I. Tính cấp thiết của đề tài
2.1.2 Biến dạng của Tường chống thấm đất-bentonite và phần đất xung
Trong quá trình thiết kế tường chống thấm đất-bentonite, cần phải cân nhắc kĩ lưỡng hiện tượng biến dạng vì nhiều nguyên nhân. Đối với tường chống thấm ở các đập lớn, điều quan trọng là tường chống thấm có thể chịu được các biến dạng lớn mà không bị rạn nứt. Tại các công trường mà có các kết cấu xung quanh, điều quan trọng là cần hạn chế các biến dạng của nền đất để tránh ảnh hưởng tới các kết cấu xung quanh đó (Filz 1996).
Nếu các vách hào có thế biến dạng, như giả định trong thuyết nén ngang, các biến dạng có thể xảy ra trong quá trình xây dựng (Filz 1996). Như trong Hình 2.3, các vách hào có thể dịch chuyển vào trong trong khi đào dưới lớp dung dịch vữa bentonite-nước. Điều này có thể làm lún phần mặt đất và kết quả là có thể ảnh hưởng đến các kết cấu xung quanh. Trong quá trình đắp, lớp dung dịch vữa bentonite-nước được thay thế với lớp đất-bentonite có trọng lượng lớn hơn. Điều này có thể làm cho các vách hào dịch chuyển ra ngoài và giảm độ lún bề mặt. Trong quá trình gia cố đất-bentonite, các vách tường có thể lại dịch chuyển vào trong, càng làm lún bề mặt.
Hình 2.3. Biến dạng nền do thi công tường hào.
Phần này trình bày các thông tin thu thập được từ các tài liệu về các biến dạng do xây dựng tường chống thấm đất-bentonite. Ngoài ra còn có một
33
số tài liệu về biến dạng của phần đất xung quanh vì đào các hào chứa đầy dung dịch vữa. Hầu hết những thông tin này được trình bày tường chắn đất kết cấu. Có rất ít thông tin về các biến dạng của đất xung quanh sau khi đắp với hỗn hợp đất-bentonite và các biến dạng do hiện tượng cố kết đất- bentonite.
Các biến dạng do đào các hào chứa đầy dung dịch vữa
Các thông tin về biến dạng do đào hào chứa đầy dung dịch vữa được trình bày cho việc đào các tường chắn đất kết cấu. Tuy nhiên, tường chắn đất kết cấu và tường chống thấm đất-bentonite có sực khác biệt lớn mà có thể ảnh hưởng đến sự biến dạng.
Tường kết cấu thường được xây dựng với các panen ngắn và không phải là các hào liên tục như là tường chống thấm đất-bentonite. Các phân tích phần tử hữu hạn trên các panen ngắn đã cho thấy các áp lực ngang tác động vuông góc với tấm panen đã được chuyển sang đất ở đoạn cuối của hào (Wong 1984). Do đó, việc sử dụng các tấm panen ngắn và các tường chắn đất kết cấu làm hạn chế áp lực ngang tác động lên vách hào và có thể làm hạn chế các biến dạng có thể sinh ra
Trong khi quy trình thiết kế các tường chắn đất, người ta thường quan tâm nhiều đến độ ổn định của hào chứa dầy dung dịch và độ ổn định của việc đào tường trong tường trong đất đã hoàn thiện và sự dự tính độ biến dạng của đất do việc đào trong tường tường trong đất đã hoàn thiện. Trong quá trình thiết kế và người ta giả định không có biến dạng xảy ra trong quá trình thi công tường tuy nhiên những biến dạng này đã được chứng tỏ là có vai trò quan trọng. Cowland và Thorley (1985) đưa ra các dữ liệu về độ lún của các tòa nhà ở gần tường trong đất từ 7 địa điểm ở Hồng Kông. Các bức tường có chiều rộng thay đổi từ 80cm tới 1,2m và độ sâu thay đổi từ 20m tới 50m. Tất cả tường đều được xây tại khu đất đã được cải tạo gần với khu bờ biển với
34
các điều kiện địa chất như nhau. Các bức tường đều được xây ở các khu vực đô thị đông dân với các kết cấu khác bên cạnh. Các kết cấu bao gồm các tòa nhà từ 3 đến 4 tầng với móng nông đến các tòa nhà 30 tầng với móng sâu. Các tác giả này cho rằng giả sử các biến dạng sẽ nhỏ nếu có một yếu tố an toàn liên quan tới sự không ổn định của hào nhưng điều này không thấy trong trường hợp của Hồng Kông. Người ta chỉ ghi nhận độ lún của các tòa nhà là hơn 5cm
Hình 2.4. Lún của nền lân cận do thi công tường hào (Cowland and Thorley 1985)
Các dữ liệu về độ lún đất được trình bày như là một hàm số của khoảng cách từ hào được nêu ở Hình 2.4. Độ lún và khoảng cách tới hào được chuẩn hóa bởi độ sâu của hào. Các hình đó cho thấy rằng độ lún giảm theo khoảng cách tới hào nhưng khoảng lún lớn có thể xảy ra ở điểm có khoảng cách bằng 1,5 lần độ sâu của hào. Hình 2.4 cũng cho thấy tác động của việc xây panen tới các khoảng biến dạng. Đường cong E chỉ dữ liệu đo được ở các đầu của panen, đường cong M chỉ dữ liệu đo được ở giữa panen. Độ dịch chuyển ở gần các đầu của panen nhỏ hơn là độ dịch chuyển ở gần phía giữa panen.
