Nghiên cứu ảnh hưởng của cọc bê tông gia cố nền đến các đặc trưng thấm trong nền cát dưới đáy cống qua đê bằng mô hình vật lý

Bài viết Nghiên cứu ảnh hưởng của cọc bê tông gia cố nền đến các đặc trưng thấm trong nền cát dưới đáy cống qua đê bằng mô hình vật lý trình bày kết quả thí nghiệm mô hình vật lý xác định sự thay đổi của các đặc trưng thấm trong nền cống khi được gia cố bằng cọc bê tông cốt thép.

BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỌC BÊ TÔNG GIA CỐ NỀN ĐẾN CÁC ĐẶC TRƯNG THẤM TRONG NỀN CÁT DƯỚI ĐÁY CỐNG QUA ĐÊ BẰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ Đinh Xuân Trọng1, Nguyễn Quốc Dũng2, Phạm Ngọc Quý3, Phạm Thị Hương3 Tóm tắt: Cống qua đê hạng mục cơng trình quan trọng cấu thành nên hệ thống đê Nhiều cống xây dựng cát nhạy cảm thấm với giải pháp đóng cừ chống thấm đóng cọc bê tơng cốt thép (BTCT) để tăng sức chịu tải đồng thời giữ độ lún cơng trình phạm vi cho phép Các cố thấm xảy thời gian qua đặt vấn đề cọc BTCT làm thay đổi đặc trưng dịng thấm, từ làm gia tăng biến hình thấm dẫn đến ổn định cơng trình Trong nghiên cứu này, mối quan hệ toán học yếu tố thủy lực, cơng trình, đất cọc thiết lập dựa phương pháp phân tích thứ ngun Trên sở đó, thiết bị thí nghiệm thiết kế để thực sê ri thí nghiệm với điều kiện khác Bài báo trình bày kết thí nghiệm mơ hình vật lý xác định thay đổi đặc trưng thấm cống gia cố cọc bê tơng cốt thép Từ khố: Cống qua đê, đặc trưng thấm, cát, cọc bê tơng cốt thép, mơ hình thí nghiệm ĐẶT VẤN ĐỀ * Các cố liên quan đến đê điều thời gian gần đa phần xảy vị trí cống đê 78,4% cố liên quan đến thấm (Đinh Xuân Trọng nnk, 2020) Một số nhận định ban đầu cống bị cố xây dựng cát nhạy cảm thấm; giải pháp xử lý cống cọc bê tông cốt thép (BTCT) đúc sẵn, số cống có đóng cừ chống thấm; xảy cố lượng lớn cát trôi xuống hạ lưu, cống bị rỗng, cống đứng đầu cọc Điều cho thấy, tác dụng gia tăng sức chịu tải giữ độ lún cơng trình phạm vi cho phép, cọc BTCT đáy cống có ảnh hưởng không nhỏ đến diễn biến thấm nền, đặc biệt cống cát, thông qua thay đổi trạng thái ứng suất độ rỗng đất Để đánh giá ảnh hưởng cọc BTCT đến thông số Viện Thủy công – Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Hội Đập lớn Phát triển nguồn nước Việt Nam Trường Đại học Thủy lợi 114 dòng thấm cát đáy cống qua đê, nghiên cứu lý thuyết, cần thiết phải có nghiên cứu mơ hình vật lý nhằm mơ tượng thấm móng cọc với điều kiện cơng trình, đất chênh lệch mực nước thượng hạ lưu khác nhau, từ đưa khuyến nghị cần thiết cho công tác thiết kế an tồn THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng thấm cát cống qua đê gia cố cọc BTCT đúc sẵn, gồm: - Nhóm yếu tố thủy lực: khối lượng riêng (ρn) độ nhớt (μn) nước, gia tốc trọng trường (g), chênh lệch mực nước thượng hạ lưu (∆H), cột nước thấm (ht) - Nhóm yếu tố đất nền: Có nhiều yếu tố liên quan đến đất có ảnh hưởng đến đặc trưng thấm kích thước hạt thành phần cấp phối, lượng hạt mịn, hình dạng hạt, hệ số rỗng, độ bão hòa, hệ số thấm, khối lượng thể tích, chiều dày tầng thấm KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 81 (12/2022) + Các đặc trưng phân bố hạt cấp phối hạt, hàm lượng nhóm hạt mịn, … xem xét thông qua hệ số không hạt Cu + Đất cống thường xuyên ngập nước nên bỏ qua ảnh hưởng độ bão hòa + Hệ số rỗng yếu tố ảnh hưởng có tính chất định đến tính thấm đất, yếu tố xem xét qua hệ số thấm đất Như vậy, nhóm yếu tố đất gồm khối lượng thể tích đơn vị (ρđ), hệ số thấm (kth), hệ số không hạt (Cu), chiều dày tầng cát đáy cống (Tc) - Nhóm yếu tố cơng trình gồm chiều dài đường viền thấm (Lth), chiều sâu cừ thượng lưu (hct) hạ lưu (hch) Tác động chủ yếu cọc gia cố làm chặt đất xung quanh cọc q trình đóng cọc Các tác động phụ thuộc vào kích thước mặt cắt ngang cọc (ap), chiều dài cọc (Lp) khoảng