Chương 4: Các quá trình và hiện tượng địa chất động lực công trình
4.5. Quá trình hoạt động của nước dưới đất
4.5.1. Hiện t−ợng xói ngầm 1. Khái niệm chung
Xói ngầm là hiện t−ợng dòng thấm moi chuyển các hạt nhỏ qua khe hổng của các hạt lớn trong đất rời hoặc chất lấp nhét qua các khe nứt hay hang hốc cactơ trong đá
cứng và thoát ra ngoài, kết quả làm cho độ rỗng trong đất đá ngày càng tăng lên.
Xói ngầm th−ờng xẩy ra ở nền các công trình dâng n−ớc, chân các mái dốc, s−ờn dốc, nơi có chênh lệch áp lực tạo ra vận động của dòng thấm trong đất đá. Theo bản chất ph−ơng thức phá hoại gây ra xói ngầm, có thể phân biệt hai loại: Xói ngầm cơ học và xói ngầm hoá học.
- Xói ngầm cơ học là loại xói ngầm xảy ra do tác dụng của dòng thấm làm vận chuyển các hạt nhỏ hoặc chất lấp nhét ra khỏi nền đất.
- Xói ngầm hoá học là loại xói ngầm xẩy ra do dòng thấm hoà tan, rửa lũa và mang đi các muối có trong đất đá.
Trong thực tế, còn có thể gặp xói ngầm hỗn hợp, còn gọi là xói ngầm hoá- cơ. Ví dụ, trong cát kết có độ hạt khác nhau, xi măng gắn kết bị hoà tan và mang đi cùng các hạt nhỏ do dòng thấm.
Trong các loại xói ngầm trên, xói ngầm cơ học phát triển phổ biến nhất, th−ờng they và có liên quan trực tiếp với công trình xây dựng. Vì vậy, ở đây chủ yếu đề cập
đến loại xói ngầm này.
Hiện t−ợng xói ngầm xảy ra, làm thay đổi thành phần, cấu trúc, tăng độ rỗng, giảm độ bền, độ ổn định của đất. Kết quả của xói ngầm trong thời gian dài có thể gây mất ổn định, thậm chí phá hoại các công trình xây dựng nh− đê, đập, bờ mỏ khai thác lộ thiên, hầm lò, ....
Nghiên cứu hiện t−ợng xói ngầm có ý nghĩa to lớn trong hoạt động xây dựng, nhằm giải quyết hai nhiệm vụ chính:
- Dự báo khả năng xẩy ra biến dạng thấm ở nền công trình, đánh giá ảnh hưởng xấu của chúng đến công trình xây dựng;
T−ờng ốp mặt Trôc neo
Trụ cản Sân hứng đỡ
104
- Chọn biện pháp xử lý, phòng ngừa biến dạng thấm thích hợp, bảo vệ và giữ cho công trình xây dựng ổn định.
2. Điều kiện phát sinh xói ngầm
Theo kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học, xói ngầm chỉ có thể xẩy ra khi có
đủ các điều kiện nhất định về thành phần hạt của đất và građian áp lực (hay tốc độ) của dòng thấm trong đất.
a. Điều kiện về thành phần hạt và kết cấu của đất
Theo V.X. ixtômina (1957), để đánh giá khả năng phát sinh xói ngầm cơ học, có thể dùng hệ số không đều hạt (Kk),
Kk =
10 60
d
d (93)
Trong đó: d60- đường kính cỡ hạt có 60% hàm lượng hạt nhỏ hơn nó;
d10- đ−ờng kính cỡ hạt có 10% hàm l−ợng hạt nhỏ hơn nó.
Xói ngầm xẩy ra chủ yếu trong đất có hệ số không đều hạt lớn hơn 10. Hệ số không đều hạt càng lớn, xói ngầm càng dễ phát sinh, đặc biệt trong trường hợp đất có hệ số không đều hạt lớn hơn 20.
