Một vài kinh nghiệm xử lý nền đất yếu đường Hồ Chí Minh

Công trình đường Hồ Chí Minh cũng là một công trình quan trọng quốc gia được Đảng và Nhà nước đặc biệt quan tâm. Do tính chất đặc thù của công trình trải dài từ Bắc vào Nam, đi qua nhiều vùng địa chất phức tạp nên việc ứng dụng các kết quả nghiên cứu về công nghệ mới được áp dụng trong quá trình xây dựng công trình được trú trọng và đã làm tăng năng suất lao động, hạ giá thành và nâng cao chất lượng công trình.

Nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển ngày một cao hơn, xuất phát từ thực tế sản xuất, chỉ nói riêng đến vấn đề xây dựng nền đường đã nảy sinh nhiều vấn đề bức xúc về mặt kỹ thuật cần phải được nghiên cứu giải quyết. Một trong những vấn đề bức xúc về vấn kề kỹ thuật và công nghệ mới được đặt ra, đó là bảo đảm sự ổn định nền đường khi xây dựng tuyến đường Hồ Chí Minh đi qua các vùng đất yếu.

Trong quá trình xây dựng đường qua khu vực đồng bằng, khu vực ven biển, nơi tuyến đường đi qua các vùng có địa chất là nền đất yếu và diễn biến khá phức tạp, xuất hiện đòi hỏi phải có những giải pháp kỹ thuật phù hợp nhằm đáp ứng được yêu cầu tiến độ cũng như vấn đề ổn định lâu dài đồng thời đảm bảo yếu tố kinh tế – kỹ thuật cho toàn bộ tuyến đường.

Thông qua thực tiễn theo dõi và tổng hợp các biện pháp xử lý nền đất yếu khi xây dựng đường bộ, sân bay, bến bãi đã, đang và sẽ được áp dụng vào Việt Nam, tham khảo một số tài liệu xử lý nền đất yếu của nước ngoài, chúng tôi xin giới thiệu về một số phương pháp xử lý nền đất yếu để các đồng nghiệp tham khảo.

1. Phân biệt nền đất yếu và đặc tính công trình nền đất yếu

Nền đất yếu thường gặp ở khu vực miền duyên hải (bãi bồi ven sông, biển) hoặc ở các thung lũng thuộc vùng núi… có chung đặc tính là lượng nước tự nhiên lớn (≥ 35%) độ lún cao, cường độ chịu cắt thấp (< 35Kpa), hệ số rỗng lớn (e³1,0) và độ thoát nước kém … khi xây dựng công trình trên loại đất này dễ bị lún sụt.

Trải vải địa kỹ thuật xử lý nền đất yếu khu vực xây dựng cầu Thủ Thiêm, phía Q.2, TP.HCM

(ảnh minh họa – TTO)

1.1      Cách phân biệt nền đất yếu

Cách phân biệt nền đất yếu ở trong nước cũng như ở nước ngoài đều có các tiêu chuẩn cụ thể để phân loại nền đất yếu

a) Theo nguyên nhân hình thành: loại đất yếu có nguồn gốc khoáng vật hoặc nguồn gốc hữu cơ.

– Loại có nguồn gốc khoáng vật : thường là sét hoặc á sét trầm  tích trong nước ở ven biển, vùng vịnh, đầm hồ, thung lũng.

– Loại có nguồn gốc hữu cơ : hình thành từ đầm lầy, nơi nước tích đọng thường xuyên, mực nước ngầm cao, tại đây các loại thực vật phát triển, thối rữa phân huỷ tạo ra các vật lắng hữu cơ lẫn với trầm tích khoáng vật.

b) Phân biệt theo chỉ tiêu cơ lý (trạng thái tự nhiên): Thông thường phân biệt theo trạng thái tự nhiên và tính chất cơ lý của chúng như hàm lượng nước tự nhiên, tỷ lệ lỗ rỗng, hệ số co ngót, độ bão hoà, góc nội ma sát (chịu cắt nhanh) cường độ chịu cắt.

c) Phân biệt đất yếu loại sét hoặc á sét, đầm lầy hoặc than bùn (phân loại theo độ sệt

d) Một số chỉ tiêu phân biệt loại đất mềm yếu:

2. Các yêu cầu và tiêu chuẩn thiết kế nền đất yếu

2.1. Các yêu cầu về khảo sát phục vụ thiết kế

– Phải điều tra xác định được phạm vi phân bố của các vùng đất yếu về phân bố, chiều sâu, nguồn gây ẩm, khả năng thoát nước…

– Lấy mẫu và tiến hành các thí nghiệm trong phòng và thí nghiệm hiện trường để xác định loại đất yếu, chỉ tiêu phục vụ cho tính toán.

