Vải địa kỹ thuật

Vải địa kỹ thuật là một loại vải có khả năng thấm nước, phân cách, lọc, bảo vệ, gia cường và thoát nước khi sử dụng làm lót trong công trình xây dựng. Loại vải này thường được sản xuất từ polypropylene hoặc polyester và được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật như thủy lợi, giao thông và môi trường.

Cấu tạo

Vải địa kỹ thuật được chế tạo từ các sản phẩm phụ của dầu mỏ, sử dụng một hoặc hai loại polymer như polyester và/hoặc polypropylene. Tùy thuộc vào thành phần và cách cấu tạo, mỗi loại vải địa kỹ thuật có các tính chất vật lý hóa học như độ chịu kéo, độ co dãn, khả năng thấm nước và khả năng thích nghi với môi trường khác nhau.

Hầu hết các sản phẩm tại Việt Nam được chế tạo từ polyester và polypropylen. Vải địa kỹ thuật được phân loại thành ba nhóm chính dựa trên cấu trúc sợi: vải dệt, vải không dệt và vải địa phức hợp.

• Nhóm dệt bao gồm các sợi được dệt theo chiều ngang dọc giống như vải may, như vải địa kỹ thuật dệt từ polypropylen. Các biến dạng của nhóm này thường được thử nghiệm theo hai hướng chính: hướng dọc máy (MD - machine direction) và hướng ngang máy (CD - cross machine direction). Sức chịu kéo theo hướng dọc máy luôn lớn hơn so với hướng ngang máy. Vải dệt thông thường được sử dụng làm lõi gia cường cho các công trình xử lý nền đất khi có yêu cầu.
• Nhóm không dệt gồm các sợi ngắn và sợi dài liên tục, không tuân theo bất kỳ hướng nào cụ thể, được liên kết với nhau bằng phương pháp hóa (dùng chất dính), nhiệt (dùng nhiệt độ) hoặc cơ học (dùng kim dùi).
• Nhóm vải phức hợp là loại vải kết hợp giữa vải dệt và không dệt. Các nhà sản xuất dệt các sợi chịu lực (dệt) lên mặt vải không dệt để tạo ra một sản phẩm có đầy đủ chức năng của vải dệt và không dệt.

Ứng dụng

Trong lĩnh vực giao thông, vải địa kỹ thuật có thể tăng độ bền và tính ổn định cho các đoạn đường đi qua các vùng đất yếu như đất sét mềm, bùn lầy, tro than... Trong công nghệ thủy lợi, nó được sử dụng để bao phủ bề mặt của các bờ sông bằng các ống vải địa kỹ thuật để làm giảm tác động thủy lực từ dòng chảy lên bờ sông. Trong xây dựng, nó được sử dụng để gia cố nền đất yếu dưới dạng lớp lót thấm, được áp dụng trong công tác móng... Trong các công trình bảo vệ bờ (đê, kè,...), vải địa kỹ thuật thay thế cho các lớp lọc ngược, có vai trò hạ thấp mực nước ngầm để bảo vệ vật liệu cốt nền khỏi bị rửa trôi theo dòng chảy nước ngầm.

Dựa vào mục đích sử dụng chính, vải địa kỹ thuật được chia thành ba loại: phân cách, gia cường, và tiêu thoát và lọc ngược.

Chức năng phân cách

Các phương pháp thông thường để ổn định lớp đất đắp trên các nền đất yếu bão hòa nước là phải tăng độ dày của đất đắp để bù vào lượng đất mất do lún chìm vào nền đất yếu trong quá trình thi công. Mức độ tổn thất có thể lên đến hơn 100% đối với đất nền có chỉ số CBR nhỏ hơn 0,5. Việc sử dụng loại vải địa kỹ thuật phù hợp để đặt giữa đất yếu và nền đường sẽ ngăn chặn sự trộn lẫn giữa hai loại đất. Vải địa kỹ thuật phân cách ngăn ngừa tổn thất đất đắp và do đó giúp tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng. Ngoài ra, vải địa kỹ thuật cũng ngăn chặn đất yếu xâm nhập vào lớp cốt liệu nền đường để bảo toàn các tính chất cơ lý của vật liệu đắp, từ đó nền đường có thể hấp thụ và chịu đựng hiệu quả toàn bộ tải trọng xe.

