CHƯƠNG II: ĐỀ XUẤT VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP BẢO VỆ ĐÁY VÀ MÁI HỐ MểNG CHO TRẠM BƠM CỔ DŨNG
2.3. Nội dung chi tiết các phương án
2.3.1. Bố trí hệ thống giếng hạ MNN cho hố móng
Hạ mực nước ngầm là làm cho mức nước ngầm bị hạ thấp cục bộ ở vị trí nào đó một cách nhân tạo bằng cách bơm nước từ giếng thường hoặc giếng kim.
Hạ thấp MNN được thực hiện chủ yếu nhờ thiết bị kim lọc kiểu chân không, kim lọc kiểu dòng phun và các giếng tập trung nước (giếng ống) có máy bơm sâu.
a) Phương pháp hạ MNN bằng giếng thường
- Cấu tạo: Gồm ống thành giếng và ống lọc nước, máy bơm hút nước ở mỗi giếng, ống tập trung nước, trạm bơm và ông dẫn xả nước. Ống thành giếng có thể dùng loại ống gang đúc, ống bê tông cốt thép, ống nhựa có đường kính từ 200 -:- 350mm. Ống lọc có thể dùng cốt thép hàn thành khung, bên ngoài bọc lưới lọc (mắt lưới 1-:-2mm), dài 2-:-3m (hình 2.4), cũng có thể dùng ống liền đục lỗ, bên ngoài bọc lưới thép mạ kẽm (hình 2.5) hoặc dùng ống bê tông cốt thép.
Hình 2.4. Giếng thường cỡ lớn Hình 2.5. Ống lọc nước bằng gang đúc - Bố trí giếng: Trước tiên phải xác định tổng lượng nước chảy vào hố móng, kiểm tra khả năng hút nước giới hạn của một giếng, từ đó xác định được số lượng giếng. Thường bố trí giếng phân bố đều ở mép hố móng theo số lượng đã xác định.
Đối với hố móng rộng và sâu thì có thể bố trí trên các cơ của mái hố móng. Cũng có những trường hợp bố trí ngay cả bên trong hố móng.
Khoan lỗ có thể bằng phương pháp ống lồng, giũe thành bằng dung dịch sét, cũng có thể dùng khoan xoắn ốc, nhưng đường kính lỗ phải lớn hơn đường kính ngoài của ống giếng 15-:-250 mm, rút hết bùn ở đáy ống ra, hạ giếng ống hút xuống, dùng ống chính để nối các ống giếng lại. Giữa thành lỗ và giếng ống thép lấp kín bằng sỏi đường kính 3÷15mm để làm tầng lọc nước. Ống hút nước dùng loại ống cao su, ống nhựa PVC hoặc ống thép đường kính 50÷100mm. Đáy ống phải ở bên dưới MNN thấp nhất khi rút nước.
- Rửa giếng: Ống gang đúc có thể rửa bằng pittông và máy nén khí. Ống bằng các loại vật liệu khác rửa bằng máy nén khí, rửa đến khi nước trong mới thôi. Trong khi hút nước phải thường xuyên kiểm tra, quan sát động cơ điện và các thiết bị khác, đo MNN, ghi lại lưu lượng của nước bơm ra.
Giếng thường thích hợp với tầng cuội sỏi có hệ số thấm lớn, lớp đất có lượng nước ngầm phong phú (lượng nước xả của mỗi giếng ống có thể đến 50÷100m3/h), hệ số thấm của đất đến 20÷200m/ngày đêm thì độ sâu HMNN có thể đạt đến khoảng 3÷5m. Phương pháp này thường dùng khi HMNN không áp có lực.
b) Phương pháp hạ MNN bằng giếng thường với máy bơm sâu
Giếng thường với máy bơm sâu do bơm hút sâu đặt trên đỉnh giếng hoặc bơm đặt chìm sâu trong giếng và ống lọc tạo thành.
Thiết bị cấu thành giếng loại này bao gồm: các ống giếng lọc, các tổ máy bơm sâu đặt ở mỗi giếng, ống tập trung nước và ống xả nước.
- Thiết bị hút: Bơm đặt chìm trong nước, dây dẫn của bơm chìm phải thật bảo đảm, động cơ điện của bơm phải có bộ phận cách điện tốt, chống nước tốt, khi đổi bơm phải rửa sạch giếng lọc. Cũng có thể đặt các máy bơm ở trên đỉnh giếng rồi dẫn ống hỳt cú gắn chừ bơm xuống đỏy giếng.
