NGHIÊN CỨU, GIẢI PHÁP XỬ LÝ HIỆN TƯỢNG CÁT CHẢY DO NƯỚC NGẦM NỀN ĐƯỜNG TRONG VÙNG 4CAM RANH

Việt Nam là quốc gia có bờ biển dài hơn 3000km, có vùng châu thổ và duyên hải kéo dài được tạo thành bởi trầm tích, bồi tụ bởi các tầng cát tích với tầng nước ngầm hoạt động. Hoạt động địa chất thủy văn phức tạp đã tạo nên hiện tượng xói ngầm, cát chảy phổ biến ở hầu khắp các tỉnh thành trong cả nước. Đối với các công trình đang xây dựng, xói ngầm cát chảy trực tiếp tác động vào nền móng gây sụt, lún hay âm thầm gây xói lở nền đường, trụ cầu ven sông biển, tầng móng công trình, tạo nền các “hố tử thần”. Trong thời gian gần đây, ở các thành phố lớn như thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Huế, Nghệ An…liên tục xuất hiện các “hố tử thần” phá hoại các con đường trọng yếu như đại lộ Nguyễn Văn Linh, QL1A… Từ năm 2011, trong quá trình xây dựng cơ sở hạ tầng, trong đó có mạng lưới đường giao thông ở Vùng 4Cam Ranh, hiện tượng xói ngầm – cát chảy đã gây ra rất nhiều khó khăn cho việc xây dựng nền móng đường ô tô và các công trình dân dụng. Các đơn vị liên quan đã áp dụng nhiều biện pháp xử lý tốn kém, phức tạp nưng chưa thực sự hiệu quả. Để tìm được giải pháp hợp lý, kinh tế, phù hợp với năng lực thiết bị trong nước, tận dụng vật liệu dịa phương để khắc phục một cách hiệu quả và bền vững hiện tượng xói ngầm – cát chảy phục vụ cho xây dựng nền đường Vùng 4Cam Ranh, việc Nghiên cứu giải pháp xử lý hiện tượng cát chảy do nước ngầm nền đường trong vùng 4Cam Ranh là một vấn đề rất cần thiết.

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN VĂN HIỀN NGHIÊN CỨU, GIẢI PHÁP XỬ LÝ HIỆN TƯỢNG CÁT CHẢY DO NƯỚC NGẦM NỀN ĐƯỜNG TRONG VÙNG 4/CAM RAN LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN VĂN HIỀN NGHIÊN CỨU, GIẢI PHÁP XỬ LÝ HIỆN TƯỢNG CÁT CHẢY DO NƯỚC NGẦM NỀN ĐƯỜNG TRONG VÙNG 4/CAM RANH TỈNH KHÁNH HỊA CHUN NGÀNH: KTXD ĐƯỜNG Ơ TÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ Mã số: 60.58.02.05.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS BÙI XUÂN CẬY HÀ NỘI - 2017 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân, xuất phát từ yêu cầu thực tiễn phát sinh cơng việc, để hình thành hướng nghiên cứu Các tài liệu tham khảo luận văn có nguồn gốc rõ ràng kết trình bày luận văn thu thập trình nghiên cứu trung thực khách quan Hà Nội, ngày tháng 10 năm 2017 Học viên Nguyễn Văn Hiền LỜI CÁM ƠN Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Thầy cô giáo Bộ môn Đường bộ, chuyên gia bạn bè đồng nghiệp giúp đỡ, đóng góp ý kiến cho đề tài Đặc biệt đề tài hoàn thành với hướng dẫn tận tình thầy giáo trực tiếp hướng dẫn GS.TS Bùi Xuân Cậy suốt trình nghiên cứu, hồn thiện luận văn kỹ thuật Trong q trình thực đề tài, thân chủ động thu thập tài liệu nghiên cứu với