Qua bản đồ địa hình khu vực Tp.HCM và các số liệu địa chất của khu vực của các dự án trên, cĩ thể nhận thấy TpHCM nằm ở phía Bắc lưu vực sơng Mê Kơng, nằm trên dải đất bồi. Trong đĩ các quận Tân Bình, quận Gị Vấp, quận 3, quận 10, quận 11, huyện Hoĩc Mơn nằm trên dải đất cao, địa chất khá tốt (cuội, sỏi, sạn, cát, sét, kaolin). Cịn các quận huyện cịn lại nằm ở dải đất thấp hơn và địa chất yếu hơn, chủ yếu là cát, sét bột, sét.
Hình 2.3 Bản đồ địa chất khu vực Tp.HCM (Nguồn: TEWET)
Với khu vực địa chất tốt hoặc khu vực ngoại thành, việc xây dựng tuyến metro phù hợp nhất là tuyến đi trên mặt đất hoặc tuyến đi trên cao. Thống kê các số liệu thí nghiệm của cả 3 dự án, xem trong Phụ lục 1.
Trong phạm vi luận văn, tác giả khơng nghiên cứu cho tất cả các loại địa chất cho tất cả các bài tốn tính tốn, tác giả chỉ lựa chọn loại địa chất đặc trưng của khu vực thành phố Hồ Chí Minh để tính tốn cho các bài tốn. Các trường hợp địa chất cụ thể sẽ được nghiên cứu riêng khơng nằm trong phạm vi luận văn.
2.4 Một số lưu ý
2.4.1 Cát cĩ thể chảy lỏng
Phạm vi mực nước ngầm tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh nằm trong khoảng từ 0,1 – 5,42m bên dưới mặt đất tự nhiên. Chiều sâu này thay đổi theo lượng mưa và mực nước sơng Sài Gịn.
Trong một số lỗ khoan cĩ các lớp cát rất rời rạc đến rời rạc thuộc kỷ Pleistocene muộn gặp ở độ sâu 3,5m đến 39m dưới mặt đất. Trị số N30 theo thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn thay đổi trong khoảng từ 2-10 búa. Mực nước ngầm trong khu vực khá cao, cĩ khi đạt tới cao độ mặt đất tự nhiên. Kết hợp cả hai điều kiện này thì khả năng tồn tại cát cĩ thể chảy lỏng là cĩ thể xảy ra. Cần phải xem xét đến yếu tố này khi thi cơng hầm gặp điều kiện này.
2.4.2 Khả năng ăn mịn bê tơng của nước ngầm
Để đánh giá khả năng ăn mịn bê tơng của nước ngầm, các thơng số hĩa học về độ pH, CaCO3- giải phĩng (CO2), NH4+, Mg2+, SO42- được sử dụng theo tiêu chuẩn của Đức DIN 4030 Teil (1991).
Hàm lượng đạm và sulphate trong các mẫu nước được phân tích nĩi chung rất thấp, và các hĩa chất này hầu như khơng gây ra sự ăn mịn bê tơng nào. Tuy nhiên, độ pH của nước ngầm lấy từ địa tầng Holocene và Pleistocene rất thấp, các giá trị độ pH này <4,5. Đây là loại nước xếp vào nhĩm cĩ khả năng ăn mịn bê tơng cao theo tiêu chuẩn DIN 4030 Teil (1991). Do đĩ khi tính tốn kết cấu vĩnh cửu trong mơi trường này cần được xét đến khả năng ăn mịn bê tơng.
KẾT LUẬN CHƯƠNG:
Thơng qua số liệu địa chất của các cơng trình trên địa bàn Tp.HCM cĩ thể cĩ hiểu biết tổng quan địa chất của khu vực để cĩ biện pháp sơ bộ lựa chọn tuyến cơng trình, kết cấu, biện pháp xây dựng,... phù hợp. Ngồi ra cũng cần lưu ý một số điểm như hiện tượng cát chảy, ăn mịn bê tơng để cĩ biện pháp xử lý, đề phịng thích hợp.
