Đất chảy hay cát chảy là hiện tượng đất mềm rời bão hoà nước chảy vào các công trình đào cắt qua nó như một dịch thể nhớt dẻo. Khối lượng đất chảy có thể nhỏ, nhưng cũng có thể rất lớn; thực tế đã có những vụ đất chảy tới hàng triệu mét khối...
Đất chảy gây nhiều khó khăn cho công tác đào đất và gây biến dạng ở nền các công trình kế cận. Thực tế cho thấy hiện tượng đất chảy có thể xảy ra ở nhiều loại đất đá khác nhau từ sét đến đất vụn thô (loại này gọi là dòng lũ bùn đá).
8.1. Các loại đất chảy
Đất chảy thường xảy ra trong đất bão hoà nước ở trạng thái đặc biệt. Theo tính chất và nguyên nhân phát sinh đất chảy có thể chia ra làm hai loại là đất chảy giả và đất chảy thật.
I. Đất chảy giá là loại đất chảy do áp lực thuỷ động. Khi chuyển động, nước dưới
đất gây ra trạng thái áp suất thuỷ động tác dụng lên các hạt đất dá và được xác định theo biểu thức sau:
0 = Y nJ - — “ ( 3 -1 4 )
g dt Trong đó: 0 - áp lực thuỷ động của nước thấm; Yn - dung trọng của nước; g - gia tốc trọng trường; — - vận tốc nước thấm; J - gradien thấm,
dt
Nước dưới đất vận động hoãn biến, nên vận tốc rất nhỏ so với gradien áp lực, vì vậy có thể bỏ qua thành phần thứ hai. Khi đó, áp lực thuý động là tích của dung trọng nước và gradien áp lực của nước:
0 = Y„J (3-15)
Phương tác dụng của áp lực thuỷ động có ý nghĩa rất lớn đối với sự ổn định của đất.
Khi áp lực thuỷ động hướng xuống dưới thì sẽ làm chặt, tăng cường độ và độ ổn định của đất (hiện tượng này xảy ra ở thượng lưu đập, đáy hồ chứa, đáy kênh dẫn...), còn khi áp lực thuỷ động hướng lên trên có tác dụng làm xốp rời đất (xảy ra ở hạ lưu đập, đáy hố đào hay ở các sườn dốc thấm ướt...), sinh ra hiện tượng đất chảy, xói ngầm.
Khi áp lực thuỷ động bằng hoặc vượt quá trọng lượng đẩy nổi của các hạt đất đá thì sẽ làm cho hạt đất ớ trạng thái lơ lửng và bị di chuyển:
0 = Y„J.h = Yitn (3-16)
_ Ycln
Trong đó: Jlh là trị số gradien áp lực nước tới hạn.
Nếu coi dung trọng của nước không đổi và bằng một đơn vị (Y„ = 1 G/cm3 thì từ (3-17) ta có:
J,h = Ydn ( 3 - 1 8 )
tức là trạng thái chảy xảy ra khi gradien áp lực nước thấm bằng dung trọng đẩy nổi của đất.
Trong thực tế đất chảy giả rất dễ thoát nước, đống đất khi thoát nước có dạng hình nón (hình 3-39a), nước thoát ra dễ lắng trong. Nốt chân in trên đất lâu bị xoá sạch.
2. Đ ất chảy thật là loại đất có keo
hữu cơ - khoáng vật bám trên bể mặt hạt đất, tạo lớp màng trơn tựa như chất dầu chảy, tựa dịch thể dẻo nhớt.
H ìn h 3 -3 9 : P hàn biệt đất cliả y
a ) G iá ; b ) Thật
ờn, làm cho các hạt dễ trượt lên nhau và
Đất chảy thật có lực dính thấp, hệ sô' thấm nhỏ, sức chông cắt thấp, biến dạng cao, ở trạng thái chảy dẻo. Đất này có tính xúc biến, dễ chuyển sang trạng thái chảy khi kiến trúc thiên nhiên bị phá huỷ.
Đất chảy thật có liên quan đến sự phân huỷ chất hữu cơ, thành phần khoáng vật và các hoạt động của vi khuẩn.
164
Tính chất của đất chảy phụ thuộc nhiều vào tính chất của môi trường nước, lỗ rỗng.
Khi nồng độ ion hydro hoặc dung lượng hấp thụ thay đổi, cũng như để khô đất, sẽ dẫn đến đất mất tính xúc biến, cường dộ tăng, ổn định với nước và như vậy không xảy ra hiện tượng đất chảy. Đây là đặc tính rất quan trọng để có thể đề ra biện pháp xử lý đất chảy.
Ỏ đất chảy thật, phần lớn nước ở trạng thái liên kết nên khó tách ra. Nước trong đất lâu lắng trong. Đống đất chảy thực có dạng như tấm bánh dầy (hình 3-39b).
Theo nghiên cứu của nhiều tác giả, đất chảy thật xảy ra trong loại đất có các đặc trưng sau: nhóm hạt nhỏ hơn 5mm không dưới 3%, độ lỗ rỗng cao (43 + 45%), độ ẩm phân tử lớn nhất - trên 4%, tính thấm và tính thoát nước nhỏ, có mặt keo hữu cơ - khoáng vật, dung lượng hấp phụ 5 -ỉ- 12 mg.đl, có tính xúc biến, mái dốc thiên nhiên phụ thuộc vào độ ẩm, khi đất khô tính chất thay đổi. Đất chảy thường xảy ra ở độ ẩm gần giới hạn chảy.