cách cọc (dp) Hàm tổng quát đại diện cho tượng xem xét viết sau: f  n , n , g, H , đ , kth , Dr , Cu , Tc , Lth , hct , hch , ap , Lp , d p , ht   (1) Ứng dụng lý thuyết Buckingham (Phạm Ngọc Quý, 2013) chọn 03 đại lượng chứa thứ nguyên [M] (khối lượng), [L] (độ dài), [T] (thời gian) đ [ML-3], ∆H [L] kth [LT-1] để thiết lập mối quan hệ không thứ nguyên sau đây: (2) f 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12  0 Trong đó: gL p  n  ;  đ ;  ;    đ L p k th n k th   T L H ;   c ;   th ;   Lp Lp Lp     hct ;   hch ;   a p ;  Lp Lp Lp  dp  h ;  11  t ;  12  C u  10  L L p p  Mối quan hệ (2) viết lại:   1 1 10 11 f , , , , , , ,12    12 35 6 7 8 9 4  hay: (3) (4)  n Lpkth kth2 Lp Lp Lp dp ht  f , , , , , , ,Cu   (5)  n gTc Lth hct hch ap H    hay:   Lp Lp Lp d p h (6) f  Re, Fr, , , , , t , Cu     Lth hct hch ap H   Với mục tiêu nghiên cứu đặc trưng thấm giới hạn phạm vi định luật Darcy, bỏ qua ảnh hưởng số Raynold (Re) dòng thấm qua kẽ rỗng đất giả thiết chảy tầng (Re < 1); ra, số Froud (Fr) khơng xem xét số dòng chảy mặt, mối quan hệ (6) trở thành:  Lp L p L p d p ht  f , , , , , Cu   (7)  Lth hct hch a p H    Phương trình (7) cung cấp sở để phân tích liệu thử nghiệm tham số phương trình viết dạng hàm tất tham số khác:  L p Lp L p d p  ht  f , , , , Cu  (8)  Lth hct hch a p  H   Phương trình (8) sử dụng để nghiên cứu diễn biến cột nước thấm, gradient thấm trước biến đổi chênh lệch cột nước thượng hạ lưu, chiều dài đường viền thấm, chiều dày tầng cát đáy cống, độ sâu đóng cừ thượng hạ lưu, kích thước khoảng cách cọc gia cố độ chặt tương đối đất MÔ HÌNH VÀ VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM 3.1 Mơ hình thí nghiệm Để thực thí nghiệm phân tích diễn biến cột nước thấm, thiết bị thí nghiệm thấm ngang kết hợp thấm đứng nghiên cứu thiết lập Phạm vi cần thiết cơng trình phải nghiên cứu mơ hình: (i) Cột nước lớn nhất, chiều dày tầng thấm, chiều dày đáy cống khoảng lưu khơng an tồn; (ii) Chiều dài hình chiếu nằm ngang đường viền thấm, chiều dài phần thượng lưu để dòng thấm vào thêm khoảng gia tăng hạ lưu để dịng thấm ra; (iii) Chiều rộng đáy cống Trong nghiên cứu này, lựa chọn tỷ lệ mơ hình 1/40 dựa KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 81 (12/2022) 115 yếu tố chiều dài hình chiếu đường viền thấm nằm ngang điều kiện thí nghiệm Cấu tạo mơ hình minh họa Hình 1, gồm phần chính: (1) Ngăn chứa mẫu đất thí nghiệm bố trí hạng mục cơng trình có kích thước (rộng x cao x dài) = (46x56x240) cm; (2) Ngăn tạo cột nước thượng lưu có kích thước (46x64x89) cm; (3) Ngăn tạo cột nước hạ lưu kích thước (46x34x90) cm (4) Bình cấp nước; (5) Bình thu nước thấm; (6) Hệ thống gia tải mơ tải trọng cơng trình; (7) Thiết bị phụ trợ gồm ống đo áp, máy tính, camera, thước, v.v Bình cấp nước Thước Thước Bảng gắn hệ thống ống đo áp ống đo áp Ngăn tạo cột nước thượng lưu Thiết bị nén tạo tải trọng công trình Ngăn tạo cột nước hạ lưu H Bản đáy Máy bơm Cừ Cừ Cọc M Mẫu đất Bể nước Lỗ bố trí ống đo áp Giá ®ì B×nh thu n­íc thÊm Hình Cấu tạo mơ hình thí nghiệm 3.2 Vật liệu thí nghiệm Hệ số Cu biểu thị mức độ không hạt đất, Cu lớn kích thước hạt khơng ngược lại Khi Cu > – đất coi không hạt Cu ≤ – đất hạt (Cao Văn Chí, Trịnh Văn Cương, 2003) Theo Istomina (1957), đất có Cu < 10 khơng xảy xói ngầm, 10 < Cu < 20 đất thuộc vùng chuyển tiếp đất có Cu > 20 thuộc loại đất xói ngầm Để phục vụ nghiên cứu, tác giả thu thập tài liệu khảo sát, thiết kế 110 cống qua đê thuộc 25 tuyến đê địa bàn tỉnh vùng đồng sông Hồng Kết cho thấy lớp đất cát đáy cống có hệ số Cu dao động từ 1,46 đến 16,15 Theo phân tích trên, phân loại đất khu vực nghiên cứu thành 03 nhóm theo thay đổi hệ số Cu sau: - Nhóm I: Cu ≤ 3,0; - Nhóm II: 3,0 < Cu ≤ 10; - Nhóm III: Cu > 10 116 Trong nhóm đất, tiến hành