CHƯƠNG 10 HẠ MỨC NƯỚC NGẦM VÀ ĐÀO ĐẤT

HẠ MỨC NƯỚC NGẦM Khi thi công hố đào và móng công trình,thường phải đào đất ở phía dưới mực nước ngầm,nhất là đối với nhà cao tầng,móng đặt rất sâu,số tầng ngầm dưới đất là khá nhiều.kh

CHƯƠNG 10

HẠ MỨC NƯỚC NGẦM VÀ ĐÀO ĐẤT

10.1 HẠ MỨC NƯỚC NGẦM

Khi thi công hố đào và móng công trình,thường phải đào đất ở phía dưới mực nước ngầm,nhất

là đối với nhà cao tầng,móng đặt rất sâu,số tầng ngầm dưới đất là khá nhiều.khi thi công,nếu nước ngầm ngấm vào hố đàolàm cho nền bị ngầm nước sẽ dẫn đến việc hạ thấp cường độ của đất,tính nén co tằng lên,công trình sẽ bị lún quá lớn,hoặc tằng ứng suất trọng lượng bản than của đất,tạo ra lún phụ them của công trình,điều đo trực tiếp ảnh hưởng đến an toàn của công trình xây dựng.vì vậy khi thi công công trình ngầm cần có biện pháp hạ mức nước ngầm và thoát nước tích cực để cho công trình khi thi công được khô ráo

Khi áp dụng các biện pháp hạ nước,phải tính các nhân tố sau:

(1)loại đất và hệ số thNm thNu

(2)cốt yêu cầu hạ thấp mực nước và cốt mực nước ngầm,thường thì mực nước ngầm phải đươc

hạ thấp đến dưới đáy hố đào 0,50-1,0(m)

(3)dung hình thức nào để chống giữ thành hố đào ,đặc biệt là hố đào sâu

(4)diện tích hố đào lớn hay nhỏ

Hiện nay có 2 biện pháp hạ mực nước ngầm:một là thu hạ nước trên mặt,hai là hạ nước bằng giếng điểm

10.1.1.PHƯƠNG PHÁP THOÁT NƯỚC MẶT

1.Thi công thoát nước mặt

(1)đào máng thoát nước ở khoảng cách không nhỏ hơn 3m bên ngoài đường viền của hố đào(tính theo khoảng cách từ mép tới chân thành máng như hình10.1,thường đáy máng rộng 0,3m, độ dốc 1%-5% đông thời có đặt hố thu nước

(2)phải duy trì một khoảng chênh lệch độ cao thích đáng giữa mặt đào đất với mặt đáy máng thoát nước và mặt đáy giếng thu nước,đáy mang thoát nước thấp hơn mặt đào đất 0,3-0,5m.đáy hố thu nước thấp hơn đáy máng thoát nước 1m

(3) đường hố thu nước thường 0,7-1m,thành hố thu có thể xây gạch,ống bêtông,ván chắn đất hoặc có các biện pháp chắn giữ tạm thời,tầng lọc ngược ở đáy hồ bằng đa dăm hoặc đá sỏi 0,3m

2.Lưa chọn máy bơm

Lượng nước thấm vào trong hố đào có thể ước lượng theo kinh nghiệmhoặc xác đinh bằng hút nước thử,cũng có thể ước tính bằng phương pháp giếng lớn ,tức là xem hố đàohình chữ nhật là một giếng lớn có đường kính 2r 0 ,tính lượng trào nước vào rồi tìm công suất của máy bơm,với

Trong đó: B- chiều rộng hố đào chữ nhật

L-chiều dài hố đào chữ nhật

hệ số,có thể tra theo bảng 10.1 theo tỉ số L/B

R: bán kính ảnh hưởng(m),phụ thuộc k,lấy theo bảng 10.2

H:-độ sâu từ mực nước ổn định đến đáy hố đào theo thiêt kế(m)

Bảng 10.2.hệ số thấm và bán kính ảnh hưởng

Bán kính ảnh hưởng R (m)

Hệ số thấm k (m/ngày) Thành phần tầng cát đá

Cũng có thể dùng các công thức kinh nghiệm để tính bán kính ảnh hưởng (7)

Tìm cống suất N của máy bơm theo công thức sau:

Trong đó :H-tổng độ cao bao gồm khoảng đNy ,khoảng hút và tổn thất cột nước do các loại lực

cản sinh ra(m);

a-hệ số an toàn ,thường lấy bằng 2;