mong muốn đóng góp phần nhỏ bé vào phát triển ngành kỹ thuật xây dựng đường ô tô đường thành phố Tuy nhiên, phạm vi đề tài tương đối rộng, liên quan đến nhiều vấn đề Việt Nam lại chưa có nghiên cứu sâu vấn đề Đồng thời hạn chế thời gian thân phải đảm bảo thời gian cơng tác đơn vị, lực nghiên cứu thân hạn chế Vì vậy, số nội dung nêu đề tài biện pháp xử lý chưa kỹ Trên sở đề tài này, thời gian tới tiếp tục sâu vào nghiên cứu nội dung nhỏ để có báo cáo chuyên đề cụ thể Xin trân trọng cảm ơn Học viên Nguyễn Văn Hiền MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Việt Nam quốc gia có bờ biển dài 3000km, có vùng châu thổ duyên hải kéo dài tạo thành trầm tích, bồi tụ tầng cát tích với tầng nước ngầm hoạt động Hoạt động địa chất thủy văn phức tạp tạo nên tượng xói ngầm, cát chảy phổ biến hầu khắp tỉnh thành nước Đối với cơng trình xây dựng, xói ngầm cát chảy trực tiếp tác động vào móng gây sụt, lún hay âm thầm gây xói lở đường, trụ cầu ven sơng biển, tầng móng cơng trình, tạo “hố tử thần” Trong thời gian gần đây, thành phố lớn thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Huế, Nghệ An…liên tục xuất “hố tử thần” phá hoại đường trọng yếu đại lộ Nguyễn Văn Linh, QL1A… Từ năm 2011, trình xây dựng sở hạ tầng, có mạng lưới đường giao thông Vùng 4/Cam Ranh, tượng xói ngầm – cát chảy gây nhiều khó khăn cho việc xây dựng móng đường tơ cơng trình dân dụng Các đơn vị liên quan áp dụng nhiều biện pháp xử lý tốn kém, phức tạp nưng chưa thực hiệu Để tìm giải pháp hợp lý, kinh tế, phù hợp với lực thiết bị nước, tận dụng vật liệu dịa phương để khắc phục cách hiệu bền vững tượng xói ngầm – cát chảy phục vụ cho xây dựng đường Vùng 4/Cam Ranh, việc Nghiên cứu giải pháp xử lý tượng cát chảy nước ngầm đường vùng 4/Cam Ranh vấn đề cần thiết Mục tiêu nghiên cứu đề tài Đề xuất giải pháp khoa học công nghệ phù hợp để xử lý tượng cát chảy nước ngầm đường Vùng 4/Cam Ranh Đối tượng nghiên cứu Nền đường ô tô Phạm vi nghiên cứu Nền đường nằm vùng chịu ảnh hưởng cát chảy nước ngầm 10 Phương pháp nghiên cứu - Thu thấp số liệu vùng chịu ảnh hưởng cát chảy nước ngầm - Tìm hiểu giải pháp xử lý cát chảy áp dụng giới Việt Nam - Phân tích, đánh giá để đề xuất giải pháp xử lý phù hợp cho đường Vùng 4/Cam Ranh Nội dung Luận án Luận án gồm có chương: Phần mở đầu Chương 1: Tổng quan tượng cát chảy giải pháp xử lý Chương Giới thiệu dự án đường giao thông Vùng 4/Cam Ranh Chương Nghiên cứu đề xuất giải pháp xử lý tượng cát chảy nước ngầm đường Vùng 4/Cam Ranh Kết luận Kiến nghị 83 Hình 3.32 Những vị trí mái kè taluy suối trái tự sụp để lộ lưới thép không nằmtrong bê tông mà nằm bê tông  bê tông kè taluy dễ gãy vỡ Như vậy, nước mặt không chảy vào lòng suối (lòng suối khơng có nước)  nước xói vào lớp cát phía mái taluy