Nghiên cứu ảnh hưởng của hệ số thấm đất cát đến hệ số an toàn chống cát sôi trong tường cừ và tường vây hố đào

5 2022ISSN 2734 9888 109 Nghiên cứu ảnh hưởng của hệ số thấm đất cát đến hệ số an toàn chống cát sôi trong tường cừ và tường vây hố đào The influence of permeability coefficient of sandy soil on the f[.]

nNgày nhận bài: 21/3/2022 nNgày sửa bài: 07/4/2022 nNgày chấp nhận đăng: 22/4/2022 Nghiên cứu ảnh hưởng hệ số thấm đất cát đến hệ số an toàn chống cát sôi   tường cừ tường vây hố đào The influence of permeability coefficient of sandy soil on the factor of safety against soil piping under sheet pile walls and diaphram walls  > TS NGUYỄN MINH ĐỨC1; THS LÊ ĐỨC LONG2 GV Khoa Xây dựng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Email: ducnm@hcmute.edu.vn HVCH Khoa Xây dựng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Email: duclong.navicons@gmail.com TĨM TẮT Nghiên cứu đề xuất mơ hình thí nghiệm khảo sát hệ số an tồn chống cát sôi (Fs) tường cừ tường vây hố đào Thông số mơ hình thay đổi bao gồm (1) hệ số thấm; (2) độ chặt đất cát; (3) độ chênh cao cột nước Hệ số an toàn Fs kiểm nghiệm dựa theo phương pháp giải tích kết hợp với kết thí nghiệm Kết nghiên cứu cho thấy hệ số thấm tăng lên 26.3% làm giảm khoảng 17.3% hệ số an tồn chống cát sơi Fs Nghiên cứu đề xuất giá trị tối thiểu Fs từ 1.5-2.0 cho phương pháp giải tích Từ khóa: Hệ số an toàn; tường cừ; hố đào; đất cát; cát sôi ABSTRACT A laboratory model was developed to investigate the influence of the permeability coefficient of sandy soil on the factor of safety against sand boiling, Fs of diaphragm wall for deep excavation The variation of the tests includes(1) permeability coefficient, (2) the density of sand and (3) the total head of water The value of Fs was evaluated using several analytical methods combined with experimental results The results revealed that 26.3% increment of the permeability coefficient of sand induced about 17.3% reduction in Fs Last, the study also proposed a minimum Fs of 1.52.0 when using the current methods Keywords: Factor of safety; sand piping; excavation; diaphram wall; sheet pile wall GIỚI THIỆU Hiện tượng cát sôi tượng hạt cát đá nhỏ bị lôi khỏi vị trí ban đầu tác dụng học dịng thấm dẫn đến đất đá hình thành lỗ rỗng, khe rỗng, làm sụt lún mặt đất, gây ảnh hưởng nguy hiểm thi công xây dựng làm sụt trượt đào, biến dạng bề mặt cơng trình liền kề Trong năm vừa qua, thành phố lớn Việt Nam xảy nhiều cố thi công hố đào sâu gây sụt lún cơng trình lân cận Năm 2007 xảy cố tòa nhà Pacific nằm số nhà 43-45-47 Nguyễn Thị Minh Khai, phường Bến Nghé, quận 1, TP.HCM cơng trình bắt đầu thi cơng sàn tầng hầm Ngày 9/10/2007 khoảng 18 30 đào đất để chuẩn bị đổ bê tơng móng vị trí tiếp giáp tường vây cao trình âm 21 mét so với cốt tầng cơng trình Pacific tường vây xuất lỗ thủng rộng 30-35 cm, dài 168 cm Do áp lực mạnh nước ngầm vị trí lỗ thủng nên gây tràn nước lơi đất phía ngồi tường vào tầng hầm, 19 dãy nhà trụ sở Viện khoa học Xã hội vùng Nam Bộ gồm lầu bất ngờ đổ sập, bị vùi sâu lòng đất 10 m, phần lại khu nhà có nguy đổ sập (hình 1a) Một cố khác gây hố tử thần đường Lê Văn Lương kéo dài đoạn chạy qua khu đô thị Dương Nội, quận Hà Đông, Hà Nội năm 2012 Hiện tượng sụt lún bắt đầu diễn từ lúc 8h ngày 19/8/2012 Đến thời điểm 11h30 ngày, “hố tử thần” mở rộng, kéo sập dải phân cách đường, “ăn” sang phần đường đối diện kéo sập phần vỉa hè, bẻ gẫy đường ống nước thoát nước mưa thành phố, hàng ngàn mét khối nước tràn vào, nhấn chìm tầng hầm cơng trình xây dựng cạnh (hình 1b) Năm 2013, q trình thi cơng hố đào cơng trình SaiGon Plaza gây sụt lún cho tòa án nhân dân TP.HCM nằm số 26 đường Lê Thánh Tôn, phường Bến Nghé, Quận 1, TP.HCM (hình 1c) Cũng địa bàn TP.HCM xảy sụt lún cơng trình xây dựng đường Ung Văn Khiêm quận Bình Thạnh thi cơng hố đào cơng trình lân cận (hình 1d) Các cố nói có điểm chung q trình thi cơng hố đào xuất dịng thấm đất cát vào hố đào gây sụt lún cơng trình lân cận ISSN 2734-9888 5.2022 109 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC (a) (b) (c) (d) Hình 1- Hình ảnh cố sụt lún thi cơng hố đào sâu gây sụt lún cho cơng trình lân cận Đã có số tiêu chuẩn Việt Nam ban hành nhằm thiết kế, thi cơng cơng trình ngầm, cơng trình thủy lợi, tường chắn bảo vệ khỏi tượng xói ngầm Theo tiêu chuẩn quốc gia TCVN 11823-11:2017 Thiết kế cầu đường bộ, yêu cầu phải đánh giá thẩm thấu, xói ngầm đất móng thiết kế tường xây dựng dọc theo sông suối quy định Điều 6.4.4.2 Phần tiêu chuẩn Trong gradient thủy lực khơng vượt giá trị: 0.2 với đất bùn đất dính 0.3 loại đất khơng dính khác TCVN 8422:2010 cơng trình thủy lợi - thiết kế tầng lọc ngược cơng trình thủy cơng bảo vệ đất dính chống xói ngầm cơng trình thủy lợi TCVN 4253:2012 Cơng trình thủy lợi Nền cơng trình thủy cơng - u cầu thiết kế dẫn u cầu giá trị tính tốn gradient tới hạn trung bình cột nước đất phải lấy theo bảng Khi thiết kế sơ cơng trình cấp III, IV tham khảo giá trị ghi bảng Đối với đất khơng xói ngầm, giá trị cho phép lấy khơng lớn 0,3 cịn có thiết bị tiêu nước khơng nhỏ 0,6 Khi có nước dị móng tường, phải xét đến tác động lực đẩy lực dòng nước thấm Đại đa số tiêu chuẩn quy định tính tốn thiết kế cơng trình chống xói ngầm dành cho cơng trình thủy lợi, giao thơng mà chưa có tiêu chuẩn ban hành cho cơng trình ngầm dân dụng cơng nghiệp 110 5.2022 ISSN 2734-9888 Bảng Gradient tới hạn trung bình tính tốn cột nước (TCVN 4253-2012) Loại đất Gradient tới hạn trung bình tính tốn cột nước J Ktb Đất sét Đất sét pha Đất cát pha Đất cát 1.35 0.80 0.60 Thô 0.48 Vừa 0.42 Nhỏ 0.32 Bảng Gradient tới hạn theo cấp cơng trình (TCVN 4253-2012) Loại đất J theo cấp cơng trình K Đặc biệt