Theo phương pháp này, một trong các yếu tố có ảnh hưởng lớn đến tính hiệu quả của phương pháp là khoảng cách giữa các bấc thấm.

Cố kết chân không là một phương pháp hiệu quả để gia cố nền đất yếu bão hòa nước. Khi cần gia cố vị trí nền nào đó, người ta dùng một lớp vải bạt hay màng nhựa phủ kín vùng đó không cho không khí lọt vào và tạo chân không ở bên dưới lớp màng này. Để tạo chân không người ta dùng hệ thống ống hút và bơm chân không. Công nghệ này có thể tạo ra một tải trọng nén trước tương đương với một khối đắp nén trước cao khoảng 4-5m.

Thay vì gia tăng ứng suất trong khối đất bằng cách tăng ứng suất tổng theo phương pháp chất tải thông thường, phương pháp cố kết chân không tạo ra tải trọng nén trước bằng cách giảm áp lực nước lỗ rỗng trong khi vẫn giữ nguyên ứng suất tổng.

Nguyên tắc chung của MVC (Mernard Vacuum Consolidation) bao gồm việc khử áp suất khí quyển trong khối đất đã được bọc kín bằng lớp màng nhựa để khối đất cố kết và duy trì trạng thái chân không trong suốt quá trình gia cố trong đó bấc thấm đóng vai trò là giếng giảm áp. Các nghiên cứu về các tham số lý thuyết đã cho thấy yếu tố về khoảng cách giữa các bấc thấm (F(n)) luôn luôn là một thông số quan trọng và có ảnh hưởng lớn, ảnh hưởng do sự xáo trộn đất đặc trưng là (Fs), thời gian cố kết (t). Vì vậy việc chọn khoảng cách bấc thấm hợp lý có ý nghĩa quyết định đến tính hiệu quả của phương pháp.

Tính toán xác định khoảng cách bấc thấm hợp lý

a. Phương pháp tính toán.   Khi có các ống thoát nước đứng, độ cố kết toàn phần trung bình là sự kết hợp ảnh hưởng sự thấm theo phương ngang (xuyên tâm) và sự thấm theo phương đứng, nó được tính theo:

U=1-(1-Uh)(1-Uv)         (1)

Trong đó:

U:        Độ cố kết toàn phần trung bình

Uh:       Độ cố kết theo phương pháp ngang (xuyên tâm)

Uv:       Độ cố kết theo phương đứng

Ở đây sẽ đi sâu vào nghiên cứu sự cố kết theo phương ngang (hướng tâm) và đánh giá ảnh hưởng kết hợp khi cố kết theo cả hai phương.

Việc thiết kế các ống thoát nước PV (Prefabricated Vertical) yêu cầu cần phải dự đoán được mức độ tiêu tán của áp lực dư kẽ rỗng do hiện tượng thấm hướng tâm vào ống thoát nước đứng cũng như đánh giá được vai trò của sự thấm theo phương đứng.

Giải pháp đầy đủ đầu tiên cho vấn đề thấm xuyên tâm đã được đưa ra bởi Barron, ông đã nghiên cứu lý thuyết về ống thoát nước đứng bằng cát. Hệ thức mà ông đưa ra dựa trên giả thiết của Terzaghi về cố kết thấm một hướng. Đây là biểu thức được ứng dụng rộng rãi nhất trong các phân tích của Barron [2], nó cung cấp các quan hệ theo thời gian giữa các thông số: Đường kính ống thoát nước PV và khoảng cách, hệ số cố kết và độ cố kết trung bình.

T= (D2/8Ch)F(n)ln(1/(1-Uh)     (2)

Trong đó:

T:   Thời gian yêu cầu để đạt được độ kết cấu trung bình Uh

Uh: Độ cố kết trung bình theo phương ngang

D: Đường kính hình trụ bao đất bao quanh ống thoát nước PV hình thành sau khi lắp ống (vùng ảnh hưởng thấm).