gia cố Tạo thành dòng chảy ngầm dọc theo chân taluy suối bên trái đáy BTXM lòng suối Do khơng phát kịp thời dòng nước xói phía sau BTCT taluy trái lòng suối nên để tượng nước xói rút cát kéo dài làm đoạn phá hoại dài đến 200m Sau đục vỡ chân taluy kè suối để nước thoát khơng tượng phá hoại taluy trái lòng suối Hình 3.33 Sau đục vỡ chân taluy bên trái kè suối, nước chảy lòng suối 84 Đoạn tường chắn dài 20m bên phải đầu kè suối bị lún nhẹ chuyển vị nhẹ đánh giá nguyên nhân sau: Đoạn 20m tường chắn đoạn xây bổ sung trường so với Hồ sơ TKBVTC phê duyệt Khoảng thời gian từ cuối tháng 1/2016, nước mặt lòng suối nước chảy ngầm bên taluy tráiđã hết, sau đào hố thăm dò bên tường chắn (taluy phải kè suối – phía taluy đường) phát có nước ngầm chảy bên Hình 3.34 Hai vị trí đào thăm dò phát có dòng chảy ngầm từ đoạn 20m tường chắn xây thêm chảy xuống - Đào hố kiểm tra số vị trí dọc đoạn 20m tường chắn xây thêm phát khơng có bệ móng kè, có vị trí móng kè khơng đủ rộng sâu điển hình thiết kế Hình 3.35 Vị trí tiếp giáp đoạn tường chắn theo thiết kế đoạn tường chắn xây thêm 85 Tiến hành đào hố thăm dò vị trí đầu đoạn suối cát gia cố điểm lòng suối khơng phát nước ngầm Như vậy, đánh giá nước ngầm từ sau lưng đoạn 20m tường chắn xây thêm đoạn xây thêm khơng có móng có móng nơng đoạn thiết kế nên nước ngầm từ sau lưng tường thấm lòng suối chảy ngầm mặt lớp cát lòng suối - Dòng chảy ngầm luồn móng tường chắn (đoạn 20m xây thêm) kéo rút cát đáy móng nên làm cho đoạn 20m xây thêm có chuyển vị lún nhẹ quan sát c Đánh giá khả ổn định đoạn 20m tường chắn xây thêm Do đoạn 20m tường chắn xây thêm bị lún nhẹ chuyển vị nhẹ, nên cần đánh giá lại khả ổn định đoạn tường chắn để có giải pháp xử lý phù hợp Lựa chọn mặt cắt kiểm toán: Theo ghi nhận trường có xác nhận nhà thầu, số vị trí đoạn tường chắn xây thêm khơng có bệ móng gặp nhiều đá tảng lớn khơng đào đến cao độ hố móng,nên đổ bê tơng thân tường chắn bên viên đá tảng Vì vậy, mặt cắt tính tốn lựa chọn vị trí tưởng chắn có thân tường đặt viên đá tảng Mơ hình kết kiểm tốn: * Mơ hình kiểm tốn: - Tải trọng tính toán: xét đến tải trọng rải phương tiện giao thông tác dụng đỉnh mái dốc - Do trạng phát có nước chảy ngầm chảy đáy thân tường (vị trí khơng có móng) nên mơ hình tính có xét đến ảnh hưởng nước ngầm mái dốc - Sử dụng phần mềm địa kỹ thuật Geoslope/W để kiểm toán ổn định tổng thể theo phương pháp: Ordinary, Bishop Janbu 86 Hình 3.36 Mơ hình kiểm tốn * Kết kiểm tốn: Hình 3.37 Kết kiểm tốn với mặt trượt nguy hiểm - Hệ số ổn định mặt trượt nguy hiểm theo phương pháp tính tốn: Phương pháp Hệ số ổn định Hệ số ổn định Đánh giá kiểm tốn tính tốn Kmin u cầu [K] Ordinary 1.152 1.2 MẤT ỔN ĐỊNH Bishop 1.301 1.4 MẤT ỔN ĐỊNH Janbu 1.132 1.2 MẤT ỔN ĐỊNH KẾT LUẬN:Tường chắn có khả ổn định Cần có giải pháp 87 gia cố xử lý d Giải pháp thiết kế Hình 3.38 Bình đồ tổng thể thiết kế xử lý kè suối cát Điều chỉnh lại đoạn đầu kè suối mà thi công kéo dài so với thiết kế, với giải pháp sau: + Mở rộng cửa thu nước đầu kè suối cát gia cố cho dòng chảy từ thượng lưu suối chảy thẳng vào lòng đoạn suối cát gia cố, khơng nước chảy đâm thẳng vào mái taluy trái kè suối gia cố trạng (Hình 3.39) Hình 3.39 Bình đồ thiết kế xử lý kè suối cát + Đổ bê tông tạo phẳng sân thượng lưu suối cát hình 3.40: 88 Hình 3.40 Gia cố sân thượng lưu suối cát + Thi công đảm bảo chiều dày BTCT lòng suối quy cách đặt cốt thép bê tông; + Thi công đảm bảo đường kính ống nước cấu tạo tầng lọc ngược theo hồ sơ thiết kế quy định Xử lý lòng suối taluy bên trái suối (đoạn kè suối cát bị phá hoại): Đoạn kè suối bị phá hoại dài khoảng 200m, bao gồm đoạn tự xây kéo dài thêm - Dỡ bỏ hết đoạn kè BTCT bị gãy vỡ, hư hỏng (dài khoảng 200m) - Mở rộng cửa vào kè suối để đón tồn nước chảy vào lòng suối - Kết cấu bê tơng lòng suối taluy trái suối: + Lòng suối suối cát đổ BTCT chỗ dày 15cm, 20m bố trí khe thi cơng Tấm bêtơng bố trí cốt thép D8 theo phương ngang suối D6 theo phương dọc + Khe thi công kết hợp khe lún rộng 2cm, chèn gỗ phía chèn VXM M100 + Tầng lọc ngược đá dăm 2x4 ngồi bọc vải ĐKT khơng dệt, lỗ nước ống PVC D100 + Bên trái suối thiết kế rọ đá, chiều cao H=2m để đảm bảo nước ngầm từ núi chảy nhanh lòng suối Mái taluy dương rọ đá để tự nhiên, mái dốc >=1:1.75 89 Hình 3.41 Mặt cắt ngang điển hình kè suối cát sau xử lý - Đầu kè suối cát đổ chân khay BTXM M250 có kích thước BxHxL = 0,4x1x10m Phía ngồi chân khay đổ BTXM M200 dày 20cm tạo sân thu nước có chiều rộng từ chân khay đến chân bậc đá hữu (Hình 3.40) Xử lý 20m đoạn tường chắn xây thêm: Đoạn tường chắn xây thêm kiến nghị xử lý sau: Dỡ bỏ đoạn tường chắn cũ xây lại tường chắn - Tường chắn xây theo kích thước điển hình Hồ sơ TKBVTC phê duyệt, chiều cao trung bình tường chắn H = 3,0m Cụ thể: + Tường chắn BTXM M200, 10m bố trí lún rộng 2cm phía chèn gỗ đệm, phía khe lún chèn VXM M100 + Sau lưng tường chắn bố trí tầng lọc ngược đá dăm bọc vải ĐKT, ống thoát nước PVC D100 - Để thu nước ngầm cao độ móng tường chẵn cũ: bố trí đoạn rãnh thấm bên cạnh móng tường chắn chạy dọc theo móng tường Rãnh thấm đá dăm 2x4, ngồi bọc vải ĐKT khơng dệt, KT rãnh BxH = 0,8x1,05m; rãnh thấm đặt BTXM M150 có KT BxH = 0,1x0,9m + Bố trí tuyến rãnh ngầm sau lưng tường chắn (đoạn 20m xây thêm) để triệt tiêu áp lực nước ngầm gây tác dụng lên tường chắn 90 tránh tượng cát sau lưng tường chắn bị nước ngầm rút ngồi gây lún, sụt; (Hình 3.39 3.42) Hình 3.42 Bố trí rãnh ngầm sau lưng tường chắn + Tường chắn hữu phương án xử lý sau: Dỡ bỏ 20m đoạn tường chắn chuyển vị xây lại tường