Giếng cát bấc thấm - Hướng dẫn tính toán chi tiết

1. Giới thiệu

Trong các phương án xử lý nền đất yếu, giếng cát và bấc thấm là 2 biện pháp thoát nước thẳng đứng được sử dụng nhằm đẩy nhanh quá trình cố kết và giảm độ lún của nền đắp. Để biện pháp này phát huy hiệu quả trong thực tế, việc tính toán đầy đủ các thông số thiết kế giếng cát là yêu cầu bắt buộc.

Bài viết này được xây dựng nhằm hướng dẫn chi tiết cách sử dụng bảng tính Excel phục vụ thiết kế xử lý nền đất yếu bằng giếng cát kết hợp bấc thấm. Nội dung tập trung vào cách nhập dữ liệu, đọc kết quả và kiểm soát các thông số chính trong bảng tính phục vụ quá trình thiết kế và kiểm tra kỹ thuật. Bài viết không đi sâu vào trình bày lý thuyết. Nguyên lý của phương pháp bấc thấm giếng cát  và so sánh với các giải pháp xử lý nền khác được trình bày trong bài viết riêng

2. Tư duy và trình tự giải bài toán tính toán

Trước khi đi vào thao tác trên bảng tính, cần làm rõ cách tiếp cận bài toán xử lý nền đất yếu. Trên thực tế, bài toán tính toán cho các biện pháp như bấc thấm, giếng cát không phải là một phép tính phức tạp duy nhất, mà là tổ hợp nhiều bài toán tính lún và dự báo cố kết được ghép lại theo đúng trình tự thi công.

2.1 Bài toán luôn bám theo trình tự thi công thực tế

Quá trình thi công nền đường hoặc nền đắp thường được chia thành nhiều giai đoạn, mỗi giai đoạn gồm:

🔸Một tải trọng nền đắp mới

🔸Một khoảng thời gian để thi công cho giai đoạn đó, thời gian này được tính toán dựa trên chiều cao đắp của giai đoạn và tốc độ đắp.

🔸Một khoảng thời gian chờ để nền đất cố kết

Do đó, việc tính toán cũng cần đi theo đúng trình tự này

2.2  Mỗi giai đoạn đắp tương ứng với một bài toán lún và dự báo lún riêng

Ở mỗi giai đoạn đắp, ta xem nền đất như đang chịu một tải trọng mới, và cần giải bài toán tính lún và dự báo lún như sau:

🔸Tính độ lún cố kết cuối cùng Sc do tải trọng của giai đoạn đó gây ra, dựa vào chiều sâu cắm bấc thấm/ giếng cát, chia độ lún cố kết này thành 2 phần

     🔹S_c1: Độ lún cố kết của các lớp đất nằm trong chiều sâu cắm PVD/SD

     🔹S_c2: Độ lún cố kết của các lớp đất 

🔸Tính độ cố kết theo phương ngang Uh (của phần được cắm bấc thấm/ giếng cát) và độ cố kết theo phương đứng Uv tại 2 thời điểm:

     🔹Sau khi đắp xong

     🔹Sau khi chờ xong

Kết quả của bài toán này là độ lún S_t của nền tại từng thời điểm của mỗi giai đoạn đắp: 

S_t = S_c1 * [1-(1-U_v)*(1-U_h)] + S_c2 * U_v 

2.3 Ghép kết quả lún theo từng giai đoạn và từng thời điểm

Sau khi giải bài toán cho từng giai đoạn đắp, các kết quả cần được ghép lại theo trình tự thời gian, tương ứng với các thời điểm quan tâm, ví dụ với nền đắp 2 giai đoạn thì sẽ tính độ lún tại các thời điểm:

🔸Sau khi đắp xong giai đoạn 1

🔸Sau thời gian chờ của giai đoạn 1

🔸Sau khi đắp xong giai đoạn 2

🔸Sau thời gian chờ của giai đoạn 2

Tại mỗi thời điểm, độ lún của nền được xác định bằng tổng độ lún tích lũy của các giai đoạn trước đó

