Chương 6: Khảo sát địa chất công trình để xây dựng công trình
6.5. Những vấn đề ĐCCT có thể phát sinh khi xây dựng các công trình
Trong quá trình quy hoạch xây dựng thành phố, tùy theo đặc điểm địa hình, địa chất, có thể phát sinh nhiều vấn đề địa chất công trình khác nhau.
150
1- Vấn đề ảnh hưởng của các hiện tượng địa chất động lực: Trong tự nhiên, các hoạt động địa chất như động đất, nứt đất, núi lửa, trượt, ... thường rất phổ biến, đặc biệt là ở các vùng núi uốn nếp. Nếu xẩy ra những hoạt động này ở khu vực xây dựng thành phố thì có thể ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động sống của con người cũng như ổn định của các công trình xây dựng trong thành phố. Để dự báo vấn đề này, cần thu thập và phõn tớch, đỏnh giỏ qua cỏc tài liệu liờn quan nh− tài liệu quan trắc địa chấn, theo dừi hoạt động núi lửa, tr−ợt do các cơ quan chuyên môn cung cấp trên cơ sở nghiên cứu
điều kiện địa chất công trình lãnh thổ.
2- Vấn đề ổn định nền công trình: Khi xây dựng các công trình trong thành phố, dưới tác dụng của tải trọng công trình, nền đất có thể bị phá hủy hoặc bị biến dạng quá
giới hạn cho phép do độ bền hay khả năng chống lại biến dạng của đất nền không đáp ứng đ−ợc yêu cầu làm việc của công trình, kết quả làm cho công trình mất ổn định.
Đây là vấn đề thường xẩy ra đối với bất cứ loại công trình nào. Khi dự báo ổn định nền công trình, cần căn cứ vào đặc điểm cấu trúc đất nền, quy mô, tải trọng của công trình xây dựng để có những phân tích, đánh giá khả năng phát sinh của chúng trong những
điều kiện địa chất khác nhau.
3- Vấn đề cung cấp nước cho sinh hoạt và công nghiệp: Trữ lượng, chất lượng nước cung cấp cho sinh hoạt và công nghiệp là một nhu cầu không thể thiếu đối với một thành phố, nh−ng không phải ở khu vực nào cũng có nguồn n−ớc sạch, có chất l−ợng đủ tiêu chuẩn để cung cấp cho sinh hoạt và công nghiệp. Tuỳ theo quy mô của thành phố mà nhu cầu cung cấp n−ớc không giống nhau, nh−ng nói chung là rất lớn. Vì
vậy, vấn đề này rất có thể phát sinh nên cần phải chú ý khi khảo sát địa chất công trình cho quy hoạch thành phố. Muốn dự báo vấn đề cung cấp nước cho sinh hoạt và công nghiệp, cần phải có các tài liệu điều tra địa chất thuỷ văn đ−ợc thực hiện trong quá
trình khảo sát địa chất công trình.
4- Vấn đề cung cấp vật liệu xây dựng khoáng tự nhiên: Nhu cầu cung cấp vật liệu xây dựng khoáng tự nhiên nh− đất làm gạch, ngói, cát, đá, sỏi, cuội để xây và đổ bê tông cho xây dựng thành phố là rất lớn. Những loại vật liệu này ở nhiều khu vực có thể rất khan hiếm, phải chuyên chở từ nơi khác đến, làm cho giá thành xây dựng tăng lên
đáng kể. Vấn đề này có thể đ−ợc dự báo chính xác nếu nh− điều kiện địa chất công trình của khu vực thành phố đã đ−ợc làm sáng tỏ.
6.5.2. Công trình dân dụng và công nghiệp
Khi thiết kế, xây dựng và sử dụng công trình dân dụng và công nghiệp th−ờng phát sinh các vấn đề địa chất công trình nh− ổn định nền công trình, thi công và sử dụng nền công trình.
1- Vấn đề ổn định nền công trình: Theo sơ đồ tính toán nền, có thể chia vấn đề ổn
định nền công trình thành 2 vấn đề cụ thể: vấn đề sức chịu tải của đất nền và vấn đề biến dạng lún của nền đất.