nghiên cứu thực nghiệm cho loại đất cơng trình thực tế sau: - Mẫu M1 (đại diện cho đất nhóm I): Cát hạt nhỏ, mịn (lớp 4); Cu = 2,54 cống Tắc Giang đê hữu Hồng, Hà Nam; - Mẫu M2 (đại diện cho đất nhóm II): Cát hạt nhỏ (lớp 2); Cu = 4,18 cống Yên Nghĩa - đê tả Đáy, Hà Nội; - Mẫu M3 (đại diện cho đất nhóm III): Cát hạt mịn (lớp 4a); Cu = 16,15 cống Liên Khê đê tả Hồng, Hưng Yên Do lớp đất cát nằm đáy cống nên việc lấy trực tiếp từ công trình khơng thể thực được, mẫu đất thí nghiệm chế bị từ cát tự nhiên với thành phần hạt tương tự đất thực tế (dựa tài liệu khảo sát, thiết kế trước đây) Đất sau trộn thành phần cỡ hạt lấy mẫu để thí nghiệm, tính tốn khối lượng thể tích khơ, hệ số thấm, hệ số rỗng đảm bảo tương đương với đất thực tế KỊCH BẢN THÍ NGHIỆM Trong số 71/110 cống qua đê có thông tin giải pháp chống thấm tác giả thu thập, có 59/71 cống sử dụng cừ để chống thấm, 14/59 bố trí cừ phía sơng (23,7%), 45/59 cống bố trí cừ phía sơng phía đồng (76,3%) Trong 38/110 cống tồn cát, có 32/38 cống bố trí cừ hai phía (84,2%), 4/38 cống bố trí cừ phía sơng (10,5%) 2/38 cống khơng có cừ (5,3%) Từ phân tích trên, tác giả tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng cọc BTCT đến cột nước thấm gradient thấm cát đáy cống có bố trí cừ phía sơng phía đồng Phương trình (8) sử dụng để xác định chuỗi thí nghiệm Sự liên quan đại lượng phương trình cho thấy cần thay đổi đại lượng dẫn đến đại lượng khác thay đổi Trong nghiên cứu này, Cu xác định qua kết thí nghiệm; hct = 125mm, hch = 75mm, Lth = 1040mm giữ khơng đổi suốt q trình thí nghiệm; thay đổi Lp ΔH theo kịch Qua thiết lập chuỗi thí nghiệm sau: KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 81 (12/2022) - Trường hợp có cừ thượng, hạ lưu (hct  hch  0) – không cọc (Lp = 0) tương ứng với tỷ lệ Lp/hct = 0, Lp/hch = 0, Lp/Lth = 0: Sử dụng công cụ SEEP/W để tính tốn đặc trưng dịng thấm cho mẫu đất (kịch KB1.0, KB2.0, KB3.0) Trong trường hợp này, tiến hành thí nghiệm cho mẫu đất M1 (kịch KB1.0) để kiểm chứng kết tính tốn mơ hình số - Trường hợp có cừ thượng, hạ lưu (hct  hch  0) – có cọc (Lp  0) tương ứng với tỷ lệ Lp/hct  0, Lp/hch  0, Lp/Lth  0: Với mẫu đất (xác định Cu), tiến hành thí nghiệm với tỷ lệ (Lp/hct), (Lp/hch), (Lp/Lth) khác cách thay đổi chiều dài cọc (Lp = 62,5mm; 125mm 250mm), giữ nguyên chiều sâu cừ (hct, hch) chiều dài đường viền thấm (Lth) - Trong kịch bản, thay đổi mực nước phía sơng (mực nước phía đồng khơng đổi) để tạo cấp chênh lệch mực nước H = 100, 200, 300, 400mm - Thông số cọc BTCT: Trong số 71 cống qua đê có thơng tin giải pháp gia cố nền, 57 cống sử dụng cọc BTCT đúc sẵn; 93% cống dùng cọc kích thước 30x30cm, 79% cống lựa chọn khoảng cách cọc 4ap ≤ dp < 5ap, 100% cống bố trí hàng cọc song song Trong nghiên cứu này, lựa chọn cọc BTCT đúc sẵn hình vng có kích thước cạnh ap = 30cm, khoảng cách tim cọc dp = 4,5ap = 135cm, bố trí hàng cọc song song để thí nghiệm Bảng Kịch thí nghiệm TT Kịch Mẫu đất Cu 10 KB0.0 KB1.1 KB1.2 KB1.3 KB2.1 KB2.2 KB2.3 KB3.1 KB3.2 KB3.3 M1 M1 M1 M1 M2 M2 M2 M3 M3 M3 2,54 2,54 2,54 2,54 4,50 4,50 4,50 16,15 16,15 16,15 Lp Lp Lp dp Lth hct ap ΔH (mm) 0,00 0,06 0,12 0,24 0,06 0,12 0,24 0,06 0,12 0,24 0,0 0,5 1,0 2,0 0,5 1,0 2,0 0,5 1,0 2,0 hch 0,000 0,833 1,666 3,332 0,833 1,666 3,332 0,833 1,666 3,332 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 100, 200, 300, 400 100, 200, 300, 400 100, 200, 300, 400 100, 200, 300, 400 100, 200, 300, 400 100, 200, 300, 400 100, 200, 300, 400 100, 200, 300, 400 100, 200, 300, 400 100, 200, 300, 400 QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM - B1: Chế bị mẫu đất thí nghiệm; - B2: Lắp đặt thiết bị mơ cơng trình thiết bị đo đạc; - B3: Bão hòa mẫu; - B4: Bơm nước lên bình (4) Mở khóa van bình (4) để xả nước đồng thời từ từ xuống ngăn (2) (3) đến mực nước hạ lưu theo yêu cầu Trong trình xả nước, bố trí lưới thép vải lọc phủ bề mặt mẫu để đảm bảo dòng chảy không gây xáo trộn mẫu đất; - B5: Dâng mực nước thượng lưu với bước tăng ΔH = (100, 200, 300, 400) mm; mực nước hạ lưu giữ cố định; - B6: Kiểm tra độ chênh lệch mực nước ΔH thông qua hai ống đo áp TL HL; - B7: Ở cấp ∆H, tiến hành theo dõi ghi chép biến đổi áp lực thấm ống đo áp, đo lưu lượng thấm KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH 6.1 Kết thí nghiệm Q trình thí nghiệm cho 03 mẫu đất với trường hợp có cừ - khơng cọc, có cừ - có cọc điều kiện chênh lệch cột nước khác tiến hành Để xem xét ảnh hưởng cọc BTCT đến đặc trưng thấm đáy cống, giả thiết dòng thấm đáy cống theo sơ đồ TL – 09 – 10 – 15 – 14 – 13 – 18 – 23 – 26 – 29 – 32 – 33 – 36 – 35 – HL (theo thứ tự lỗ đo áp Hình 2) KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 81 (12/2022) 117 10x50=500 TL 01 TL 03 02 04 05 13 18 23 26 29 32 35 38 41 43 45 19 20 24 25 27 28 30 31 33 36 34 37 42 44 46 10 14 15 07 11 16 21 08 12 17 22 06 39 40 HL ống đo áp 30 Đường dòng giả thiết Bề mặt mẫu đất HL 09 560 30 Bề mặt mẫu đất 48x50 = 2400 Hỡnh Sơ đồ bố trí lỗ đo áp đường dịng giả thiết Diễn biến cột nước thấm đo vị trí lỗ đo áp theo chiều dài đường dòng giả thiết tương ứng kịch thể Hình 350 300 250 400 350 300 250 10 1514 13 18 23 26 29 32 3336 35 HL KB2.0; ΔH = 100mm KB2.1; ΔH = 100mm KB2.2; ΔH = 100mm KB2.3; ΔH = 100mm KB2.0; ΔH = 200mm KB2.1; ΔH = 200mm KB2.2; ΔH = 200mm KB2.3; ΔH = 200mm KB2.0; ΔH = 300mm KB2.1; ΔH = 300mm KB2.2; ΔH = 300mm KB2.3; ΔH = 300mm KB2.0; ΔH = 400mm KB2.1; ΔH = 400mm KB2.2; ΔH = 400mm KB2.3; ΔH = 400mm 200 200 450 TL 400 350 300 Cột nước thấm, mm KB1.0; ΔH = 100mm KB1.1; ΔH = 100mm KB1.2; ΔH = 100mm KB1.3; ΔH = 100mm KB1.0; ΔH = 200mm KB1.1; ΔH = 200mm KB1.2; ΔH = 200mm KB1.3; ΔH = 200mm KB1.0; ΔH = 300mm KB1.1; ΔH = 300mm KB1.2; ΔH = 300mm KB1.3; ΔH = 300mm KB1.0; ΔH = 400mm KB1.1; ΔH = 400mm KB1.2; ΔH = 400mm KB1.3; ΔH = 400mm 400 Cột nước thấm, mm 450 TL 10 1514 13 18 23 26 29 32 3336 35 HL Cột nước thấm, mm 450 TL 250 200 150 150 150 100 100 100 50 50 50 0 150 0 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 Chiều dài đường dẫn thấm giả thiết, mm 10 1514 13 18 23 26 29 32 3336 35 HL KB3.0; ΔH = 100mm KB3.1; ΔH = 100mm KB3.2; ΔH = 100mm KB3.3; ΔH = 100mm KB3.0; ΔH = 200mm KB3.1; ΔH = 200mm KB3.2; ΔH = 200mm KB3.3; ΔH = 200mm KB3.0; ΔH = 300mm KB3.1; ΔH = 300mm KB3.2; ΔH = 300mm KB3.3; ΔH = 300mm KB3.0; ΔH = 400mm KB3.1; ΔH = 400mm KB3.2; ΔH = 400mm KB3.3; ΔH = 400mm 150 a) Mẫu M1 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 Chiều dài đường dòng giả thiết, mm 150 b) Mẫu M2 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 Chiều dài đường dịng giả thiết, mm c) Mẫu M3 Hình Diễn biến cột nước thấm đường dòng giả thiết 0,40 10 1514 0,20 13 18 23 26 29 32 M1, KB1.0, ΔH = 100mm M1, KB1.1, ΔH = 100mm M1, KB1.2, ΔH = 100mm M1, KB1.3, ΔH = 100mm 3336 35HL 0,10 0,00 150 3336 35HL 1514 0,60 0,40 13 18 23 26 29 32 M1, KB1.0, ΔH = 200mm M1, KB1.1, ΔH = 200mm M1, KB1.2, ΔH = 200mm M1, KB1.3, ΔH = 200mm 3336 35HL 0,20 150 10 1514 0,60 0,40 13 18 23 26 29 32 M2, KB1.0, ΔH = 200mm M2, KB1.1, ΔH = 200mm M2, KB1.2, ΔH = 200mm M2, KB1.3, ΔH = 200mm 3336 35HL 0,20 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 Chiều dài đường dòng giả thiết, mm 150 0,60 0,40 13 18 23 26 29 32 M1, KB1.0, ΔH = 300mm M1, KB1.1, ΔH = 300mm M1, KB1.2, ΔH = 300mm M1, KB1.3, ΔH = 300mm 3336 35 HL 0,20 0,80 10 1514 0,60 0,40 13 18 23 26 29 32 M2, KB1.0, ΔH = 300mm M2, KB1.1, ΔH = 300mm M2, KB1.2, ΔH = 300mm M2, KB1.3, ΔH = 300mm 3336 35 HL 10 150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 Chiều dài đường dòng giả thiết, mm 0,20 1514 13 