc ngang sẽ thấm vào bên trong bấc thông qua lớp vỏ bọc và chảy dọc theo lõi của bấc, sau đó thoát ra ống hoặc kênh thoát.
Ngay cả khi có tải trọng nặng bên trên tác đọng lên bấc ngang thì mặt cắt thoát nước của bấc vẫn không suy giảm. Sự cố gây ra nghẽn tắc bên trong bấc thang do các hạt đất sẽ không xảy ra. Vì vậy, nước lỗ rỗng có thể thoát đi một cách nhanh chóng.
Bấc ngang hiện có 3 loại:
- Loại T - 200 bản rộng 20 cm
- Loại T - 300 bản rộng 30 cm
- Loại T - 600 bản rộng 60 cm với bề dày 0,8 cm
2.2 Đặc tính của bấc thấm ngang
- Nước lỗ rỗng được hấp thụ qua lớp vải lọc vào bản thoát nước và chảy vào trong lõi bấc mọt cách êm thuận. Do đặc tính này nên ngay cả khi bấc ngang được mở rộng thì khả năng thoát nước vẫn được duy trì.
- Hệ số thấm của lớp vải lọc được thiết kế thấp nên kiểm soát được tốc độ chảy bên trong của bản thoát nước vì thế làm giảm sự dịch chuyển của các hạt xung quang bản thoát nước từ đó hạn chế được sự hình thành lớp màng sét trên bề mặt lớp vải lọc.
- Đây là loại vật liệu có cường độ chịu kéo và độ dãn dài cao trong khi cố định tốc độ dịch chuyển tự do của lõi và lớp vải lọc. Do đó nó có thể biến dạng theo sự thay đổi của địa hình do lún cố kết.
- Bản thoát nước không chỉ nhẹ và dễ vận chuyển mà cũng không cần một vật liệu liên kết đặc biệt nào.
2.3 Phạm vi ứng dụng của bấc thấm ngang
- Loại đất: Áp dụng cho đất sét, đất cát mịn
- Tải trọng: Chịu tải trọng trên 250 kN/m2 tương đươngvới chiều cao đắp 14 m
- Ứng dụng:
+ Vùng đắp: Thay thế cho lớp đệm cát và lớp cát lọc
+ Khu thể thao: sân golf, bề mặt sân thể thao
+ Các ứng dụng khác thay thế khối đắp, ngăn ngừa thấm
3. Cơ sở lý thuyết về khả năng ứng dụng của bấc thấm ngang thay thế cho lớp đệm cát
Khi xử lý đất yếu bằng bấc thấm đứng kết hợp với gia tải và lớp đệm cát được dùng làm lớp thoát nước ngang thì vấn đề đặt ra là cần xác định chiều dày của lớp đệm cát. Tuỳ theo điều kiện và tính chất của đất cũng như chiều cao của lớp gia tải khối lượng gia tải ta có thể xác định được chiều dày của lớp đệm cát thoát nước theo bảng sau:
Dự tính chiều dày cho lớp đệm cát thoát nước
1 Dựa vào áp lực tiếp xúc tối đa của đất nền kg/cm2 | 2 Dựa vào chỉ số đầu côn nhỏ nhất qc kg/cm2 | Chiều dày đệm cát h cm tương ứng với 1 hoặc 2 |
< 0.7 | > 2.0 | 50 |
0.7- 1.0 | 2.0 – 1.0 | 50 - 80 |
1.0 – 1.5 | 1.0 – 0.75 | 80 – 120 |
1.5 – 2.5 | 0.75 – 0.5 | 120 – 150 |
> 2.5 | > 0.5 | > 150 |
Thông qua chiều dày của lớp đệm cát có thể tính toán được số lượng và loại bấc thấm ngang thay thế, đảm bảo cho khả năng thoát nước tương đương. Công thức tính xác định như sau:
Lưu lượng thoát nước trên đơn vị chiều rộng của lớp cát qs = 100 x h x i x ks
i: độ dốc thủy lực
ks: hệ số thấm của cát
Lưu lượng thấm của vật liệu thấm qD
qD = B x t x i x kD
B: chiều rộng lớp vật liệu thoát nước
t: chiều dày lớp vật liệu thấm = 0.8 cm
kD: hệ số thấm của vật liệu thấm = 15.0 cm/s
Do vậy, nếu qs = qD
100 x h x i x ks = B x 0.8 x i x 15
Từ phương trình này, một khi chiều dày của lớp cát h và hệ số thấm ks được xác định thì chiều rộng B của lớp vật liệu thoát nước tương đương với khả năng thoát nước trên đơn vị 1 m chiều rộng của lớp đệm cát sẽ được xác định như sau:
B = 100 x h = x ks / 12
Vì vậy, khi sử dụng loại vật liệu bấc thấm ngang SBD có chiều rộng W= 30 cm thay thế cho lớp đệm cát thoát nước thì số lượng bấc thấm ngang N được tính toán trên đơn vị 1m chiều rộng của lớp cát được xác định như sau: N = 30/B x 1.0
Ví dụ: Giả sử lớp đệm cát có chiều dày h = 50cm, hệ số thấm kc = 5.0 x 10-2 thì xác định được B = 100 x 50 x 5.0 x 10-2, thì xác định được B = 100 x 50 x 5.0 x 10-2/12 = 20.8 chièu rộng lớp vật liệu bấc thấm ngang yêu cầu trên một đơn vị chiều rộng 1m. Từ đó ta xác định được số lượng bấc thấm ngang N như sau:
N = 30/20.8 x 1.0 = 1,44
Tính toán cho thấy với các loại bấc thấm ngang bản rộng 30 cm sẽ cần phải lắp đặt là 1.44 tấm trung bình trên mỗi mét chiều rộng.