MƠI TRƯỜNG ĐẤT
3.1 Các đặc tính cơ bản của đất
3.1.1 Đất đá và các tính chất cơ bản của nền đất yếu
Tính chất cơ bản của đất đá thay đổi theo nguồn gốc, điều kiện kiến tạo, các yếu tố tác động trong lịng và bề mặt trái đất. Trong đĩ nguồn gốc kiến tạo là đặc trưng cơ bản quyết định tính chất cơ lý của đất đá. Sau đây là một số tính chất cơ bản của đất đá.
3.1.1.1Biến dạng của đất đá
Tuỳ theo tình hình chịu tải, đất đá cĩ thể biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo. Dưới tác dụng của tải trọng nền đất bị biến dạng, sau khi dỡ tải biến dạng được khơi khục một phần đĩ là biến dạng đàn hồi. Khi tải trọng tác dụng vượt qua khả năng chịu tải của nền đất, các hạt đất sẽ trượt lên nhau sắp xếp lại, đĩ chính là biến dạng dẻo khơng khơi phục được. Biến dạng dẻo phụ thuộc vào loại đất đá, trạng thái ứng suất, thời gian và tốc độ gia tăng của tải trọng. Biến dạng dẻo là một yếu tố làm cho áp lực địa tầng tăng dần trong một khoảng thời gian.
Trong tính tốn cơng trình ngầm hiện nay phần lớn các phương pháp quan niệm một cách gần đúng theo cơ sở lý thuyết đàn hồi, các thơng số chủ yếu về biến dạng vẫn là các hệ số biến dạng dọc E, biến dạng ngang µ và biến dạng trượt G.
a)Hệ số biến dạng dọc E: là một đặc trưng quan trọng thể hiện quan hệ giữa ứng suất σ và biến dạng dọc ε [4]
E = ο σ
(3.1)
Do đất đá khơng phải là vật liệu hồn tồn đàn hồi nên thực tế mối quan hệ này khơng cĩ tính chất tuyến tính hồn tồn, E khơng phải là một hằng số. Trong trường hợp khơng cịn biến dạng dư khi đĩ quan hệ giữa ứng suất và biến dạng xem như tuyến tính và hệ số biến dạng dọc E mang ý nghĩa là mơđun đàn hồi.
b) Hệ số biến dạng ngang µ: được đặc trưng bởi trị số tuyệt đối của tỷ số biến dạng ngang ε1 và biến dạng dọc ε trong trường hợp nén hay kéo một chiều:
µ = σ1
σ (3.2)
Giai đoạn đầu quan hệ giữa ứng suất và biến dạng đều cĩ tính chất tuyến tính, biến dạng trong giai đoạn này chủ yếu do biến dạng của bộ khung khống vật,
µ = const và gọi là hệ số Poisson. Sau giới hạn biến dạng tuyến tính, µ khơng là hằng số nữa, xác định theo cơng thức:
µ σ 1 1 − 2 µ ο σ 1 1 1 − 2 µ ο = = σ 2.E . − . = − 2 σ 2 . 2.E σ (3.3)
Ta thấy biến dạng ngang lớn nhất bằng một nửa biến dạng dọc, do đĩ cĩ thể nĩi áp lực địa tầng tại một điểm theo phương ngang luơn nhỏ hơn theo phương thẳng đứng. Hệ số biến dạng ngang cĩ thể xác định bằng thực nghiệm. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
c) Hệ số biến dạng trượt G: cịn gọi là mơ đun chống cắt, là hằng số trong giai đoạn tuyến tính, xác định như sau:
Trong đĩ: G = E 2(1 + µ ) (3.4) µ - hệ số biến dạng ngang E - mơ đun biến dạng dọc
3.1.1.2Độ bền của đất đá
