Luận văn thạc sĩ Công trình thủy: Biến dạng của nền đất xung quanh hố móng khi hạ mực nước ngầm trong móng sâu

trong ba loại kết cấu được sử dụng cho công trình hố móng có độ sâu khác nhau, với kết cấu chắn giữ bằng hàng cọc theo kiểu dẫy cột được sử dụng cho hố móng có đất nền tương đối tốt và m

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học do chính tôi thực hiện Các

số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Lê Hữu Bính

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cám ơn các thầy hướng dẫn khoa học đặc biệt là người thầy hướng dẫn chính TS Nguyễn Kế Tường đã tận tâm hướng dẫn khoa học, động viên và giúp

đỡ tôi hoàn thành luận án này

Tôi cũng xin bày tỏ sự biết ơn tới sự quan tâm của Khoa Đào tạo sau đại học – Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh và sự ủng hộ của bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình làm luận án

Cuối cùng tôi xin chân thành cám ơn đến gia đình đã động viên ủng hộ tôi trong thời gian làm luận án

MỤC LỤC

Trang bìa……… ……….…… 0

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC HÌNH VẼ 6

MỤC LỤC BẢNG BIỂU 7

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NHỮNG BIẾN ĐỘNG CỦA NỀN QUANH CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG 8

1.1.Đào hố móng sâu 8

1.1.1 Khái niệm hố móng sâu: 8

1.1.2 Biện pháp chắn giữ thành hố móng: 8

1.1.3 Biện pháp hạ mực nước ngầm trong thi công hố móng sâu: 12

1.2.Lấp hố móng sâu: 14

1.2.1 Ngừng hạ mức nước ngầm: 14

1.2.2 Ngừng hạ mức nước ngầm và lấp đất: 14

1.3 Biến dạng của đất nền xung quanh hố móng: 14

1.3.1.Biến dạng của đất nên xung hố móng do việc đào hố móng gây ra: 14

1.3.2.Biến dạng của đất nên xung hố móng do việc lấp hố móng gây ra: 16

1.4 Những vấn đề còn tồn tại chưa được giải quyết: 16

1.4.1 Hệ thống chắn giữ thành hố móng 16

1.4.2 Hạ mực nước ngầm trong thi công hố móng 17

1.5 Tính cấp thiết của đề tài 17

1.6 Mục tiêu nghiên cứu 20

1.7 Hạn chế của đề tài và phương hướng phát triển 21

Chương 2:CƠ SỞ TÍNH TOÁN CỦA LUẬN VĂN ĐỂ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 22

2.1 Khái niệm về dòng thấm 22

2.1.1 Tổng quan về sự phát triển của lý thuyết thấm 22

2.1.2 Định luật về thấm và các phương trình cơ bản: 26

2.1.3 Các khái niệm cơ bản của bài toán thấm: 29

2.1.4 Tính toán chuyển động ổn định dòng thấm trong điều kiện đất đồng nhất: 32

2.1.5 Chuyển động ổn định dòng thấm trong đất không đồng nhất: 34

2.1.6 Chuyển động dòng thấm ổn định vào hố móng 35

2.2 Các biến hình thấm thông thường: 37

2.2.1 Xói ngầm cơ học 38

2.2.2.Xói tiếp xúc 38

2.2.3 Hiện tượng đất chảy 38

2.3.4 Trường hợp đặc biệt khác 40

2.4 Đặc trưng biến dạng của đất 42

2.5 Khử nước ngầm trong hố móng 45

Chương 3: TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG VÀO TÍNH TOÁN HỐ MÓNG 52

3.1 Khái niệm về chuyển dịch đất nền xung quanh hố móng 52

3.1.1 Các nguyên nhân gây ra chuyển dịch đất nền xuông quanh hố móng: 52

3.1.2 Chuyển vị của công trình chắn gữi: 52

3.1.3 Hạ mực nước ngầm trong thi công hố móng sâu: 52

3.1.4 Áp lực đất chủ động của Rankine (giả thiết tường không có ma sát): 59

3.1.5 Độ lún do hạ mực nước ngâm gây ra xung quanh hố móng: 60

3.2 Ứng dụng vào tính toán thực tế : 62

3.3 Phương pháp làm giảm biến dạng đất nền xung quanh hố móng: 97

Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 100

4.1 Mục tiêu mà đề tài đạt được 100

4.1 Hạn chế của đề tài và phương hướng phát triển 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

MỤC LỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sự cố tầng hầm cao ốc Bến Thành TSC 20

Hình 1.2: Sự cố tầng hầm cao ốc Pacific 20

Hình 2.1: Sơ đồ lưới thấm của nước dưới đất 31

Hình 2.2: Sơ đồ dòng thấm vào hố móng hoàn chỉnh 35

Hình 2.3 : Sơ đồ dòng thấm vào hố móng không hoàn chỉnh 36

Hình 2.4: Giếng hút không hoàn chỉnh 1 hàng với 1 nguồn nước 46

Hình 2.5 :Giếng không hoàn chỉnh bố trí 1 hàng ở giữa 2 nguồn nước 48

Hình 2.6: Giếng hoàn chỉnh, 1 giếng với nguồn nước hình tròn bao quanh 51

Hình 3.1:Mô hình bán kính ảnh hưởng của giếng điểm 53

Hình 3.2:Mô hình hạ nước ngầm của hệ thống giếng điểm 54

Hình 3.2: Mặt bằng biểu diễn bán kính vòng tròn tương đương 57

Hình 3.3: Nhóm giếng hạ mức nước ngâm hoàn chỉnh 58

Hình 3.4: Áp lực bị động tác dụng lên tường chắn 59

Hình 3.5 : Mặt cắt địa chất HK1 – HK3 64

Hình 3.6 : Mặt cắt địa chất HK2 – HK4 65

Hình 3.7 : Mặt cắt địa chất HK3 – HK4 66

Hình 3.9: Hình chiếu đứng của sơ đồ làm việc của giếng điểm 69

Hình 3.10: Sơ đồ diễn biến của độ lún của đất nền xung quanh hố móng ứng với h max =6m 80

Hình 3.11: Sơ đồ diễn biến của độ lún của đất nền xung quanh hố móng ứng với h max =10m 94

Hình 3.12: Sơ đồ diễn biến của độ lún của đất nền xung quanh hố móng 96

Hình 3.13: sơ đồ bổ sung nước cho nước ngầm ngăn ngừa phá hoại cho công trình xung quanh 98

MỤC LỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Trị số J KCP theo đất nền và cấp công trình 41

Bảng 3.1:Giá trị  phụ thuộc B L 57

Bảng 3.2 : Chỉ tiêu cơ lý các lớp đất 63

Bảng 3.3: Giá trị của ứng suất gây lún do bốn hình chữ nhật nay gây ra ứng với h max =6m 73

Bảng 3.4: Tổng độ lún của nền đất xung quanh hố móng với h max =6m 74

Bảng 3.5: Giá trị ứng suất tổng gây lún tại điểm M ứng với h max =6m 76

Bảng 3.6:Kết quả lún tổng cộng tại vị trí M ứng với h max =6m 76

Bảng 3.7: giá trị ứng suất tổng tại vị trí N ứng với h max =6m 77

Bảng 3.8: Kết quả lún tổng cộng tại vị trí N ứng với h max =6m 78

Bảng 3.9: giá trị ứng suất tổng tại vị trí P ứng với h max =6 79

Bảng 3.10: Kết quả lún tổng cộng tại vị trí P ứng với h max =6 79

Bảng 3.11: Giá trị ứng suất tổng tại vị trí 0 ứng với h max =10 85

Bảng 3.12: Kết quả lún tổng cộng tại vị trí 0 ứng với h max =10 86

Bảng 3.13: Giá trị ứng suất tổng tại vị trí M ứng với h max =10 88

Bảng 3.14: Kết quả lún tổng cộng tại vị trí M ứng với h max =10 89

Bảng 3.15: Giá trị ứng suất tổng tại vị trí N ứng với h max =10 90

Bảng 3.16: Kết quả lún tổng cộng tại vị trí N ứng với h max =10 91

Bảng 3.17: Giá trị ứng suất tổng tại vị trí P ứng với h max =10 92

Bảng 3.18: Kết quả lún tổng cộng tại vị trí P ứng với h max =10 93

Bảng 3.19: Kết quả tính toán các bài toán còn lại 95

Chương 1:

TỔNG QUAN VỀ NHỮNG BIẾN ĐỘNG CỦA NỀN QUANH CÔNG TRÌNH XÂY

DỰNG

1.1 Đào hố móng sâu

1.1.1 Khái niệm hố móng sâu:

Hố móng sâu là hố móng có độ sâu đặt chân móng lớn hơn 6m ,trong thực thế có nhiều

hố móng có độ sâu ít hơn 6m nhưng phải đào trong đất có điều kiện chất công trình và địa chất thủy văn phức tạp cũng phải ứng xử như đối với hố móng sâu

1.1.2 Biện pháp chắn giữ thành hố móng:

Kết cấu chắn giữ thường thì có tính chất tạm thời thường chỉ có tính chất tạm thời, khi thi công xong là hết tác dụng Một số vật liệu làm kết cấu chăn giữ có thể được sử dụng lại, như cọc bản thép và những phương tiện chắn giữ theo kiểu công cụ Nhưng cũng có một số kết cấu chắn giữ được chôn lâu dài ở trong đất như cọc bê tông cố thép ứng lực trước, cọc khoan nhồi, cọc trộn xi măng đất và tường liên tục trong đất Cũng có cả loại khi thi công móng thì là kết cấu chắn giữ hố móng, thi công xong sẽ trở thành một bộ phận của kết cấu vĩnh cửu, làm thành tường ngoài các phòng ngầm kiểu phức hợp như tường liên tục trong đất

Các công trình chắn giữ phải thõa mãn các điều kiện an toàn như yêu cầu về cường độ bản thân, tính ổn định và sự biến dạng của kết cấu chắn giữ, đảm bảo an toàn cho công trình xung quanh

1.1.2.1 Chắn giữ bằng cọc trộn dưới sâu:

Cọc trộn dưới sâu là phương pháp mới để gia cố nên đất yếu, nó sử dụng xi măng, vôi để làm chất đóng rắn, nhớ vào máy trộn dưới sâu để trộn cưỡng bức đất yếu với chất đóng rắn, lợi dụng một số loại phản ứng hóa học – vật lí xảy ra giũa chất đóng rắn với đất, làm cho đất mềm đóng rắn lại thành một thể cọc có tính chỉnh thể, tính ổn định và có cường độ nhất định

Ở Việt Nam, đầu những năm 80 đã dùng kỹ thuật này của hãng Linden-Alimak (thủy điển) làm cọc xi măng/vôi đất đường kính 40cm, sâu 10m cho công trình nhà 3-4 tầng và hiện nay đang liên doanh với công ty Herculec(thủy điểm) làm loại cọc này sâu đến 20m bằng hệ thống tự động từ khâu khoan, phun xi măng và trộn tại khu công nghiệp Trà Nóc (Cần Thơ) với tổng chiều dài cọc gần 50.000m

Phương pháp trộn dưới sâu thích hợp với các loại đất được hình thành từ các nguyên nhân khác nhau như đất sét dẻo bão hòa, bao gồm bùn nhão, đất bùn, đất sét và đất sét bột Độ sâu gia cố từ vài mét đến 50-60m Nhìn chung nhận thấy khi gia cố loại đất yếu khoảng vật đất sét có chứa đá cao lanh, đá cao lanh nhiều nước và đá măng tô thì hiệu quả tương đối cao Gia cố đất loại đất sét có chứa đá ilic, có chất chloride và hàm lượng chất hữu cơ cao, độ trung hòa (độ pH) tương đối thấp thì hiệu quả kém hơn

Nguyên lí cơ bản của việc gia cố xi măng đất là xi măng sua khi trộn với đất sẽ sinh ra một loạt phản ứng hóa học rồi dần dần đóng rắn lại

Theo kết quả thí nghiệm đất xi măng ở phòng: dung trọng xi măng đất hơi lớn hơn đất mềm, ước lớn hơn đất mềm 0,7%-2,3%, hàm lượng nước nhỏ hơn đất mềm Cường độ chịu nén không hạn chế nở hông qu thường là (0,5-4)MPa, cường độ chịu kéo

1.1.2.2 Chắn giữ bằng cọc hàng:

Khi đào hố móng, ở những chỗ không tạo được mái dốc hoặc do hiện trường hạn chế không thể chắn giữ bằng cọc trộn được, khi độ sâu khoảng 6-10m thì có thể chắn giữ bằng cọc hàng Chắn giữ bằng cọc hàng có thể dùng cọc khoan nhồi, cọc đào bằng nhân công, cọc bản bê tông đúc sẵn hoặc cọc bản thép

Kết cấu chắc giữ bằng cọc hàng có thể chia làm:

 Chắc giữ bằng cọc hàng theo kiểu dẫy cột

 Chắc giữ bằng cọc hàng liên tục

 Chắc giữ bằng cọc hàng tổ hợp

trong ba loại kết cấu được sử dụng cho công trình hố móng có độ sâu khác nhau, với kết cấu chắn giữ bằng hàng cọc theo kiểu dẫy cột được sử dụng cho hố móng có đất nền tương đối tốt và mực nước ngầm tương đối thấp.ngược lại với kiểu chắn giữ cọc hàng tổ hợp sử dụng cho địa chất hố móng phức tạp, mực nước ngầm ở độ sâu lớn

Căn cứ vào độ sâu đào hố, địa chất và tình hình chịu lực của kết cấu, chắn giữ bằng hàng cọc có thể chia làm mấy loại sau đây:

 Kết cấu chắn giữ không có chống (conson): khi độ sau đào hố móng không lớn và

có thể lợi dụng được tác dụng conson để chắn giữ được thể đất ở phía sau tường

 Kết cấu chắn giữ có chống đơn:khi độ sâu đào hố móng lớn hơn, không thể dùng được kiểu không chống thì có thể dùng một loại chống đơn trên đỉnh của kết cấu chắn giữ(hoặc dùng neo kéo)

 Kết cấu chắn giữ nhiều tầng chống: khi độ sâu đào móng là khá sâu, có thể đặt nhiều tầng chống, nhằm giảm bớt nội lực của tầng chắn

Căn cứ vào thực tiễn thi công ở vùng đất yếu, với độ sâu hố đào lớn hơn 6m, khi điều kiện hiện trường có thể cho phép thì nên áp dụng kiểu tường chắn bằng cọc trộn dưới sâu kiểu trọng lực là hợp lý nhất Khi điều kiện hiện trường bị hạn chế, cũng có thể dùng cọc conson khoan lỗ hàng dày đường kính 600mm, giữa hai cọc được chèn kín bằng cọc rễ cây, cũng có thể làm thành màng ngăn nước bằng cách bơm vữa hoặc cọc trộn xi măng ở phía sau cọc nhồi: Với loại hố móng có độ sâu 4-6m, căn cứ vào điều kiện hiện trường và hoàn cảnh xung quanh có thể dùng loại tường chắn bằng cọc trộn dưới sâu trọng lực hay có thể đóng cọc BTCT đúc sẵn hoặc cọc bản thép, sau đó ngăn thấm nước bằng bơm vữa hoặc tăng thêm cọc trộn, đặt một đường dầm quây và thanh chống, cũng có thể dùng cọc khoan

lỗ 600mm, phía sau dùng cọc nói trên để ngăn thấm, ở đỉnh cọc đặt 1 đường dầm quây và thanh chống Với loại hố móng có độ sâu 6-10m, thường dùng cọc khoan lỗ đường kính

800-1000mm, phía sau có cọc trộn dưới sâu hoặc bơm vữa chống thấm, đặt 2-3 tầng thanh chống, số tầng chống tùy theo điều kiện địa chất, hoàn cảnh xung quanh và yêu cầu biến dạng của kết cấu quây giữ mà xác định Với loại hố móng có độ sâu trên 10m, trước đây hay dùng tường ngầm liên tục trong đất, có nhiều tầng thanh chống, tuy là chắc chắn

tin cẩn nhưng giá thành cao, gần đây đã dùng cọc khoan lỗ 800-1000mm để thay thế cho tường ngầm và cũng dùng cọc trộn dưới sâu để ngăn nước, có nhiều tầng chống và đảo trung tâm ,kết cấu chăn giữ loại này đã ứng dụng thành công ở hố móng có độ sâu lên tới 13m