1-công suất máy bơm,lấy 0,4-0,5

2-công suất máy động lực, 0,75-0,85

3.Khuyết điểm của phương pháp thoát nước mặt

Thoát nước bằng phương pháp này ko thể hoàn toàn ngăn cản được hiên tượng cát chảy ,đồng thời với việc nước ngầm chảy mạnh vào trong hố ,đất ở xung quanh hố cũng vào theo,có thể dẫn dẫn tới sụt lở thành hố ,hạ thấp của cường

độ của đất đáy hố

10.1.2phương pháp giếng điểm(giếng

kim)

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

chày vào 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 tới dưới cốt thiết kế của đáy

hố ,làm cho thi công có thể tiến hành trong môi trường khô

ráo_hình (10.3)

1.các thiết bị chính của hệ thống giếng điểm

1)ống giếng điểm :dùng ống thép phi 50mm,đầu ống là

ống lọc dài 1-2m,(hình 10.4),ống lọc chính là ống thép phi

50mm có đục các lỗ phi 10-15mm bố trí như hình hoa mai ,cự

li lỗ 30-40mm bên ngoài lỗ dùng dây thep quấn theo hình

xoắn ốc trước tiên bọc một lớp lưới lọc tinh với mắt 40 ,rồi

bọc một lớp lưới lọc mắt thô 18,lưới lọc dùng lưới đồng hoắc

lưới nilông đều đc.bên ngoài lưới lọc lại quấn một lớp dây

thép thô để bảo vệ lưới lọc ,đầu dưới ống lọc có lắp bao ống

bằng gang đúc để đề phòng bùn đất chui vào ống

2)ống thu nước chính: dùng ống thép có đường kính trong 102-127mm nối từng đoạn ,cứ cách 1-2 mlại đặt 1 đầu nối ngắn để nối với ống giếng điểm

3)ống nối:ống nối dùng loại ống cao su hoặc ống nhựa phi 40-50 mm,trên ống nối có van để kiểm tra

4)thiết bị hút nước :thiết bị hút nước đc tạo bởi bơm hút nước ,bộ xạ lưu và két nước tuần hoàn

2.Bố trí giếng điểm :

Như hình 10.5 phải căn cứ vào yêu cầu về độ sâu phải hạ mực nước ngầm ,độ lớn và kích thước mặt bằng hố đào ,tính năng thấm nước của tầng chứa nước và hướng chảy của nước ngầm v.v để xác đinh.nếu yêu cầu hạ nước ngầm ở mức 4-5m có thể dùng giểng điểm 1 hàng ,nếu yêu cầu hạ nước ngầm lớn hơn 6m có thể dùng giếng điểm 2 hay nhiều cấp.nếu bề rộng hố đào

nhỏ hơn 10m,thì có thể đón đầu hướng chảy của nước ngầm mà đặt giếng điểm 1 hàng khi diện tich hố đào lớn ,có thể bố trí giếng điểm không khépkín hoặc giếng điểm khép kín (như hình vòng ,hình chữ U),ống giếng điểm cách xa thành hố đào không nhỏ hơn 1-2m

10.1.3.Tính lưu lượng nước vào hố đào(theo 11)

1.Lưu lựong dòng thấm tới hố đào chữ nhật hẹp hoàn chỉnh

Như trên hình 10.6 tính theo công thức duypuy:

(10.4)

Với các hố đào nằm ở gần sông thì lưu lượng tới hố đào tính theo công thức :

(10.5)

Trong đó :

Q - tổng lưu lựong đến hố đào:

Qng:-lưu lựong của nước ngầm

Qs: - lưu lượng từ phái sông

L: - chiều dài hố đào

K: - hệ số thấm của tầng chứa nước

Hng - bề dày lớp chứa nước không

áp

Hg -độ dâng mực nước sông trên

đáy cách nước R: - bán kính ảnh hưởng theo bảng

10.2 hoặc tính toán L: -khoảng cách từ hố đào đến sông

2 Lưu lượng dòng thấm tới hố đào chữ

nhật hẹp không hoàn chỉnh ( hình 10.7)

Có thể xác định theo phương pháp trughaev.theo phương pháp này ,lưu lượng tới hố đào bao gồm lưu lượng của đới A được xác định theo công thức duypuy và lưu lượng của đới B (nước thấm qua cả đáy hố đào)xác định theo công thức pavloxki

Lưu lượng tổng được xác định theo công thức

(10.6)

Công thức dung để xác định lưu lượng chung của dòng thấm về hố đào hẹp không hoàn chỉnh

có chiều dài L:

Trong đó: -độ chênh mực nước ngầm với đáy hố đào:

hs -độ chênh mực nước song với đáy hố đào:

-lưu lượng dẫn dùng phần có áp của dòng thấm (đới B trong hình 10.7)

-lưu lượng dẫn dung phần có áp của dòng thấm từ phía sông

Trá trị và theo biểu đồ Trughaev (hình 10.8) phụ thuộc các hàm số :

Qrng=f(αng,βng) và qrs =(αs,βs)

Trong đó :αng= ; βng= ; αs= ; βs=

T - khoảng cách từ đáy hố đào đến đáy cách nước:

c - nửa chiều rộng hố đào

3.Lưu lượng dòng thấm tới hố đào ngắn hoàn chỉnh

Để đơn giản khi tính toán thường đưa loại hố đào này về hình tròn tương đương.đối với hố đào hoàn chỉnh ,trong trường hợp nước ngầm (hình 10.9a) lưu lương tính theo :

r0 - kính dẫn dung của hố đào

m - bề dày lớp chứa nước có áp

S - độ hạ thấp mực nước ngầm khi hút nước từ hố đào tức là độ chênh lệch mực

đo áp của nước chưa hạ thấp đến đáy hố đào

4.Lưu lương dòng thấm tới hố đào ngắn hoàn chỉnh

Lưu lượng trong trường hợp này (hình 10.10) được tính theo công thức của Abramov S.K:

k- hệ số thấm lớp chứa nước

s- độ hạ thấp mực nước ngầm

R-bán kính ảnh hưởng

r0- bán kính dẫn dùng

T-khoảng cách từ đáý hố đào đến đáy cách nước

10.1.4.TÍNH TOÁN NHÓM GIẾNG DÙNG ĐỂ HẠ THẤP MỰC NƯỚC DƯỚI ĐẤT KHI THI CÔNG HỐ ĐÀO:

1 trường hợp nước ngầm(nước không áp)

Các giếng hoàn chỉnh

Khi các giếng được bố trí ở đường viền chu vi hố đào có chiều dài L và chiều rộng B thì có thể coi như bố trí trên vòng tròn tương đương có bán kính r0(hình 10.11)

Lưu lượng của mỗi giếng hoàn chỉnh được xác định theo công thức biến đổi của xen kachev:

Q0 =

Trong đó Q0 - lưu lượng 1 giếng trong nhóm giếng

k -hệ số thấm lớp chứa nươc

H - bề dày lớp chứa nước

S - độ hạ thấp mực nước trong các giếng

Gía trị chính xác hơn khi tính theo công thức focgayme:

hmax=

Trong đó hmax – chiều cao mựcc nước hạ thấp ở tâm vùng,tính từ đáy cách nước

x1,x2,xn - khoảng cách từ các giếng tương ứng đến tâm vùng

Các giếng không hoàn chỉnh

Lưu lượng của mỗi giếng Q0trong nhóm giếng không hoàn chỉnh bố trí trên chu vi vòng tròn bán kính r0(hình 10.12)được tính theo công thức của abramov S.K:

Qo=1,36kS

Trong đó: k-hệ số thấm của lớp chứa nước

S-độ hạ thấp mực nước trong giếng không hoàn chỉnh

l-chiều dài phần bố trí ông lọc

R-bán kính ảnh hưởng

Rc-bán kính giếng

n-số giếng

T = H - h H-bề dày lớp chứa không áp:

; r0 =

Hàm f( ) có thế xác định theo đồ thị (hình 10.13) theo trị số ( )

Chiều cao mực nước ngầm hạ thấp ở tâm vùng được tính theo phương trình của argunov P.P:

2 Trường hợp nước có áp - các giếng hoàn chỉnh

Lưu lượng Q0 của mỗi giếng hoàn chỉnh bố trí ở chi vi vòng tròn bán kính r0 (hình 10.14) được tính theo công thức của Xenkachev V.N

Q0 = (10.16)

Trong đó: m- bề dày lớp chứa nước có áp

Chiều cáo mực nước áp lực hấp ở tâm vùng tính theo công thức “giếng lớn”

0 0 max

ln2,73

R nQ

Trong đó: H- Chiều cao mực áp lực chưa hạ thấp của nước dưới đất ở trên đáy cách nước;

hmax- Chiều cao mực đo áp hạ thấp ở tâm vùng phía trên đáy cách nước nằm dưới;

x1,x2,…xn - Khoảng cách từ các giếng tương ứng đến tâm vùng

các giếng không hoàn chỉnh:

Lưu lượng Q0 của mỗi giếng không hoàn chỉnh trong nhóm bố trí trên chu vi vòng tròn bán kính r0 (hình 10.15) được tính theo công thức Tranui-Abramov;

