View Categories

Caltrans – Geosynthetics

Mục lục
(nguồn)

Caltrans Geotechnical Manual

Geosynthetics

1.1 Tổng quan

Geosynthetics là các vật liệu polyme nhân tạo được sử dụng cho các ứng dụng địa kỹ thuật. Chúng được dùng thay cho các vật liệu truyền thống và thường có hiệu quả chi phí cao hơn trong khi khả năng làm việc kỹ thuật tương đương hoặc tốt hơn. Mục đích của mô-đun này là cung cấp hướng dẫn chung cho kỹ sư thiết kế địa kỹ thuật đang hành nghề về cách sử dụng geosynthetics đúng cách cho cả thiết kế và thi công. Các giả thiết chính của mô-đun này là người dùng có đủ kinh nghiệm địa kỹ thuật tổng quát, đã quen thuộc với kỹ thuật công trình dân dụng và thực hành thi công, và sử dụng phán đoán nghề nghiệp trong việc quyết định sử dụng cũng như lập chỉ dẫn kỹ thuật cho vật liệu geosynthetics. Mô-đun này bám sát các quy trình thiết kế và thi công được trình bày trong ấn phẩm FHWA số FHWA-NHI-07-092 “Geosynthetic Design and Construction Guidelines” (Holtz et al., 2008), sau đây gọi là sổ tay FHWA, cùng với các tài liệu tham khảo khác sẽ được trích dẫn khi cần trong các mục phù hợp của mô-đun; danh mục tài liệu đầy đủ được đưa ở Mục 4.

Các tiểu mục sau trong Phần 1 thiết lập một cách tiếp cận thiết kế có hệ thống, xây dựng hệ thuật ngữ thống nhất, và định nghĩa khái niệm về các chức năng chính của geosynthetic cùng với các ứng dụng liên quan. Phần 2 giải thích các tiêu chí và quy trình thiết kế cũng như các vấn đề cần xem xét trong thi công, bao gồm các yêu cầu/specifications. Phần 3 trình bày kiểm soát chất lượng (QC), đảm bảo chất lượng (QA), thí nghiệm phù hợp (conformance test), và công tác kiểm tra thi công.

1.2 Cách tiếp cận thiết kế

Việc lựa chọn một loại geosynthetic phù hợp là một công việc phức tạp, phụ thuộc vào việc tổng hợp các kiến thức và kinh nghiệm sẵn có, và liên quan đến nhiều yếu tố riêng của dự án và của hiện trường. Nhìn chung, công tác khảo sát địa kỹ thuật thực hiện cho một dự án không dùng geosynthetics thường vẫn là đủ, điều này hợp lý vì đa số sản phẩm sẽ thay thế các vật liệu truyền thống. Tuy nhiên, tùy theo chức năng của sản phẩm và mức độ quan trọng/nhạy cảm của ứng dụng, có thể cần các dữ liệu địa kỹ thuật chuyên biệt, chẳng hạn như thí nghiệm tại hiện trường về tương tác giữa địa tầng (đất nền) và geosynthetic trong quá trình khảo sát.

Cần có một cách tiếp cận thiết kế có hệ thống do phạm vi ứng dụng địa kỹ thuật rất đa dạng và các sản phẩm geosynthetic sẵn có cũng rất nhiều. Sổ tay FHWA khuyến nghị cách tiếp cận có hệ thống sau để thiết kế với geosynthetics:

  1. Xác định mục đích và phạm vi dự án;
  2. Khảo sát và xác lập điều kiện địa kỹ thuật tại hiện trường;
  3. Xác lập mức độ quan trọng của ứng dụng, mức độ nghiêm trọng và các tiêu chí khả năng làm việc, đồng thời nhận diện các ảnh hưởng bên ngoài đến khả năng làm việc;
  4. Lập các phương án thiết kế thử và so sánh các lựa chọn;
  5. Xây dựng các mô hình thiết kế và tham số, và thực hiện các phân tích;
  6. Chọn phương án thiết kế hiệu quả nhất dựa trên kết quả phân tích và có xét đến chi phí, khả năng thi công, v.v.;
  7. Chuẩn bị các yêu cầu/specifications chi tiết cho geosynthetic và bản vẽ/kết cấu chi tiết, bao gồm các yêu cầu về chỉ tiêu đặc trưng và quy trình lắp đặt;
  8. Tổ chức các cuộc họp trước thi công và các cuộc họp theo dõi trong thi công với các thanh tra hiện trường của Caltrans và nhà thầu;
  9. Rà soát và đưa ý kiến về việc chấp thuận các vật liệu geosynthetic đề xuất dựa trên chứng nhận của nhà sản xuất và/hoặc thí nghiệm trong phòng;
  10. Theo dõi thi công cẩn thận, đặc biệt chú ý đến hư hại tiềm tàng đối với geosynthetics do các thao tác/hoạt động tại hiện trường; và
  11. Kiểm tra hạng mục đã hoàn thành sau bất kỳ sự kiện đáng kể nào có thể ảnh hưởng đến khả năng làm việc.

Cách tiếp cận có hệ thống sẽ cho phép thiết kế geosynthetics có độ tin cậy kỹ thuật cao, hiệu quả về chi phí, thi công được, và đáp ứng các yêu cầu khả năng làm việc dài hạn.