1.1.2.3 Chắn giữ bằng tường liên tục trong đất

Tường liên tục trong đất(tường barrette )là loại tường bêtông cốt thép trong đất thường

có chiều dày từ 600mm đến 800mm để chắn, ổn định hố móng sâu trong quá trình thi công Tường có tiết diện chữ nhật thường có chiều rộng thay đổi từ 2,6m đến 5,0m Tùy theo chiều sâu tầng hầm, điều kiện địa chất công trình mà ta có thể tính toán và thiết kế chiều sâu tường hợp lý và chiều sâu tường có thể lên tới 40m Tường liên tục trong đất quay lại thành đường kép kín, sau khi đào móng cho thêm hệ thống thanh chống hoặc thanh neo vào

sẽ có thể chắn đất, ngăn nước, rất tiện cho việc thi công móng sâu Nếu tường liên tục trong đất lại kiêm làm kết cấu chịu lực của công trình xây dựng thì càng có hiểu quả cao kinh tế cao hơn

Công nghệ tường liên tục trong đất có ưu điểm sau đây:

 Thân tường có độ cứng cao, tính tổng thể tốt, do đó, biến dạng của kết cấu và của móng đều rất ít

 Thích dùng trong các loại điều kiện địa chất đất: trong các lớp đất cát cuội hoặc khi phải vào tầng nham phong hóa thì việc thi công cọc bản thép gặp rất nhiều khó khăn, nhưng với kết cấu tường trong đất liên tục thi việc thi công sẽ được giải quyết với các máy đào chuyên dụng

 Có thể giảm bớt ảnh hưởng đến môi trường trong khi thi công công trình: khi thi công chấn động ít, tiếng ồn thấp, ít ảnh hưởng các công trình xây dựng và đường ống ngầm

ở lân cận xung quanh, dễ khống chế về biến dạng lún

Nhưng, phương pháp thi công tường liên tục trong đất cũng có những nhược điểm sau:

 Việc xử lí bùn thải không những làm tăng chi phí cho công trình mà khi kỹ thuật phân li bùn không hoàn hảo hoặc xử lí không thỏa đáng sẽ làm cho môi trường bị ô nhiễm

 Vấn đề sụt lở thành hố: khi mực nước ngầm dâng lên nhanh mà mặt dung dịch giữ thành giảm mạnh, trong tầng trên có kẹp lớp đất cát tơi xốp, mềm yếu, nếu tính chất dung dịch không thích hợp hoặc đã bị biến chất, việc quản lí thi công không thỏa đáng, đều có thể dẫn đến sự sụt lở thành móng, lún mặt đất xung quanh, nguy hại đến an toàn của các công trình xây dựng và đường ống ở lân cận Đồng thời cũng có thể làm cho thể tích bê tông thân tường bị tăng vọt lên, mặt tường lồi lõm, kích thước kết cấu vượt quá giới hạn cho phép

 Nếu dùng tường liên tục trong đất chỉ để làm tường chắn đất tạm thời trong giới trong giai đoạn thi công thì giá thành khá cao, không kinh tế

1.1.3 Biện pháp hạ mực nước ngầm trong thi công hố móng sâu:

Khi thi công hố móng và móng công trình, thường phải đào đất ở phía dưới mực nước ngầm, nhất là đối với nhà cao tầng, móng đặt sâu, số tầng ngầm dưới đất khá nhiều Khi thi công, nếu nước ngầm ngấm vào trong hố móng làm cho hố móng bị ngập nước nên hạ thấp cường độ của đất nền, tính nén co tăng lên, công trình sẽ bị lún quá lớn, hoặc tăng ứng suất trọng lượng bản thân của đất, tạo ra lún phụ thêm của móng, những điều đó sẽ trực tiếp ảnh hưởng đến an toàn của công trình xây dựng Do đó, khi thi công hố móng cần thiết phải có biện pháp hạ mực nước ngầm và thoát nước tích cực để cho móng được thi công trong trạng thái khô ráo

1.1.3.1 Phương pháp thoát nước mặt (thoát nước lộ thiên)

Là phương pháp cho nước tự chảy vào hố móng và trong quá trình thi công lắp đặt bơm có thể hút nước trong hố móng Phạm vi áp dụng thích hợp nhất đó móng không quá sâu và địa chất đất đá vụn, cát hạt thô, đất có lượng thấm nước nhỏ

Thoát nước bằng phương pháp này không thể hoàn toàn ngăn cản được hiện tượng lưu sa (cát chảy), đồng thời với việc nước ngầm ào vào trong hố, đất ở bồn xung quanh hố cũng ào vào theo, có thể dẫn tới sụt lở thành hố, hạ thấp cường độ của đất đáy hố

1.1.3.2 Phương pháp giếng điểm nhẹ:

Phương pháp này chủ yếu là lợi dụng "Hình phễu nước rút" Khi nước trong giếng rút xuống do bắt đầu bơm hút thì nước ngầm trong tầng chứa nước ở xung quanh chảy vào trong giếng, qua một thời gian, mực nước sẽ ổn định và hình thành một đường cong uốn về phía giếng, mực nước ngầm hạ xuống dần tới dưới cột thiết kế của đáy móng, làm cho thi công có thể tiến hành trong môi trường khô ráo

Sau khi đã nối khép kín hệ thống hạ nước ngầm mới tiến hành hút nước thử Nếu không thấy bị dò nước, dò khí, tắc bùn thì có thể chính thức sử dụng, phải khống chế độ chân không, trong hệ thống có lắp đồng hồ chân không, thông thường độ chân không không thấp hơn 55,3-66,7kPa Khi đường ống giếng điểm bị rò khí, sẽ làm cho độ chân không không đạt được yêu cầu Để bảo đảm hút nước liên tục, phải bố trí hai nguồn điện, chờ sau khi các công trình ngầm được lấp đặt xong mới được tháo bỏ giếng điểm và lấp kín

lỗ giếng điểm

1.1.3.3 Hệ thống giếng điểm phun ( Eductor System):

Hệ thống này còn được gọi là “hệ thống phun phản lực hoặc “hệ thống phun” hoặc

hệ thống phun của giếng điểm” tương tự như hệ thống giếng điểm Thay vì sử dụng hút chân không để lấy nước vào trong giếng, hệ thống sử dụng phun áp lực cao và chảy vào các ống.mỗi đoạn có đường kính khoảng 30-40mm áp lực nước cao được cung cấp qua các ống khuếch tán lập tức được đi lên lỗ của bộ lọc, tạo ra một sự giảm áp(hay áp lực âm) từ

đó hút nước theo các ống chính có đường kính lớn hơn Áp lực cao được tách ra khỏi nguồn nước phun lên Ưu điểm của hệ thống phun là hoạt động của nhiều giếng điểm từ một trạm bơm duy nhất, mực nước ngầm có thể được hạ xuống trong khoảng từ 10-45m Phương pháp này mang tính kinh tế cao khi được sử dụng cho đất có hệ số thấm thấp

1.1.3.4.Phương pháp giếng điểm bơm sâu ( Deep Wells):

Khi nước phải được hút lên từ độ sâu lớn hơn 8m và nó không khả thi để giảm số lượng máy bơm và đường ống hút được sử dụng trong các giếng nông để đạt được thêm vài mét độ sâu như vậy gọi là giếng sâu Khoan lỗ giếng có thể dùng máy khoan lỗ hoặc bằng nước, đường kính lỗ phải lớn hơn đường kính ống giếng 200mm Ống giếng phải đặt thẳng

đứng, lưới lọc ống phải đặt trong phạm vi thích đáng của tầng chứa nước,đường kính ống giếng phải lớn hơn đường kính ngoài của bơm nước, giữa thành lỗ và ống giếng lấp bằng các vật liệu lớn hơn đường kính lỗ lưới lọc

1.2.Lấp hố móng sâu:

1.2.1 Ngừng hạ mức nước ngầm:

Khi ngừng hạ mực nước ngầm thì mực nước ngầm sẽ được trả lại cao độ ban đầu, dòng thấm sẽ đi theo thân cừ vào trong đấy hố móng, sẽ tạo nên áp lực đẩy nổi sẽ là trượt móng của công trình nếu không được tính toán kỹ thời gian ngừng hạ và phương pháp lấp

hố móng Mặt khác khi nước ngầm trong hố móng tăng lên sẽ làm giảm áp lực bị động của đất bên trong hố móng làm chuyển dịch đất nên ở bên trên tường cừ