Độ bền của đất đá là khả năng chịu lực của đất đá mà khơng bị phá hoại. Theo quan điểm của Mohr đất đá bị phá hoại là do xuất hiện mặt trượt, tức ứng suất cắt vượt quá khả năng chịu cắt hoặc do ứng suất kéo vượt quá cường độ chịu kéo. Để xác định trạng thái ứng suất và khả năng phá hoại khi đất chịu lực thể tích cĩ thể dùng vịng trịn Mohr. Nghiên cứu một đơn nguyên chịu lực thể tích cĩ ứng suất chính trên 3 mặt là σ1> σ2 >σ3. Trên mặt phẳng nghiêng với một gĩc α tồn tại ứng suất pháp σ và ứng suất tiếp τ, gĩc α cĩ thể thay đổi để tìm được mặt phẳng cĩ τ
lớn nhất. Nếu τ ở mặt phẳng này vượt quá cường độ chống cắt thì đất đá bị phá hoại do trượt. Để vẽ vịng trịn Mohr cần nghiên cứu các trường hợp sau:
Khi nén một trục σ1 = σ nén và σ3 = 0 (vịng trịn 3 trên hình 3.1) Khi kéo một trục σ1 = 0 và −σ3 = σ kéo (vịng trịn 1 trên hình 3.1) Khi cắt thuần tuý σ1 = − σ3 (vịng trịn 2 trên hình 3.1) Khi chịu lực thể tích cĩ ứng suất giới hạn σ1; σ3, vịng trịn Mohr cĩ tâm tại điểm cĩ hồnh độ (σ1 + σ3 )/2, và bán kính (σ1 - σ3 )/2 (vịng trịn 4 ) τ 3 4 2 1 σ Hình 3.1 Vịng trịn Mohr
Vẽ đường cong tiếp xúc với các vịng trịn Mohr xác định được giới hạn cường độ của đá ở bất cứ trạng thái ứng suất nào. Đường tiếp xúc các vịng trịn Mohr cĩ dạng như sau:
Trong đĩ: ο 1 −ο 3 = K2 ο + ϕ 1 +ο 2 2 (3.5) K - hằng số biểu thị hệ số dính;
ϕ - hàm số xác định bằng thực nghiệm cho các trạng thái ứng suất khác nhau Thực tế đường tiếp xúc các vịng trịn Mohr phải là đường cong với những đặc điểm như sau:
- Là một đường cong đơn điệu thể hiện quan hệ τ=f(σ), đối xứng qua trục σ
- Trong phạm vi ứng suất kéo thì đường cong này phải cắt trục σ theo một gĩc vuơng và trị số ứng suất kéo tại điểm này phải bằng cường độ chịu kéo một trục. Đường cong chỉ cắt trục σ một điểm duy nhất (chỉ cĩ 1 điểm duy nhất τ = 0)
- Do đường cong rất phức tạp trong tính tốn nên thực tế thiết kế vẫn dùng phương trình đường thẳng.
Tính biến dạng và tính bền là hai đặc trưng quan trọng nhất trong các tính chất cơ học của đất đá (nhất là đất loại sét), độ ẩm và độ rỗng càng lớn thì khả năng biến dạng càng tăng và độ bền chống cắt của đất đá càng thấp. Đối với đá khi chịu tải trọng biến dạng sẽ gây ra tức thì, cịn đất loại sét thì quá trình biến dạng từ từ và tắt dần. Thơng qua việc nghiên cứu các tính chất cơ lý của đất đá ta thấy được thời gian thi cơng hầm ảnh hưởng đến sự phân bố và giá trị của áp lực địa tầng tác dụng lên kết cấu hầm. Do đĩ trong quá trình thi cơng cần phải cĩ tốc độ thi cơng tránh được những sự cố do sự thay đổi của áp lực địa tầng theo thời gian.
3.1.1.3Tính lưu biến của đất đá
Cũng giống như các vật liệu khác đất đá cĩ đặc điểm là khi chịu lực sẽ xảy ra hiện tượng biến dạng tăng dần theo thời gian mặc dù ứng suất khơng thay đổi, hiện tượng này gọi là hiện tượng từ biến, là nguyên nhân làm cho áp lực địa tầng tác dụng lên cơng trình sẽ thay đổi. Đĩ là tính lưu biến của đất đá.