I II III Đất sét 0.7 0.8 0.9 Đất sét 0.35 0.4 0.45 Cát hạt lớn 0.32 0.35 0.4 Cát hạt trung bình 0.22 0.25 0.28 Cát hạt nhỏ 0.18 0.20 0.22 Chú thích: Cơng trình cấp đặc biệt phải thí nghiệm mơ hình IV 1.08 0.54 0.48 0.34 0.26 Hình 2- Mơ hình tính hệ số an tồn chống xói ngầm dựa theo đường dịng khối cát sôi (sand boiling zone) (a) Terzaghi (1922); (b) Ou (1998) Hình 3- Xác định hệ số an tồn chống xói ngầm tường chắn đất (Marsland, 1953) Nhiều nghiên cứu nước đánh giá ảnh hưởng dịng thấm đến q trình xói ngầm loại đất khác Bùi Văn Trường (2015) trình bày kết nghiên cứu, xác định đặc trưng biến dạng thấm bao gồm gradient áp lực thấm giới hạn gây xói ngầm gradient áp lực thấm giới hạn gây cát chảy cho lớp đất cát hạt bụi, cát hạt nhỏ hệ tầng Thái Bình hệ tầng Hải Hưng phân bố đê sông Hồng phương pháp thí nghiệm trường Kết nghiên cứu cho thấy cát chảy xảy cửa thoát gradient vượt gradient giới hạn cát tương ứng 0.7090.742 Xói ngầm phát triển giai đoạn đầu, xảy gradient 0.433 0.510 hạt bị xói ngầm hạt sét, hạt bụi nhỏ, mùn thực vật Lê Văn Thảo cộng (2018) đề xuất nghiên cứu đánh giá khả xói hạt mịn số đất đắp đập, đê dựa vào tiêu chuẩn cỡ hạt Nghiên cứu sử dụng chương trình Matlab để đánh giá khả xói hạt mịn số loại đất lựa chọn từ đập, đê cụ thể đưa Bài báo kết đánh giá khả xói hạt mịn cho số loại đất đắp đập, đê từ Canada, Pháp Việt Nam số loại đất rời thiết kế Nhiều nghiên cứu nước nghiên cứu hệ số thấm đất tính tốn hệ số an tồn chống xói ngầm cho tường chắn hố đào Terzaghi (1922), Harza (1935), Marsland (1953), phương pháp dòng thấm đơn giản đề xuất Ou (1998) Harza (1935) định nghĩa hệ số an toàn chống lại tượng xói ngầm dựa theo mơ hình thí nghiệm dòng thấm chảy qua lớp đất bão hòa: i (1) Fs  cr imax với icr = gradient thủy lực cực hạn tính tốn từ tỷ trọng Gs hệ số rỗng e loại đất hạt rời theo công thức: G 1 (2) icr  s e 1 imax = gradient thủy lực lớn dòng thấm đường thoát (exit) hố đào Terzaghi (1922) đề xuất phương pháp tính tốn ổn định tường chắn dòng thấm đảm bảo ổn định chống tượng trồi khối đất (heave zone) Terzaghi dựa theo nhiều mơ hình thí nghiệm tường cừ, kết cho thấy tượng xói ngầm tìm thấy khoảng cách Hp/2 với Hp chiều sâu cọc ngàm vào đất (hình 2a) Từ đó, hệ số an tồn theo Terzaghi (1922) xác định theo cơng thức: ' Fs  ( (3) iavg  w ISSN 2734-9888 5.2022 111 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Hình 4- Mơ hình thí nghiệm thực tế hình ảnh phá hoại bên hố đào cát sôi Bảng Thông số mơ hình kết thí nghiệm Độ chặt Dr (%) w cm Hp = He(cm) D (cm) q, cm3/s vef (cm/s) 70% 17.4 2.5 4.63 0.065 14.37 80% 17.7 2.5 3.55 0.050 90% 18 2.5 2.54 0.036 Trong  = trọng lượng riêng đẩy đất cát vùng cát sôi w = trọng lượng riêng nước iavg = gradient thủy lực trung bình khối cát sơi (4) Phương pháp lý thuyết thấm chiều đơn giản Ou (1998) đề xướng dựa theo