18 23 26 29 32 M1, KB1.0, ΔH = 400mm M1, KB1.1, ΔH = 400mm M1, KB1.2, ΔH = 400mm M1, KB1.3, ΔH = 400mm 3336 35 HL 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 Chiều dài đường dòng giả thiết, mm a) Mẫu M1 10 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 Chiều dài đường dòng giả thiết, mm 1514 0,40 13 18 23 26 29 32 M3, KB1.0, ΔH = 200mm M3, KB1.1, ΔH = 200mm M3, KB1.2, ΔH = 200mm M3, KB1.3, ΔH = 200mm 3336 35HL 0,20 TL 150 0,80 10 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 Chiều dài đường dòng giả thiết, mm 1514 0,60 0,40 13 18 23 26 29 32 M3, KB1.0, ΔH = 300mm M3, KB1.1, ΔH = 300mm M3, KB1.2, ΔH = 300mm M3, KB1.3, ΔH = 300mm 3336 35 HL 0,20 0,00 Gradient thấm 1,40 1,20TL 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 150 150 0,60 0,00 35HL 1,00 TL 1,40 1,20TL 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 150 10 150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 Chiều dài đường dòng giả thiết, mm 1514 13 18 23 26 29 32 M2, KB1.0, ΔH = 400mm M2, KB1.1, ΔH = 400mm M2, KB1.2, ΔH = 400mm M2, KB1.3, ΔH = 400mm 3336 35 HL 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 Chiều dài đường dòng giả thiết, mm Gradient thấm 0,00 TL 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 Chiều dài đường dòng giả thiết, mm Gradient thấm 1514 Gradient thấm 0,80 10 3336 0,10 1,00 TL 13 18 23 26 29 32 M3, KB1.0, ΔH = 100mm M3, KB1.1, ΔH = 100mm M3, KB1.2, ΔH = 100mm M3, KB1.3, ΔH = 100mm 0,00 1,00 1514 0,80 TL 0,00 10 0,20 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 Chiều dài đường dòng giả thiết, mm Gradient thấm 10 TL 0,30 0,00 150 0,80 TL Gradient thấm Gradient thấm 13 18 23 26 29 32 M2, KB1.0, ΔH = 100mm M2, KB1.1, ΔH = 100mm M2, KB1.2, ΔH = 100mm M2, KB1.3, ΔH = 100mm 0,10 0,00 Gradient thấm 1514 0,20 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 Chiều dài đường dòng giả thiết, mm 0,80 Gradient thấm 0,40 10 0,00 118 TL 0,30 Gradient thấm TL 0,30 Gradient thấm Gradient thấm 0,40 1,40 1,20TL 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 150 10 150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 Chiều dài đường dòng giả thiết, mm 1514 13 18 23 26 29 32 M3, KB1.0, ΔH = 400mm M3, KB1.1, ΔH = 400mm M3, KB1.2, ΔH = 400mm M3, KB1.3, ΔH = 400mm 3336 35 HL 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 Chiều dài đường dòng giả thiết, mm b) Mẫu M2 c) Mẫu M3 Hình Diễn biến gradient thấm đường dòng giả thiết KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 81 (12/2022) Giá trị gradient thấm điểm liền kề đường dòng giả thiết: h  ht( j) (9) J (ij )  t (i ) l( ij ) Trong đó: J(ij) giá trị gradient thấm hai điểm thứ (i) thứ (j) liền kề đường dòng giả thiết; ht(i), ht(j) giá trị cột nước thấm điểm thứ (i) điểm thứ (j); Δl(ij) khoảng cách hai điểm thứ (i) thứ (j) 6.2 Phân tích kết Để xem xét ảnh hưởng cọc BTCT gia cố đến cột nước thấm gradient thấm, tiến hành phân chia cống thành 03 vùng: Vùng cửa vào (trước cừ thượng lưu – đại diện ống đo áp số đường dẫn thấm giả thiết); Vùng đáy cống (giữa cừ thượng lưu cừ hạ lưu, đại diện ống đo áp số 13 đầu đáy số 32 cuối đáy); Vùng cửa (sau cừ hạ lưu - ống đo áp số 35) Từ kết đo đạc, tiến hành tính tốn mức độ thay đổi cột nước thấm (rht) gradient thấm (rj) trường hợp có cọc so với trường hợp không cọc vùng cống htc (10) rht  (  1)100 ht J rj  ( c  1)100 (11) J Với h ct , ht cột nước thấm Jc, J gradient thấm kịch có cọc khơng cọc a) Cột nước thấm (ht) - Ở vùng cửa vào, cọc BTCT gia cố làm tăng cột nước thấm so với trường hợp không cọc; mức độ gia tăng phụ thuộc vào tỷ lệ (Lp/hct, Lp/hch, Lp/Lth) độ khơng hạt Cu đất (Hình 5a) Trong mẫu đất (Cu không đổi), cột nước thấm tăng theo chiều dài cọc; chiều dài cọc, cột nước thấm tăng Cu tăng Mức độ tăng lớn 1,3% (Cu = 