- Vấn đề sức chịu tải của đất nền: Vấn đề này phát sinh khi công trình dân dụng và công nghiệp được xây dựng trên nền đá cứng, trên các sườn dốc, bờ dốc hoặc chịu tác dụng bởi các lực ngang, lực xiên đáng kể (những lực này có thể phát sinh do chịu tác dụng của lực dao động địa chấn, của gió hoặc do tính chất làm việc của công trình), vì trong những điều kiện nh− vậy, nền đất có thể bị phá huỷ ngay trong khi biến dạng còn rất nhỏ hoặc ch−a v−ợt quá giới hạn cho phép.
151
- Vấn đề biến dạng lún của nền đất: Vấn đề này xẩy ra khi công trình dân dụng và công nghiệp đ−ợc xây dựng trên nền đất có sức chịu tải nhỏ, độ biến dạng lớn, tải trọng công trình chủ yếu tác dụng theo phương thẳng đứng. Trong trường hợp này, biến dạng lún của nền đất đóng vai trò quyết định đối với sự ổn định của công trình, bởi vì cho dù
áp lực công trình ch−a v−ợt quá sức chịu tải của đất nền nh−ng biến dạng lún v−ợt quá
giới hạn cho phép cũng đã làm cho công trình mất ổn định.
2- Vấn đề thi công và sử dụng nền: Các vấn đề liên quan đến điều kiện thi công và sử dụng nền bao gồm:
- N−ớc chảy vào hố móng;
- Cát chảy vào hố móng;
- Mất ổn định thành hố móng và đáy hố móng;
- Mất ổn định công trình ở xung quanh hố móng.
Những vấn đề trên có thể xẩy ra do ảnh hưởng của nước dưới đất khi mực nước hay mực áp lực nước nằm cao hơn đáy hố móng thiết kế hay khi thi công hố móng sâu trong điều kiện thành hố móng đ−ợc hình thành bởi đất đá kém ổn định nh− các loại
đất rời, đất dính ở trạng thái dẻo chảy, chảy. Chúng gây nhiều khó khăn cho quá trình thi công hố móng và sử dụng nền công trình.
6.5.3. Công trình đ−ờng giao thông
Công trình đường giao thông thường được xây dựng trong điều kiện địa hình địa chất không thuận lợi nên có thể phát sinh những vấn đề địa chất công trình liên quan
đến ổn định nền đường và mái dốc la luy hai bên đường.
1- Vấn đề ổn định trượt nền đường: Vấn đề ổn định trượt nền đường thường xảy ra khi xây dựng đường giao thông trên nền đất yếu. Nền đường có thể bị mất ổn định dưới hình thức tr−ợt do lún trồi, tr−ợt cục bộ và tr−ợt sâu.
- Trượt do lún trồi: Dưới tác dụng của trọng lượng đất đắp, đất yếu dưới nền
đường bị ép xuống và đẩy trồi lên ở hai bên nền đường đắp. Kết quả làm cho nền
đường đắp mất ổn định.
- Trượt cục bộ: Khi đắp đường trên nền đất yếu, dưới tác dụng của trọng lượng
đường đắp, trong nền đất phát sinh ứng suất cắt, nếu ứng suất cắt vượt quá độ bền kháng cắt của đất yếu thì sẽ phát sinh tr−ợt cục bộ.
Đây là hiện tượng trượt một phần nền đường đắp và nền đất, thường xẩy ra ngay sau khi xây dựng đường đắp trên nền đất yếu, đặc biệt trong trường hợp lớp đất yếu nằm trờn lớp đất cú sức chịu tải cao. Biểu hiện nhận thấy rừ rệt là một phần đoạn đường bị sụt lún và trượt tạo thành khe trượt ở đỉnh nền đường, còn ở dưới chân taluy đất yếu bị đẩy trồi lên. Hình thức phá hoại này rất phổ biến, th−ờng gặp trong thực tế.
- Trượt sâu: Trượt sâu có thể xẩy ra trong quá trình tuyến đường đã được đưa vào sử dụng do tải trọng động (bao gồm trọng lượng nền đường đắp, áo đường và hoạt tải của các phương tiện giao thông) vượt quá khả năng chịu tải của đất nền làm phát sinh vùng biến dạng dẻo. Sự phát triển của vùng biến dạng dẻo đến một mức nào đó dẫn tới hình thành mặt trượt và gây mất ổn định nền đường.