mơ hình thấm chiều đơn giản (hình 2b) tính tốn giá trị gradient thủy lực lớn dựa theo dòng thấm nằm lớp cát sát với tường chắn (abcd) Hệ số an toàn chống xói ngầm đề xuất tính theo cơng thức:  ' (H e  2H p  di  d j ) icr (5) Fs    iavg  w H W Marsland (1953) thử nghiệm mơ hình để khám phá tượng xói ngầm hố đào, sau thơng qua NAVFAC DM7.1 (1982) cơng bố kết hình Dựa vào biểu đồ, hệ số an tồn chống xói ngầm tường chắn đất cát xác định dựa theo điều kiện độ chặt đất cát, chiều sâu hố đào, độ ngàm bề rộng tường chắn Nghiên cứu phân rõ trường hợp có khơng có lớp đất khơng thấm nằm chiều sâu hữu hạn hố đào Ngoài phương pháp kể trên, Mozó cộng (2014) đánh giá độ ổn định thủy lực tường chắn đất cát ảnh hưởng dòng thấm Nghiên cứu ứng dụng GGU-SS-FLOW 2D (2008) tính tốn giá trị gradient thủy lực, tốc độ dòng chảy hố đào áp lực nước thủy động xảy tường chắn Dựa vào giá trị hệ số an tồn chống xói ngầm Fs = icr/i 2, nghiên cứu đề xuất giá trị chiều sâu hố đào tối đa chiều sâu ngàm chân tường tối thiểu nhằm đảm bảo độ ổn định cho hố đào Nghiên cứu so sánh kết tính tốn hệ số thấm đẳng hướng hệ số thấm không đẳng hướng đất cát Nghiên cứu so sánh áp lực nước thủy động tác dụng lên tường với áp lực nước thủy tĩnh Aulbach cộng (2013) đề xuất biểu đồ thiết kế tính tốn chiều sâu ngàm tường chắn chống lại đẩy trồi thủy lực dòng thấm đất cát Nghiên cứu sử dụng mơ hình 3D tường vây hố đào Nghiên cứu dựa vào tính tốn hệ số an tồn Fs có lực đẩy trồi thủy lực dòng thấm phải nhỏ trọng lượng đất nước khối đất đề xuất mơ hình Terzaghi (1922) Nghiên cứu áp dụng giá trị hệ số an toàn đề xuất tiêu chuẩn Đức Áo (DIN 1054 ÖNORM B 1997-1-1) từ 112 5.2022 ISSN 2734-9888 ief iab ibc icd 5.30 1.23 0.67 1.46 1.12 13.76 5.40 1.11 0.74 1.30 1.16 13.25 5.10 0.97 0.81 1.26 1.04 h1, cm h2, cm đưa biểu đồ cho q trình tính tốn thiết kế độ ngàm u cầu chân tường chắn đảm bảo ổn định chống đẩy trồi dịng thấm gây Phân tích nghiên cứu tính tốn hệ số an tồn chống xói ngầm đẩy trồi dòng thấm chân tường chắn cho thấy nghiên cứu chủ yếu dựa vào gradien thủy lực dịng thấm để tính tốn hệ số an tồn Phương pháp Harza (1935) dựa vào thí nghiệm dòng thấm qua lớp đất bão hòa với gradient thủy lực khối đất, từ đánh giá hệ số an tồn thơng qua giá trị gradient thủy lực lớn đường dịng thấm So sánh cơng thức (1) cơng thức (3) (5) phương pháp Harza (1935) Terzaghi (1922) Ou (1998) thấy phương pháp xét đến ổn định hạt đất riêng rẽ (tính đến imax) khối đất cụ thể sau tường chắn (tính đến iavg khối đất) Bên cạnh đó, xét ổn định gây đẩy trồi hạt đất sát tường chắn khối đất, nghiên cứu chưa nghiên cứu ảnh hưởng hệ số thấm đất cát đến độ ổn định hố đào tác dụng dịng thấm đó, hệ số an toàn nghiên cứu trước chưa đánh giá xác Nghiên cứu phát triển mơ hình thí nghiệm tường chắn hố đào phịng thí nghiệm khảo sát độ ổn định đất cát hố đào