4. Ứng dụng bấc thấm ngang vào công trình đại lộ Đông - Tây
Để xử lý đất yếu tại khu vực Đường mới Thủ Thiêm thuộc công trình Đại lộ Đông - Tây, ban đầu đề xuất giải pháp sử dụng bấc thấm đứng PVD và biện pháp gia tải kết hợp với lớp đệm cát gồm vật liệu cát chất lượng cao với chiều dày 50 cm được xem là cần thiết để thoát nước bị đẩy lên từ lớp đất dưới, lượng nước này được thu gom từ Bấc thấm đứng và sẽ thoát ra tại chân nền đắp. Tuy nhiên để huy động một khối lượng lớn cát có chất lượng cao là điều khó khăn nên đã có đề xuất mới sử dụng Bấc thấm ngang để thay thế cho lớp đệm cát thoát nước.
4.1 Ưu điểm điển hình của việc sử dụng Bấc thấm ngang so với lớp đệm cát
* Tính mềm dẻo và co giãn
Bấc thấm ngang SBD có thể kéo dãn theo đất nền hoặc theo sự biến dạng của nền đắp do tính mềm dẻo cao. Với giả định 2 m bấc thấm ngang bị kéo dãn do độ lún của nền đắp là 2m, biến dạng theo trục của bấc ngang được tính là 2m/45m = 4.4 % 45 m là nửa chiều rộng măặtcắt nền đắp khu vực Thủ Thiêm và giá trị này thấp hơn giá trị thiết kế của SBD là trên 10%.
* Đặc tính thoát nước khá tốt
Bấc ngang SBD được thiết kế với khả năng thoát nước giống như lớp đệm cát thoát nước. ưu lượng thoát nước bởi 20 mc hiều rộng của bấc ngang SBD T- 200 với khoảng cách 3.2 m tương đương với chiều dày của lớp đệm cát 0.5 m tại cùng mặt cắt chiều ày 0.5 m được thiết kế cho đường mới Thủ Thiêm. Nói cách khác, 0.2 m bề rộng của bấc ngang SBD có thể thay thế cho 3.2 m chiều rộng của lớp đệm cát với chiều dày 0.5 m.
4.2 Phân tích kết quả quan trắc của đoạn đóng bấc thấm thử tại đường mới Thủ Thiêm
Với mục đích so sánh khả năng thoát nước giữa bấc thấm ngang SBD và lớp đệm cát thoát nước, công tác quan trắc được tiến hành tại khu vực đóng bấc thấm thử của Dự án đại lộ Đông Tây. Đoạn đóng thử được chia thành 2 khu vực như sau:
1.Đoạn 1 Km 16 + 225 - Km 16 + 275: Sử dụng bấc thấm ngang SBD
2. Đoạn 2 Km 16 + 275 - Km 16 + 325: Sử dụng lớp đệm cát thoát nước
Phân tích mặt cắt ngang điển hình tại lý trình KM 16 + 260 và lý trình 16 + 300
* Mặt cắt tại lỹ trình KM 16 + 260đoạn này sử dụng bấc thấm đứng kết hợp với bấc thấm ngang
Tại cao độ mặt đất tự nhiên tiến hành đào bóc bỏ lớp vật liệu không phù hợp cho đến cao độ đáy nền đường, rồi tiến hành dắp lớp cát đen đến cao độ trải bấc thấm ngang. Nhờ lớp cát đen này xe cơ giới có thể di chuyển trên lớp đất yếu để tiến hành cắm bấc thấm đứng PVD xuống độ sâu khoảng 22 m. Sau khi tiến hành cắm bấc thấm đứng xong tiếp tục nối bấc thấm ngang ló ra tại rãnh thoát nước hai biên. Tiếp đến tiến hành đắp lớp cát đen lên trên bề mặt bấc thấm ngang vừa thi công sao cho lớp cát đắp này hướng cao độ nền đường dự tính với một khoảng bù lún bằng 0.8 lần độ lún dự tính trong tương lai sau khi đã tiến hành gia tải lớp cát đen được đắp hơn cao độ nền đường khoảng từ 1m đến 1,3 m vì dự tính lún cho nền đường khoảng 1,4 - 1,5 m, tuy nhiên độ lún thực sự sau này ghi nhận được lên đếm 2,8 m. Cuối cùng đắp thêm một lớp cát đen giai tải khoảng 1,5 m bên trên cát đắp cho nền đường này.