Ch: Hệ số cố kết theo phương ngang.

F(n): Hàm số của yếu tố khoảng cách ống.

Hansbo đã cải tiến công thức (2) để áp dụng với ống thoát nước đúc sẵn PV và xét đến các ảnh hưởng gây cản trở dòng thấm của vùng xáo trộn. Lý luận và các điều kiện của Hansbo dựa trên phân tích về lý thuyết [1]. Công thức chung cuối cùng là:

T= (D2/8Ch)(F(n)+Fs+Ft)ln (1/1-Uh) (3)

Trong đó:

T:   Thời gian cần thiết để đạt độ cố kết

Uh: Độ cố kết trung bình tại độ sâu Z khi xét thoát nước theo phương ngang

Ch: Hệ số cố kết theo phương ngang.

F(n): Hàm số ảnh hưởng của khoảng cách giữa các công thoát nước

D: Đường kính hình trụ ảnh hưởng của ống thoát nước

Fs: Hàm số do xáo trộn đất

Lý thuyết về cố kết đất khi có thoát nước xuyên tâm giả thiết rằng đất được thoát nước bằng một ống thoát nước đứng có mặt cắt ngang hình tròn. Hệ thức tính toán cố kết trong trường hợp này sẽ gồm cả đường kính ống thoát nước d. Vì vậy một ống thoát nước chế tạo sẵn dạng dải sẽ được gán một đường kính tương đương dw. Đường kính tương đương của ống thoát nước chế tạo sẵn dạng dải được định nghĩa là đường kính của ống thoát nước hình tròn với các đặc trưng về thấm xuyên tâm tương tự như của ống thoát nước qui đổi. Trong hầu hết các trường hợp có thể giả thiết là dw không phụ thuộc vào các điều kiện trên mặt, các đặc tính của đất và ảnh hưởng do lắp đặt ống. Có thể coi dw là hàm số của kích thước và hình dạng ống.

Trong công thức (3) các ảnh hưởng của sự xáo trộn đất (Fs­) và hệ số kháng thấm đã được kể đến (cả hai đều làm giảm quá trình cố kết). Các nghiên cứu về các tham số lý thuyết trên đã cho thấy yếu tố về khoảng cách giữa các ống (F(n)) luôn luôn là một thông số quan trọng và có ảnh hưởng lớn, ảnh hưởng do sự xáo trộn đất đặc trưng là (Fs) có thể lấy xấp xỉ tương đương hoặc lớn hơn một chút so với F(n) và ảnh hưởng do sự kháng thấm của ống (Fr) về cơ bản có tầm quan trọng ít hơn.

Khoảng cách giữa các bấc thấm là một thông số quan trọng trong tính toán bố trí bấc thấm, nó không những ảnh hưởng đến khả năng làm việc của bấc thấm mà còn liên quan đến giá thành thực hiện công trình. Thực tế, người ta thường bố trí các bấc thấm cách nhau khoảng 1m tính từ tâm bấc thấm này đến tâm bấc thấm kia. Nếu bố trí các bấc thấm dày hơn, do quá trình thi công sẽ xuất hiện các vùng đất bị xáo trộn xung quanh mỗi bấc thấm, khi khoảng cách giữa các bấc thấm gần nhau thì các vùng xáo trộn này sẽ gây ra ảnh hưởng làm giảm tác dụng lý thuyết của bấc thấm. Ngược lại nếu bố trí khoảng cách giữa chúng quá xa thì yêu cầu về thời gian lại khó đảm bảo.

Vì vậy bài toán xác định khoảng cách giữa các bấc thấm thường là bài toán thử dần, tức là ứng với nền đất xác định, khi chiều dài bấc thấm không thay đổi, người ta sẽ thử dần với nhiều giá trị khoảng cách khác nhau và kiểm tra mức độ cố kết ứng với từng trường hợp. Căn cứ vào thời gian yêu cầu sẽ chọn được khoảng cách hợp lý nhất.

b.  Phần mềm tính toán

 Sử dụng phần mềm FoSSA (2.0) là phần mềm chuyên dùng để tính ứng suất, biến dạng của nền đất khi sử dụng bấc thấm (PVD) kết hợp gia tải trước.