2,54); 1,43% (Cu = 4,50) 1,95% (Cu = 16,15) trường hợp Lp = 250mm tương ứng với tỷ lệ (Lp/hct = 2,0; Lp/hch = 3,332; Lp/Lth = 0,24) Trường hợp Lp = 62,5mm (Lp/hct = 0,5; Lp/hch = 0,833; Lp/Lth = 0,06), cột nước thấm ống đo áp gia tăng không nhiều (dưới 0,25%) - Vùng đáy cống: + Ở đầu đáy, cột nước thấm có cọc tăng so với trường hợp khơng cọc Hình 5b cho thấy, Cu không đổi, chiều dài cọc tăng dẫn đến rht tăng; Lp không đổi, rht tăng theo hệ số không hạt Mức độ tăng lớn 12,05% trường hợp Cu = 16,15 (Lp/hct = 2,0; Lp/hch = 3,332; Lp/Lth = 0,24); nhỏ 4,4% Cu = 2,54 (Lp/hct = 0,5; Lp/hch = 0,833; Lp/Lth = 0,06) + Ở cuối đáy, trường hợp Lp = 250mm (tương ứng với tỷ lệ Lp/hct = 2,0; Lp/hch = 3,332; Lp/Lth = 0,24), cột nước thấm giảm so với trường hợp không cọc; mức độ giảm lớn 15% Cu = 16,15 nhỏ 5,56% với Cu = 2,54; đó, trường hợp Lp = (62,5 125)mm, cột nước thấm lại có xu hướng gia tăng so với cột nước thấm khơng có cọc gia cố Hình 5c cho thấy, (Lp/hct > 1,69; Lp/hch > 2,80; Lp/Lth > 0,203) – mẫu đất có Cu = 2,54; (Lp/hct > 1,61; Lp/hch > 2,70; Lp/Lth > 0,195) – đất có Cu = 4,50; (Lp/hct > 1,51; Lp/hch > 2,55; Lp/Lth > 0,182) – đất có hệ số khơng hạt Cu = 16,15; cột nước thấm cuối đáy giảm so với trường hợp khơng có cọc gia cố tăng trường hợp ngược lại Giá trị gia tăng lớn xảy chiều dài cọc độ sâu cừ hạ lưu (Lp/hch = 1,0), đạt từ 16% đến 19,66% tùy thuộc vào Cu - Tại vùng cửa ra: Kết thí nghiệm (Hình 5d) cho thấy, diễn biến cột nước thấm vùng tương đồng với diễn biến cột nước vị trí lỗ đo áp số 32 (cuối đáy cống) Mức độ tăng, giảm cột nước thấm lớn thuộc mẫu đất có Cu = 16,15 (tăng xấp xỉ 31% trường hợp Lp/hct = 0,5, Lp/hch = 0,833, Lp/Lth = 0,06; giảm 27,7% Lp/hct = 2,0, Lp/hch = 3,332, Lp/Lth = 0,24) ngược lại, mẫu đất Cu = 2,54 có mức độ tăng, giảm nhỏ (tăng 25,7% trường hợp Lp = 62,5mm giảm xấp xỉ KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 81 (12/2022) 119 12% Lp = 250mm) Mức độ gia tăng cột nước thấm tăng theo tỷ lệ (Lp/hct, Lp/hch, Lp/Lth) tăng Cu tăng; (Lp/hct < 1,61; Lp/hch < 2,68; Lp/Lth < 0,193) với Cu = 2,54; (Lp/hct < 1,56; Lp/hch < 2,60; Lp/Lth < 0,188) với 10,0 rht (% ) 5,0 0,4 0,0 0,0 0,5 2,4 1,0 1,5 Lp/hct 0,5 15,0 M1, Cu = 2,54 M2, Cu = 4,50 M3, Cu = 16,15 1,0 Lp/hct 1,5 2,0 0,0 15 10 r ht (% ) r ht (% ) 1,6 1,2 0,8 20 10 Cu = 2,54 Cu = 4,50 Cu = 16,15 -10 0,4 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 Lp/Lth 4,0 3,6 3,2 2,8 2,4 2,0 1,6 1,2 0,8 0,4 0,0 20 Lp/hct=0,5; Lp/hch=0,833; Lp/Lth=0,06 Lp/hct=1,0; Lp/hch=1,666; Lp/Lth=0,12 Lp/hct=2,0; Lp/hch=3,332; Lp/Lth=0,24 rht (%) 25 20 15 10 -5 -10 -15 -20 Lp/hct=0,5; Lp/hch=0,833; Lp/Lth=0,06 Lp/hct=1,0; Lp/hch=1,666; Lp/Lth=0,12 Lp/hct=2,0; Lp/hch=3,332; Lp/Lth=0,24 15 10 0 12 Cu 16 20 12 16 20 Cu a) Vùng cửa vào -20 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 Lp/Lth 40 30 20 10 -10 -20 -30 -40 0,00 0,05 2,0 12 16 20 c) Vùng cuối đáy Cu = 2,54 Cu = 4,50 Cu = 16,15 0,10 0,15 0,20 0,25 Lp/Lth Lp/hct=0,5; Lp/hch=0,833; Lp/Lth=0,06 Lp/hct=1,0; Lp/hch=1,666; Lp/Lth=0,12 Lp/hct=2,0; Lp/hch=3,332; Lp/Lth=0,24 Cu b) Vùng đầu đáy 1,0 1,5 Lp/hct M1, Cu = 2,54 M2, Cu = 4,50 M3, Cu = 16,15 40 30 20 10 -10 -20 -30 -40 Lp/hct=0,5; Lp/hch=0,833; Lp/Lth=0,06 Lp/hct=1,0; Lp/hch=1,666; Lp/Lth=0,12 Lp/hct=2,0; Lp/hch=3,332; Lp/Lth=0,24 rht (%) 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 L p/Lth 0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 L p/hch 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Lp/hch 30 Cu = 2,54 Cu = 4,50 Cu = 16,15 0,0 rht (% ) Cu = 2,54 Cu = 4,50 Cu = 16,15 2,0 rht (%) M1, Cu = 2,54 M2, Cu = 4,50 M3, Cu = 16,15 -20 r ht (%) 2,4 M1, Cu = 2,54 M2, Cu = 4,50 M3, Cu = 16,15 40 30 20 10 -10 -20 -30 -40 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Lp/hch 