Dưới tác dụng của áp lực do lớp gia tải thì nước lỗ rỗng trong đất thamá xuyên qua liứp cvải lọc trong bấc thấm đứng rồi di chuyển dọc theo lõi nhựa của bấc thấm đứng đi lên trên gặp lớp bấc thấm ngang. Dòng nước này tiếp tục thấm vào bấc thấm ngang rồi lại tiếp tục di chuyển dọc theo lõi của bấc thấm ngang theo phương ngang đến rãnh thoát nước ở hai biên.
Sau một khoảng thời gian gia tải nền đắp đạt đến một độ cố kết nhất định lúc này độ lún nền đắp có thể đạt đến độ lún dự tính thì tiến hành đào bỏ lớp gia tải cho đến cao độ nền đường dự tính để thi công lớp áo đường vì tại thời điểm này thì nền đường có thể đã đạt được độ chặt theo yêu cầu.
* Mặt cắt tại lý trình KM 16 + 300 đoạn này sử dụng bấc thấm đứng kết hợp lớp đệm cát dày 50 cm
Tại đoạn này thì trình tự thi công và tính toán cũng tiến hành tương tự như đoạn trên nhưng tại vị trí bấc thấm ngang được thay bằng lớp đệm cát dày 50 cm làm lớp thoát nước ngang vật liệu của lớp đệm cát này là loại cát vàng chất lượng cao có khả năng thoát nước tốt. vì vậy chiều dày của lớp cát đen đắp cho nền đường trong đoạn này sẽ bằng chiều dày của lớp cát đen đắp cho nền đường trong đoạn trên trừ đi một khoảng là 50 cm do 50 cm cát vàng thay thế cho cát đen.
5. Kết luận và kiến nghị
* Kết luận
5.1 So với việc sử dụng đệm cát như truyền thống thì vật liệu bấc thấm ngang vẫn đảm bảo đươc khả năng thoát nước cũng như giá thành thấp theo phân tích bên trên thì có thể giảm chi phí đến 27%, đem lại hiệu quả thiết thực cho việc xử lý đất yếu.
5.2 Vật liệu bấc thấm ngang với khả năng ứng dụng linh hoạt cho nhiều loại công trình với nhiều phạm vi xử lý khác nhau đã thật sự khẳng định được ưu thế của một loại vật liệu mới hiện nay.
5.3 Thời gian thi công bấc thấm ngang nhanh hơn so với việc dùng đệm cát, điều này giúp đẩy nhanh tiến độ thi công trên công trường. Mặt khác kết quả ghi nhận từ công trình Đại lộ Đông Tây cho thấy việc dùng bấc thấm ngang sẽ giúp đẩy nhanh tốc độ cố kết hơn so với đệm cát.
* Kiến nghị
5.4 Bấc thấm ngang đã được ứng dụng ở nhiều nước song tại Việt Nam vẫn còn khá mưói mẻ. Trong tưong lai cần đầu tư nghiên cứu để có thể ban hành chính thức quy trình, tiêu chuẩn cho việc ứng dụng loại vật liệu này được đơn giản và đảm bảo đúng chất lượng mong muốn.
5.5 Mối nối giữa bấc thấm đứng và bấc thấm ngang hiện nay được thực hiện tại công trường bằng cách dùng dụng cụ bấm kim đơn giản. Điều này chưa đảm bảo được độ dính kết cũng như khả năng dẫn nước từ bấc thấm đứng qua bấc thấm ngang. Trong tương lai nên có biện pháp cải tạo mối nối giữa bấc thấm đứng và bấc thấm ngang để nâng cao hơn nữa khả năng làm việc.
TS. Võ Phán, KS. Nguyễn Thiên Giang
Nguồn tin: T/C Cầu đường Việt Nam, số 6/2007