Nước bơm từ các ống giếng chảy vào ống tập trung nước, rồi được xả trực tiếp qua đê quai hoặc dùng máy bơm trung gian và ống dẫn riêng.
- Bố trí giếng: Ống giếng phải đặt thẳng đứng, ống lọc phải được đặt trong phạm vi thích hợp của tầng chứa nước, đường kính trong của ống giếng phải lớn hơn đường kính ngoài của bơm nước 50mm, giữa thành lỗ khoan và ống giếng lấp bằng các vật
liệu lớn hơn đường kính lỗ lưới lọc.
- Khoan lỗ: Khoan lỗ giếng có thể dùng máy khoan lỗ hoặc xói bằng nước áp lực, đường kính lỗ phải lớn hơn đường kính ống giếng 200mm, độ sâu của lỗ phải tính đến độ sâu tăng thêm do khi hút nước cặn lắng sẽ có một độ dày lắng đọng nhất định.
c) Phương pháp hạ MNN bằng giếng kim dạng chân không
Trường hợp hố móng lớn, hệ số thấm của đất nhỏ (Kt=4÷10cm/s) nếu dùng giếng thường thì không kinh tế và không hiệu quả, mà phải dùng hệ thống giếng kim để HMNN.
Bố trí hệ thống giếng kim tương tự như hệ thống giếng thường ở xung quanh hố móng rồi tiến hành bơm liên tục làm cho MNN trong phạm vi hố móng dần dần được hạ thấp đến một cao trình ổn định nào đó thấp hơn đáy móng công trình.
Hệ thống giếng kim gồm những ống lọc nhỏ, cắm xung quanh hố móng. Các giếng kim này nối liền với nhau bằng các ống chính tập trung nước và nối với máy bơm.
Khi xây dựng công trình Thủy lợi trên nền đất cát sỏi và á sét có hệ số thấm K = (1-:-100)m/ngđ thường dùng thiết bị kim lọc vì lắp ráp và sử dụng đơn giản. Thiết bị kim lọc có hiệu quả cao khi K = (4-:- 40)m/ngđ.
Hinh 2.6. Bố trí hệ thống giếng kim
* Các thiết bị chính của hệ thống giếng kim:
- Ống giếng kim:gồm thân ống và đoạn ống lọc. Thân ống gồm những đoạn ống thộp F50mm dài 1,5á2,0m nối với nhau tuỳ theo chiều sõu của giếng. Đầu ống là đoạn ống lọc dài 1á2m, thường là ống thộp F50mm cú đục cỏc lỗ F10á15mm bố trớ như 2 hỡnh hoa mai, cự ly giữa cỏc lỗ 30á40mm. Bờn ngoài lỗ quấn dõy thộp dạng lũ xo.
Trước tiên bọc một lớp lưới lọc tinh mắt f40, rồi bọc lớp lưới lọc thô (bằng đồng hoặc nilon). Bên ngoài lưới lọc lại quấn một lớp dây thép thô kiểu lò xo để bảo vệ lưới lọc không bị hư hỏng khi hạ kim lọc xuống đất hoặc khi rút nó lên sau khi đã kết thúc công việc HMNN.
Cuối đoạn lọc là ống hình côn với các van bi và cuối cùng là một đoạn mũi bịt bằng gang hình nón, mũi khoan xoắn ốc hoặc răng cưa giúp việc hạ kim lọc xuống đất được dễ dàng hơn. Ở phần trờn của đoạn đầu ống lọc cú hàn một cỏi vừng lừm hình yên ngựa dùng cho van bi. Khi kim lọc làm việc, van bi nổi lên và bít lỗ ở phía dưới của ống kim lọc, còn khi hạ ống kim lọc vào trong đất, van bi bị đẩy xuống bởi nước bơm vào kim lọc để xói đất.
Hạ giếng bằng cách khoan lỗ (khoan xung kích, khoan xoay) hoặc bằng phương pháp xói thuỷ lực (xói lỗ trực tiếp hạ giếng hoặc ống lồng). Khoan sâu hơn chiều sâu hạ ống lọc của giếng 0,5m để thuận lợi cho cát lắng. Hạ ống lọc và rút ống lồng đến đõu đổ cỏt thụ đến đú. Phần cỏch mặt đất 0,5á1m lấp kỹ bằng đất sột để chống rũ khớ vào ống lọc. Sau khi hạ xong phải bơm nước xói rửa ống giếng cho đến khi không còn nước đục.