2- Vấn đề biến dạng lún của nền đường: Nền đường đắp trên nền đất yếu có khả
năng bị biến dạng lún rất lớn (tới hàng mét), thời gian lún kéo dài (tới hàng chục năm).
Nếu độ lún vượt quá giới hạn cho phép thì móng đường, áo đường dễ bị hư hỏng và có
152
thể không sử dụng bình thường được. Thời gian lún kéo dài sẽ ảnh hưởng rất lớn đến sự ổn định của nền đường trong quá trình sử dụng.
3. Vấn đề ổn định của mái dốc đường đắp, đường đào: ở những đoạn đường đắp và đào, nhất là những vị trí đắp cao, đào sâu sẽ hình thành những mái dốc có khả năng xẩy ra trượt, ảnh hưởng đến sự làm việc bình thường của tuyến đường.
6.5.4. Công trình cầu
Khi xây dựng và sử dụng cầu thường nảy sinh các vấn đề địa chất công trình như
xâm thực lòng sông; ổn định của trụ, mố cầu và ổn định nền đường dẫn.
1- Vấn đề xâm thực lòng sông: Trước khi xây dựng cầu, tuỳ thuộc vào chế độ của dòng chảy và đất đá lòng sông mà ở mỗi đoạn sông có khả năng xẩy ra xâm thực và mức độ xâm thực khác nhau. Đó là tác dụng xâm thực tự nhiên. L−ợng xâm thực này có thể đ−ợc xác định theo tài liệu quan trắc nhiều năm. Sau khi xây dựng cầu qua sông, sự có mặt của các trụ và mố cầu làm cho diện tích dòng chảy bị thu hẹp lại, tốc độ dòng chảy tăng lên và hiện t−ợng xâm thực lòng sông xảy ra mạnh hơn. Nếu chiều sâu xâm thực (bao gồm cả xâm thực tự nhiên) v−ợt quá chiều sâu đặt móng trụ và mố cầu thì sẽ gây mất ổn định cho cầu.
2- Vấn đề ổn định của trụ, mố cầu: Trụ, mố cầu không những là nơi truyền tải trọng của cầu và hoạt tải công trình xuống nền đất mà còn chịu tác dụng thường xuyên của dòng chảy trong sông, ngoài ra mố cầu còn chịu áp lực chủ động của đất ở 2 đầu
đường dẫn và làm việc như một tường chắn. Vấn đề ổn định của trụ và mố cầu có thể xảy ra, bao gồm: sức chịu tải của nền đất; biến dạng lún của trụ và mố cầu; ổn định tr−ợt của trụ cầu; ổn định lật của mố cầu.
6.5.5. Công trình đập thủy lợi
Đập là công trình chính của tuyến đầu mối thuỷ lực và là một công trình có quy mô, tải trọng lớn, thường xuyên chịu tác dụng của cột nước áp lực từ thượng lưu khi làm việc. Trong quá trình xây dựng và sử dụng đập, có thể nẩy sinh nhiều vấn đề địa chất công trình phức tạp.
1- Vấn đề ổn định nền đập:
- Biến dạng lún và lún không đều của nền đập: Vấn đề này thường xẩy ra khi xây dựng đập trên nền đất đá mềm yếu có độ biến dạng đáng kể. Dưới tác dụng của trọng lượng đập, nền đất bị nén lún, mức độ lún nền đập thường không đều nhau. Nếu độ lún cuối cùng và lún không đều v−ợt quá giới hạn cho phép thì đập có thể bị mất ổn định.
- Tr−ợt nền đập: - Tr−ợt nền đập đ−ợc thể hiện d−ới dạng tr−ợt nông (tr−ợt theo mặt tiếp xúc giữa đáy đập và nền đập do tác dụng của cột nước từ thượng lưu) và trượt sâu (tr−ợt do nền đập bị phá huỷ khi tải trọng tác dụng của đập v−ợt quá sức chịu tải của đất đá nền đập).