Xác định lưu lượng nước chảy đến hố đào hình

chữ nhật cắt qua hai lớp cát chứa nước , xen giữa là

lớp đất sét dẻo chảy (hình10.16)

Hệ số thấm của lớp cát ở trên k1 = 4m/ngđ và lớp

cát phía dưới, k2 = 10m/ngđ Bán kính ảnh hưởng

thưo tài loệu quan sát của lớp trên là 1000m và lớp

dưới là 1500m

Các số liệu còn lại xem trong hình 10.16

Bài giải:

Vì L 10

B < nên sử dụng phương pháp “giếng lớn”

1 Xác định lưu lượng từ lớp cát phía trên chưa nước không áp

Giá trị bán kính dẫn dung xác định theo công thức:

Giá trị ở đây lấy theo bảng 10.1, khi 236 0, 22

2 Xác định lưu lượng từ lớp cát phía dưới chứa nước có áp

Vì sự có mặt của lớp sét dẻo chảy nên lóp cát dưới xem là tầng chứa nước có áp

Bán kính dẫn dùng khi:

0

200

0, 20,1000

1000 200

B L

− = × × − × =

3/ngđ Lưu lượng tổng chảy vào hố đào:

Q = Q1 + Q2 = 460 + 3225 + 3685 m3/ngđ = 154m3/giờ

Ví dụ 10.2

Tính toán cho thiết cho thiết bị hạ thấp mực nước trong tầng chứa nước không áp dày H = 25m gồm 5 hố khoan không hoàn chỉnh bố trí trên chi vi vòng tròn có bán kính r0 = 25,7m, cách nhau 30m để độ hạ thấp ở tâm thiết bị là 3,4m Hệ số thấm lớp cát chứa nước k = 10m/ngđ

Bán kính ảnh hưởng của thiết bị R0 = 250m, bán kính hố khoan rc = 0,10m

Cho độ hạ thấp mực nước trong hố khoan S = 6m và chiều dài bộ lọc l = 6m

1,63

(1 0lg

5

c c

l T

Theo đồ thị ở hình (10.03) , khi α = 0,187 nhận được A= f ⎛⎜⎝2l T ⎞⎟⎠=2, 26

5 4 0

lg 5lg 250 (lg 5 4lg 25,7 lg16) 4, 455

R N

T A r

N

ζα

βζ

Khi S = 7,5m và l – 5,5m thì Qq = 447m3/ngđ và S = 3,40m gần trị số yêu cầu

Ta sẽ chọn các thong số này

Ví dụ 10.3

Các giếng hạ thấp mực nước ngầm bố trí ở quanh chu vi hình chữ nhầt 60x30m các số liệu ban đầu: độ hạ thấp tối thiểu ở chu vi hố đào Sx = 5m, và mực nước hạ thấp hx = 7m Bán kính hố khoan 0,2m, bề dày lớp nước ngầm H = 12m, hệ số thấm k = 17,3m/ngđ

Cho số giếng n = 6 và độ hạ thấp tại giếng S = 8m

Bài giải:

(1) Bán kính ảnh hưởng xác định theo công thức Kuxakin I.P:

Khi bề dày lớp chứa nước không lớn, giếng đào tới đáy cách nước

(2) Lưu lượng mỗi hố khoan tính thưo công thức Xenkachev (10-11)

5 1

0 0

3

lgln

61,36 17,3(2 12 8)8

407 /

6 lg 250 lg 6 5lg 24 lg 0, 20

n n

c c

Q

R R

R nQ

nước yêu cầu S = 10m, đường kính hố khoan d = 200mm,

hệ số thấm của lớp chứa nước k = 10m/ngđ

Bài giải:

Phương án 1: Lấy số hố khoan n = 8 và độ hạ thấp mực

nước S = 12m Hô khoan tới đáy cách nước và bộ lọc có

chiều dài công tác l = 5m Xác định bán kính của vòng tròn

Khi n = 8 và S = 12m độ hạ thấp lớn hơn phần nào yêu cầu

Phương án 2: Lấy số hố khoan n = 8 và S = 13m, chiều dài bộ lọc l = 3m bố trí ở đỉnh lớp

R N

m A r

R

nr m

ββ

Khả năng hố khoan cho nước thấm qua khi l = 3m là Qq = 243m3/ngđ

Giá trị Q0 và hmax nhận được cho biết bộ thiết bị đạt yêu cầu nên có thể chấp nhận phương án này

Phương án 3: Cho số giếng hoàn chỉnh n = 6 va S = 13m Giả thiết dòng nước ngầm chuyển