Nếu coi đất đá là mơi trường liên tục thì trạng thái ứng suất và biến dạng cĩ thể biểu diễn dưới dạng tổng quát
ο = f σ , dσ ,dt dο dt (3.6)
Biến dạng theo thời gian của đất đá cĩ dạng tổng quát như hình 3.2
ε D C B A t o
Hình 3.2 Biến dạng của đất đá theo thời gian.
- 29 - , t e1 e2 e3 eo
Giai đoạn đầu: OA – biến dạng tức thời lúc vừa chịu tải
Giai đoạn hai: AB – từ biến chưa ổn định dε/dt nhỏ dần và tiến tới một trị số cố định.
Giai đoạn ba: BC – từ biến ổn định dσ
= const.
dt
Giai đoạn thứ tư: CD – tốc độ biến dạng tăng nhanh các vết nứt xuất hiện, đất đá tiến tới phá hoại.
Quá trình lưu biến của đất đá rất phức tạp, cần phải cĩ những nghiên cứu nhiều hơn nữa.
3.1.1.4Hệ số kiên cố
Các phương pháp lực tính tốn áp lực địa tầng tác dụng lên cơng trình ngầm đều quan niệm đất đá xung quanh cơng trình ngầm là mơi trường rời rạc. Giả thiết này khơng phù hợp với thực tế vì phần lớn đất đá vẫn dính kết, để giải quyết mâu thuẫn trên giáo sư M.M.Protodiakonov đề nghị xem tất cả mơi trường đất đá là rời rạc nhưng xét đến tính dính kết. [2] Đưa ra hệ số : fkc = tgϕ + C ο (3.7) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
fkc - hệ số kiên cố và hệ số này áp dụng cho nhiều loại địa tầng khác nhau từ yếu đến cứng chắc.
Trong đĩ:
ϕ - gĩc nội ma sát của địa tầng C - hệ số dính của đất đá
Trường hợp đất rời (C=0) thì fkc = tgϕ trong đá cứng lực dính thực C được thay bằng lực dính phân tử. Trong trường hợp này giáo sư M.M.Protodiakonov đề nghị xác định hệ số độ cứng của địa tầng tuỳ thuộc vào độ bền lập phương khi ép vỡ (R, kG/cm2)
fkc
Trong xây dựng hầm thường phân loại đất đá theo sự phân loại của giáo sư Protodiakonov dựa trên hệ số độ kiên cố (fkc) của đất đá theo bảng sau:
Bảng 3.1 Phân loại đất đá theo M.M.PROTODIAKONOV [4]
Cấp đất đá Mức độ rắn chắc Địa tầng Trọnglượng riêng (t/m3) Cường độ chịu nén giới hạn fk c Gĩc ma sát trong IRắn chắc nhất IIRất chắc
Thạch anh, banzan dẻo, chặt xít cũng như các đá cứng rắn khác Đá granit rất chắc. Profia thạch anh, phiến thạch, silic, quaejit, cát kết và đá vơi chắc nhất 2,8 – 3 2000 20 87 2,6 – 2,7 1500 15 85 III Chắc Granit chặt, cát kết và đá vơi rất chắc, mạch quặng thạch anh, cuội kết chắc, quặng sắt rất chắc
IIIa Chắc Đá vơi chắc, granit khơng chắc, cát kết chắc, đá hoa, đơlơmit chắc 2,5 – 2,6 1000 10 82,5 8 IV Khá chắc IVa Khá chắc V Trung Cát kết thường, quặng sắt 2,4 600 6 75 Phiến thạch cát 2,5 500 5 72,5 Phiến thạch sét chắc, cát bình Va Trung kết và đá vơi khơng chắc, cuội kết mềm Phiến thạch khơng chắc, 2,4 – 2,5 400 4 70 bình VI Khá các loại đá mác chặt 2,4 – 2,6 300 3 70 Phiến thạch mềm, đá vơi, mềm đá phân, muối mỏ, thạch cao rất mềm, đá mác thường 2,2 – 2,6 150 - 200 2 65 VII Mềm Sét chặt, than đá mềm, đất bồi chắc 1,8 – 2,0 1 60 VIIa Mềm Sét cát nhẹ, đất lĩt 1,6 0,8 80