- ổn định thấm nền đập: Khi đập làm việc, thường tạo ra građien áp lực rất lớn hướng từ thượng lưu xuống hạ lưu, nếu nền đập cấu tạo bởi những loại đất rời như cát, cuội, sỏi... thì dễ xẩy ra các hiện t−ợng xói ngầm, cát chảy. Các hiện t−ợng này phát triển làm rỗng nền đất và gây mất ổn định nền đập.
2- Vấn đề ổn định của sườn dốc hai bên vai đập: Đập thường được xây dựng dựa trên hai bên s−ờn dốc thung lũng sông. D−ới tác dụng của áp lực n−ớc vào thân đập có thể làm cho sườn dốc hai bên vai đập mất ổn định. Đối với đập vòm được xây dựng
153
bằng bê tông ở các sông miền núi thì vấn đề ổn định của sườn dốc hai bên vai đập cần phải được chú ý đặc biệt do đập thường có chiều cao lớn, vai đập tựa vào hai bờ tạo nên
áp lực rất lớn. Đây là phần đất đá chịu lực chống tr−ợt quan trọng của đập. Sự mất ổn
định của sườn dốc hai bên vai đập có thể dẫn đến hiện tượng trượt và đá đổ, ảnh hưởng nghiêm trọng tới ổn định của đập.
3- Vấn đề thấm mất nước qua nền và vai đập: Đập thường được xây dựng ở thung lũng sông, trên nền đất đá có khả năng thấm nước lớn như cuội, sỏi, cát, đá nứt nẻ, ....
Sự chênh lệch áp lực nước giữa thượng lưu và hạ lưu có thể tạo ra dòng thấm với lưu lượng lớn và gây thấm mất nước mạnh qua nền và vai đập, ảnh hưởng đến khả năng chứa n−ớc của hồ, thậm chí có thể làm cho hồ không dâng cao mực n−ớc đ−ợc.
4- Vấn đề nước chảy vào hố móng: Đập được xây dựng ở thung lũng sông nên nước mặt và nước dưới đất có ảnh hưởng lớn đến việc thi công, xâm nhập vào hố móng và gây ra vấn đề nước chảy vào hố móng.
5- Vấn đề cung cấp vật liệu xây dựng khoáng tự nhiên: Nhu cầu cung cấp vật liệu xây dựng để đắp đập rất lớn, có thể tới hàng triệu mét khối, do vậy trong nhiều trường hợp, vấn đề cung cấp vật liệu xây dựng khoáng tự nhiên có vai trò quyết định loại đập, kết cấu của đập và cả giá thành xây dựng công trình.
6.5.6. Công trình hồ chứa n−ớc
Sau khi xây dựng đập, ở phía thượng lưu hình thành hồ chứa nước. Sự hình thành hồ chứa nước trên một diện tích rộng lớn làm thay đổi đáng kể điều kiện tự nhiên của khu vực và xuất hiện nhiều vấn đề địa chất công trình.
1- Vấn đề ngập: Khi tích nước vào hồ chứa, một diện tích đất đai rộng lớn bị ngập. Nếu trong phạm vi ngập có các điểm dân c−, công trình xây dựng, xí nghiệp, nhà máy, đất canh tác, rừng gỗ quý, ... sẽ gây nên những thiệt hại to lớn.
2- Vấn đề bán ngập: Khi mực nước hồ dâng cao, tuỳ theo quan hệ thuỷ lực với nước hồ mà mực nước dưới đất ở ven hồ có thể dâng cao sát mặt đất, làm ẩm ướt đất
đá, gây hiện tượng lầy hoá, giảm cường độ đất nền, gây biến dạng, mất ổn định, phá
huỷ công trình xây dựng, làm tr−ợt lở các bờ mỏ, cản trở sinh hoạt của con ng−ời, ....
Đó là vấn đề bán ngập.
3- Vấn đề thấm mất nước qua bờ hồ: Nếu mực nước hồ dâng cao hơn đỉnh phân thuỷ nước dưới đất thì có thể xẩy ra hiện tượng thấm mất nước từ hồ chứa. Trường hợp
đất đá bờ hồ bị nứt nẻ, vỡ vụn hay cactơ hoá mạnh thì hiện t−ợng này sẽ xẩy ra, làm mất n−ớc nghiêm trọng, có thể gây cạn hồ chứa.