1.3 Thuật ngữ

Do có rất nhiều loại sản phẩm geosynthetic hiện có, việc sử dụng một hệ thuật ngữ thống nhất là hết sức cần thiết để có thể so sánh toàn diện các phương án. Nên tham khảo sổ tay FHWA để có các định nghĩa đầy đủ hơn và mô tả chi tiết về các quy trình sản xuất geosynthetic cũng như các thuật ngữ nhận dạng. Để rõ ràng, dưới đây định nghĩa một số thuật ngữ thường dùng:

  • Geosynthetic – Sản phẩm dạng tấm/phẳng được chế tạo từ vật liệu polyme, sử dụng cùng với đất, cốt liệu hoặc các vật liệu địa kỹ thuật khác như một bộ phận cấu thành của một công trình xây dựng dân dụng.
  • Geotextile – Geosynthetic thấm nước, chỉ gồm vật liệu dạng dệt (không dệt hoặc dệt), được tạo từ nhiều loại polyme tổng hợp khác nhau và được sản xuất bằng nhiều quy trình.
  • Geogrid – Geosynthetic được tạo bởi một mạng lưới đều đặn gồm các phần tử chịu kéo và các lỗ mở, thường dùng cho chức năng gia cường (có thể là một trục hoặc hai trục theo phương gia cường).
  • Geomembranes – Geosynthetic không thấm nước, thường dùng để kiểm soát sự dịch chuyển của chất lỏng (được chế tạo từ nhiều loại thành phần polyme, dạng nhám/bề mặt khác nhau, và các phương pháp hàn/chồng mí khác nhau).
  • Geocomposite – Vật liệu geosynthetic được chế tạo từ hai hoặc nhiều vật liệu geosynthetic (ví dụ: một geocomposite thoát nước được tạo bằng cách liên kết nhiệt một geotextile lọc với một geonet thoát nước).

Một nguồn tốt về dữ liệu sản phẩm geosynthetic sử dụng các thuật ngữ phổ biến nêu trên là số phát hành tháng 12 hằng năm của tạp chí Geotechnical Fabrics Report (GFR) do Industrial Fabrics Association International (IFAI) xuất bản; tài liệu này được biên soạn theo dạng “cẩm nang cho người lập chỉ dẫn kỹ thuật” và có tại www.geosyntheticsmagazine.com.

1.4 Chức năng và ứng dụng

Một khái niệm then chốt trong thiết kế geosynthetics là xác định chức năng chính của sản phẩm, vì điều này quyết định các chỉ tiêu cần quy định. Sổ tay FHWA định nghĩa 6 chức năng chính của geosynthetics như sau (kèm theo các loại geosynthetics thường dùng cho từng chức năng):

  1. Filtration – Lọc (geotextile, thường là không dệt nhưng cũng có một số loại dệt được chế tạo đặc biệt).
  2. Drainage –Thoát nước (geonet, geocomposite thoát nước (geonet–geotextile), sheet/wall drains và các prefabricated vertical drains (wicks)).
  3. Separation –Phân cách (geotextile – thường dùng loại dệt để giảm biến dạng dài, và dùng loại không dệt để có đặc tính thoát nước tốt hơn).
  4. Reinforcement – Gia cường (geogrid, geotextile – thường là dệt, nhưng cũng có loại không dệt cường độ cao nếu cho phép biến dạng lớn hơn).
  5. Fluid Barrier – Lớp ngăn thấm (geomembrane, geosynthetic clay liners (GCLs)).
  6. Protection – Bảo vệ (các sản phẩm kiểm soát xói mòn dạng cuộn không phân hủy và phân hủy được (RECPs) như thảm và tấm phủ, geocell, geotextile cả dệt và không dệt).

Bất kỳ geosynthetic nào cũng có thể có các chức năng thứ cấp, nhưng thông thường chính chức năng chính sẽ chi phối các yêu cầu về chỉ tiêu thiết kế như nêu trong các bảng ở Mục 1.0 của sổ tay FHWA. Cần lưu ý rằng thiết kế cho các ứng dụng geosynthetic dựa trên cả chỉ tiêu chỉ số (index properties) và chỉ tiêu kỹ thuật (engineering properties) của geosynthetics. Chỉ tiêu chỉ số không phải là các chỉ tiêu trực tiếp đáp ứng yêu cầu thiết kế, mà cung cấp các phép đo gián tiếp để đánh giá geosynthetics, chủ yếu về khả năng tồn tại/độ bền trong thi công (survivability). Chỉ tiêu kỹ thuật là các chỉ tiêu vật liệu phải thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật dưới các điều kiện thiết kế dự kiến, chẳng hạn như cường độ kéo.

Các specifications cho geosynthetics thường dùng trong các dự án địa kỹ thuật có thể tìm thấy trong 2015 Standard Specifications (Mục 96) và các SSPs, hoặc NSSPs do Geotechnical Services (GS) chủ trì. Nên sử dụng các tài liệu này nếu chúng đáp ứng các yêu cầu thiết kế và thi công trong sổ tay FHWA cho mục đích sử dụng dự kiến, nhưng cần kiểm tra thêm về khả năng tồn tại trong thi công, yếu tố thường mang tính quyết định đối với khả năng làm việc dài hạn của geosynthetics.

Phần 2 của mô-đun này cung cấp một tổng quan đầy đủ về các nhóm ứng dụng geosynthetic khác nhau và các chức năng liên quan, giúp quyết định các chỉ tiêu thiết kế thiết yếu của sản phẩm.