VIII Đất Đất trồng, than bùn, cát pha
nhẹ 1,5 0,6 30 IX Đất rời Cát, lở tích, dăm nhỏ, đất đắp 1,4 –1,7 0,5 27 XĐất chảy Đất cát chảy, đất lầy, đất lớt bị chảy nhão và các loại đất bị chảy nhão khác
1,5 –1,8 0,3 9
Ngồi việc phân loại đất đá theo giáo sư Protodiakonov cịn cĩ hệ thống phân loại đất hợp nhất của Mỹ, việc phân loại đất hay đá cĩ thể dựa vào mơ tả vật liệu, hoặc ứng xử của chúng trong suốt quá trình xây dựng hầm. Hệ thống phân loại sẽ chỉ ra những đặc trưng khác nhau cũng như cung cấp những lý luận, giả thiết chính xác hơn về sự ứng xử của đất đá xung quanh đường hầm.
Thi cơng đường hầm trong đơ thị khu vực thành phố Hồ Chí Minh thường khơng thể tránh khỏi thi cơng trên nền đất yếu, địa chất thường gặp là các loại đất sét, á sét, đất cát, á cát, đơi khi gặp bùn lỏng, trạng thái đất cĩ thể chảy, địa tầng thường bão hồ nước. Do đĩ tuỳ theo từng loại địa chất mà chọn phương pháp thi cơng cũng như các loại máy mĩc cho phù hợp.
3.1.2 Nền đất yếu
Các thành phố lớn thường được xây dựng trên nền đất yếu do quá trình bồi tụ của lưu vực các dịng sơng. Địa chất được hình thành bởi các lớp trầm tích trẻ Haloxen, chủ yếu là các dạng đất yếu như sét nhão, bùn sét hữu cơ, bùn á sét, bùn á cát và đất than bùn. Vì thế các cơng trình xây dựng trên nền đất yếu địi hỏi phương pháp thi cơng và xử lý nền mĩng rất khĩ khăn phức tạp, giá thành cơng trình cao. Trong thiết kế đường hầm tính chất của đất đá mà đường hầm đi qua sẽ quyết định phương pháp tính tốn, thi cơng cơng trình hầm. Theo quan điểm xây dựng đường hầm, địa tầng yếu khi cĩ hệ số kiên cố fkc <2 [2], căn cứ vào hệ số kiên cố ta cĩ thể phân loại nền đất một cách phù hợp để quyết định các phương pháp tính tốn và thi cơng hợp lý cơng trình ngầm, đem lại hiệu quả kinh tế.
3.1.2.1Các tính chất của nền đất yếu
Nĩi chung các loại đất yếu thường cĩ những đặc điểm sau:
• Thường là đất loại sét cĩ lẫn hữu cơ;
• Thường bão hồ nước và trọng lượng thể tích nhỏ;
• Độ thấm nước rất nhỏ;
Đất sét gồm các hạt nhỏ (d< 0,002mm, chiếm trên 3%) cĩ thể ở trạng thái cứng, dẻo hay chảy. Chúng ở trạng thái cứng khi khơ, khơng bị rời rạc, khi ở trạng thái ẩm ướt bị biến dạng. Khi hút nước các loại đất sét liên kết giữa các hạt sẽ yếu đi chuyển từ trạng thái cứng sang dẻo tiếp theo là trạng thái chảy [3].
Một trong những đặc điểm quan trọng của đất yếu là tính dẻo. Yếu tố chủ yếu chi phối độ dẻo là thành phần khống vật của nhĩm hạt kích thước nhỏ hơn