4- Vấn đề tái tạo bờ hồ: Dưới tác dụng của sóng, bờ hồ bị phá huỷ dần để tạo nên trắc diện cân bằng mới, có thể gây ảnh hưởng đến công trình hay hoạt động kinh tế ở xung quanh bờ hồ. Đó là vấn đề tái tạo bờ hồ chứa nước.
5- Vấn đề trượt, đá đổ, đá lở ở các sườn dốc bờ hồ: Nước hồ dâng cao gây ẩm ướt
đất đá ở dưới các sườn dốc bờ hồ, làm giảm độ bền của đất đá và có thể xẩy ra hiện t−ợng tr−ợt, đá đổ, đá lở. Các hiện t−ợng này xẩy ra với quy mô lớn làm giảm dung tích hồ chứa, gây mất ổn định đối với các công trình lân cận.
6- Vấn đề lắng đọng vật liệu đáy hồ: Các loại vật liệu rắn đ−ợc vận chuyển từ thượng lưu theo dòng chảy tới hồ, do tốc độ giảm đột ngột nên chúng bị lắng chìm và tích đọng lại, làm cho chiều sâu mực nước và dung tích của hồ chứa giảm dần, gây cản trở dòng chảy, cản trở giao thông đ−ờng thuỷ.
154
7- Vấn đề tăng hoạt tính địa chấn của khu vực: Do nước hồ dâng cao làm tăng tải trọng tác dụng lên đất đá, đồng thời làm giảm áp lực có hiệu, giảm độ bền của đất đá,
đặc biệt trong các đới phá huỷ kiến tạo, từ đó làm giảm khả năng hấp thụ năng l−ợng
địa chấn của đất đá. Vì vậy, sự tích nước của hồ chứa với khối lượng lớn, trên phạm vi rộng sẽ làm tăng hoạt tính địa chấn của lãnh thổ, gây nên động đất kích thích.
6.5.7. Công trình ngầm và khai thác mỏ hầm lò
Đối với các công trình ngầm hay công trình mỏ khai thác hầm lò, khi xây dựng và sử dụng, có thể nẩy sinh các vấn đề địa chất công trình sau:
1- Vấn đề ổn định của đất đá xung quanh hầm: Khi thi công công trình ngầm, khoảng trống trong khối đất đá đ−ợc tạo ra. Đất đá xung quanh công trình ngầm luôn có xu h−ớng bị đẩy dịch chuyển về khoảng trống do xuất hiện hiện t−ợng giải thoát ứng suất, trương nở hay lực đẩy thủy tĩnh và trở nên mất ổn định, đặc biệt là phần đất
đá ở nóc hầm, gây khó khăn, phức tạp cho quá trình thi công.
2- Vấn đề nước chảy vào hầm: Vấn đề này xẩy ra khi thi công công trình ngầm cắt vào tầng đất đá chứa nước. Nước chảy vào hầm gây khó khăn cho quá trình thi công, làm h− hỏng máy móc, thiết bị và đe dọa cả tính mạng con ng−ời.
3- Vấn đề ảnh hưởng của nhiệt độ, khí độc, khí cháy: Khi xây dựng hầm trong lòng đất, càng xuống sâu thì nhiệt độ càng tăng và rất có thể gặp những loại đất đá
chứa những loại khí độc, khí dễ nổ, dễ cháy như khí mêtan, sunfua, ... ảnh hưởng đến sức khỏe con ng−ời, làm h− hỏng máy móc, thiết bị, gây khó khăn cho công tác thi công, xây dựng công trình.
6.5.8. Công trình khai thác mỏ lộ thiên
Các khoáng sản có ích thường nằm sâu trong lòng đất. Khi khai thác mỏ lộ thiên, thường có những vấn đề địa chất công trình sau:
- Vấn đề ổn định của bờ mỏ;
- Vấn đề nước chảy vào công trường khai thác;
- Vấn đề ảnh hưởng của nhiệt độ, khí độc, khí cháy.
Những vấn đề địa chất công trình này đã đ−ợc biết đến ở trên.