Tiêu chí và quy trình thiết kế geosynthetics

2.1 Tổng quan

Mục đích của mục này là xác định các tiêu chí và quy trình thiết kế chung bằng cách xem xét các nhóm ứng dụng địa kỹ thuật chính và các chức năng yêu cầu như được nêu trong sổ tay FHWA (các mục từ 2.0 đến 10.0), trong đó loại trừ phần pavement overlay (Mục 6.0) vì nội dung này đã được Caltrans Materials đề cập. Cách tổ chức của mục này bám sát sổ tay FHWA để người dùng mô-đun này có thể nhanh chóng tìm được các tham số then chốt cần cho geosynthetics và tham khảo thêm thông tin thiết kế chi tiết khi cần.

Cần lưu ý rằng thiết kế geosynthetics thường là một quá trình lặp, trong đó các chỉ tiêu khác nhau được lựa chọn và kiểm tra theo chức năng chính, sau đó được điều chỉnh để tối ưu hóa khả năng làm việc tổng thể. Một điểm thiết kế nữa cũng thường gặp với mọi loại sản phẩm là các chỉ tiêu geosynthetics cuối cùng được quy định cần được kiểm tra để bảo đảm rằng chúng đang có sẵn trên thị trường từ ít nhất ba nguồn (một tài liệu tham khảo hữu ích là cẩm nang hướng dẫn cho người lập chỉ dẫn kỹ thuật do GFR phát hành hằng năm tại www.geosyntheticsmagazine.com).

Cũng cần lưu ý rằng một yếu tố then chốt của mọi ứng dụng geosynthetic là khả năng tồn tại qua quá trình thi công (survivability)—đây thường là vấn đề lớn hơn so với các vật liệu địa kỹ thuật truyền thống. Vì vậy, Phần 3 của mô-đun này đề cập các vấn đề cần xem xét trong thi công phải được bao quát, cùng với các chủ đề liên quan như specifications, thí nghiệm phù hợp (conformance testing), và có lẽ quan trọng nhất là quan trắc và kiểm tra lắp đặt/thi công.

2.2 Thoát nước ngầm

Nhóm nội dung này bao quát một trong những ứng dụng chính của geosynthetics liên quan đến thoát nước ngầm, bao gồm tường chắn, prefabricated vertical drains (wick drains), blanket drains, trench/french drains, interceptor/toe drains, và kiểm soát thấm. Các ứng dụng này sử dụng các chức năng chính là lọc và khả năng dẫn dòng (cả theo phương vuông góc – được đặc trưng bằng tính thấm qua của geotextile (permittivity), và theo phương trong mặt phẳng – được đặc trưng bằng khả năng truyền nước (transmissivity) của geonet hoặc sheet/wall drain). Hai chức năng chính này về cơ bản lần lượt thay thế lớp lọc hạt rời và vật liệu thoát nước hạt rời.

Chức năng lọc thay thế cho lớp lọc hạt rời và vì vậy phải cho phép nước chảy qua geotextile (thường là không dệt, trừ khi là loại dệt được chế tạo đặc biệt), đồng thời giữ lại các hạt đất để ngăn piping và bảo vệ môi trường thoát nước. Lớp lọc cũng phải làm việc trong suốt tuổi thọ của hệ thống thoát nước bằng cách chống tắc nghẽn. Các quy trình thiết kế được trình bày chi tiết trong sổ tay FHWA, nhưng các điểm then chốt cần xem xét là sự đánh đổi giữa khả năng cho dòng chảy đi qua geotextile (đặc trưng bởi permittivity) và khả năng giữ hạt của geotextile (đặc trưng bởi kích thước lỗ mở biểu kiến – Apparent Opening Size (AOS)), và cần cân nhắc theo từng ứng dụng thực tế (ví dụ: ứng dụng tường chắn có ống thoát nước sẽ ưu tiên khả năng thoát nước hơn tiêu chí giữ hạt, trong khi sử dụng geocomposite dạng blanket sẽ ưu tiên giữ hạt hơn khả năng dẫn dòng). Khả năng chống tắc nghẽn được cải thiện khi geotextile không dệt có độ rỗng lớn nhất hoặc khi geotextile dệt có tỷ lệ diện tích lỗ mở lớn. Nói chung, geotextile không dệt hiệu quả nhất cho chức năng lọc, còn geotextile dệt chỉ nên dùng khi được chế tạo đặc biệt cho chức năng đó.

AASHTO đưa ra các yêu cầu về cường độ geotextile thoát nước dựa trên mức độ khắc nghiệt dự kiến khi lắp đặt, với Class 1 cho điều kiện khắc nghiệt, Class 2 (lựa chọn mặc định của AASHTO) cho điều kiện ít khắc nghiệt hơn, và Class 3 cho các ứng dụng rãnh nhẹ. Nói chung, có thể sử dụng geotextile không dệt theo tiêu chuẩn của Caltrans (tương tự AASHTO Class 2) nếu được kiểm tra theo các tiêu chí thiết kế lớp lọc đối với loại đất cần lọc, và đáp ứng yêu cầu khả năng tồn tại trong thi công trong hầu hết các điều kiện.