động về phía hố khoan 7 (hình 10.17) và các hốkhoan còn lại 1,3,5,6,7 và 8

Kết quả nhận được Q0 =2063/ngđ; hmax = 7,66m và hc = 8,27m Vì giá trị độ hạ thấp tại góc hố móng của hố khoan 3, hc =8,27m lớn hơn giá trị cho phép là 8,0m nên không chấp nhận phương

án này

10.1.6 Giếng hoàn nước

Dưới tác dụng của các giếng điểm để hạ nước ngầm sẽ làm cho mực nước hạ thấp làmgiảm độ

Nm trong đất dính nên chúng sẽ chịu nén, lún cố kết và giảm áp lực đNy nổi, so đó sẽ làm giảm áp lẹc nước lỗ rỗng, áp lực có hiệu của đất tăng lên từ đó gây ra lún không đều v.v… nên có ảnh hưởng đến sự an toàn của công trình lân cận Nhằm giảm độ lún của các lớp đất người ta phải kết hợp việc hạ mực nướic ngầm với việc hoàn nước trở lại [12]

Nguyên lý của phương pháp giếng hoàn nước (hình 10.18): Trong vùng hạ nước ngầm và công trình lân cận đặt một dãy giếng hoàn nước, dùng nó để bổ sung nước làm cho bán kính ảnh hưởng

do hạ nước ngầm không vượt quá phạm vi giếng hoàn nước, tạo thành màn các nước, nhờ đó mực nước ngầm ở phía công trình hiện hữu không thay đổi

Về lí thiết, số giếng hoàn nước nên bằng số giếng

hạ nước, nó phụ thuộc vào hệ số thấm của tầng chứa

nước: Khi tầng đất xốp chứa nước thì số giếng hàn nước

bằng 1/3 – 2/3 số giếng hút nước, trong tầng đất hạt thô

lớn hoặc trong đá nứt nẻ thì số giếng hàm nước lấy vằng

hoặc nhiều hơn giếng hút nước

Ngoài việc phụ thuộc vào điều kiện địa chất thuỷ

văn, số giếng hoàn nước còn có quan hệ vởi công nghệ

tạo giếng, phương pháo hồi nước, áp lực nước lón hay

nhỏ…, nói chung do thí nghiệm hiện trường quyết định

Trong đó: n- Số giếng hoàn nước (điển)

Q- Lượng nước hoàn vào hố đào (m3/ngđ)

q- Lượng nước hoàn voà giéng đơn (m3/ngđ)

Giếng hoàn nước bố trí phạm vi ngoài của giếng hút với khoảng cách nên lớn hơn 6m

10.2 Đào đất

Đào đất trong hố móng thường gặp phải một số vấn đề đặc biệt, nhất là với hố móng sâu Những vấn đề này nhất thiết phải được xử lý thoả đáng mới có thể đảm bảo cho công việc đào đất được tiến hành thuận lợi Vấn để rất thường hay gặp phải la fviệc xử lý nước ngầm và ciệc chống giữ hố móng, hai vấn đề này có khi song song tồn tại, có khi một trong hai vấn đề đó lại nổi lên

thành chủ yếu Do đó, trong khi đào hố móng, nhất thiết phải kết hựop chặt chẽ với tình hình đậi chất thuỷ văn để lựa chọn phương án chắc giữ hố móng và hạ mực nước ngầm thoả đáng

10.2.1 Ổn định thành hố móng

Tỉ số giữa khả năng chống trượt của đất với lực gấy trượt trong điều kiện không xảy ra trược dốc sụt lở của thành dưới tác động của trợng lượng bản than, của tải tròng nằm gần thành hoặc các tải trọng khác… là tính ổn định của thành hố móng

mục đích của viẹc tính toán ổn định là tìm ra được mặt trượt nguy hiểm nhất, là tỉ số giữa mô men chống trượt với mô men của tất cả các lực trên mặt trượt ấy gấy ra, tỉ số này chin là hệ số an toàn ổn định Tìm mặt trượt nguy hiểm nhất, thường phải qua tính thử nhiều lần, đưa ra được một loạt trị số K Lấy mặt trượt có trị số K nhỏ nhất làm mặt trượt nguy hiểm nhất:

Bảng 10.2a Độ dốc lớn nhất của thành hố móng có độ sâu ≤5m

(không có chống đỡ)

Độ dốc thành hố

Đào đất bằng máy Tên loại đất Đào đất bằng nhân

công và đổ đất lên miệng hố

Đào đất ở đáy hố móng

Đào đất ở trên bờ máng móng