Một số tác giả cho rằng, Kk chỉ dùng thích hợp cho đánh giá khả năng phát sinh xói ngầm cho đất cát, còn đối với đất sỏi, Kk không phản ánh đầy đủ đặc tr−ng thành phần hạt. Theo kết quả nghiên cứu của Viện Thuỷ lợi Bắc Kinh, đối với đất sỏi, có thể dùng hàm l−ợng hạt nhỏ (hạt có d<1mm) để đánh giá khả năng phát sinh xói ngầm:
Xói ngầm có thể xảy ra trong đất sỏi có hàm l−ợng hạt nhỏ ít hơn 20% và có kết cấu không chặt, còn trong tr−ờng hợp khác thì khó xẩy ra.
b. Điều kiện về građian áp lực hay tốc độ thấm
Xói ngầm có thể xẩy ra trong đất rời khi áp lực thuỷ động của dòng thấm có có giá trị đủ lớn. Nếu građian áp lực dòng thấm (I) càng lớn thì xói ngầm càng dễ xẩy ra và xẩy ra càng mạnh. V.X. Ixtômina (1952, 1957) nghiên cứu hiện t−ợng xói ngầm xảy ra trong cát và đã đi đến kết luận, cát càng không đều hạt, xói ngầm có khả năng xuất hiện với građian áp lực càng thấp.
Bằng thí nghiệm, V.X. Ixtômina đã thành lập đồ thị quan hệ giữa građian áp lực dòng thấm ứng với lúc bắt đầu xói ngầm với hệ số không đều hạt trong đất cát (theo quan điểm moi cuốn không ngừng) và đã xác định đ−ợc vùng građian an toàn và vùng građian gây xói ngầm của dòng thấm trong cát (hình 44).
Hình 44: Đồ thị đánh giá khả năng phát triển xói ngầm
2 5 10 15 20 25 30 Kk
0 0,2 0,4
2
0,6 2 0,8
I
Vùng građian an toàn
Vùng građian phá hoại
105
Từ đồ thị, dễ dàng nhận they, khi Kk< 10, sự phá hoại cát do xói ngầm chỉ có thể xảy ra với I > 0,5, nh−ng sự moi cuốn "có mức độ" những hạt nhỏ vẫn có thể xẩy ra ngay khi I còn nhỏ hơn.
Theo nhiều nhà nghiên cứu, xói ngầm có thể phát sinh khi dòng thấm có tốc độ khá cao, nên có thể lấy tốc độ dòng thấm đánh giá điều kiện phát sinh xói ngầm.
Zikhard đã đ−a ra công thức xác định tốc độ ban đầu của dòng thấm (m/s) ứng với lúc bắt đầu xuất hiện xói ngầm:
15
Vr = k (94) Đ.Đ. Đjaxtin(1936), đ−a ra bảng tốc độ gây rửa xói của dòng thấm theo kích thước hạt tính toán (kích thước của những hạt mà ứng với tốc độ thấm tương ứng, chúng bị cuốn đi cùng với những hạt nhỏ hơn khi bắt đầu xói ngầm- bảng 10).
Bảng 10: Tốc độ gây rửa xói của dòng thấm (v) ứng với th−ớc hạt tính toán (d) khi bắt đầu xói ngầm
d (mm) 5,0 3,0 1,0 0,8 0,5 0,3 0,1 0,05 0,03 0,01 v (m/phót) 13,23 10,37 5,91 5,3 4,18 3,08 1,83 1,31 1,04 0,59 3. Các biện pháp phòng chống xói ngầm
Có thể chia ra hai nhóm biện pháp phòng chống xói ngầm.
∗ Nhóm biện pháp làm giảm gradien áp lực và tốc độ dòng thấm:
- Hạ thấp mực nước dưới đất ở khu vực nguy hiểm bằng các công trình tiêu thoát nh− hố khoan, hố đào giảm áp;
- Làm vòng vây cọc ván xung quanh nơi xuất lộ xói ngầm nhằm dâng cao mực nước dưới đất nơi thoát ra;
- Làm màn chống thấm, tường chống thấm, sân phủ chống thấm trong tầng đất đá
thấm nước để kéo dài đường thấm;
- Làm tầng lọc ngược ở nơi thoát nước, bằng cách lấp đất đá có khả năng thấm n−ớc thành từng lớp theo chiều dòng thấm, với thứ tự kích th−ớc hạt tăng dần từ nhỏ
đến lớn để giữ không cho các hạt khoáng thoát ra, giảm tốc độ và áp lực dòng thấm;
- Nếu có thể đ−ợc, ngăn cách dòng thấm với vùng cần bảo vệ.