chắn theo điển hình thiết kế phê duyệt Cần thiết phải bố trí rãnh thấm (dạng rãnh ngầm) để thu nước ngầm phía sau tường chắn Rãnh thấm không thu ngầm sau lưng tường, triệt tiêu làm giảm áp lực nước ngầm tác dụng lên lưng tường: + Khi áp lực nước ngầm nhỏ nước ngầm tự thấm tự nhiên, chưa gây áp lực nguy hiểm cho tường chắn; + Khi nước ngầm nhiều tạo áp lực lớn đẩy nước ngầm chảy vào rãnh thấm chảy lòng suối theo đường dẫn thiết kế nên giảm áp lực nước tác dụng lên lưng tường Đây tác dụng quan trọng rãnh thấm - Nước từ rãnh thấm dẫn chảy vào lòng suối cát thơng qua 91 rãnh ngang BTXM M200 dày 15cm xuyên qua tường chắn, lòng rãnh đổ đá dăm 2x4 - Do cao độ đáy rãnh thấm cao độ đáy mòng tường chắn nên thấp cao độ lòng suối,vì cửa rãnh thấm bố trí hố thu BTXM M200 KT BxLxH = 2x2x1,05m Nước từ rãnh thấm chảy vào hố thu mực nước đầy chảy tràn lên mặt lòng suối - Mái taluy phía sau lưng tường, taluy đường giao thơng, lát hoàn trả BTXM Hồ sơ thiết kế BVTC phê duyệt * Kết kiểm toán ổn định tường chắn: Hình 3.43 Mơ hình kiểm tốn tườngchắn xây Hình 3.44 Kết kiểm tốn với mặt trượt nguy hiểm tườngchắn xây - Hệ số ổn định mặt trượt nguy hiểm theo phương pháp tính tốn: 92 Phương pháp Hệ số ổn định Hệ số ổn định kiểm tốn tính tốn Kmin Ordinary 1.847 Bishop 2.294 Janbu 2.020 3.2 Đánh giá giải pháp yêu cầu [K] 1.2 1.4 1.2 Đánh giá ỔN ĐỊNH ỔN ĐỊNH ỔN ĐỊNH Giải pháp chung lựa chọn việc xử lý tượng cát chảy dự án hạ thấp mực nước ngầm phù, sử dụng loại kết cấu áo đường ổn định với ảnh hưởng nước việc bố trí cơng trình chống đỡ cần lưu ý đến vấn đề thoát nước sau lưng tường chắn Các giải pháp đưa để xử lý tượng cát chảy, xói ngầm dự án đường giao thông Vùng 4/Cam Ranh thực từ năm 2016, cho thấy hiệu tốt - Đoạn Km6+660 -:- Km8+00 sau bố trí rãnh thấm (rãnh ngầm) đáy rãnh biên phía núi thu nước ngầm dẫn chảy vị trí cửa xả Đến chưa phát vị trí xuất hiện tượng cát chảy tác động lên đường giao thông Hình 3.45 Vị trí cửa xả rãnh ngầm: rãnh biên thu nước mặt hồn tồn khơ 93 Hình 3.46 Vị trí cửa xả rãnh ngầm: rãnh biên khơng có nước; rãnh ngầm vãn có nước chảy hố thu cửa xả - Đoạn tuyến từ Km0 + 100 -:- Km0 + 380 đoạn Km0+540 -:Km0+700 xử lý theo hướng thu nước ngầm hạ thấp mực nước ngầm Sau năm thi công xử lý cho thấy giải pháp đề xuất phù hợp Nước ngầm thu vào rãnh ngầm mực nước ngầm bị hạ thấp đến mức độ không ảnh hưởng đến làm việc kết cấu áo đường Hình 3.47 Vị trí cửa xả rãnh ngầm: rãnh biên khơng có nước thu nhiều nước rãnh ngầm 94 Việc thay kết cấu áo đường loại móng chịu tác động độ ẩm cao móng BTXM cho thấy kết khả quan Sau năm, lớp đường BTN ln khơ ráo, khơng thấy có tượng thấm ngược từ lên, phương tiện giao thông qua không cảm nhận khác biệt vào đoạn có móng BTXM Hình 3.48 Mặt đường đoạn xử lý thu