ảnh hưởng dòng thấm Nghiên cứu thay đổi thông số tường chắn, loại cát có hệ số thấm đầm chặt khác nhau, từ xác định thơng số thí nghiệm lưu lượng, chiều cao cột nước áp theo thời gian để đánh giá độ ổn định hố đào Nghiên cứu đưa tính tốn giải tích nhằm đánh giá yếu tố tốc độ dòng chảy, gradient thủy lực, từ đề xuất phương pháp xác định hệ số an tồn chống xói ngầm đẩy trồi tin cậy cho tường chắn đất cát VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 2.1 Đất cát mịn Đất cát sử dụng thí nghiệm có phần trăm hạt mịn 0.96% với biểu đồ phân bố thành phần hạt hình Cát xếp loại SP (cát cấp phối kém) theo phân loại đất thống USCS (Unified Soil Classfication System) Hoa Kỳ Cát xác định độ chặt lớn nhỏ thơng qua thí nghiệm xác định hệ số rỗng lớn nhỏ theo tiêu chuẩn ASTM D4253 ASTM D4254 Tính chất đất cát thể bảng Bảng Kết hệ số an tồn chống cát sơi mơ hình thí nghiệm Độ chặt, Dr (%) H w (cm) Hp (cm) D (cm) D/Hw 70% 17.4 5.0 2.5 80% 17.7 5.0 2.5 90% 18.0 5.0 2.5 Hệ số an toàn chống cát sôi, Fs Terzaghi (1922) Ou (1998) Harza (1935), Fs_bc Harza (1935), Fs_cd 0.144 0.79 1.0 0.62 0.81 0.141 0.79 1.0 0.71 0.79 0.139 0.79 1.0 0.75 0.90 Bảng Hệ số an tồn tối chống xói ngầm tối thiểu theo phương pháp tính cho mơ hình thí nghiệm đề xuất Hệ số an toàn tối thiểu đề xuất Hệ số an toàn tối thiểu đề xuất Hệ số an toàn tối thiểu đề xuất Dr e Harza (1935) kết hợp đo Ou (1998) Terzaghi (1922) Harza (1935) kết hợp đo Ou (1998) Terzaghi (1922) Harza (1935) kết hợp đo Ou (1998) Terzaghi (1922) 70% 80% 90% 0.86 0.82 0.79 1.10 1.10 1.10 1.75 1.54 1.46 1.38 1.22 1.15 1.20 1.20 1.20 1.91 1.68 1.59 1.51 1.33 1.26 1.50 1.50 1.50 2.39 2.10 1.99 1.89 1.66 1.57 Hệ số thấm cát thí nghiệm dựa theo tiêu chuẩn ASTM D2434 với mẫu trụ cao 500mm, đường kính 110mm Mẫu đất cát chuẩn bị độ chặt 70%, 80%, 90, độ chặt tương đối xác định theo công thức: e e (6) Dr  max emax  emin Khối lượng riêng,  hệ số rỗng, e tương ứng với độ chặt cát thể bảng Kết thí nghiệm cho thấy hệ số thấm giảm từ 0.0474 cm/s đến 0.0375 cm/s (khoảng 20%) gia tăng độ chặt đất cát từ 70% đến 90% (bảng 4) Bảng Tính chất đất cát Tính chất Giá trị Phần trăm hạt thô (hạt cát) (%) 94.04 Phần trăm hạt mịn (%) 0.69 1.534 Khối lượng riêng khô lớn nhất, d_max (g/cm3) 1.298 Khối lượng riêng khô nhỏ nhất, d_min (g/cm3) 1.041 Hệ số rỗng lớn nhất, emax Hệ số rỗng lớn nhất, emin 0.727 Tỷ trọng, Gs 2.65 SP Phân loại đất theo USCS Bảng Tính chất gradien thủy lực tới hạn tương ứng với độ chặt cát icr Dr (%) e  (g/cm3) ktb (cm/s) 70 0.822 1.455 0.0474 0.906 80 0.790 1.480 0.0447 0.922 90 0.759 1.507 0.0375 0.938 2.2 Mơ hình phương pháp thí nghiệm Mơ hình thí nghiệm thiết kế với chiều sâu đất hố đào He =Hp = 5cm Độ chênh cao cột nước xác định với hệ số an tồn chống xói ngầm Fs = 1, Fs tính tốn theo phương pháp dòng thấm chiều đơn giản Ou (1998) đề