Chức năng thoát nước theo dòng chảy trong mặt phẳng (in-plane flow capacity) thay thế cho vật liệu thoát nước hạt rời, vì vậy chỉ tiêu geosynthetic then chốt là khả năng truyền nước trong mặt phẳng (in-plane transmissivity). Các sản phẩm thường dùng gồm geonet, sheet/wall drains, hoặc geocomposites (geotextile lọc không dệt được liên kết nhiệt với một hoặc cả hai mặt của một geonet thoát nước). Một điểm cần lưu ý là mặc dù geosynthetics có thể có khả năng dẫn nước tương đương, nhưng khả năng chống bị hạt mịn làm nghẽn đường dòng của chúng thường kém hơn nhiều so với một lớp sỏi tương đương; do đó, phần lớp lọc đi kèm có thể cần ưu tiên khả năng giữ hạt hơn permittivity. Vì vậy, khi thiết kế geosynthetics cần xem xét toàn bộ hoạt động của hệ thống thoát nước. Có sẵn Standard Specifications cho geocomposite wall drain và nên sử dụng nếu đáp ứng đầy đủ các yêu cầu thiết kế, bao gồm cả khả năng tồn tại trong thi công.

Các quy trình và ví dụ chi tiết về thiết kế lớp lọc và thoát nước được trình bày trong Mục 2.0 của sổ tay FHWA. Một nguồn thông tin tốt khác là liên hệ trực tiếp các nhà sản xuất geosynthetic (có trong cẩm nang hướng dẫn cho người lập chỉ dẫn kỹ thuật của GFR phát hành hằng năm) để lấy các trường hợp điển hình và thậm chí cả phần mềm hỗ trợ thiết kế.

Các bấc thấm đứng chế tạo sẵn (prefabricated vertical drains, thường gọi là “wick drains”) được sử dụng trong quá trình gia tải trước (surcharge preloading) đối với nền đất mềm để tăng tốc độ lún trong thi công và ngăn ngừa phá hoại dạng sức chịu tải (để có thể đắp nền ổn định), đồng thời thay thế hiệu quả các giếng cát thoát nước. Đối với thiết kế bấc thấm, nên sử dụng sổ tay FHWA số FHWA/RD-86/168 “Prefabricated Vertical Drains – A Design and Construction Guidelines Manual” (Rixner et al., 1986).

2.3 Bảo vệ mái dốc đá (RSP) và kiểm soát xói mòn lâu dài

Nhóm nội dung này bao quát nhiều ứng dụng quan trọng của geosynthetics liên quan đến xói mòn/xói cục bộ/bảo vệ mái dốc đá, bao gồm bảo vệ bờ hoặc mái dốc đào/đắp dưới lớp riprap hoặc các lớp bảo vệ cứng khác, xói cục bộ quanh công trình, và các hệ thống kiểm soát xói mòn lâu dài khác cho rãnh/suối/mái dốc. Các ứng dụng này sử dụng chức năng chính là bảo vệ chống lại lực gây xói dưới điều kiện dòng chảy tĩnh và động.

Các tiêu chí dùng cho thiết kế lọc cũng được áp dụng ở đây, nhưng nhìn chung yêu cầu về khả năng tồn tại trong thi công và độ bền sẽ khắt khe hơn do tính khắc nghiệt và mức độ quan trọng của các ứng dụng này. Nhu cầu bảo vệ xói mòn lâu dài đòi hỏi mức survivability cao hơn và cần lựa chọn các sản phẩm có tính lâu dài/vĩnh cửu, vì chúng phải làm việc trong suốt tuổi thọ của hệ thống bảo vệ. Các quy trình và ví dụ chi tiết được trình bày trong Mục 3.0 của sổ tay FHWA.

Các sản phẩm điển hình bao gồm geotextile (cả loại dệt và không dệt), geocell, và các sản phẩm kiểm soát xói mòn dạng cuộn không phân hủy (RECP) như thảm hoặc tấm phủ. Việc thiết kế có thể do kiến trúc sư cảnh quan hoặc chuyên gia thủy lực chủ trì, nhưng điều quan trọng là phải hiểu các quy trình thiết kế và yêu cầu kỹ thuật thi công (construction specifications). Việc lựa chọn không đúng các biện pháp lâu dài này có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng làm việc tổng thể của dự án.

Các Standard Specifications được cung cấp trong mục RSP fabric, nhìn chung có thể sử dụng sau khi đã kiểm tra đối chiếu với các yêu cầu thiết kế, đánh giá tính chất quan trọng của ứng dụng, và bảo đảm đáp ứng các nhu cầu survivability cực cao dự kiến.

2.4 Kiểm soát xói mòn và bùn cát tạm thời

Nhóm nội dung này bao quát nhiều ứng dụng geosynthetic tạm thời hoặc dùng trong giai đoạn thi công liên quan đến kiểm soát bùn cát và kiểm soát xói mòn/bảo vệ mái dốc, bao gồm hàng rào bùn (silt fences), màn chắn độ đục (turbidity curtains), tấm phủ giữ đất (soil retention blankets), geotextile cho rãnh/cửa xả cống/mái dốc, và các hệ thống kiểm soát xói mòn không lâu dài khác. Các ứng dụng này sử dụng chức năng chính là bảo vệ chống lại lực gây xói dưới điều kiện dòng chảy tĩnh và động. Các sản phẩm được chọn phải làm việc trong một khoảng thời gian giới hạn trước khi thảm thực vật lâu dài hoặc các biện pháp kiểm soát xói mòn vĩnh viễn khác được hình thành/thiết lập.

Yếu tố then chốt cần xem xét là khả năng của sản phẩm được chọn chịu được vận tốc dòng chảy tràn (run-off) lớn nhất dự kiến, việc này có thể thuộc phạm vi thiết kế của kiến trúc sư cảnh quan và/hoặc chuyên gia thủy lực. Ứng dụng này được đưa vào mô-đun để đầy đủ nội dung, và vì lựa chọn không phù hợp có thể ảnh hưởng bất lợi đến các chỉ tiêu địa kỹ thuật khác do gây mất ổn định tường hoặc mái dốc đào/mái đắp. Các quy trình và ví dụ thiết kế chi tiết được trình bày trong Mục 4.0 của sổ tay FHWA. Sản phẩm điển hình gồm geotextile (cả dệt và không dệt) và các sản phẩm kiểm soát xói mòn dạng cuộn phân hủy được (RECPs) như thảm hoặc tấm phủ.