1.3 Biến dạng của đất nền xung quanh hố móng:

Biến dạng đất nên xung quanh hố móng do hai yếu tố cơ bản gây ra đó là hệ thống chắn giữ và sự dịch chuyển của nước ngầm (dòng thấm) gây ra sự chuyển dịch đất nên xung quanh hố móng làm hư hại, có thể dẫn đến sự sụp đỗ hoàn toàn công trình bên cạnh

1.3.1 Biến dạng của đất nên xung hố móng do việc đào hố móng gây ra:

Khi đào đất sẽ làm thay đổi trạng thái ứng suất – biến dạng của đất tự nhiên dưới tác dụng trọng lượng bản thân của đất Đáy hố đào được giải phóng khỏi tải trọng đứng nên sẽ trồi lên phía trên còn áp lực ngang của đất xung quanh tường chắn sẽ gây ra chuyển vị này chứ không hoàn toàn loại trừ được chuyển vị

Sự xây dựng công trình trong hố móng đã đào xong gây ra độ lún của đấy hố nhưng những chuyển vị ngang vẫn còn duy trì một phần hoặc hoàn toàn Điều đáng lưu ý là các chuyển vị thẳng đứng quan sát được ở đấy hố móng lại được thể hiện ở trên mặt đất lan đến những phạm vi đôi khi khá xa hố móng

Những chuyển vị này gây ra độ lún và độ nghiêng của những nhà ở gần và cần phải

có những biện pháp đặc biệt và kịp thời để bảo vệ Ở phần dưới của tường chắn-phần ngàm/chống vào trong đất khối đất nằm dưới đáy hố móng bị nén lại Vì vậy mà kích thước

hố móng ở đáy bị giảm đi Giả thiết rằng những biến dạng này chỉ ở tường với neo còn độ cứng của các thanh chống không cho phép chuyển vị rõ ràng nào của tường Những thực nghiệm đã chứng tỏ như thế, chỉ có đặc trưng biến dạng là thay đổi: gần tường phần phái trên chuyển vị của đất nền với neo là lớn còn ở phía dưới thì chuyển vị lớn là cùng với thanh chống Nguyên nhân là vì thanh chống phía trên được đặt khi chưa đào và áp lực ngang của đất chưa tác dụng lên tường còn các thanh chống sau đó, theo độ sâu của hố móng, tổng áp lực của đất sẽ tăng lên và phần dưới của tường bị dịch chuyển Lúc xây dựng mỗi một neo sẽ căng tới một lực nào đó dưới sự khống chế của máy đo chuyên dụng Biến dạng của đất xảy ra khi các neo đều chịu lực căng lớn sẽ hình thành lăng trụ phá hoại nằm ngoài vùng của bầu neo hoặc là trồi lên phía trên mặt đất của vùng này Trong trường hợp căng yếu thì sức chịu tải của neo sẽ không đủ và hình thành lăng trụ phá hoại nằm giữa tường và vùng bầu neo Trên đây là những trường hợp có thể xẩy vùng phá hoại của đất quanh hố đào đối với sự làm việc của neo và thanh chống Điều này cũng xẩy ra với thanh chống hoặc tường chắn kiểu trọng lực hoặc kiểu côngxon.Đặc tính của đất nên cũng là mối quan tâm lớn với công việc chắn giữ hố móng,đặc biệt là đất sét đã được giả định là không đẳng hướng Nhiều nghiên cứu đã cho thấy rằng tốc độ và độ lớn của dịch chuyển của tường chắn sẽ tăng nhanh khi xẩy ra hiện tượng đáy hố đào bị đẩy trồi trong lúc

hệ số an toàn chống lại sự phá hoại nền lại tính cho nền đồng nhất

Tác động của nước ngầm đối với độ lún của đất rất đa dạng và xẩy ra ở các giai đoạn đào khác nhau Tại nơi cọc cừ đóng vào lớp đất dính nhưng không đạt tới độ sâu của hố đào, trạng thái thấm ổn định sẽ phát triển thành dòng ở dưới cọc cừ và làm đẩy nổi đấy hố

đào.Dòng thấm này là nguyên nhân làm giảm áp lực nước ngầm, làm gia tăng ứng suất hữu hiệu và độ lún bên ngoài biên của hố đào.cũng tại thời điểm này, sức kháng bị động giảm

do dòng đẩy nổi phía trong của cọc cừ, sự chuyển dịch lớn hơn xảy ra khi sức kháng bị động thay đổi đến một lượng nào đó Sự hình thành trạng thái ổn định nước ngầm như vậy

là nguyên nhân dẫn đến sự dịch chuyển của đất nền theo cả hai phương nằm ngang và thẳng đứng Độ cứng đàn hồi của hệ gằng chống có vai trò rất quan trọng Độ chôn sâu của cọc ván cừ từ đáy hố đào trở xuống cũng làm thay đổi về chất độ cứng của ván cừ và có ảnh hưởng tới chuyển dịch của đất bên ngoài theo cả hai phương thẳng đứng và nằm ngang

1.3.2 Biến dạng của đất nên xung hố móng do việc lấp hố móng gây ra:

Việc lấp hố móng gồm có hai công việc đó là ngừng hạ nước ngầm và lấp đất cho hố móng để lấy mặt bằng để xây dựng các kết cấu khác của công trình Việc ngừng hạ mước ngầm là một việc quan trọng vì nếu việc ngưng hạ không tính toán đúng thời điểm thì khi nước ngầm xâm nhập vào trong hố móng gây ra áp lực đẩy nổi đáy móng công trình, gây ra

sự chuyển dịch và hư hại móng Nước ngầm sẽ làm giảm áp lực kháng bị động của đất nên lên hệ thông chắn giữ làm chuyển dịch đất nền bên ngoài tường Dòng thấm sẽ làm xói ngầm chân cừ làm cho khả năng chắn giữ của cừ sẽ giảm xuống nói một cách khác là chuyển dịch chất nên ở phía trên

1.4.Những vấn đề còn tồn tại chưa được giải quyết:

1.4.1 Hệ thống chắn giữ thành hố móng:

Đã có rất nhiều nghiên cứu về tường chắn đất và đưa những phương pháp tính áp lực đất lên tường chắn ví như:

 Phương pháp cổ điển (Blum 1931, Rowe 1952)

 Phương pháp hệ số đàn hồi (Winkler 1867, Terzaghi 1955, Menard 1964, Balay

1985, Monnet 1994)

 Phương pháp phần tử hữu hạn (Clough and Woodward 1967, Bjerrum 1972)

 Phương pháp thực nghiệm (Terzaghi 1936, Peck 1943 - 1969, Clough 1990)

 Phương pháp trạng thái giới hạn bền (Brinch-Hansen 1953)

…

Nhưng rất ít công trình nghiên cứu biến dạng của đất nền xung quanh hố móng do sự làm việc của cừ gây ra Khi đưa vào các số liệu tính toán thì chỉ tính được áp lực đất nền lên tường chắn và lựa chọn cừ không làm đạt yêu câu về lực và mômen tác dụng còn trong thực tế thì cừ sẽ bị chuyển vị kéo theo đó là đất nền xung quanh sẽ bị chuyển vị gây những

sự cố cho công trình xung quanh công trình

1.4.2 Hạ mực nước ngầm trong thi công hố móng

Nước ngầm có ảnh hưởng rất quan trọng không chỉ trong việc thi công giữ ổn định vách đất, đào đất hố móng mà còn rất quan trọng trong khâu thiết kế Nếu đất không có nước thì kết cấu sẽ được an toàn hơn nhiều Nên đã có rất nhiều nghiên cứu về nước ngầm đối với sự ổn định của hố móng Nhưng chưa có một công trình nào nghiên cứu đầy đủ về nước ngầm trong thi công hố móng ảnh hướng đến các công trình lân cận Đã có những tai nạn vì những nhà thiết kế chưa có cái nhìn thấu đáo về nước ngầm và dòng thấm trong thiết

kế, thi công hố móng làm ảnh hưởng , hư hại đến các công trình cận

1.5 Tính cấp thiết của đề tài

Qua việc điều tra trên 130 sự cố công trình hố móng trong những năm tháng gần đáy

ở Trung Quốc, cho thấy: phần lớn sự cố có liên quan tới nước ngầm Vì vậy, nhận thức chính xác quy luật thấm của các loại đất, thiết kế kết cấu ngăn nước thật khoa học, bảo đảm ngăn thấm có hiệu quả, là những khó khăn chủ yếu trong việc ngăn trị nước ngầm