2.4  Bản chất bài toán: đơn giản nhưng cần làm đúng trình tự

Như vậy, bản chất của bài toán tính toán  không có gì cao siêu, mà là:

🔸Giải nhiều bài toán lún và dự báo lún cơ bản

🔸Áp dụng cho từng giai đoạn tải đắp

🔸Ghép lại theo đúng trình tự thi công

Nếu nắm rõ tư duy này, việc sử dụng bảng tính sẽ trở nên rõ ràng và nhất quán, tránh được sai sót do nhầm lẫn giữa các giai đoạn hoặc các phần đất được xử lý và không được xử lý.

👉 Trong phần tiếp theo, bài viết sẽ trình bày ví dụ bài toán cụ thể và hướng dẫn sử dụng bảng tính để áp dụng tư duy trên vào tính toán thực tế.

3. Hướng dẫn sử dụng bảng tính

Phần này hướng dẫn sử dụng bảng tính excel để giải bài toán nền có chiều cao đắp 5m, nền địa chất phía dưới có 15n đất yếu. Sử dụng biện pháp bấc thấm, nền đắp hai giai đoạn. Bây giờ chúng ta hãy cùng đi vào các bước chi tiết nhé.

3.1 Tính lún khi chưa sử dụng biện pháp xử lý

Đối với bài toán xử lý nền đất yếu bằng giếng cát, việc xác định độ lún và dự báo lún cố kết vẫn là khâu không thể bỏ qua để đánh giá mức độ lún dự kiến của nền đất sau gia tải. Kết quả tính lún là căn cứ quan trọng để xem xét sự cần thiết và phạm vi áp dụng biện pháp xử lý nền.

Phần cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán chi tiết đã được trình bày riêng trong bài Hướng dẫn tính lún và dự báo độ lún cố kết. Do đó, trong nội dung này, bài viết không nhắc lại lý thuyết, mà tập trung vào kết quả tính toán và quy trình nhập liệu áp dụng trực tiếp.

🔸Chuyển qua sheet QDAD để khai báo kêt cấu áo đường

🔸Chuyển qua sheet eCV-P để khai báo hệ số rỗng eo và hệ số cố kết Cv theo cấp áp lực của các lớp đất yếu

🔸Chuyển qua sheet TL để khai báo thông số nền đắp và chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất

🔸Kết quả tính lún

🔸Biểu đồ độ lún cố kết theo thời gian

Kết quả độ lún cố kết = 0.6m > 0.3m theo yêu cầu của TCCS41-2022, thời gian tắt lún khoảng 180 năm. Như vậy cần xử lý nền đất yếu trước khi thi công kết cấu áo đường. Phần tiếp theo sẽ hướng dẫn cách tính toán xử lý đất yếu bằng giếng cát hoặc bấc thấm.

3.2 Xử lý đất yếu bằng giếng cát và bấc thấm

Chuyển qua sheet "SD" để khai báo các thông số của biện pháp xử lý

Lựa chọn biện pháp gia tải:

Phần này chúng ta khai báo số giai đoạn đắp và thời gian chờ cho mỗi giai đoạn. Bảng tính cho phép tối đa 3 giai đoạn đắp (đủ đáp ứng cho nền đắp có độ cao tối đa 10 m). Phần này có 1 số các lưu ý sau

🔸Ô F15  khai báo chiều cao  Hđắpmin đây là chiều cao tối thiểu của nền đắp để đảm bảo đủ áp lực truyền xuống phía dưới để nước trong bấc thấm hoặc giếng cát có thể thoát lên. Giá trị này cho phép nhật từ 3=> 5m, thường chọn 4m.

🔸Ô F11 - giá trị Tổng Hđắp: Được tính bằng giá trị lớn nhất giữa H đắp min và Hđắp (ô G8 sheet TL).

🔸Tổng các chiều cao đắp các giai đoạn (F9 + F9 +F10) phải bằng Tổng Hđắp (F11).