Chương trình có thể tính toán cho bài toán hai hướng, ba hướng và các bài toán móng mềm,tính toán lún tức thời, lún cố kết và lún từ biến của nền.

Kết quả tính toán xác định độ lún ở các thời điểm trong quá trình lún và độ cố kết của đất nền ở các thời điểm khác nhau. 

c. Nhận định

Từ kết quả tính toán nhận thấy rằng: Với khoảng cách bấc thấm 3,0m ứng với các độ sâu bấc thấm 5,0m; 10,0m; 15,0m; 20,0m sau thời gian 3 tháng độ cố kết trung bình đạt 9,98%; 6 tháng 16,79%; 9 tháng 23,1%; 12tháng 28,85%.

Với khoảng cách bấc thấm 0,5m sau thời gian 3 tháng, 6 tháng, 9 tháng, 12 tháng độ cố kết trung bình lần lượt là: 57,89%; 83,68%; 95,26%; 100%.

Qua đó cho thấy khoảng cách bấc thấm có ảnh hưởng lớn đến độ cố kết của nền đất. Các yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách bấc thấm và từ kết quả tính toán cho thấy khoảng cách bấc thấm có hiệu quả nhất trong khoảng từ 1,0m đến 2,0m. Nếu cắm dày hơn thì sự xáo trộn đất nền do thi công bấc thấm sẽ cản trở sự thoát nước của đất nền và hiệu quả gia cố nền không cao. Nếu khoảng cách bấc thấm lớn hơn 2,0m thì độ lún của nền nhỏ, khó đạt tiến độ thi công.

• Với khoảng cách bấc thấm 0,5m tốc độ biến đổi thể tích và biến dạng lún xảy ra rất nhanh sau khi tác động áp lực bơm chân không, sau đó nước thoát ra chậm và không liên tục theo thời gian.
• Với khoảng cách bấc thấm 1,0m tốc độ biến đổi thể tích và biến dạng lún xảy ra đều đặn theo thời gian.
• Với khoảng cách bấc thấm 1,5m tốc độ biến đổi thể tích và biến dạng lún nhỏ hơn không nhiều so với khoảng cách bấc thấm 1,0m lượng nước thoát ra đều đặn theo thời gian.
• Với khoảng cách bấc thấm 2,0m, tốc độ biến đổi thể tích và biến dạng lún xảy ra chậm hơn nhiều so với khoảng cách 1m và 1,5m.
• Với khoảng cách bấc thấm 2,5m và 3,0m tốc độ biến đổi thể tích và biến dạng lún xảy ra chậm hơn nhiều so với các khoảng cách khác.

Như vậy khoảng cách bấc thấm từ 1,0m đến 2,0m là thích hợp nhất.

e. Kết luận

Từ kết quả lý thuyết, tính toán và thí nghiệm mô hình có thể rút ra những kết luận, kiến nghị sau:

1. Phương pháp cố kết hút chân không là một trong những phương pháp xử lý nền đất yếu cho hiệu quả cao về nâng cao sức chịu tải của nền, giảm độ lún theo thời gian sau khi xây dựng công trình và tăng nhanh tốc độ xử lý nền, giảm thời gian thi công công trình.

2. Lý thuyết và phần mềm tính toán được giới thiệu tại đây có thể sử dụng để xác định các thông số cần thiết khi thiết kế xử lý nền, trong đó có việc xác định khoảng cách bố trí bấc thấm.

3. Các kết quả bước đầu cho thấy có khả năng ứng dụng phương pháp này trong thực tế xây dựng tại Việt Nam.  

Nguồn: PGS.TS. Nguyễn Chiến và KS. Phạm Quang Đông