Trước tiên, tính toán chuẩn xác hệ số thẩm thấu của các tầng đất là một bài toán khó Tầng trên là tầng đất lấp tích nước rất không đồng đều, hệ số thấm thấu biến đổi rất lớn, lại có liên quan chặt chẽ với vị trí và rò rỉ của đường ống ngầm có nhiều sự cố xẩy ra chính là vào lúc các đường ống ngầm bị vỡ Tầng nước ngầm nếu trong trường hợp tầng đất phân bố không đều hoặc tầng kẹp tương đối mỏng thì việc lấy hệ số thấm thấu của nó là khá khó khăn

Sau nữa, sự phá hủy thẩm thấu của nước ngầm thường đem lại hậu quả có tính chất tai nạn, biểu hiện của nó là, trào nước ở đáy hố, thoạt đầu, chỉ có mấy điểm phun nước nho nhỏ, dần dần lan ra, làm phá hủy toàn bộ đáy hố Một biểu hiện nữa là cát chảy đất chảy ở thành hố, do việc cắt nước không được tốt, dưới tác động của áp lực nước động, nước đất ở thành hố chảy mất khá nhiều, làm cho mặt đất ở gần hố móng bị sụt lún, nguy hiểm cả bốn bên xung quanh còn một loại nữa là "chọc thủng tầng phủ ", xẩy ra ở giao diện giữa tầng thấm nước với tầng đất sét

Ở Việt Nam đã có những sự cố đáng tiếc xẩy ra do nhà thiết kế đã không nắm bắt được sự hoạt động của dòng nước ngầm Như tại Tp.Hồ Chí Minh đã xây ra các sự cố sau:

Cao ốc Residence: công trình có 01 tầng hầm, 01 trệt và 11 tầng lầu Khi đào ở độ

sâu - 8m dưới đáy hố móng, phát hiện nước ngầm phun lên rất mạnh cuốn theo cát hạt nhỏ Hậu quả là ngày 31/10/2007 hè đường Nguyễn Siêu có hố sụt rộng 4 x 4m và sâu khoảng

34m và chung cư Casaco (đường Thi Sách, Q.1) bị lún nghiêm trọng Nguyên nhân chính

là dùng cọc ván thép làm tường vây không ngăn được nước ngầm, nên khi hút nước để thi công tầng hầm thì cột nước chênh áp ngoài thành hố đào tạo nên áp lực lớn đẩy nước luồn qua chân tường vây đẩy trồi đáy móng lên Nước dưới đất được thoát ra như bình thông nhau, cuốn theo đất cát làm sụt lún nền các công trình xung quanh gần đó (trong phạm vi “phểu” hạ thấp mực nước ngầm) Trước tình trạng đó, người ta đã phải khẩn cấp lấp ngay các hố đào sâu và hố sụt tạo cân bằng áp lực để tránh tình trạng sụt lún tiếp Đồng thời lắp đặt các trạm quan trắc dịch chuyển lún và động thái nước dưới đất để tránh các rủi

ro có thể xảy ra

Cao ốc văn phòng Bến Thành TSC: công trình này có diện tích mặt bằng 10x40m

và 02 tầng hầm Tháng 11/2007, trong khi đào hố móng sâu thì nước ngầm ở đáy hố phun lên rất mạnh, làm phồng trồi đáy hố, làm xê dịch tường cừ bằng cọc ván thép khoảng 8cm Đất nền bị sụt lún làm nứt đường hẻm lân cận và nghiêng tường ngăn Do đó buộc phải ngừng thi công và dùng biện pháp khoan giếng bơm hạ nước ngầm Nguyên nhân là dùng tường cừ bằng cọc ván thép không hơp lí, chân tường cừ đang đặt ở lớp cát pha bão hòa

nước nên khi có chênh áp lực bơm hút nước trong hố đào thì nước phun mạnh từ đáy hố lên kéo theo đất cát và gây sụt lún

Cao ốc Pacific: công trình cao ốc Pacific có 05 tầng hầm, 01 trệt và 18 tầng lầu

Tường tầng hầm bằng bêtông cốt thép dày 1m, thi công bằng công nghệ tường trong đất, khi đào đất để thi công tầng hầm thứ 5 thì phát hiện một lỗ thủng lớn ở tường tầng hầm có kích thước 0,2 x 0,7m, dòng nước rất mạnh kéo theo nhiều đất cát chảy từ ngoài vào qua lỗ thủng của tường tầng hầm Công nhân đã dùng hết cách, nhưng không thể bịt được lỗ thủng Nước kéo theo đất cát chảy ào ào vào tầng hầm, công nhân phải thoát khỏi tầng hầm

để tránh tai nạn có thể xảy ra Sự cố công trình này đã làm sụp đổ hoàn toàn tòa nhà của Viện nghiên cứu Khoa học xã hội Nam Bộ ngay bên cạnh; tòa nhà Sở Ngoại Vụ cũng bị lún nứt nghiêm trọng; Cao ốc YOCO 12 tầng và các tuyến đường xung quanh công trình Pacific cũng có nguy cơ bị lún nứt Nguyên nhân ban đầu của sự cố này là chất lượng thi công tường vây thi công tầng hầm không tốt, lỗ thủng lớn ở tường vây thi công tầng hầm

đã gây dòng thấm nguy hiểm vào hố đào Đất bên ngoài tầng hầm là cát pha bão hoà nước, loại cát chảy Mặt khác, mực nước ngầm dưới đất bên ngoài tầng hầm rất cao (ở cốt – 1,5m), lỗ thủng ở tường tầng hầm nằm ở độ sâu -20 m, tức là có cột nước với áp lực lớn chênh nhau đến 18,5m Với một cột nước có áp lực lớn như vậy, tầng cát bồi tích hạt nhỏ

và các pha bão hòa nước, khi có lỗ thủng ở tầng hầm cho nó thoát, dòng chảy rất mạnh kéo theo đất cát chảy vào tầng hầm đồng thời làm rỗng xốp, làm lún sụp và phá hoại đất nền của móng các công trình lân cận, khiến cho các công trình đó bị biến dạng, bị sụp lún, thậm chí bị phá hoại Đó là nguyên nhân sự cố công trình, một bài học đắt giá

Tóm lại, ba trường hợp sự cố trên đều do việc thiết kế và thi công tường vây và hạ mực nước ngầm thi công hố móng không tốt tạo ra tình trạng chênh áp lực nước lớn giữa trong

và ngoài hố đào sâu, nước phun mạnh từ đáy hố lên làm hỏng hố đào, đồng thới nước cuốn theo đất cát làm hỏng nền của các công trình lân cận và gây ra sự cố lún sụt nghiêm trọng

Vì vậy việc nghiên cứu sự dịch chuyển của đất nền xung quanh hố móng do việc hạ mực nước ngầm gây ra là rất cấp thiết và mang tính cấp bách

Hình 1.1: Sự cố tầng hầm cao ốc Bến Thành TSC

Hình 1.2: Sự cố tầng hầm cao ốc Pacific

1.6 Mục tiêu nghiên cứu

 Phân tích sự dịch chuyển của đất nền xung quanh hố móng sâu do hạ mực nước ngầm gây ra

 Xác định các nguyên nhân sự cố do việc hạ mực nước ngầm, đưa ra các biện pháp khắc phục để không xẩy ra các sự cố đáng tiếc

 Giới thiệu với các nhà tkiết kế về sự làm việc của đất nền xung quanh hố móng khi

hạ mực nước ngầm

1.7 Hạn chế của đề tài và phương hướng phát triển

Do thời lượng quy định thực hiện luận văn có hạn, luận văn chỉ tập trung giải thích và đưa ra các nguyên nhân của sự dịch chuyển của đất nền xung quanh hố móng do nước ngầm gây ra.Và đưa ra các biện pháp hạ mực nước ngầm thích hợp với công nghệ chắn giữ

hố móng

Do thời gian có hạn chưa đưa ra các bài toán với nhiều giả thiết địa chất và hố móng khác nhau và chưa đưa ra được các yếu tố thiên nhiên bất lợi trong việc thi công hố móng Hướng phát triển của luận văn là đưa vào các giả thiết mới như các điều kiện bất lợi của thời tiết mà trong quá trình thi công có thể gặp phải, thay đổi nhiều điều kiện địa chất