Các specifications được cung cấp trong các mục liên quan đến vải hàng rào bùn (silt fence fabric), túi lọc bùn cát (sediment filter bag), và lớp phủ tạm thời (temporary cover) trong Standard Specifications Mục 96, có thể dùng cho hầu hết các ứng dụng tạm thời.

2.5 Phân cách nền đường và tăng cường nền đường (subgrade)

Nhóm nội dung này bao quát một số ứng dụng geosynthetic địa kỹ thuật phổ biến nhất liên quan đến đường, bao gồm ổn định nền đất yếu (weak subgrade stabilization) và bảo vệ vật liệu cốt liệu khỏi bị nền đất xâm nhập. Do Caltrans Materials thiết kế kết cấu áo đường vĩnh cửu, phần thảo luận ở đây được giới hạn cho đường tạm như đường tránh, đường vận chuyển/đường tiếp cận, bãi/đường công vụ (working platforms), cũng như việc đắp và đầm nén đất trên nền đất yếu. Các ứng dụng này sử dụng chức năng chính là phân cách, bằng cách ngăn đất nền yếu bơm trồi (pumping) xuyên lên lớp đắp phía trên hoặc ngăn lớp vật liệu chọn (select fill) bị nhiễm bẩn do nền đất chui/xâm nhập vào. Điều này có thể cho phép thi công ổn định trên các loại đất mà nếu không thì có thể phải dùng các công nghệ cải tạo nền đất tốn kém.

Tiêu chí then chốt dùng cho thiết kế phân cách là các yêu cầu về survivability và độ bền, do tính chất của các ứng dụng này. Các sản phẩm điển hình gồm geotextile (cả dệt và không dệt), geogrid, hoặc geocomposite như tổ hợp geogrid và geotextile. Các quy trình và ví dụ chi tiết được trình bày trong Mục 5.0 của sổ tay FHWA.

Các specifications được cung cấp trong mục subgrade enhancement geotextile của Standard Specifications Mục 96, nhìn chung có thể dùng sau khi đã kiểm tra đối chiếu với các quy trình thiết kế và đáp ứng các nhu cầu survivability dự kiến.

2.6 Nền đắp gia cường trên nền đất mềm

Nhóm nội dung này bao quát một nhóm ứng dụng geosynthetic quan trọng khác liên quan đến nền đắp gia cường trên nền đất mềm. Các ứng dụng này sử dụng chức năng chính là gia cường để cho phép thi công ổn định trong các điều kiện vốn có thể không ổn định, bằng cách ngăn ngừa phá hoại dạng sức chịu tải trong các trường hợp nền đất mềm. Tính chất của ứng dụng đòi hỏi rằng tất cả các trường hợp đều là quan trọng, kể cả các mái dốc hoặc nền đắp tạm trong giai đoạn thi công khi chỉ sử dụng các hệ số an toàn giảm so với các phân tích ổn định lâu dài. Nhìn chung, cần thực hiện các phân tích địa kỹ thuật truyền thống về sức chịu tải, ổn định mái dốc, và lún để xác định lựa chọn tối ưu của các phần tử geosynthetic gia cường chính, bao gồm khoảng cách đứng và gia cường lớp mặt thứ cấp (nếu cần) cho thi công và khả năng làm việc lâu dài. Có nhiều phần mềm thương mại sẵn có cho các phân tích này, cho phép mô hình hóa các phần tử geosynthetic.

Nền đắp trên nền đất mềm sử dụng các lớp geosynthetic gia cường theo phương ngang phủ trên toàn bộ diện tích nền đắp, có thể là một lớp hoặc nhiều lớp; trong đó tham số then chốt là Long Term Design Strength (LTDS) dựa trên cường độ kéo giới hạn, được xác định bằng thí nghiệm cường độ kéo theo bề rộng lớn (wide width tensile strength test) cho geotextile hoặc geogrid, có áp dụng hệ số giảm (tính đến biến dạng từ từ theo thời gian trong suốt tuổi thọ thiết kế, hư hại do thi công/lắp đặt vật liệu đắp, và độ bền lâu dài). Các chỉ tiêu geosynthetic quan trọng khác đối với nền đắp gia cường là cường độ đường may, ma sát đất–geosynthetic (cho sức kháng trượt). Khả năng của geosynthetic chịu được điều kiện thi công khắc nghiệt cũng rất quan trọng và được tóm tắt tốt trong các bảng ở Mục 7.0 của sổ tay FHWA. Ngoài ra, đất dùng cho nền đắp cần được quy định cẩn thận để bảo đảm đầm nén theo yêu cầu ngay cả trong điều kiện hiện trường khó khăn. Quan trắc thi công như nêu ở Phần 3 của mô-đun này cũng rất quan trọng đối với khả năng làm việc của toàn hệ thống. Nên sử dụng Mục 7.0 của sổ tay FHWA cho các quy trình thiết kế đầy đủ và ví dụ tính toán, cùng với các specifications điển hình.