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Lp/hch 2,0 10 -10 0,0 1,0 1,5 Lp/hct 20 5,0 0,8 0,4 0,5 30 rht (% ) 1,2 0,0 M1, Cu = 2,54 M2, Cu = 4,50 M3, Cu = 16,15 10,0 rht (% ) 2,0 1,6 0,0 2,0 rht (% ) 0,0 M1, Cu = 2,54 M2, Cu = 4,50 M3, Cu = 16,15 r ht (% ) 1,2 0,8 40 30 20 10 -10 -20 -30 -40 rht (%) r ht (% ) 1,6 25 20 15 10 -5 -10 -15 -20 M1, Cu = 2,54 M2, Cu = 4,50 M3, Cu = 16,15 rht (% ) 15,0 M1, Cu = 2,54 M2, Cu = 4,50 M3, Cu = 16,15 r ht (% ) 2,4 2,0 Cu = 4,50 (Lp/hct < 1,5; Lp/hch < 2,51; Lp/Lth < 0,181) với Cu = 16,15; cột nước thấm cửa tăng so với trường hợp khơng có cọc gia cố giảm trường hợp ngược lại Mức độ tăng đạt giá trị lớn trường hợp Lp = hch 12 16 20 Cu d) Vùng cửa Hình Mức độ thay đổi cột nước thấm ảnh hưởng cọc b) Gradient thấm Kết thí nghiệm cho thấy, cọc gia cố làm thay đổi grdient thấm trường hợp (Lp/hct, Lp/hch, Lp/Lth) đất có hệ số khơng hạt (Cu) khác Để thấy rõ thay đổi này, tiến hành phân tích gradient thấm hai điểm liền kề đường dòng giả thiết khu vực cửa vào (đoạn TL – 09) khu vực cửa (đoạn 35 – HL) 120 - Khu vực cửa vào (Hình 6a): Trong tất kịch thí nghiệm có cọc, gradient thấm đoạn TL – 09 giảm so với kịch không cọc Mức độ giảm gradient thấm lớn 48,5% tương ứng với trường hợp (L p /h ct = 2,0; L p /h ch = 3,332; L p /L th = 0,24) Cu = 16,15; nhỏ 3,3% (L p /h ct = 0,5; L p /h ch = 0,833; L p /L th = 0,06) Cu = 2,54 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 81 (12/2022) -10 -10 -10 -20 -20 -20 -30 M1, Cu = 2,54 M2, Cu = 4,50 M3, Cu = 16,15 -40 -50 0,0 0,5 1,0 1,5 -30 -40 -50 M1, Cu = 2,54 M2, Cu = 4,50 M3, Cu = 16,15 Lp/hct -20 Lp/hct=0,5; Lp/hch=0,833; Lp/Lth=0,06 Lp/hct=1,0; Lp/hch=1,666; Lp/Lth=0,12 -30 -30 -40 M1, Cu = 2,54 M2, Cu = 4,50 M3, Cu = 16,15 -50 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 2,0 rht (%) rj (%) -10 rj (%) rj (%) -40 -50 Lp/Lth Lp/hch 12 Cu 16 20 a) Vùng cửa vào (đoạn TL – 09) 0,0 0,5 1,0 Lp/hct 1,5 2,0 rj (%) r j (%) M1, Cu = 2,54 M2, Cu = 4,50 M3, Cu = 16,15 40 30 20 10 -10 M1, Cu = 2,54 -20 M2, Cu = 4,50 -30 M3, Cu = 16,15 -40 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 M1, Cu = 2,54 M2, Cu = 4,50 M3, Cu = 16,15 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Lp/Lth Lp/hch 40 30 20 10 -10 -20 -30 -40 rht (%) 40 30 20 10 -10 -20 -30 -40 rj (%) 40 30 20 10 -10 -20 -30 -40 Lp/hct=0,5; Lp/hch=0,833; Lp/Lth=0,06 Lp/hct=1,0; Lp/hch=1,666; Lp/Lth=0,12 Lp/hct=2,0; Lp/hch=3,332; Lp/Lth=0,24 12 Cu 16 20 b) Vùng cửa (đoạn 35 – HL) Hình Ảnh hưởng cọc đến gradient thấm khu vực cửa vào cửa - Khu vực cửa ra: Gradient thấm khu vực có thay đổi lớn ảnh hưởng cọc BTCT Ở kịch có tỷ lệ (Lp/h ct = 2,0; Lp/h ch = 3,332; L p/Lth = 0,24), gradient thấm giảm rõ rệt so với kịch không cọc; kịch lại, gradient thấm lại có xu hướng tăng so với kịch khơng có cọc Hình 6b thể mức độ thay đổi gradient thấm theo tỷ lệ (Lp/h ct , L p/hch, Lp/Lth) tương ứng với loại đất có hệ số Cu khác Mẫu đất M3 (Cu = 16,15) có biến thiên gradient lớn nhất; tăng trung bình 31,06% trường hợp (Lp/hct = 0,5; Lp/hch = 0,833; Lp/Lth = 0,06) giảm trung bình 27,66% (Lp/hct = 2,0; Lp/hch = 3,332; Lp/Lth = 0,24) Mẫu đất M1 (Cu = 2,54) có biên độ biến thiên gradient nhỏ nhất; tăng 25,67% trường hợp (Lp/hct = 0,5; Lp/hch = 0,833; Lp/Lth = 0,06) giảm 11,98% (Lp/hct = 2,0; Lp/hch = 3,332; Lp/Lth = 0,24) Hình 6b cho thấy, gradient thấm tăng theo tỷ lệ (Lp/hct, Lp/hch, Lp/Lth) tăng Cu tăng Khi (Lp/hct < 1,61; Lp/hch < 2,68; Lp/Lth < 0,193) - Cu = 2,54; (Lp/hct < 1,56; Lp/hch < 2,60; Lp/Lth < 0,188) - Cu = 4,50 (Lp/hct < 1,5; Lp/hch < 2,51; Lp/Lth < 0,181) - Cu = 16,15; gradient thấm cửa tăng so với trường hợp khơng có cọc gia cố, đạt giá trị lớn trường hợp Lp/hch = 1,0 giảm trường hợp ngược lại KẾT LUẬN Cọc BTCT gia