để có cái nhìn tốt hơn về sự dịch chuyển đất nền

Để hạn chế tới mức tối thiểu tác hại do dòng thấm gây ra sao cho đảm bảo được yêu cầu kinh tế - kỹ thuật nền móng, cần thiết phải hiểu được bản chất của dòng thấm trong đất cũng như tác động của nó lên công trình hoặc bộ phận công trình, khi có dòng thấm tác động Sự ra đời và phát triển của lý thuyết thấm đang từng bước đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật từ những đòi hỏi này

2.1.1 Tổng quan về sự phát triển của lý thuyết thấm:

Vấn đề nghiên cứu dòng thấm từ lâu đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới Vào thế kỷ 18 đã có những công trình nghiên cứu của Lômônôxôv, Becnouli, Euler Từ năm 1856,nhà khoa học Pháp, H.Darcy đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và tìm ra định luật thấm tuyến tính mà ngày nay được gọi là định luật thấm Darcy

Môi trường nền đất là môi trường hổn hợp phức tạp, bao gồm ba pha: pha rắn gồm các hạt đất; pha lỏng gồm nước tự do trong lổ rỗng và pha khí Nước chuyển động trong môi trường đó rất đa dạng và phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến chế độ chuyển động của nước là thành phần hạt của cốt đất và trạng thái biến dạng của nó Ngược lại, trạng thái biến dạng cũng phụ thuộc vào áp lực thấm do chế độ thấm gây nên Sự chuyển động của nước trong đất là do các thành phần lực quyết định Phân tích bản chất của lực do chế độ thấm trong môi trường đó gây nên đã

được R.Trugaev trình bày chi tiết trong tác phẩm nổi tiếng "Các công trình thủy lợi bằng

đất"

Một điều hiển nhiên là ta không thể nghiên cứu sự chuyển động của nước trong các lỗ rỗng hay khe nứt riêng biệt do không có quy luật của môi trường đất, chỉ có thể xét cho dòng chất lỏng tượng trưng chứa đầy trong toàn bộ thể tích lỗ rỗng và cốt đất Những đặc trưng của dòng thấm được thay bằng những giá trị trung bình của dòng chảy như lưu tốc,

áp lực, lưu lượng trong mô hình môi trường liên tục Trong đó lưu tốc trung bình v mang

giá trị tượng trưng và nhỏ hơn giá trị thực trung bình trong lỗ rỗng 1/n lần (với n là độ rỗng của môi trường), còn áp lực và lưu lượng có giá trị thực

Hiện tượng thấm của nước lỗ rỗng trong đất đã được H Darcy (Pháp) nghiên cứu từ năm 1885 Trên cơ sở thực nghiệm, năm 1886 ông tìm ra quy luật thấm của nước lỗ rỗng trong đất: tốc độ thấm tỷ lệ với gradien thuỷ lực, được gọi là định luật thấm đường thẳng hay thấm Darcy (Dacxi):

dhdl

v = kJ = -k 

 

  (2.1) Trong đó :

k - Hệ số tỷ lệ đặc trưng cho thấm nước của đất đá được gọi là hệ số thấm

J – Gradien áp lực hay độ dốc thủy lực

dh - Độ chênh cột nước áp lực trong đoạn dl

Khi sử dụng định luật Darcy để giải quyết một số bài toán thực tế, năm 1857, Đuypuy(Dupuit) đưa ra công thức dạng vi phân dùng để xác định lưu lượng của các dòng thấm :

v = -k h

S



 (2.2) Năm 1889, N K Giucopski đã đưa ra phương trình vi phân cơ bản về sự chuyển động của nước trong đất, và năm 1889 đã cho xuất bản tác phẩm "Nghiên cứu lý thuyết chuyển động của nước ngầm", trong đó có đưa vào khái niệm lực cản và lực khối lượng khi thấm Ông là người đầu tiên đặt cơ sở khoa học để tiếp tục phát triển lý thuyết thấm

Các công trình nghiên cứu của Pavlovxki N.N., Laybenzon Z.S., Gerxeoanov N.M.,

đã hoàn thiện đầy đủ thêm cho cơ sở lý thuyết chuyển động của nước tự do trong đất và đưa ra những điều kiện để sử dụng những định luật thấm Darcy

Từ năm 1904, Butxinet đã nghiên cứu về vấn đề lý thuyết chuyển động không ổn định của dòng thấm và đã thành lập phương trình vi phân chuyển động không ổn định của dòng nước trong đất

Trong đó :  - Hệ số nhớt động học của nước

q - Lưu lượng bổ sung

Hiện nay phương trình (2.3) vẫn được coi là phương trình vi phân cơ bản chuyển động không ổn định của nước trong đất

Dựa vào phương trình vi phân chuyển động của môi trường liên tục Euler, một số tác giả như: Pavlopxki N.N., Aravin V.I., Numerop X.N cũng rút ra phương trình vi phân Trugaev R.R dựa trên nguyên lý Đalambe, thiết lập đa giác lực thấm cơ bản và đã rút ra hệ phương trình vi phân của lý thuyết thấm biểu diễn ở dạng khác

Một cách tổng quát nhất, phương trình cơ bản của lý thuyết thấm trong điều kiện

thấm Darcy có thể đưa về dạng phương trình Navestoc

Bên cạnh xu hướng phân dị, chỉ nghiên cứu sự chuyển động riêng biệt của nước trong đất, xu hướng nghiên cứu tổng hợp mối liên quan giữa sự chuyển động của nước dưới đất với quá trình biến dạng của môi trường đất đá cũng đã được chú ý phát triển Vấn đề này tuy được Pavlopxki N.N và Gerxevanov N.M đưa ra nghiên cứu từ lâu, song các kết qủa nghiên cứu của Mironenko V.A và Sextakov V.M mới là những đóng góp đáng kể đầu tiên Trong công trình nghiên cứu trên, các tác giả đã gắn liền nghiên cứu và phối hợp chặt chẽ những vấn đề cơ bản của cơ học đất đá với quá trình thấm của nước trong nó vào khuôn khổ một môn khoa học: "Thủy - Địa - Cơ", các tác giả như Vaxilep X.V., Verigia A.N., Glayca A A., cũng nghiên cứu để tính toán giải các bài toán thấm thực tế Khi nghiên cứu tổng hợp, trong hệ phương trình đang xét của mô hình toán học, ngoài các phương trình vi phân của lý thuyết thấm, còn thêm phương trình trạng thái của chất lỏng và trạng thái môi trường đất đá biến dạng

Cùng với sự phát triển và hoàn thiện lý thuyết trên cơ sở các mô hình toán học và vật

lý, các phương pháp để giải bài toán lý thuyết thấm thực tế đặt ra cũng không ngừng hoàn thiện và được ứng dụng rộng rãi trong việc giải các bài toán thấm

Tuy nhiên do tính phức tạp và đa dạng của các công trình, môi trường thấm của đất nói chung là các môi trường không đồng nhất và dị hướng, cho nên việc giải các hệ phương trình lý thuyết thấm gặp rất nhiều khó khăn về mặt toán học Do đó trên thực tế chỉ giải quyết được cho một vài trường hợp rất đơn giản như thấm qua đập đồng nhất, thấm qua kênh, qua nền đất đồng nhất và bão hòa nước

Hiện nay có rất nhiều mô hình toán học của lý thuyết thấm đang được sử dụng để giải các bài toán thấm Tùy thuộc vào mức độ yêu cầu và phương pháp giải mà ta sẽ lựa chọn

mô hình toán học cho phù hợp

2.1.2.Định luật về thấm và các phương trình cơ bản:

2.1.2.1.Định luật Darcy(1856):

Cơ sở để thiết lập các công thức trong phân tích thấm chính là mối quan hệ giữa áp lực nước lỗ rỗng và hàm lượng nước Khi có dòng chảy trong đất, chắc chắn có một lượng nước được giữ lại trong kết cấu lỗ rỗng của đất, lượng nước này chính là hàm số của áp lực nước lỗ rỗng và các đặc trưng khác của đất Quy luật cơ bản về sự chuyển động của dòng thấm được biểu thị bằng định luật Darcy:

dhdl

k - Hệ số thấm của môi trường(độ dẫn thủy lực)