Chức năng gia cường

Đối với đường có chiều cao thấp (từ 0,5 đến 1,5m), có giả thiết rằng cần sử dụng vải địa kỹ thuật có độ cường độ cao như một phần của cấu trúc móng đường. Tuy nhiên, tải trọng xe tác động lên móng đường chủ yếu theo hướng đứng, trong khi độ chịu kéo của vải địa là theo hướng ngang. Do đó, độ cường độ kéo và độ cứng uốn của vải địa có ảnh hưởng rất nhỏ đến việc tăng khả năng chịu tải của nền dưới tải trọng đứng từ bánh xe. Trên thực tế, dưới tải trọng bánh xe, khả năng chịu tải của nền đường có vải địa kỹ thuật chủ yếu phụ thuộc vào chức năng phân cách (để duy trì độ dày thiết kế và tính chất cơ học ban đầu của các lớp cốt liệu nền đường) hơn là chức năng gia cường về khả năng chịu kéo của cấu trúc. Trong trường hợp đường có lớp bề mặt cao (đường bê tông hoặc đường nhựa), lợi ích từ chức năng gia cường là rất hạn chế. Điều này là do để phát triển lực kéo trong vải địa, cần phải có biến dạng ngang đủ lớn trong cấu trúc móng đường để tạo ra sự phản ứng tương ứng, điều này không thể thực hiện được trên đường có lớp bề mặt cao. Trong các trường hợp xây dựng đê, đập hoặc đường dẫn vào cầu với chiều cao đất đắp lớn, có thể dẫn đến khả năng trượt mái hoặc chuyển vị ngang của đất đắp. Vải địa kỹ thuật có thể đóng vai trò cốt gia cường, cung cấp lực chống trượt theo hướng ngang để tăng độ ổn định của mái dốc. Trong trường hợp này, vải địa có chức năng gia cường.

Chức năng thoát nước/ lọc ngược

Đối với các nền đất yếu có độ ẩm tự nhiên cao và tính nhạy cảm lớn. Vải địa kỹ thuật có thể thực hiện chức năng thoát nước để duy trì và thậm chí nâng cao khả năng chống cắt của nền đất, từ đó tăng độ ổn định toàn bộ công trình theo thời gian. Loại vải địa kỹ thuật không dệt, xuyên kim có độ dày và tính thấm nước cao là vật liệu có khả năng thoát nước tốt, cả theo hướng đứng (thẳng góc với bề mặt vải) và hướng ngang (trên bề mặt vải). Do đó, loại vải địa này có thể nhanh chóng xử lý áp lực nước trong quá trình thi công và sau khi hoàn thành công trình, đồng thời gia tăng khả năng chống cắt của nền đất yếu.

Hai tiêu chí để đánh giá chức năng lọc ngược là khả năng giữ đất và hệ số thấm của vải. Vải địa kỹ thuật cần có kích thước lỗ nhỏ đủ để ngăn chặn các hạt đất cần bảo vệ đi qua, nhưng lỗ cũng phải đủ lớn để đảm bảo khả năng thấm nước để giảm áp lực nước trong các khoảng không trống rỗng.

Lợi ích của việc sử dụng vải địa kỹ thuật

• Giúp tăng cường lớp đất đắp bằng cách nâng cao khả năng thoát nước.
• Giảm sâu đào vào các lớp đất yếu.
• Giảm độ dốc mái lớp đất đắp yêu cầu và tăng sự ổn định của chúng.
• Giữ được tốc độ lún đều của các lớp đất, đặc biệt trong vùng chuyển đổi.
• Cải thiện lớp đất đắp và kéo dài tuổi thọ của công trình.

Các tiêu chuẩn thiết kế với vải địa kỹ thuật

Đối với các ứng dụng mà vải địa có các chức năng chính như phân cách và gia cường, ví dụ như đường cao và không có tầng mặt cấp. Đối với các công trình đê cao nơi mà các chức năng chính là gia cường và phân cách, vải địa cần có độ bền kéo đủ cao và phải chịu được ứng suất trong quá trình thi công, đồng thời đảm bảo tính chất tiêu thoát và lọc ngược tốt. Các tiêu chuẩn quan trọng cho việc lựa chọn vải bao gồm:

Vải có khả năng chống hư hỏng trong thi công và lắp đặt

Để đạt hiệu quả phân cách, vải địa kỹ thuật phải đảm bảo không bị thủng trong quá trình thi công, ví dụ như bị xuyên thủng bởi các vật liệu sắc nhọn như sỏi, đá và các vật cứng, hoặc do lớp đất đắp không đủ dày khi đổ lên. Trong trường hợp này, chiều dày tối thiểu của lớp đất đắp thiết kế phải được duy trì trong suốt quá trình thi công. Để ngăn chặn vải bị thủng trong quá trình thi công, các chuyên gia thường tính toán các thông số sau để xác định khả năng chống thủng:

• Độ dày của lớp đất đầu tiên đặt trên bề mặt vải, phụ thuộc vào chỉ số CBR của đất nền dưới lớp vải địa.
• Sự có mặt của các vật cứng, sỏi, đá trong lớp đất đắp, đặc biệt là với đất lẫn cát sỏi.
• Loại thiết bị thi công, tải trọng và diện tích tiếp xúc của bánh xe, từ đó tạo ra áp lực tác động lớn trên mặt lớp vải.

Lực kháng xuyên thủng của vải địa có thể được xác định dựa trên điều kiện cân bằng lực:

F_vert=π.d_h.h_h.P

Trong đó:

d_h = đường kính trung bình của lỗ thủng.

h_h = độ lún xuyên thủng được tính bằng d_h.

P = áp lực do tải trọng của bánh xe tác động lên bề mặt lớp vải.

Hoặc có thể xác định lực kháng xuyên thủng theo phương pháp AASHTO:

Từ các thông số về cường độ CBR của nền, áp lực tác dụng của bánh xe và chiều dày lớp đất đắp sau khi đầm nén sẽ xác định được yêu cầu về độ bền của vải thuộc loại cao (H) hay trung bình (M). Từ mức độ yêu cầu về độ bền (H hoặc M), người ta có thể lựa chọn cường độ kháng chọc thủng phù hợp.

Vải có các đặc điểm thích hợp về lọc ngược và thoát nước

Hai tiêu chuẩn để đánh giá về đặc trưng lọc ngược là khả năng giữ đất và hệ số thấm của vải. Vải địa cần phải có kích thước lỗ hổng đủ nhỏ để ngăn chặn không cho các loại hạt đất cần bảo vệ đi qua, đồng thời kích thước lỗ hổng cũng phải đủ lớn để có đủ khả năng thấm nước bảo đảm cho áp lực nước kẽ rỗng được tiêu tán nhanh.

Độ bền cao khi tiếp xúc với ánh sáng

Tất cả các loại vải địa kỹ thuật đều bị phá huỷ khi phơi dưới ánh sáng mặt trời. Trong quá trình xây dựng, cần sử dụng loại vải có độ bền cao khi tiếp xúc với ánh sáng để tránh hiện tượng này.

Phương pháp thi công

Vải địa kĩ thuật thường được thi công theo các bước sau:

- Chuẩn bị nền đường: loại bỏ cây cối, bụi rậm và cỏ trong khu vực thi công. Đào sâu gốc cây khoảng 0.6m dưới mặt đất. Nền đường phải có độ dốc để thoát nước khi mưa.

- Trải vải địa kĩ thuật lên nền đường và nối các lớp vải với nhau tùy thuộc vào khả năng chịu lực của đất.

Khả năng chịu lực của đất:

- Cuối cùng, trải và cán đá dăm hoặc đá sỏi.

Ghi chú: Đối với vải không may, khuyến cáo không nên trải quá 8m trước khi đổ đá để tránh tình trạng phủ bì bị tách rời.

Phương pháp thử nghiệm

Khối lượng: Theo tiêu chuẩn ASTM D-3776 (đơn vị: g/m2)

Độ dày: Theo tiêu chuẩn ASTM D-5199 (đơn vị: mm)

Cường độ kéo giãn: Theo tiêu chuẩn ASTM D-4632 (đơn vị: KN)

Độ giãn dài khi kéo giãn: Theo tiêu chuẩn ASTM D-4632 (đơn vị: %)

Độ bền CBR khi đâm thủng: Theo tiêu chuẩn ASTM D-6241 hoặc BS 6906-Part4 (đơn vị: N)

Kích thước lỗ 095: Theo tiêu chuẩn ASTM D-4751 (đơn vị: mm)

Hệ số thấm: Theo tiêu chuẩn ASTM D-4491 hoặc BS 6906/4 (đơn vị: x10^-4 m/s)