xuất Thí nghiệm áp dụng với đất cát độ chặt từ Dr = 70%90% Chiều cao cột nước trước sau tường chắn tính tốn dựa theo giá trị gradient thủy lực tới hạn (bảng 5) Sau dòng thấm ổn định, áp lực nước U1 U2 vị trí tường vây hố đào xác định từ mơ hình thí nghiệm, U1 áp suất điểm chân tường chắn (điểm b) U2 áp suất nước điểm phía sau tường chắn, nằm mặt cát sau tường 2.5mm (điểm c) KẾT QUẢ Sau dòng thấm ổn định, lưu lượng áp lực nước vị trí cần khảo sát tường vây hố đào xác định từ mơ hình thí nghiệm Hình ảnh hố đào bị phá hoại xói ngầm thể hình Kết cho thấy hệ số an tồn thực tế mơ hình phải nhỏ (hiện tượng xói ngầm xảy gây phá hoại hố đào) 3.1 Kết thông số mô hình thí nghiệm Kết thí nghiệm từ mơ hinh bao gồm lưu lượng nước, chiều cao cột nước Hw chiều cao cột nước vị trí đo U1, U2 thể bảng Từ dựa theo định luật thấm Darcy, giá trị gradient thủy lực lớn tính tốn với dịng thấm chảy sát tường cừ (có chiều dài thấm nhỏ nhất) Các giá trị gradient thủy lực tính giá trị trung bình theo đoạn dịng thấm: Gradient thủy lực dọc theo dịng thấm ab, iab tính bằng: H p  H w  h1 (7) iab  He  H p  Tương tự, gradient thủy lực theo dòng thấm bc, ibc dòng thấm cd, icd tính theo cơng thức: h1  H p /  h2 (8) ibc  Hp /22 icd  h2  H p / (9) Hp / Trong h1, h2 = chiều cao cột nước tương ứng với áp suất U1 U2 vị trí b c mơ hình thí nghiệm (hình 4) Các giá trị độ dài chiều cao tính theo đơn vị cm, Bên cạnh đó, gradient thủy lực trung bình đáy tường chắn qua mặt cắt ef (hình 4) xác định dựa theo lưu lượng nước q thu từ mô hình diện tích mặt cắt Aef:  ief vef q  K Aef K (10) Kết tính tốn cho thấy gradient thủy lực dọc theo dòng thấm sát hố đào không đồng Gradient thủy lực nhỏ dòng thấm ab tăng lên, đạt giá trị lớn dịng thấm bc sau giảm dần dịng thấm cd Có thể thấy, ảnh hưởng khe hẹp ef, làm gia tăng tốc độ dịng chảy, từ gia tăng gradient thủy lực Kết tính gradient thủy lực khe hẹp ef phù hợp với gradient thủy lực lớn dòng thấm bc So sánh với giá trị gradient thủy lực cực hạn bảng cho thấy, dòng thấm bc ISSN 2734-9888 5.2022 113 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC cd lớn nhiều giá trị gradient thủy lực tới hạn Điều giải thích cho phá hoại mơ hình thấm hình 3.2 Hệ số an tồn chống cát sơi Dựa vào thơng số mơ hình thực nghiệm, hệ số an tồn chống xói ngầm theo phương pháp khác xác định tương ứng với trường hợp thí nghiệm Kết hệ số an tồn chống xói ngầm theo phương pháp Terzaghi (1922) thể bảng Kết tính tốn hệ số Fs = 0.79< phù hợp với điều kiện phá hoại thực tế mơ hình thí nghiệm (hình 4), nhiên thấy kết tính tốn hệ số an tồn không đổi thay đổi hệ số thấm đất cát Như vậy, phương pháp Terzaghi (1922) chưa phản ánh phụ thuộc hệ số thấm hệ số an tồn chống cát sơi Nhận xét tương tự phương pháp Ou (1998) thể bảng Phương pháp Marsland (1953) không đưa giá trị hệ số an toàn với tỷ số D/Hw