nước ngầm thay móng BTXM - Đoạn xử lý kè suối cát cho thấy giải pháp Trong mùa mưa 2016 suối cát thu nước mặt, khơng tượng nước mặt ngầm ngầm gây xói bê tơng đáy suối Đặt biệt hệ thống rãnh ngầm đặt sau lưng tường chắn đoạn bố trí kè rọ đá bên bờ suối phía núi thu nước ngầm dẫn chảy lòng suối, triệt tiêu áp lực đẩy nước ngầm sau lưng tường 95 Hình 3.49 Ta luy bờ suối cát ổn định, nước thu chảy mặt lòng suối 96 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận - Hıện tượng cát chảy thường xảy vùng cáy hạt nhỏ có thành phần tương đối đồngnhất, có dòng nước thấm Hiện tượng cát chảy xảy cách chậm chạp, xảy nhanh nhanh, mang tính chất đùn lên đào khai thác đến chúng, tới mức khối đất đá lại khơng kìm áp lực cát lỏng - Cát chảy thường gây sụt lún đường, phá vỡ kết cấu cơng trình giao thơng - Khi xử lý đảm bảo an tồn cơng trình cần phải nghiên cứu kỹ điều kiện địa chất, thủy văn, đặc biệt nước ngầm - Các giải pháp đảm bảo ổn định cơng trình phải tùy thuộc vào điều kiện cụ thể, xét tới yếu tố kinh tế, kỹ thuật - Trong luận văn trình bày giải pháp cụ thể cho cơng trình sau thời gian cơng tác cho thấy có hiệu Kiến nghị - Cần có nghiên cứu sâu cát chảy Việt Nam - Cần có hướng dẫn giải pháp xử lý cát chảy 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO GS.TS Dương Học Hải, GS.TS Nguyễn Xuân Trục (2009), Thiết kế đường ô tô – Tập 2, NXB Giáo Dục Hồ sơ khảo sát địa hình, địa chất đường giao thơng Vùng 4/Cam Ranh Hồ sơ thiết kế xử lý cơng trình đường giao thông Vùng 4/ Cam Ranh TS Phùng Văn Khương, TS Trần Đình Nghiên, ThS Phạm Văn Vĩnh (2002), Thủy lực, Tập I: Thủy lực đại cương, NXB Giao thông vận tải, Hà Nội Lê Như Nam (2017), Nghiên cứu giải pháp chống cát chảy xây dựng cơng trình đường tơ khu kinh tế Nghi Sơn tỉnh Thanh Hóa, Luận án Tiến sỹ, 6-2017, ĐH GTVT QCVN, QCVN 04: 05/BNNPTNT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia cơng trình thủy lợi – Các quy định chủ yếu thiết kế, 2012, Hà Nội Phạm Văn Quốc (2001), Nghiên cứu dòng thấm khơng ổn định tác động đến ổn định cơng trình để có cát thơng với sơng, Trường Đại học Thủy lợi ... xuất giải pháp khoa học công nghệ phù hợp để xử lý tượng cát chảy nước ngầm đường Vùng 4/Cam Ranh Đối tượng nghiên cứu Nền đường ô tô Phạm vi nghiên cứu Nền đường nằm vùng chịu ảnh hưởng cát chảy. .. Vùng 4/Cam Ranh Chương Nghiên cứu đề xuất giải pháp xử lý tượng cát chảy nước ngầm đường Vùng 4/Cam Ranh Kết luận Kiến nghị 11 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG CÁT CHẢY VÀ CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ 1.1... bền vững tượng xói ngầm – cát chảy phục vụ cho xây dựng đường Vùng 4/Cam Ranh, việc Nghiên cứu giải pháp xử lý tượng cát chảy nước ngầm đường vùng 4/Cam Ranh vấn đề cần thiết Mục tiêu nghiên cứu