🔸Ô D13, D14: Tốc độ đắp giai đoạn 1, 2, 3

Sau khi thi công bấc thấm hoặc giếng cát, nước lỗ rỗng trong đất chưa được thoát ra ngay, nên nền đất phía dưới vẫn còn yếu. Vì vậy, không thể đắp nền một lần mà cần đắp theo từng lớp mỏng để đất có thời gian cố kết dần trong quá trình gia tải.

Trong thực tế, tốc độ đắp thường lấy khoảng 0,10 m/ngày (10 cm/ngày) nhằm đảm bảo điều kiện cố kết an toàn cho nền đất bên dưới. Từ tốc độ đắp này, có thể xác định thời gian đắp của từng giai đoạn, làm cơ sở để tính toán mức độ cố kết của nền sau khi hoàn thành đắp.

Ví dụ:

     🔹Giai đoạn GD1: chiều cao đắp 4,0 m → thời gian đắp
          t = 4,0 / 0,10 = 40 ngày

     🔹Giai đoạn GD2: chiều cao đắp 1,87 m → thời gian đắp
          t = 1,87 / 0,10 ≈ 19 ngày

Thông số Giếng cát / Bấc thấm

Để lựa chọn biện pháp xử lý là giếng cát hoặc bấc thấm, các bạn thay đổi giá trị ô B16 là được.

🔸Các giá trị ô D17, D18, F21,  F22 là các ô cho phép nhập liệu, tuy nhiên giá trị những ô này hầu như không thay đổi vì vậy chúng ta để các giá trị mặc định giống trong hình là được. Chi tiết hơn các bạn xem tại video hướng dẫn này. 

🔸Ô F17 - Tỷ số C_h/C_v: Giá trị này lấy từ 2 => 5, lấy càng cao thì thời gian chờ lún càng nhanh, thiên về an toàn thì nền lấy bằng 2. 

🔸Ô D20 - Khoảng cách giữa các bấc thấm hoặc giếng cát: Đối với bấc thấm lấy từ 1.3 => 2m (thông thường dùng 1.5m). Giếng cát lấy từ 1.8 => 3m (Thông thường dùng 2m)

🔸Ô D21 - Kiểu bố trí:

Bạn lựa chọn kiểu bố trí hình vuông hoặc kiểu bố trí tam giác (hoa mai):

      🔹Bố trí hình vuông: Hiệu quả xử lý thấp hơn, nhưng thi công đơn giản, dễ kiểm soát.

      🔹Bố trí tam giác (hoa mai): Hiệu quả xử lý cao hơn, tuy nhiên thi công phức tạp hơn.

👉 Trong cùng một dự án, nên thống nhất sử dụng một kiểu bố trí, không trộn lẫn các kiểu khác nhau để đảm bảo tính đồng bộ trong thiết kế và thi công.

🔸Ô D23 - Chiều sâu cắm: 

Tại ô này, bạn nhập chiều sâu xử lý nền mong muốn. Khi trong địa chất có lớp cát, cần đặc biệt lưu ý cách lựa chọn chiều sâu cắm:

     🔹Phương án 1: Chiều sâu cắm xuyên qua lớp cát và ăn vào lớp đất yếu bên dưới.

     🔹Phương án 2: Chiều sâu cắm chỉ đến lớp đất yếu phía trên, chưa chạm tới lớp cát.

❗ Không được để chiều sâu cắm nằm lửng trong lớp cát.
Trong trường hợp này, bảng tính sẽ báo lỗi ngay, vì đoạn bấc thấm hoặc giếng cát nằm trong lớp cát là thừa và không có tác dụng, do bản thân lớp cát đã có khả năng thoát nước tốt, không cần thiết bị thoát nước thẳng đứng.

✅Sau khi khai báo xong các thông số, kết quả tính toán sẽ được cập nhật ở mục "1.Kết quả xử lý" và biểu đồ tiến trình đắp và độ lún trong mục "II.DỰ BÁO ĐỘ LÚN CỐ KẾT" sẽ được vẽ lại tự động.

✅Kết quả chi tiết từng giai đoạn được thể hiện ở bảng phía dưới biểu đồ. 