cố cát làm thay đổi cột nước thấm, gradient thấm khu vực cửa vào, đáy cửa cống qua đê so với trường hợp khơng có cọc gia cố Mức độ thay đổi phụ thuộc vào độ dài cọc (Lp), chiều sâu cừ (hct, hch), chiều dài đường viền thấm (Lth) hệ số không hạt (Cu) đất Ở vùng cửa vào, cột nước thấm tăng 2%, gradient thấm giảm nên bỏ qua ảnh hưởng cọc Ở khu vực đáy cửa ra, cột nước thấm có thay đổi đáng kể Tại đầu đáy cống, cột nước thấm tăng tất kịch bản; cuối đáy khu vực cửa ra, cột nước thấm tăng giảm phụ thuộc vào tỷ số (Lp/hct, Lp/hch, Lp/Lth); giá trị tăng lớn Lp = hch Như vậy, tác dụng làm tăng sức khả chịu lực giảm chuyển vị cho cống; cọc BTCT đúc sẵn có ảnh hưởng khơng nhỏ đến cột nước thấm, gradient thấm cát đáy cống qua đê Đây vấn đề cần quan tâm thiết kế cống đê cát KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 81 (12/2022) 121 có sử dụng cọc BTCT đúc sẵn để gia cố Kết nghiên cứu thực nghiệm sử dụng để phục vụ cơng tác thiết kế, cảnh báo an tồn cho cơng trình TÀI LIỆU THAM KHẢO Đinh Xuân Trọng, Phùng Vĩnh An (2020), Báo cáo tổng kết phần đê sông Đề tài độc lập cấp Nhà nước “Nghiên cứu công nghệ phát sớm nguy cố đê sông, đập đất, đập đá, đập bê tông trọng lực đề xuất giải pháp xử lý”, Mã số 04/16-ĐTĐL.CN-CNN, Hà Nội Phạm Ngọc Quý (2013), Nghiên cứu thực nghiệm thủy lực Bài giảng dùng cho cao học, Trường Đại học Thủy lợi, Hà Nội Cao Văn Chí, Trịnh Văn Cương (2003), Cơ học đất, Hà Nội: Nhà Xuất Xây dựng Istomina, V.S (1957), Filtration Stability of Soils, Gostroizdat, Moscow, Leningrad Abstract: RESEARCH ON THE EFFECTS OF REINFORCED CONCRETE PILES ON THE SEEPAGE CHARACTERISTICS IN SAND FOUNDATION OF UNDER-DIKE CULVERTS BY PHYSICAL MODEL The under-dike culverts is one of the important items constituting a dike system Many culverts are built on permeation sensitive sand foundation The solution for seepage modifications is driving impermeability sheet pile and driving reinforced concrete piles to increase the bearing capacity of the foundation, keep the settlement within allowable range There have been many incidents of under-dike culverts on sand foundation due to seepage during the last time As recorded, most of the incidents occurred adjacent to the culverts with the foundation supported by reinforced concrete piles The problem is that reinforced concrete piles can change the characteristics of seepage flow, thereby increasing seepage deformation and leading to instability of the structure In this study, a mathematical relation between the hydraulics, works, soil factors has established based on the dimensional analysis method On this basis, a new experimental model was designed to perform test series with different conditions This paper presents the results of an experimental study to determine the change of seepage characteristics in the sand foundation of the under-dike culverts due to the influence of reinforced concrete piles Keywords: Under-dike culvert, seepage characteristics, sand foundation, reinforced concrete piles, physical model Ngày nhận bài: 02/11/2022 Ngày chấp nhận đăng: 31/12/2022 122 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 81 (12/2022) ... pháp gia cố nền, 57 cống sử dụng cọc BTCT đúc sẵn; 93% cống dùng cọc kích thước 30x30cm, 79% cống lựa chọn khoảng cách cọc 4ap ≤ dp < 5ap, 100% cống bố trí hàng cọc song song Trong nghiên cứu. .. trường hợp có cừ - khơng cọc, có cừ - có cọc điều kiện chênh lệch cột nước khác tiến hành Để xem xét ảnh hưởng cọc BTCT đến đặc trưng thấm đáy cống, giả thiết dòng thấm đáy cống theo sơ đồ TL – 09... khơng nhỏ đến cột nước thấm, gradient thấm cát đáy cống qua đê Đây vấn đề cần quan tâm thiết kế cống đê cát KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 81 (12/2022) 121 có sử dụng cọc BTCT đúc