J - Gradien áp lực hay độ dốc thủy lực

Với vx, vy và vz là vận tốc thấm theo hướng các trục tọa độ ox, oy và oz Theo Định luật Darcy các thành phần vận tốc thấm được xác định như sau:

Trong đó: kx, ky, kz là hệ số thấm theo hướng các trục tọa độ

Định luật Darcy có ý nghĩa cho những trạng thái vật liệu hạt nhỏ và gradient vận tốc

là nhỏ Dòng chảy qua những cốt liệu to như cuội sỏi hay đá hộc sẽ được hiệu chỉnh bởi những định luật không tuyến tính (phi tuyến)

2.1.2.2 Các phương trình của dòng nước ngầm:

Dòng chất lỏng qua môi trường rỗng bị khống chế bởi các định luật vật lý Theo định nghĩa, nó có thể được trình bày bằng các phương trình vi phân Vì lưu lượng là một hàm của nhiều biến, nó thường được trình bày bằng các phương trình vi phân riêng phần trong

đó các tọa độ không gian x,y và z và thời gian t là các biến độc lập

Bắt nguồn từ các phương trình, các định luật bảo toàn khối lượng và năng lượng được

sử dụng Định luật bảo toàn khối lương hay nguyên lý liên tục phát biểu là không có sự

thay đổi thực tế về khối lượng chất lỏng chứa trong thể tích nhỏ của tầng chưa nước Sự biến đổi bất kỳ nào về khối lượng ở trong thể tích nhỏ của tầng chưa nước cũng phải được cân bằng bởi một biến đổi tương ứng của dòng thấm khối lượng ra khỏi thể tích, hay sự

biến đổi về khối lượng trữ trong thể tích, hay cả hai Định luật bảo toàn năng lượng cũng được gọi là định luật nhiệt động học thứ nhất Nó phát biểu là bên trong một hệ đóng bất

kỳ đều có một giá trị năng lượng không đổi nó không thể tiêu hao hay tăng lên

Tuy nhiên, nó có thể thay đổi dạng Định luật nhiệt động học thứ hai nói là khi năng lượng thay đổi dạng, thì nó có xu hướng chuyển từ một dạng hữu ích, chẳng hạn năng lượng cơ học, sang một dạng kèm hữu ích hơn như nhiệt Dựa trên các nguyên lý này và định luật Darcy, các phương trình cơ bản của dòng nước ngầm đã được đưa ra (Jacob 1940,1950;Domenico 1972; Cooper 1966)

S b gn g -độ trữ nước

Tkb -khả năng chuyển nước

Ở đây b là bề dày tầng chứa nước :

phương trình vi phân riêng phần ba hướng được gọi là phương trình Laplace

ta sẽ xem xét sự rò rỉ diễm ra trong thể tích kiểm soát khi dòng thấm nằm ngang Giả thiết này được chứng minh là đúng trong vùng mà độ dẫn của tầng chứa nước lớn hơn độ dẫn trong lớp chặn nhiều bậc Định luật khúc xạ cho thấy trong các điều kiện này, dòng thấm trong lớp chặn sẽ gần như thẳng đứng nếu dòng thấm trong tầng chứa nước nằm ngang Lưu lượng rò rỉ hay lưu lượng tích lũy được ký hiệu là e Phương trình tổng quát của dòng thấm ( theo hai hướng, vì giả thiết dòng thấm nằm ngang) được cho bởi

' 0 '

Nước được lấy ra từ độ trữ trong các tầng chứa nước ngầm bởi sự tiêu thoát nước thẳng đứng trong các lỗ rỗng Sự tiêu thoát nước này dẫn đến sự giảm mực nước ngầm ở gần giếng bơm hút theo thời gian.Trong trường hợp tầng chứa nước không bị chặn, bề dầy bão hòa có thể biến đổi với thời gian Trong các điều kiện như thế, khả năng chuyển của nước (T) tầng chứa nước- biến đổi, vì nó có tích của độ dẫn k(hệ số thấm) và bề dày bão hòa h (giả thiết là h được do từ đáy tầng chứa nước nằm ngang)

Phương trình dòng thấm tổng quát cho dòng không chặn hai hướng được gọi là phương trình Boussinesq (Boussinesq 1904)

Nếu độ hạ thấp mực nước ngầm trong tầng chứa nước rất nhỏ so với bề mặt bão hòa, thì

bề dày biến đổi h có thể thay bằng bề dày trung bình b được giả thiết không đổi trong suốt tầng chứa nước Phương trình Boussinesq vì thế có thể được tuyến tính hóa bằng sự xấp xỉ này tới dạng:

Các chất điểm nước trong dòng thấm trọng lực chuyển động trong trường trọng lực,

tức chuyển dích từ nơi có thể nắng lớn đến nơi có thế năng nhỏ Thế năng chuyển động của

chất điểm lỏng của dòng thấm trọng lực được đặc trừng bằng cột nước thấm (hoặc cột nước thế năng) khí hiệu theo công thức

h- cột nước đo áp tại điểm đang xét

z- Cao trình của điểm đang xét lấy theo mặt chuẩn 0-0 chọn tùy ý

v – Tốc độ dịch chuyển của chất điểm nước lại điểm đang xét

 được gọi là chiều cao đo áp Nếu dòng thấm không áp, thì chiều cao

đo áp bằng độ sâu điểm đang xét tính từ mặt nước ngầm, nếu dòng thấm có áp thì bằng chiều sâu điểm đó tính từ mặt áp lực

dl

Ở đây đại lượng dh biểu thị sự biến đổi cột nước giữa hai điểm rất gần nhau và dl là khoảng cách nhỏ nhất giữa hai điểm này Dấu âm biểu thị là dòng thấm theo hướng cột nước thủy lực giảm

2.1.3.3.Lưu lượng dòng thấm:

Là lượng nước thấm qua tiết diện ướt của dòng thấm trong một đơn vị thời gian Lưu

lượng Q của dòng thấm xác định theo công thức:

Hệ thống các đường dòng và đường đẳng áp tạo thành lưới thấm của nước dưới đất

Khi chuyển động ổn định thì lưới thấm không thay đổi theo thời gian và khi chuyển động

không ổn định thì lưới thấm sẽ thay đổi theo thời gian

Hình 2.1: Sơ đồ lưới thấm của nước dưới đất

2.1.4 Tính toán chuyển động ổn định dòng thấm trong điều kiện đất đồng nhất:

2.1.4.1.Dòng thấm ổn định trong tầng chứa nước bị chặn:

Nếu trong tầng chứa nước bị chặn có chuyển động của nước ngầm ổn định thì có gradient hay độ dốc mặt thế của tầng chứa nước Chúng ta biết là nước sẽ chuyển động theo hướng ngược với grad J Với dòng thấm loại này ta có thể dùng định luật Darcy và tầng chứa nước có bề dày không đổi Bề mặt thế có gradien tuyến tính, nghĩa là hình chiếu hai hướng của nó là một đường thẳng Có hai giếng có thể đo được cột nước thủy lực Lưu lượng thấm qua mỗi bề rộng đơn vị q’ có thể xác định theo định luật Darcy:

k- độ dẫn thủy lực (hệ số thấm của đất )

b- bề dày tầng chứa nước

dh

dl - độ dốc của mặt thế (gradien thấm)

q’- lưu lượng cho mỗi bề rộng đơn vị

Ta có thể tính được cột nước h tại khoảng cách trung gian x nào đó ở giữa h1 và h2

Có thể tìm cột này từ phương trình

' 1

2.1.4.2 Dòng thấm ổn định trong tầng chứa nước không bị chặn:

Bài toán này đã được Dupuit (1963) giải, và ông đã đưa ra phương trình sau, được gọi

là phương trình Dupuit:

2 2 ' 1 1 2

q’- lưu lượng cho mỗi bề rộng đơn vị

2 2 ' ( 1 2)

qx’-dòng thấm đơn vị chiều rộng tại x x-khoảng cách tới gốc

k-độ dẫn thủy lực (hệ số thấm)

h1-cột nước tại gốc

h2- cột nước tại L L-chiều dài thấm w-lưu lượng bổ sung

2.1.5 Chuyển động ổn định dòng thấm trong đất không đồng nhất:

Do đặc điểm kiến tạo địa tầng và quá trình phong hóa đã hình thành các lớp đất đá có cấu trúc không đồng nhất và dị hướng:

2.1.5.1 Dòng thấm song song với mặt phân lớp:

Trong trường hợp này, nước dưới đất vận động theo vỉa chứa nước thì hệ số thấm của tầng chứa nước được xác định bằng giá trị trung bình theo công thức tính toán như sau

n

n n TB

h h

h

h k h

k h k k

.