Trong phần kết quả chi tiết này, bảng tính xác định lại lực dính (C) của các lớp đất sau quá trình cố kết. Khi nước trong đất thoát ra, kết cấu đất trở nên chặt hơn, dẫn đến lực dính của đất tăng lên.

Các giá trị lực dính sau cố kết này được sử dụng trực tiếp cho bài toán kiểm toán ổn định trượt. Do tải trọng tác dụng lên vùng mặt đường lớn hơn so với vùng taluy, điều kiện làm việc của đất ở hai khu vực là khác nhau, vì vậy lực dính được tính toán và thể hiện riêng cho từng vùng.
Kết quả được tổng hợp tại cột C vùng mặt đường và cột C vùng taluy.

Các giá trị này được sử dụng cho kiểm toán ổn định trượt bằng Geoslope hoặc phần mềm tương tự.

🔸Kết quả giai đoạn I

🔸Kết quả giai đoạn II

4. Bấc thấm ngang PHD

Khi lựa chọn biện pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm, để giảm chi phí thi công, có thể thay thế lớp đệm cát thoát nước hạt trung bố trí phía trên đầu bấc thấm đứng (PVD) bằng bấc thấm ngang (PHD).

Trong phương án này, đầu các bấc thấm đứng (PVD) được liên kết trực tiếp với thân bấc thấm ngang (PHD), tạo thành hệ thống thoát nước thống nhất, đảm bảo khả năng thoát nước trong quá trình cố kết.

Trong bảng tính, nếu bạn muốn tính bấc thấm ngang, bạn chuyển qua sheet PHD

Tại mục này, bạn chỉ cần thay đổi một thông số duy nhất là bề rộng bấc thấm ngang (PHD). Giá trị bề rộng được lựa chọn một trong loại bấc thấm ngang phổ biến ngoài thị trường.: 0,2 m; 0,3 m; hoặc 0,6 m.

Sau khi lựa chọn, bảng tính sẽ tự động xác định mật độ tối thiểu giữa bấc thấm ngang (PHD) và bấc thấm đứng (PVD).

Ví dụ:

Trong hình minh họa, kết quả tính toán cho ra tỷ lệ 1PHD / 3PVD, tức là trên mặt bằng, cứ 3 hàng bấc thấm đứng (PVD) được nối chung vào 1 hàng bấc thấm ngang (PHD).

Tuy nhiên, với cách bố trí này, việc thi công sẽ tương đối phức tạp, do hàng bấc thấm đứng thứ ba phải kéo dài thêm để đấu nối vào thân bấc thấm ngang, gây khó khăn trong lắp đặt và kiểm soát chất lượng.

Ngoài ra, trong trường hợp bấc thấm ngang (PHD) bị hư hỏng hoặc thi công không đạt yêu cầu, khả năng thoát nước của cả 3 hàng bấc thấm đứng liên quan sẽ bị ảnh hưởng đồng thời, làm tăng rủi ro trong quá trình cố kết.

Vì các lý do trên, với phương án này nên lựa chọn mật độ bấc thấm là 1PHD / 2PVD, vừa dễ thi công hơn, vừa giảm rủi ro vận hành, đồng thời vẫn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.

---

✅Như vậy là mình đã hướng dẫn xong cách sử dụng bảng tính xử lý đất yếu bằng giếng cát và bấc thấm. Kết quả tính toán cho biết độ lún xử lý được, độ lún dư còn lại sau xử lý và thời gian chờ lún cần thiết. Khi thi công thời gian chờ lún thực tế được quyết định dựa vào việc tính toán số liệu quan trắc theo phương pháp ASAOKA hoặc phương pháp Hypebolic Các bạn cùng bình luận phía dưới để đóng góp ý kiến cho bài viết nhé.

Bài viết phản ánh quan điểm kỹ thuật của tác giả tại thời điểm biên soạn và sẽ được cập nhật, hiệu chỉnh theo quá trình tích lũy thêm kiến thức và kinh nghiệm thực tế.