2.2. Các yêu cầu về thiết kế thi công

a) Về ổn định : nền đắp trên nền đất yếu phải đảm bảo ổn định , không bị phá hoại do trượt trồi trong quá trình thi công xây đắp (đắp phần nền theo thiết kế hoặc đắp cao hơn cao độ thiết kế để gia tải trước) và trong suốt quá trình đưa vào khai thác sử dụng sau đó.

b) Về tính toán lún: (độ lún dư – độ lún sau khi thi công)

– Tính toán dự báo được độ lún tổng cộng kể từ khi bắt đầu đắp nền cho đến khi lún hết hoàn toàn để đắp phòng lún.

– Bố trí hệ thống quan trắc trong quá trình thi công nền đắp trên nền đất yếu.

c) Xác định các tải trọng tính toán: tải trọng tính toán khi kiểm tra ổn định và dự báo lún của nền đắp như: tải trọng đắp nền, đắp gia tải trước, tải trọng xe cộ, tải trọng động đất …

2.3. Tiêu chuẩn thiết kế nền đất yếu

Cho đến thời điểm hiện nay, ở trong nước vẫn chưa xây dựng đầy đủ được những Tiêu chuẩn riêng của Việt nam về tính toán thiết kế cũng như Quy trình công nghệ thi công mới để xử lý nền dất yếu mà đều dựa chủ yếu vào các tài liệu ở nước ngoài chuyển giao.  Tại Việt Nam đang thiết kế và thi công theo một số quy trình, quy phạm như:

– Quy trình kỹ thuật thi công và nghiệm thu bấc thấm trong xây dựng nền đường trên đất yếu: 22TCN 236-97.

– Quy trình thiết kế xử lý đất yếu bằng bấc thấm trong xây dựng nền đường: 22TCN 244-98.

– Vải địa kỹ thuật trong xây dựng nền đắp trên đất yếu – Tiêu chuẩn thiết kế thi công và nghiệm thu: 22TCN248-98.

– Quy trình khảo sát thiết kế nền đường ô tô đắp trên đất yếu – Tiêu chuẩn thiết kế: 22TCN-2000.

3. Các phương pháp chủ yếu để xử lý nền móng đường đất yếu

3.1. Phân loại xử lý và phạm vi áp dụng

a) Phân loại xử lý: thông thường việc phân loại căn cứ vị trí tầng đất, phương pháp xử lý để phân loại và được phân loại như sau:

– Vị trí tầng đất được xử lý: xử lý lớp mặt, xử lý tầng nông, xử lý tầng sâu.

– Phương pháp xử lý: chất tải nén trước, tầng đệm cát, gia cố nền đường, bệ phản áp, sử dụng vật liệu nhẹ (sử dụng phụ gia để gia cố nền đất, nền đất bằng vật liệu nhẹ); thay bằng lớp đầm chặt, thả đá hộc (với chiều dày lớp bùn không sâu); thoát nước cố kết (bấc thấm, giếng bao cát, cọc cát, giếng cát, cọc đá dăm, dự ép chân không, chân không chất tải dự ép liên hợp); nền móng phức hợp (hạ cọc bê tông, hạ cọc bằng chấn động, cọc xi măng đất, cọc đất – vôi – xi măng, cọc bê tông có lẫn bột than); cọc cứng (cọc ống mỏng chế tạo tại chỗ); cọc cừ tràm hoặc cọc tre …

– Xử lý không thêm vật liệu gia cố và thêm vật liệu gia cố:

+ Không thêm vật liệu: phương pháp cố kết đất (bấc thấm, gia cố chân không); đầm nén đối với đất hạt rời (gia cố động, đầm chấn động).

+ Thêm vật liệu: Thêm vật liệu tự nhiên (cọc cát, đắp đá, cọc đá); thêm vật liệu nửa cứng (cột vữa xi măng, phụt vữa…).

b) Phạm vi ứng dụng của các biện pháp:

1. Xử lý nền bằng cọc tre và cọc cừ tràm: xử lý nơi nền đất yếu có chiều nhỏ.
2. Chất tải nén trước (gia tải trước): dùng để xử lý lớp đất yếu, có thể sử dụng đơn độc hoặc có thể kết hợp với thoát nước cố kết, sử dụng liên hợp một cách phức hợp.
3. Tầng đệm cát: sử dụng nhiều ở lớp mặt nền đất yếu, thường kết hợp với thoát nước theo chiều thẳng đứng.
4. Gia cố nền đường: dùng cho các dạng đất yếu để nâng cao độ ổn định, giảm bớt biến dạng không đều.
5. Bệ phản áp: dùng để tăng độ ổn định và chống trượt lở công trình.
6. Gia cố nền đường bằng chất vô cơ (vôi, sợi tổng hợp): sử dụng khi hàm lượng nước lớn, cường độ chịu cắt thấp.
7. Nền đường chất dẻo (sử dụng bọt khí FPS gia cố nền đất, trọng lượng FPS ở đất là 1/50 ¸ 1/100): làm giảm tải trọng nền đường, giảm độ lún thích hợp lớp đất có hàm lượng nước lớn, lớp đất yếu có độ dày lớn.
8. Nền đường gia cố bằng hoá chất: khi phun hoá chất, nước và bọt khí qua hỗn hợp trộn xong hình thành vật liệu sợi, trọng lượng có thể đạt 1/4 trọng lượng đất, thích hợp với lớp đất có hàm lượng nước lớn, độ dày đất yếu lớn.
9. Thay thế lớp đất yếu: dùng xử lý tầng nông, dùng ở lớp đất mỏng, độ dày không lớn và thuộc đất bùn.
10. Bấc thấm, giếng bao cát: sử dụng xử lý lớp bùn đất, bùn sét, độ sâu xử lý không vượt quá 25m.
11. Cột cát, giếng cát, cọc đá dăm: sử dụng ở lớp bùn, bùn đất sét, nhưng dễ sản sinh co ngót.
12. Dự ép chân không: sử dụng với bùn đất, nền móng thuộc lớp bùn đất dính.
13. Chân không – chất tải dự ép liên hợp: liên kết chân không và chất tải dự ép sử dụng với đoạn đường đắp cao và đường đầu cầu, sử dụng chân không chất tải dự ép nên sử dụng trong nền móng có bố trí giếng cát hoặc bấc thấm và bản thoát nước, ép chân không có độ chân không nhỏ hơn 70 Kpa.
14. Ép cọc bê tông: sử dụng trường hợp không thoát nước, chống cắt lớn hơn 10 Kpa.
15. Hạ cọc bằng chấn động: sử dụng không thoát nước, cường độ chống cắt lớn hơn 15 Kpa.
16. Cọc xi mămg (cọc xi măng – đất): bao gồm cọc phun vữa xi măng sử dụng để gia cố nền đất yếu có cường độ chống cắt không nhỏ hơn 10 Kpa, sử dụng cọc phun bột xi măng (khô hoặc ướt) để gia cố nền đất yếu có độ sâu không vượt quá 15m.
17. Cọc CFG (cọc bê tông có lẫn bột than): thích hợp với lớp đất có cường độ chịu tải lớn hơn 50 Kpa.
18. Cọc cứng: thích hợp với khu vực đất yếu ở độ sâu lớn hơn nền đường cũ được mở rộng.
19. Tường cách ly: thông thường chỉ sử dụng với nền đường cũ được cải tạo mở rộng.
20. Làm ngăn cách và hạ mực nước ngầm: nền đá nứt nẻ, đường miền núi.
21. Làm công trình : cầu cạn …

3.2. Các công trình có nền móng đất yếu đã được xử lý

Trong những năm vừa qua các công trình giao thông được nâng cấp cải tạo và xây dựng mới, cùng với sự phát triển công nghệ, các dự án xây dựng giao thông đã áp dụng hầu hết các phương pháp trên thế giới để xử lý nền đất yếu như:

– Quốc lộ 1A: sử dụng cọc cát, bệ phản áp (đầu cầu Phù Đổng), bấc thấm, vải địa kỹ thuật (đoạn Cà Mau – Năm Căn)…

– Quốc lộ 5: bấc thấm kết hợp vải địa kỹ thuật, tầng đệm cát, vét bùn…

– Quốc lộ 18,10: cọc cát, tầng đệm cát kết hợp vải địa kỹ thuật, bấc thấm.

– Dự án đường Hồ Chí Minh (giai đoạn 1): thay đất yếu, làm rãnh ngầm hạ mực nước ngầm, thả đá hộc (Km89 – Km92).

– Dự án đường cao tốc Sài Gòn – Trung Lương: cầu cạn, vét bùn thay đất, giếng cát, bấc thấm, sàn giảm tải.

– Những công nghệ mới như cọc xi măng – đất áp dụng để xử lý nền móng sân bay Trà Nóc (TP Cần Thơ), đường vào khu khí điện đạm  Cà Mau.