35
Poh và Wong (1998) đưa ra các biến dạng từ một thí nghiệm thực địa bao gồm việc xây dựng một panen tường chắn đất. Tấm panen này dày 1.2m dài 6m và sâu 25m. Các thiết bị đo độ nghiêng và đánh dấu độ lún được lắp để đo độ dịch chuyển ngang và dọc ở các khoảng cách khác nhau tính từ panen. Việc đào panen khiến cho phần đất gần đó di chuyển hướng về phía panen và lún xuống. Việc dùng bê tông để đắp panen lại làm cho khoảng đất gần đó di chuyển ra xa panen về phía ngang và tạo bề mặt nhấp nhô.
Độ dịch chuyển nghiêng tối đa xảy ra tại độ sâu khoảng 11m tức là ở vị trí giữa tầng đất sét rất mềm và mềm. Trong khi đào, độ dịch chuyển ngang tối đã là 2.2cm. Sau khi đào, panen được để cho đứng khoảng 24 giờ và sau đó mực dung dịch có sự thay đổi. Thời gian đứng làm tăng khoảng dịch chuyển ngang tối đa lên một khoảng 3mm. Các kết quả cho thấy độ dịch chuyển ngang tối đa có xu hướng giảm với khoảng cách tính từ hào. Ở các tầng đất cứng hơn thì các dịch chuyển có xu hướng ít xảy ra hơn.
Trong khi đào, độ lún tối đa đo được là 2.2 cm. Độ lún tối đa xảy ra vị trí cạnh hào ở tường dẫn hướng. Độ lún tối đa giảm so với khoảng cách tính từ hào. Dù thời gian đứng có kéo dài 24 giờ hay tăng mức dung dịch vữa lên thì cũng không tạo ra sự thay đổi lớn trong độ lún. Hạ thấp mức dung dịch vữa sẽ làm tăng độ lún ở tường dẫn một khoảng là 1cm.
Biến dạng do hiện tượng cố kết đất-bentonite
Các biến dạng dọc của tường đất-bentonite do cố kết đã được ghi nhận ở nhiều trường hợp trong lịch sử. Khoury và các đồng nghiệp (1992) đưa ra độ lún trong tương quan với thời gian từ một tường chống thấm ở đập Manasquan. Một vài phần của tường rộng 90cm, một số phần khác thì rộng 1.5m. Tường đất-bentonite được xây trong 2 giai đoạn. Phần dưới được xây khi đập đạt độ cao 13.5m. Phần trên được xây khi đập cao 16.5m. Phần trên được nối với phần dưới ít nhất một khoảng 3 foot. Các biến dạng dọc theo
36
thời gian được đo ở hào đất-bentonite nhờ sử dụng các bàn quan trắc lún bề mặt. Phần dưới có độ sâu trung bình là 16.5m và đạt độ lún tối đa trong khoảng 1 đến 2 tháng. Phần trên sâu khoảng 5.5m và đạt độ lún tối đa trong vòng 2 tuần. Phần có chiều rộng 90cm chịu tổng biến dạng đứng từ 3 đến 4%. Phần có chiều rộng 1.5m thì chịu biến dạng đứng từ 7 đến 9 %.
Engemoen và Hensley (1986) báo báo rằng tường chống thấm đất- bentonite ở đập Calamus chịu biến dạng đứng là 0,1% trong vòng 1 tháng. Tường chống thấm có độ sâu tới 33m với chiều rộng từ 90cm dến 1.5m.
Trong bài báo ‘’The State-of Stress in Soil- bentonite slurry trench cutoff wall ‘’ được viết bởi Jeffrey C. Evans; Michael J.Costa; Bradford Cooley đã đưa ra công thức tính độ lớn ứng suất hiệu quả theo chiều sâu hào:
σv=B/2{ γ−2c/Β }/(ktanφ) }∗(1−e-2ktanφz/B)+q.e-2ktanφz/B (2.2.) Trong đó: σv: Ứng suất theo phương đứng B: Chiều rộng của hào γ : Trọng lượng riêng của đất (KN/m3) C: Lực dính của đất trong hào K: hệ số Poisson’s ratio
φ: Góc ma sát trong của đất trong hào q: Tải trọng tác động
37
Hình 2.5. Ứng suất hiệu quả trong hào đất theo chiều rộng
Ứng suất hiệu quả có độ lớn phụ thuộc vào bề rộng B của hào, và có độ lớn có giá trị không thay đổi theo chiều sâu. Để làm sáng tỏ vấn đề này tác giả đã tiến hành tính toán bằng phương pháp PTHH ở chương tiếp theo.