2 1

2 2 1

k

2.1.5.2 Dòng thấm vuông góc mặt phân lớp:

Trường hợp tầng chứa nước bao gồm nhiều nhiều lớp có hệ số thấm k khác nhau,

dòng thấm vuông góc với các mặt phân lớp, hệ số thấm trung bình được tính toán theo công thức:

n n

n TB

k h h

k

h k

h k h

h h

h k

1 1

2 2 1 1

2 1

2.1.6.1 Đáy hố móng nằm ngay đáy cách nước

Hình 2.2: Sơ đồ dòng thấm vào hố móng hoàn chỉnh

Theo công thức Darcy, lưu lượng đơn vị dòng thấm phẳng của nước dưới đất từ một phía

1 dh

q k h

dx

Tích phân (2.44) từ tiết diện 1 đến tiết diện 2, ta có:

)(

2 2 2 1 1

x x

h h k q

2

2 0 2 1

h 0 - Mực nước trong móng tính từ đáy móng

Nếu hố móng có bề rộng B m , bề dài D m thì lưu lượng thấm vào hố móng sẽ là:

2 2 0 1

2.1.6.2 Đáy hố móng cao hơn đáy cách nước (hố móng không hoàn chỉnh):

Hình 2.3 : Sơ đồ dòng thấm vào hố móng không hoàn chỉnh

Khi đáy hố móng nằm trong tầng đất có dòng thấm thì thành hố móng chịu tác động của chiều cao H0 của dòng thấm (như trên hình 2.8) và sẽ tính đến ảnh hưởng thấm qua đáy móng Lưu lượng đơn vị của dòng thấm của nước ngầm từ một phía của thành hố móng

2 0 2 0 1



 (2.50) Trong đó:

H 0 - Độ sâu hoạt động của tầng chứa nước

Theo thực nghiệm, H 0 được chọn như sau

H0  1.3 (  St) (2.51)

h 0 - Mực nước trong móng tính từ đáy vùng họat động của nước ngầm

Nếu hố móng có bề rộng B m , bề dài D m thì lưu lượng thấm vào thành hố móng sẽ là:

2 2

0 0 1

2.2 Các biến hình thấm thông thường:

Các loại biến hình thấm thường xảy ra trong quá trình thi công công trình và cả trong quá trình khai thác công trình Có thể được chia ra các dạng sau

2.2.1 Xói ngầm cơ học

Trong nền đất không dính hoặc ít dính (cát, á cát), khi lưu tốc thấm vượt qua một giới hạn nào đó thì xảy ra các hiện tượng các hạt nhỏ bị đẩy lọt qua các kẽ hở giữa các hạt lớn Khi đó, độ rỗng trong nền đất tăng lên, lưu tốc thấm tăng lên và có khả năng cuốn theo các hạt đất lớn hơn Đó là hiện tượng xói ngầm cơ học Khi hiện tượng này tiếp tục phát triển thì sẽ làm tăng nhanh lưu lượng thấm và làm tăng độ rỗng của đất nền, sinh ra lún không đều và dẫn đến làm mất ổn định của công trình

Trong các nghiên cứu thực nghiệm, nhà khoa học người Nga V.S.Ixtomina đã đi đến nhận định đối với đất không dính thì gradien thấm giới hạn xói ngầm cơ học chủ yếu phụ thuộc vào hệ số không đều hạt của đất  = d60/d10, trong đó d60 và d10 là đường kính các mắt sàn cho lọt 60% và 10% trọng lượng mẫu đất thí nghiệm

2.2.2 Xói tiếp xúc

Khi dòng thấm chảy song song với mặt phân cách các lớp vật liệu hạt rời, nếu cấp phối hạt của các cấp không hợp lý và gradien thấm đủ lớn thì sẽ xảy ra hiện tượng các hạt của lớp nhỏ bị cuốn trôi vào kẽ hở của lớp hạt lớn và bị trôi theo dòng thấm Hiện tượng này gọi là xói tiếp xúc

2.2.3 Hiện tượng đất chảy

Đất chảy hay cát chảy là hiện tượng đất mềm rời bão hòa nước chảy vào các công trình đào cắt qua nó như một dịch thể nhớt dẻo Khối lượng đất chảy có thể nhỏ, nhưng cũng có thể rất lớn

Đất chảy gây ra nhiều khó khăn cho công tác đào đất và gây ra biến dạng ở nền các công trình lần cận

2.2.3.1.Đất chảy giả:

Là loại đất chảy do áp lực thủy động Khi chuyển động, nước dưới đất gây ra trạng thái áp suất thủy động tác dụng lên các hạt đất đá và được xác định theo biểu thức sau:

n n

dq J

g dt



  

(2.56) Trong đó:

 - áp lực thủy động của nước thấm

n -dung trọng của nước

  n J (2.57)

Phương tác dụng của áp lực thủy động có ý nghĩa rất lớn đối với sự ổn định của đất khi áp lực thủy động hướng xuống dưới thì sẽ làm chặt, tăng cường độ và độ ổn định của đất, còn khi áp lức thủy động hướng lên trên có tác dụng làm xốp rời đất sinh ra hiện tượng đất chảy, xói ngầm Khi áp lực áp lực thủy động bằng hoặc vượt quá trọng lượng đẩy nổi của các hạt đất đá thì sẽ làm cho hạt đất ở trạng thái lơ lững và bị chuyển động

  n J dn (2.58)

dn th n

J 



 (2.59)Trong đó: J th-là trị số gradien áp lực nước tới hạn

2.3.3.2.Đất chảy thật:

Là loại đất có keo hữu cơ – khoảng vật bám trên bề mặt hạt đất tạo lớp màng trơn tựa như chất dầu nhớn, làm cho hạt dễ trượt lên nhau và chảy , tựa dịch thể dẻo nhớt

Đất chảy thật có lực dính thấp hệ số thấm nhỏ, sức chống cắt thấp, biến dạng cao, ở trạng thái chảy dẻo Đất này có tính xúc biến, dễ chuyển sang trạng thái chảy khi kiến trúc nhiên nhiên bị phá hủy

Đất chảy thật có liên quan đến sự phân hủy hữu cơ, thành phần khoáng vật và các hoạt động của vi khuẩn

Theo nghiên cứu của nhiều tác giả, đất chảy thật xảy ra trong loại đất có các đặc trưng sau: nhóm hạt nhỏ hơn 5mm không dưới 3%, độ lỗ rỗng cao (43-45%), độ ẩm phân tử lớn nhất trên 4%, tính thấm và tính thoát nước nhỏ, có mặt keo hữu cơ – khoáng vật dung lượng hấp phụ 5-12 mg.đl, có tính xúc biến, mái dốc thiên nhiên phụ thuộc vào độ ẩm , khi đất khô tính chất thay đổi Đất chảy thường xảy ra ở độ ẩm gần tới giới hạn chảy

2.3.4 Trường hợp đặc biệt khác

Ngoài các dạng biến hình thấm thông thường nói trên, trong môi trường thấm còn có thể xảy ra các dạng biến hình thấm đặc biệt do tồn tại các khe hở, khuyết tật trong đó Các khe hở, khuyết tật này được hình thành do nhiều nguyên nhân khác nhau (xói ngầm, lún không đều, vết nứt trong đất…) Vị trí khuyết tật có thể ở bất cứ chỗ nào trong miền thấm

và nói chung, không thể dự kiến trước được

Khi trong nền có tồn tại các khe hở, khuyết tật như vậy, dưới tác dụng của cột nước thấm (cột nước chênh lệch giữa trong và ngoài hố móng), dòng thấm sẽ đi con đường ngắn nhất, gradien thấm tăng nhanh, khả năng phá hoại của dòng thấm là rất lớn

Để kiểm tra khả năng phá hoại đặc biệt của nền và công trình, chỉ có thể sử dụng gradien thấm trung bình cho toàn miền, gọi là độ bền thấm đặc biệt hay độ bền thấm chung:

J K < J KCP (2.60) Trong đó:

J K - Gradien thấm chung của nền hay công trình;

J KCP - Gradien thấm chung cho phép của nền hay công trình