– Hút chân không áp dụng để xử lý nền móng nhà máy khí điện đạm Cà Mau

Việc đưa ra một số các biện pháp xử lý nền đất yếu mới góp phần làm phong phú các phương pháp xử lý nền móng trong công tác xây dựng nền đường qua vùng địa hình có địa chất yếu từ đó có cơ sở để lựa chọn những biện pháp tối ưu để áp dụng cho công trình đường Hồ Chí Minh một cách có hiệu quả.

Xử lý đất yếu trên các tuyến đường bộ ở Việt Nam

Từ các khu vực châu thổ Bắc bộ, Thanh – Nghệ Tĩnh, ven biển Trung bộ, đến đồng bằng Nam Bộ đều có những vùng đất yếu. Trong lĩnh vực nghiên cứu và xử lý nền đường đắp trên đất yếu trên các tuyến đường của Việt Nam, ngành GTVT đã có nhiều cố gắng trong việc ứng dụng công nghệ mới để xử lý hàng trăm km đường bộ đắp trên đất yếu và đã thu được những kết quả bước đầu đầy khích lệ.

Đất mềm yếu nói chung là loại đất có khả năng chịu tải nhỏ (áp dụng cho đất có cường độ kháng nén quy ước dưới 0,50 daN/ cm2), có tính nén lún lớn, hệ số rỗng lớn (e >1), có môđun biến dạng thấp (Eo < 50 daN/cm2), và có sức kháng cắt nhỏ. Khi xây dựng công trình đường bộ hoặc các công trình khác trên đất yếu mà thiếu các biện pháp xử lý thích đáng và hợp lý thì sẽ phát sinh biến dạng thậm chí gây hư hỏng công trình. Nghiên cứu xử lý đất yếu có mục đích cuối cùng là làm tăng độ bền của đất, làm giảm tổng độ lún và độ lún lệch, rút ngắn thời gian thi công và giảm chi phí đầu tư xây dựng.

Các phương pháp cổ điển dùng giếng cát thoát nước thẳng đứng và cọc cát làm chặt đất kết hợp với việc hất tải tạm thời là phương pháp đơn giản nhất nhưng vẫn đạt hiệu quả cao cả về kỹ thuật, thời gian và kinh tế. Theo phương pháp này, người ta thường dùng giếng cát đường kính 50-60 cm, được nhồi vào nền đất yếu bão hoà nước đến độ sâu thiết kế để làm chức năng những kênh thoát nước thẳng đứng, nhằm đẩy nhanh quá trình cố kết nền đất yếu. Do đó, phương pháp này luôn phải kèm theo biện pháp gia tải trước để tăng nhanh quá trình cố kết. Lớp đất yếu bão hoà nước càng dầy thì phương pháp giếng cát càng hiệu quả về độ lún tức thời. Trong thực tế, phương pháp này đã được ngành GTVT áp dụng phổ biến từ năm 1990 để xử lý nền đất yếu. Công trình có quy mô lớn đầu tiên áp dụng giếng cát để xử lý nền đất yếu được triển khai trên đường Thăng Long – Nội Bài (Hà Nội) và đoạn Km 93 QL5 (đoạn Cảng Chùa Vẽ, Hải Phòng), sau này được áp dụng đại trà trên nhiều tuyến QL khác nữa, trong đó có đường Láng – Hoà Lạc (Hà Nội), đường Pháp Vân – Cầu Giẽ …

Từ năm 1960 trở lại đây phương pháp sử dụng vải địa kỹ thuật được các nước trên thế giới áp dụng rộng rãi trong xử lý đất yếu. Đặc biệt từ những năm 1990 trở lại đây, các nước ASEAN đã áp dụng phổ biến vải địa kỹ thuật với 6 chức năng cơ bản, là: ngăn cách, lọc nước, gia cường đất yếu để tăng khả năng chịu tải của đất nền, làm lớp bảo vệ và ngăn nước. Phương pháp sử dụng vải địa kỹ thuật cũng đã được áp dụng lần đầu tiên tại Việt Nam từ cuối những năm 90 của thế kỷ 20 trên QL5, QL51, QL10 và đường Láng – Hoà Lạc (Hà Nội).

Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc đất – Vôi/ xi măng (XM) là một công nghệ mới được thế giới biết đến và áp dụng từ những năm 1970 nhưng đạt được công nghệ hoàn chỉnh và phát triển mạnh mẽ phải tính từ những năm 1990 trở lại đây. Phương pháp cọc đất Vôi / XM có thể được chia ra làm 2 loại : phương pháp trộn khô, phun khô và phương pháp trộn phun ướt – mà thực chất phương pháp này là phun vữa. Đối với Việt Nam, công nghệ cọc đất – Vôi/ XM lần đầu tiên được Thuỵ Điển chuyển giao công nghệ cho Bộ Xây dựng vào những năm 1992-1994, sử dụng trong gia cường nền nhà và công trình xây dựng dân dụng. Tại nhiều nước trên thế giới, việc sử dụng công nghệ cọc đất – Vôi / XM cho gia cố nền đất yếu trong các dự án đường bộ, đường sắt đã cho hiệu quả rất cao. Do vậy, nếu nghiên cứu để áp dụng cho các dự án đường bộ đắp trên nền đất yếu khu vực đồng bằng sông Cửu Long thì rất có thể sẽ là một trong các phương pháp hiệu quả góp phần giải quyết tình trạng lún kéo dài và kém ổn định của nền đường tại khu vực này.

Từ những năm 90 của thập kỷ trước, cạnh phương pháp cổ điển, lần đầu tiên công nghệ mới xử lý đất yếu bằng phương pháp bấc thấm thoát nước thẳng đứng (PVD) kết hợp gia tải trước đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trên thế giới. Tại Việt Nam, công nghệ mới bấc thấm này đã được sử dụng trong xử lý nền đất yếu cho Dự án nâng cấp QL5 trên đoạn Km 47 – Km 62 vào năm 1993, sau đó dùng cho QL51 (TP Hồ Chí Minh đi Vũng Tàu) và đường Láng – Hoà Lạc. Từ 1999 – 2004, phương pháp này đã được sử dụng rộng rãi để xử lý đất yếu trong các dự án nâng cấp và cải tạo QL1A, QL18, QL60, QL80 …

Theo báo cáo về các sự cố công trình nền đường ôtô xây dựng trên vùng đất yếu trong những năm gần đây, các vấn đề mắc phải của nền đường đắp trên đất yếu trong thời gian qua ở Việt Nam chủ yếu dưới dạng nền đường bị lún sụt – trượt trồi và ở dạng lún kéo dài ảnh hưởng lớn đến chất lượng khai thác đường. Gần đây nhất, nhiều đoạn nền đường đắp trên đất yếu tuyến Pháp Vân – Cầu Giẽ trên QL1A (đoạn cửa ngõ Hà Nội), mặc dù đã được xử lý và không xuất hiện các vết nứt nhưng biến dạng lún vẫn còn kéo dài. Theo số liệu đo đạc quan trắc cho thấy, sau một năm đưa vào khai thác, nền vẫn lún thêm khoảng 40-60 cm, ảnh hưởng lớn đến khai thác.

Về nguyên tắc, mỗi một phương pháp xử lý đất yếu đều có phạm vi áp dụng thích hợp; đều có những ưu điểm và nhược điểm nói riêng. Do đó, căn cứ vào điều kiện cụ thể của nền đất yếu, địa hình, điều kiện địa chất, phương pháp thi công và kinh nghiệm của tư vấn thiết kế mà có thể lựa chọn ra phương pháp hợp lý nhất.

Tiêu chuẩn cho phép lún của nền đường ôtô sau khi đưa đường vào khai thác cũng cần phải được xem xét theo quan điểm kinh tế – kỹ thuật. Trong đó, phải lựa chọn và so sánh theo các quan điểm hoặc là sử dụng các biện pháp đắt tiền để tăng nhanh độ lún tức thời hoặc là hãy chấp nhận một độ lún nhất định bằng việc sử dụng các biện pháp rẻ tiền và đơn giản hơn để rồi sau đó cho thông xe và theo thời gian tiến hành bù lún bằng rải bù lớp mặt đường. Thực tế đã cho thấy, nếu lún nhiều mà không nứt, không xảy ra trượt trồi thì việc tổ chức kịp thời rải bù mặt đường cũng sẽ không gây ảnh hưởng gì lớn đến khai thác.

Đất yếu là một trong những đối tượng nghiên cứu và xử lý rất phức tạp, đòi hỏi công tác khảo sát, điều tra, nghiên cứu, phân tích và tính toán rất công phu. Để xử lý đất yếu đạt hiệu quả cao cũng phải có yếu tố tay nghề thiết kế và bề dày kinh nghiệm xử lý của tư vấn trong việc lựa chọn giải pháp hợp lý.

TS. Doãn Minh Tâm – Viện Khoa học Công nghệ GTVT