8.2. Biện pháp xử !ý đất chảy
Muốn xử lý đất chảy cần thu thập các tài liệu về loại đất chảy, phạm vi phân bố, tính chất các tầng đất liên quan với tầng đất chảy, mực nước dưới đất...
Trong trường hợp khai đào hố móng, thi công công trình ngầm... trong vùng đất chảy, tuỳ theo tình hình cụ thể mà xử lý bằng các phương pháp sau:
1. Làm khô nhân tạo đất bão hoà nước bằng thiết bị hạ thấp mực nước dưới đất:
giếng châm kim, giếng khoan... Nước dưới đất sẽ không chảy trực tiếp vào hố móng mà chảy ngầm dưới đáy hố móng. Biện pháp này dùng cho đất chảy giả, loại đất chảy do áp lực thuỷ động. Tuy nhiên, nếu kết hợp các phương pháp khác có thể xử lý được đất chảy thật, ví dụ như kết hợp giếng châm kim với phương pháp điện thấm.
Hạ thấp mực nước dưới đất bằng hố khoan có hiệu quả khi đất đá có hệ số thấm không nhó hơn 1 m/ng.đ và không nhỏ hơn 0,2 m/ng.đ trong trường hợp dùng giếng châm kim.
2. Chặn đất chảy bằng phương pháp cơ học (cừ thép, cừ gỗ, tường hào, giếng
chìm...) hoặc bằng phương pháp hoá học (đông kết đất đá) nhằm tạo "bức tường" bao quanh hố móng để ngăn đất chảy.
Phương pháp cừ chỉ xử lý đất chảy đến độ sâu 25m, lớn hơn nữa biện pháp này tiến hành rất khó khăn. Cừ thường đóng tới lớp cách nước, ổn định để tránh hiện tượng đất chảy qua đáy cừ vào hố móng. Vì việc tháo dỡ ván cừ phức tạp, cho nên trường hợp kết hợp với mục đích chống thấm lâu dài có thể sử dụng tường hào đất sét vừa tiện lợi, vừa kinh tế.
Trong phạm vi hố móng hẹp và sâu có thể dùng phương pháp giếng chìm. Ở ta đã hạ giếng chìm cho trụ giữa cầu Dành (trên đường số 10), trạm bơm Hữu Bị (Hà Nam), trụ cầu Thăng Long...
3. Cân bằng áp lực qây ra đất chảy bằnq không khí nén - phương pháp giếng chìm hơi ép
Dùng áp lực khí nén (thường tới 2,5 at) để cân bằng với áp lực nước gây ra đất chảy.
Áp lực nước càng lớn thì áp lực của khí nén càng lớn. Phương pháp này chỉ dùng khi móng hẹp, độ sâu móng lớn vì kỹ thuật thi công khá phức tạp.
Trường hợp công trình phải đặt trên tầng đất chảy thì có thể dùng ngay nó làm nền thiên nhiên hoặc phải tiến hành gia cố, nén chặt - nền nhân tạo. Khi đặt móng công trình trên tầng đất chảy ở dạng nền thiên nhiên thì thiết kế giống như trên nền đất yếu, tải trọng tác dụng nhất thiết không được gày ra lún nhiều, lún không đẻu. Khi móng đặt không sâu phải khống chế tải trọng tác dụng lên nền, mở rộng móng, có biện pháp bảo vệ kết cấu thiên nhiên của đất; thiết kế lớp dăm, sạn đệm hoặc lớp bêtông đệm (trường hợp đặc biệt) ở dưới đáy móng. Ngoài ra, công trình thiết kế cần có độ cứng bảo đảm ổn định khi nền lún nhiều, lún không đều.
Khi tầng đất chảy nằm gần mặt đất và có bề dày không lớn thì nên đặt móng ở tầng dưới, chặt và ổn định hơn hoặc trên lớp đệm bằng cát, dăm. Khi móng đặt sâu thì nên sử dụng móng cọc, (chiều dài cọc có thể 30 -ỉ- 70m), giếng chìm (tới độ sâu 80m), giếng chìm hơi ép (tới độ sâu 70m).
Có thể dùng phương pháp điện thấm (để làm khô đất), phương pháp chấn động ở dưới sâu (để nén chặt đất), phương pháp phụt silicat hai dung dịch... để cải thiện tính chất của tầng đất chảy.
Ví dụ 3-2. Một kênh đào trong tầng
cát có hệ số thấm k = 6m/ng.d, độ rỗng n = 38%, độ ẩm phân tử lớn nhất Wp, = 7%, dung trọng Y = 1,65 G/crn1, tỷ trọng A = 2,7. Đáy kênh cách tầng cách nước 0,5m. Có cần xử lý hiện tượng cát chảy vào kênh khi thi công không. Các số liệu khác cho trên hình 3-40.
Bài giải
Xác định phạm vi nước dưới đất chảy tới kênh:
ở đây: t - thời gian tính, t = 1 ngđ
p. - hệ số thoát nước; p. = n - Wp,. Y = 38 - 7 . 165 = 26,5% = 0,265
H ì n h 3 -4 0 : V í dụ 3-2
1 6 6
Phạm vi ảnh hưởng R là:
R =
Gradien thấm tới kènh:
L 16
Dung trọng đẩy nổi của đất:
Yđằ = (Y h- 1 ) 0 -n ) = (2,7 - 0 (1 -0 ,3 8 )= 1,054 Vì J = 0,22 < Y<1„ = 1,054 nên đất không chảy vào kênh khi thi công.