Các xem xét thiết kế then chốt là ổn định mái dốc trong và ngoài (sử dụng phương pháp phân tích địa kỹ thuật truyền thống, có bổ sung các phần tử gia cường chịu kéo) và khả năng chịu lún dự kiến cũng như độ bền tổng thể trong suốt vòng đời công trình. Nhìn chung, geotextile dệt hiệu quả nhất cho chức năng gia cường, trong khi geotextile không dệt có thể dùng nếu cần các chức năng phụ như thoát nước/lọc và/hoặc độ giãn dài bổ sung của vật liệu gia cường không phải là vấn đề đáng lo ngại (tức là thường dùng cho gia cường lớp mặt thứ cấp). Nói chung, có thể sử dụng các specifications cho Geotechnical Subsurface Reinforcement được mô tả trong Standard Specifications Section 96-1.02D nếu đã kiểm tra đối chiếu với các tiêu chí thiết kế và phù hợp về survivability trong thi công trong hầu hết các điều kiện.

Các sản phẩm thường dùng là geogrid (một trục và hai trục) hoặc geotextile (thường là dệt, nhưng không dệt có thể dùng cho các ứng dụng gia cường lớp mặt thứ cấp), và các geocomposite gia cường (geotextile dệt dùng kèm với geogrid trên nền đất rất mềm để ngăn nền đất xâm nhập lên trên). Một điểm quan trọng là vật liệu geosynthetic được chọn phải có survivability trong thi công đủ lớn, bao gồm cường độ đường may hoặc bề rộng chồng mí đủ lớn nếu không yêu cầu đường may.

Một nguồn thông tin tốt khác là liên hệ trực tiếp các nhà sản xuất geosynthetic (có trong cẩm nang hằng năm GFR dành cho người lập chỉ dẫn kỹ thuật) để lấy các trường hợp điển hình và thậm chí cả phần mềm hỗ trợ thiết kế. Có thể sử dụng nhiều phần mềm ổn định mái dốc thương mại, cho phép mô hình hóa vật liệu gia cường geosynthetic.

2.7 Mái dốc có cốt (RSS) và tường chắn nền đắp có cốt (MSE)

Nhóm nội dung này bao quát một ứng dụng geosynthetic quan trọng khác liên quan đến mái dốc đất gia cường (RSS) và tường chắn nền đắp ổn định cơ học (MSE). Mái dốc đất gia cường được định nghĩa là các mái có góc dốc đến 70°. Tường MSE được định nghĩa là các kết cấu gia cường bằng geosynthetic có góc nghiêng mặt (facing slope angle) từ 70° đến 90°. Các ứng dụng này sử dụng chức năng chính là gia cường để cho phép thi công ổn định ở các góc mặt dốc lớn hơn so với trường hợp không gia cường. Dưới đây chỉ trình bày tóm tắt, nhưng người dùng cần tuân theo kỹ Mục 8.0 và 9.0 của sổ tay FHWA để có đầy đủ các quy trình thiết kế. Tính chất của ứng dụng đòi hỏi rằng mọi trường hợp đều là quan trọng, kể cả RSS và tường MSE tạm trong thi công khi chỉ dùng các hệ số an toàn giảm so với các phân tích ổn định lâu dài. Nhìn chung, cần thực hiện các phân tích địa kỹ thuật truyền thống về sức chịu tải, ổn định mái dốc, và lún để xác định lựa chọn tối ưu các phần tử gia cường geosynthetic chính, bao gồm khoảng cách đứng, và gia cường lớp mặt thứ cấp (nếu cần) cho thi công và khả năng làm việc lâu dài. Một đặc điểm quan trọng của RSS và tường MSE là các kết cấu lâu dài thường có một dạng lớp mặt (facing) để bảo vệ các phần tử lộ ra. Có nhiều phần mềm thương mại sẵn có cho các phân tích này, cho phép mô hình hóa các phần tử geosynthetic.

RSS và tường MSE sử dụng các lớp geosynthetic gia cường theo phương ngang từ mặt tường, với chiều dài gia cường tối thiểu yêu cầu; trong đó tham số then chốt là Long Term Design Strength (LTDS) dựa trên cường độ kéo giới hạn, được xác định bằng thí nghiệm cường độ kéo theo bề rộng lớn (wide width tensile strength) cho geotextile hoặc geogrid. Các chỉ tiêu geosynthetic quan trọng khác là tương tác đất–cốt gia cường (cho sức kháng kéo tuột/pullout và ma sát bề mặt tiếp xúc) và khả năng kháng biến dạng từ từ (creep) của toàn hệ thống. Các nội dung này được nêu ngắn gọn ở đây, nhưng cần dùng sổ tay FHWA cho đầy đủ quy trình thiết kế và ví dụ tính toán kèm specifications. Các tài liệu tham khảo bổ sung cho ứng dụng MSE và RSS được nêu trong Phần 4.

Các quy trình thiết kế được trình bày chi tiết trong sổ tay FHWA được viện dẫn, nhưng các xem xét then chốt là ổn định mái dốc trong và ngoài (sử dụng phương pháp phân tích địa kỹ thuật truyền thống, có bổ sung các phần tử gia cường chịu kéo) và khả năng chịu lún dự kiến cũng như độ bền tổng thể trong suốt vòng đời công trình. Có thể sử dụng các specifications cho Geotechnical Subsurface Reinforcement trong Standard Specifications Section 96-1.02D nếu đã kiểm tra đối chiếu với tiêu chí thiết kế và phù hợp về survivability trong thi công trong hầu hết các điều kiện.