∗ Nhóm biện pháp làm thay đổi thành phần hạt, kết cấu của đất:
Có thể sử dụng các biện pháp cải tạo đất nh− điện hoá, silicát hoá, ... nhằm làm thay đổi thành phần hạt và tăng độ bền kết cấu của đất.
Nhìn chung, các biện pháp này khó thực hiện và kém hiệu quả hơn các biện pháp trên nên ít đ−ợc áp dụng trong thực tế.
4.5.2. Hiện t−ợng cát chảy 1. Khái niệm chung
Cát chảy là hiện t−ợng di chuyển của cát ra khỏi trạng thái tồn tại tự nhiên d−ới tác dụng của dòng thấm.
Hiện tượng cát chảy thường xẩy ra khi khai đào hố móng, thi công trình ngầm, khai thác mỏ. Cát chảy có thể xẩy ra chậm chạp thành từng lớp hoặc xảy ra nhanh, rất nhanh với quy mô lớn, trong đó cát không những chỉ chẩy ra mà còn bị ép trồi lên dưới tác dụng của áp lực n−ớc.
106
Cát chảy xẩy ra có thể làm mất ổn định nền móng công trình xây dựng, gây phá
hủy s−ờn dốc, bờ dốc khai thác mỏ, tạo điều kiện thúc đẩy quá trình tr−ợt. Cát chảy tràn vào các công trình ngầm gây khó khăn cho quá trình thi công, có thể gây sụt lún và làm biến dạng mặt đất.
Theo đặc tính chảy của cát chảy, có thể phân biệt hai loại cát chảy: cát chảy thật và cát chảy giả.
- Cát chảy thật thường xẩy ra trong cát mịn, cát bụi có tính linh động cao. Dưới tác dụng của trọng l−ợng bản thân khối cát, trong điều kiện bão hoà n−ớc, cát có thể tự chảy khi có miền thoát.
- Cát chảy giả th−ờng xẩy ra trong cát chứa ít các hạt mịn (hạt bụi, sét) có hệ số không đếu hạt nhỏ hơn 10. Dưới áp lực đủ lớn của đòng thấm, cát mới chảy ra ngoài.
Khi áp lực nước giảm đến mức độ nào đó, cát có thể nhanh chóng đạt tới trạng thái ổn
định và để cho nước thấm qua dễ dàng.
Hiện t−ợng cát chảy gây rất nhiều khó khăn cho công tác xây dựng, đặc biệt khi thi công các hố móng sâu, các công trình khai đào ngầm, bờ mỏ khai thác lộ thiên.
Nghiên cứu hiện t−ợng cát chảy có ý nghĩa rất quan trọng trong hoạt động xây dựng công trình, cho phép chúng ta tránh đ−ợc những ảnh h−ởng bất lợi của hiện t−ợng cát chảy đối với công tác xây dựng cũng nh− đề ra những biện pháp xử lý thích hợp trong quá trình thi công xây dựng, đảm bảo an toàn cho công trình.
2. Thành phần và tính chất của cát chảy thật a. Thành phần hạt
Thành phần hạt đặc tr−ng của cát chảy thật bao gồm chủ yếu là cát hạt nhỏ, mịn, bụi, sét. Sau nhóm hạt cát, nhóm hạt bụi th−ờng chứa một l−ợng lớn hơn tổng các nhóm hạt còn lại. L−ợng hạt sét chiếm từ vài phần trăm đến 10%. Ngoài ra, trong thành phần của cát chảy thật còn có một l−ợng nhất định khoáng vật dạng keo. Nhóm hạt thô
(đ−ờng kính lớn hơn 0,5mm) chiếm rất ít, chỉ một vài phần trăm, có khi không có.
b. Thành phần khoáng vật
- Phần phân tán mịn: Trong phần phân tán mịn của cát chảy thật, chứa nhiều chất hữu cơ, các khoáng vật sét nh− hyđrômica, mônmôrilônit, kaolinit, các hyđrôxit, ôxyt của nhôm, sắt và man gan.