Các sản phẩm thường dùng là geogrid (một trục và hai trục) hoặc geotextile (thường là dệt, nhưng không dệt có thể dùng cho các ứng dụng gia cường lớp mặt thứ cấp) và geocomposite gia cường (geotextile dùng kèm geogrid). Một điểm quan trọng là vật liệu geosynthetic được chọn phải có survivability trong thi công đủ lớn, bao gồm bề rộng chồng mí hoặc phương pháp nối/liên kết đủ đảm bảo.

Các quy trình chi tiết và ví dụ thiết kế RSS và tường MSE được cung cấp trong Mục 8.0 và 9.0 của sổ tay FHWA và trong FHWA Demonstration Project 82 (ấn phẩm FHWA số FHWA-SA-96-071). Một nguồn thông tin tốt khác là liên hệ trực tiếp các nhà sản xuất geosynthetic (có trong cẩm nang hằng năm GFR dành cho người lập chỉ dẫn kỹ thuật) để lấy các trường hợp điển hình và thường có thể cung cấp phần mềm hỗ trợ thiết kế. FHWA cũng có các chương trình dạng tổng quát cho phép kiểm tra nhanh nhiều dạng hình học và các tính chất vật liệu khác nhau để “tinh chỉnh” thiết kế.

2.8 Geomembrane và Fluid Barrier

Nhóm nội dung này bao quát nhiều ứng dụng tiềm năng liên quan đến công trình đường bộ, bao gồm Fluid Barrier bao quanh geofoam nhẹ (để ngăn hư hại do hydrocacbon), tường cắt dòng (cut-off walls), lớp lót hầm (tunnel linings), kiểm soát ẩm trong đất nền trương nở, chống thấm cho tường/mố cầu, và lớp lót cho các hồ điều tiết/hồ chứa (detention/retention basin). Do ứng dụng này mang tính chuyên biệt cao, phần trình bày ở đây được giới hạn và cần tham khảo sổ tay FHWA để có thêm thông tin thiết kế và specifications.

Tiêu chí chính trong thiết kế lớp “barrier” là ngăn rò rỉ, đồng thời đáp ứng yêu cầu về survivability và độ bền do tính chất khắc nghiệt của các ứng dụng này, cũng như ma sát giữa đất nền và vật liệu được chọn (có các sản phẩm bề mặt nhám để tăng ma sát). Các sản phẩm điển hình gồm geomembrane (cấu tạo từ nhiều hợp chất polymer khác nhau; trong đó phổ biến nhất gồm polyethylene như HDPE và các loại không phải HDPE, polypropylene, và PVC) và Geosynthetic Clay Liners (GCLs) (gồm đất sét bentonite liên kết với geomembrane hoặc kẹp giữa các lớp geotextile, thường dùng trong các ứng dụng bao che/môi trường). Mỗi loại vật liệu có các phương pháp hàn/nối hoặc chồng mí tấm riêng để bảo đảm kín nước, kèm theo các quy trình QC/QA phát triển cao. Các quy trình chi tiết và ví dụ thiết kế fluid barrier được cung cấp trong Mục 10.0 của sổ tay FHWA.

CÁC XEM XÉT TRONG THI CÔNG

3.1 Specifications

Mặc dù mục này đề cập đến specifications được chuẩn bị trong giai đoạn thiết kế và do đó có thể đã được bàn trong Mục 2, nhưng chính trong quá trình thi công thì hiệu quả của chúng mới được “kiểm chứng”. Điều này đặc biệt quan trọng đối với vật liệu geosynthetic vì chức năng tổng thể của chúng bị ảnh hưởng mạnh bởi cách lắp đặt và mức độ dễ bị hư hại trong thi công. Có lẽ nhược điểm “thật sự” lớn nhất của việc dùng geosynthetic là lắp đặt không đúng cách chính là “mắt xích yếu” trong khả năng làm việc của chúng; vì vậy cần giảm thiểu bằng specifications được chuẩn bị tốt và giám sát thi công bao quát mọi khía cạnh của việc lắp đặt. Sổ tay FHWA có thảo luận rất hay về sáu thành phần nên có trong mọi specifications geosynthetic như sau:

  1. Yêu cầu chung (ví dụ: yêu cầu về lưu kho và vận chuyển/thi công, bao gồm khả năng kháng tia cực tím).
  2. Các tính chất geosynthetic cụ thể (gồm cả các chỉ tiêu index và các thí nghiệm đánh giá khả năng làm việc nếu cần).
  3. Đường nối và chồng mí (tùy theo chức năng thiết kế và loại sản phẩm được chọn).
  4. Quy trình lắp đặt/thi công (bao gồm chiều dày phủ tối thiểu và áp lực nền tối đa do thiết bị thi công gây ra nếu cần).
  5. Quy trình sửa chữa (nếu bị hư hại trong quá trình lắp đặt).
  6. Tiêu chí chấp nhận và loại bỏ sản phẩm.

Các nội dung này được trình bày chi tiết trong Mục 1.0 của sổ tay FHWA và có ví dụ specifications hướng dẫn cho từng nhóm ứng dụng trong các mục thiết kế phù hợp. Standard Specifications Section 96 nên được dùng cho hầu hết các ứng dụng, nhưng cần kiểm tra để bảo đảm chúng có đầy đủ các thành phần chính của specifications geosynthetic như liệt kê ở trên và đáp ứng yêu cầu thiết kế. Mục tiếp theo sẽ bàn về một thành phần bổ sung bắt buộc phải có trong specifications cho các dự án lớn và các ứng dụng quan trọng, liên quan đến các thủ tục chấp nhận hoặc loại bỏ vật liệu geosynthetic đề xuất sử dụng.