- Phần phân tán thô (cát hạt nhỏ, mịn): Phần phân tán này gồm chủ yếu là những hạt thạch anh, ngoài ra còn có fenpat, mica.
Do đặc điểm thành phần hạt và thành phần khoáng vật của cát chảy thật nh− trên nên cát chảy thật có tính háo nước cao và dễ dàng di động khi chịu tác dụng của lực ngoài, cho dù chỉ là rất nhỏ.
c. Tính chất cơ lý
- Tính chất vật lý: Cát chảy thật thường có độ chặt hơi thấp, độ rỗng và độ chứa ẩm cao, độ thấm nước, thải nước bé và rất bé. Độ thải nước thay đổi từ 30- 70%, hệ số thấm khoảng 105cm/ngđ, khối l−ợng thể tích khô trong khoảng từ 1,14- 1,58g/cm3, hệ số rỗng tự nhiên từ 0,67- 1,39.
- Tính chất cơ học: Trong điều kiện tự nhiên, cát chảy thật có cường độ kháng cắt rất thấp, góc ma sát trong thay đổi từ 3- 4 đến 8- 90. Trên các mẫu đã đ−ợc hong khô, góc ma sát trong của cát tăng lên rất cao, có thể đạt 25- 300, độ biến dạng bé, môđun tổng biến dạng khá lớn, E0> 100kG/cm2.
107
Cát chảy thật dễ bị hoá lỏng dưới tác dụng của lực động, mức độ ổn định và khả
năng chịu tải của cát có thể giảm đột ngột, còn rất nhỏ. Vì vậy, khi xây dựng công trình trên cát chảy thật cần thận trọng, phải nghiên cứu và đánh giá chính xác tính chất xây dựng của đất nền, trên cơ sở đó, thiết kế các giải pháp nền móng hợp lý để đảm bảo ổn định công trình.
3. Điều kiện phát sinh cát chảy
Cát chảy thường phát sinh trong cát có hệ số không đều hạt nhỏ. Theo V.X.
Ixtômina, cát chảy xẩy ra mạnh trong cát có hệ số không đều hạt Kk < 10.
Nghiên cứu mức độ ổn định thấm của cát, K. Terzaghi đã chỉ ra rằng, dòng thấm
đi lên có thể gây gây hiện t−ợng cát chảy khi građian áp lực thấm (I) lớn hơn građian
áp lực thấm giới hạn (Igh):
I > Igh víi Igh = (γs-1).(1- n) (95) Trong đó: γs- khối l−ợng riêng của cát;
n- độ lỗ rỗng của cát.
E.A. Zamarin đã xác định chính xác thêm công thức trên. Theo tác giả, građian áp lực thấm giới hạn đ−ợc xác định theo công thức:
Igh = (γs-1).(1- n) + 0,5n (96) Trong trường hợp dòng thấm từ trên xuống, cát chảy (đặc biệt là cát chảy thật) dễ dàng xảy ra khi có miền thoát.
4. Các biện pháp phòng chống cát chảy
Khi mở hố móng công trình gặp cát chảy có thể áp dụng biện pháp phòng chống tương tự như đối với xói ngầm: làm vòng vây cọc ván ngăn giữ không cho cát chảy xuống; hạ mực n−ớc ngầm bằng cách tháo khô cát chảy hay hút n−ớc ra khỏi hố móng qua các lỗ khoan ở xung quanh, ....
Đối với công trình khai đào ngầm, trong trường hợp gặp cát chảy, có thể dùng phương pháp đông lạnh cát chảy hay nén khí làm nước thoát khỏi vị trí thi công. Trong tr−ờng hợp cần thiết có thể cải tạo cát chảy bằng ph−ơng pháp phụt dung dịch silicát, tháo khô bằng ph−ơng pháp điện thấm hay nén rung.
Tr−ờng hợp xây dựng công trình trên nền là cát chảy ở điều kiện tự nhiên, cần phải tính toán thiết kế móng nh− đối với nền đất yếu và phải đặc biệt chú ý khả năng xảy ra cát chảy khi có miền thoát.
4.6. Quá trình hoạt động của nước mặt và nước dưới đất