3.2 Kiểm soát chất lượng (QC), Đảm bảo chất lượng (QA) và Thí nghiệm xác nhận sự phù hợp của sản phẩm

Đối với các dự án lớn và các ứng dụng quan trọng, có thể cần các yêu cầu đặc biệt về Kiểm soát chất lượng (QC), Đảm bảo chất lượng (QA) và thí nghiệm xác nhận sự phù hợp của sản phẩm. Với các dự án thuộc nhóm “quan trọng” này, các tiêu chí chấp nhận phải được nêu rõ ràng và ngắn gọn trong specifications. Đối với các dự án nhỏ hơn, thư/chứng nhận của nhà sản xuất có thể là đủ cho các ứng dụng không quan trọng và điều này cũng cần được ghi rõ trong specifications.

Sổ tay FHWA cung cấp một ví dụ về xác nhận sự phù hợp của specifications đối với geosynthetic theo ASTM 4759. Mục tiếp theo trình bày xem xét quan trọng nhất khi sử dụng geosynthetic trong thực hành địa kỹ thuật, đó là nhu cầu phải kiểm tra/giám sát thi công chặt chẽ.

3.3 Kiểm tra thi công

Phần này đề cập đến điều có lẽ là yếu tố quan trọng nhất để sử dụng geosynthetic thành công. Nhiều vấn đề khi sử dụng geosynthetic bắt nguồn trực tiếp từ việc lắp đặt không đúng hoặc hư hại do các thao tác thi công của nhà thầu gây ra. Sổ tay FHWA cung cấp một danh mục kiểm tra hiện trường (bảng ở Mục 1.0) như một điểm khởi đầu tốt, nhưng quan trọng nhất là phải trực tiếp quan sát quy trình lắp đặt và thi công do nhà thầu thực hiện tại hiện trường. Vì vậy, cần hướng dẫn/đào tạo nhân sự thi công của Caltrans về những điểm cần kiểm tra khi rải geosynthetic và đắp đất, vì công tác này phải được thực hiện liên tục, đòi hỏi đội ngũ giám sát toàn thời gian có chuyên môn, cùng với các đợt kiểm tra định kỳ của kỹ sư thiết kế địa kỹ thuật.

Tiêu chí then chốt là khả năng “chịu được trong thi công” (construction survivability), và tiêu chí này thay đổi tùy theo loại geosynthetic, vật liệu nền và vật liệu đắp, dạng ứng dụng, thiết bị thi công và biện pháp thi công. Trong mọi trường hợp, geosynthetic phải chịu được quá trình thi công và đảm bảo các chức năng chính và chức năng phụ (nếu cần) trong suốt tuổi thọ thiết kế của dự án. Ứng dụng càng mang tính “quan trọng” thì càng cần kiểm tra thi công cẩn thận hơn. Các quy trình chi tiết và ví dụ về thi công đúng cho từng loại sản phẩm được trình bày trong các mục tương ứng của sổ tay FHWA.

Tài liệu tham khảo

  1. Caltrans, 2012, Geotechnical Manual Workshop.
  2. Daniel, D. E., Koerner, R. M., 1993, Tài liệu hướng dẫn kỹ thuật – Đảm bảo chất lượng và kiểm soát chất lượng (QA/QC) cho các cơ sở cô lập chất thải, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA), EPA/600/R-93/182.
  3. Elias, V., Christopher, B. R., 1999, Tường đất có cốt (MSE) và mái dốc đất gia cường: Hướng dẫn thiết kế và thi công (Dự án trình diễn FHWA 82 – Kết cấu đất gia cường MSEW và RSS), Cơ quan Quản lý Đường bộ Liên bang (FHWA), FHWA-SA-96-071.
  4. Elias, V., 1997, Ăn mòn/Suy giảm của cốt gia cường đất cho tường đất có cốt (MSE) và mái dốc đất gia cường (RSS) (Dự án trình diễn FHWA 82 – Kết cấu đất gia cường MSEW và RSS), Cơ quan Quản lý Đường bộ Liên bang (FHWA), FHWA-SA-96-072.
  5. GeoSyntec Consultants, 1994, Sổ tay thiết kế bộ lọc geotextile, Nicolon Corporation.
  6. Holtz, R. D., Christopher, B. R., và Berg, R. R., 2008, Hướng dẫn thiết kế và thi công geosynthetic, Cơ quan Quản lý Đường bộ Liên bang (FHWA), FHWA-NHI-07-092.
  7. Industrial Fabrics Association International (IFAI), Geosynthetics Magazine, 2012, Sổ tay Specifier’s Guide 2013, tháng 12/tháng 1 năm 2013, Tập 30, Số 6.
  8. Reed and Graham Incorporated, 1996, Sổ tay Geosynthetics.
  9. Rixner, J. J., Kraemer, S. R., và Smith, A. D., 1986, Bấc thấm đứng chế tạo sẵn – Tập I: Hướng dẫn kỹ thuật, Cơ quan Quản lý Đường bộ Liên bang (FHWA), FHWA/RD-86/168.
  10. TC Mirafi Corporation, 1997, Hướng dẫn sử dụng Miralope: Phân tích ổn định mái dốc theo cân bằng giới hạn với gia cường geosynthetic Mirafi và GeoFilter 32.
  11. TENSAR Environmental Systems Incorporated, 1994, Geogrid kết cấu cho các ứng dụng cô lập chất thải, Tuyển tập hội thảo của Tensar.