- Ống thu nước chính: Dùng ống thép φ102-:-127mm gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng ren, cỏc ống này cứ cỏch 1á2m đặt một đầu nối măng xụng để nối với giếng kim lọc bằng những ống mềm hoặc ống cứng. Nên đặt ống thu nước ở các cao độ trên MNN nhưng càng thấp càng tốt.
Ống nối: Dùng ống cao su hoặc ống nhựa F40÷50mm, trên ống nối nên có van và các thiết bị đo áp lực để kiểm tra.
Dùng ống nối để nối tiếp giữa ống giếng kim với ống chính thu nước và máy bơm, hình thành một hệ thống hoàn chỉnh. Khi hút nước đầu tiên phải cho chạy bơm chân không, hút không khí trong đường ống ra tạo thành chân không. Khi đó, nước ngầm và không khí trong đất chịu tác động của chân không bị hút vào giếng, không
khí và nước bị hút qua bơm chân không và đẩy vào ống thu nước. Khi trong ống thu nước đã có khá nhiều nước mới mở máy bơm ly tầm để hút nước.
Thiết bị hút nước: Thiết bị hút nước được tạo thành bởi bơm hút nước, đồng hồ đo lưu lượng, đồng hồ đo chân không và két nước tuần hoàn. Người ta đặt một hoặc 2 trạm máy bơm cho một hệ thống giếng kim, đôi khi cho 2 hệ thống nếu chiều dài các ống thu nước không lớn lắm. Tại mỗi trạm bơm kèm theo các máy bơm làm việc và phải đặt thêm một máy bơm dự phòng, máy bơm này cũng nằm trong cùng các thiết bị của giếng.
Trong các trường hợp đặc biệt khi MNN dâng cao như: để tăng cường mức độ HMNN lúc ban đầu hoặc trong mùa mưa lũ, … trong một thời gian ngắn có thể cho vận hành cả các máy bơm công tác lẫn máy bơm dự phòng.
Hình 2.7. Cấu tạo giếng kim và khớp nối bản lề
* Bố trí hệ thống giếng kim
Để bố trí giếng kim phải căn cứ vào yêu cầu về độ sâu phải HMNN, độ lớn và kích thước mặt bằng hố móng, tính năng thấm của tầng chứa nước và hướng chảy của nước ngầm,…. Nếu chiều sõu yờu cầu HMNN ở 4á5m thỡ bố trớ giếng 1 tầng, nếu chiều sâu yêu cầu HMNN lớn hơn 6m thì có thể bố trí giếng 2 tầng hoặc nhiều hơn.
Nếu bề rộng hố móng <10m thì có thể đón đầu nguồn nước ngầm để bố trí một hàng giếng kim. Khi bề rộng hố móng lớn thì có thể bố trí giếng xung quanh khép kín hoặc không khép kín.
Hình 2.8. Hai tầng giếng kim để hạ thấp mực nước ngầm
* Nối vào ống chính
Dùng ống nối để nối tiếp giữa ống giếng kim với ống chính thu nước và máy bơm, hình thành một hệ thống hoàn chỉnh.
Khi hút nước đầu tiên phải cho chạy bơm chân không, hút không khí trong đường ống tạo thành chân không. Khi đó, nước ngầm và không khí trong đất chịu tác động của chân không bị hút vào giếng, không khí và nước bị hút qua bơm chân không và đẩy vào ống thu nước. Khi trong ống thu nước đã có khá nhiều nước mới mở máy bơm ly tâm để hút nước ra.
* Những chú ý khi vận hành
Sau khi nối khép kín hệ thống giếng kim mới tiến hành hút thử. Nếu thấy không rũ khớ, mới chớnh thức cho hoạt động. Luụn luụn theo dừi đồng hồ chõn khụng lắp sẵn trờn hệ thống để kiểm tra, thường độ chõn khụng 55,3á66,7Kpa (1Pa=1,02.10-5 KG/cmP2P=1,02.10P-5PdaN/cm2). Khi đường ống giếng bị rò khí thì sẽ không bảo đảm độ chân không.
Để giếng hoạt động liên tục, luôn luôn phải có thêm nguồn điện dự phòng và các thiết bị thay thế bổ sung kịp thời.
Hệ thống chỉ ngừng hoạt động sau khi đã thi công xong phần dưới của công trình và hố móng đã được lấp trả.
4~5m 3~4m
2.3.2. Bố trí hệ thống cừ chống đỡ kết hợp tiêu nước phía trong hố móng.
a) Đặc điểm cấu tạo của cọc cừ thép
Cọc cừ thép (các tên gọi khác là cừ thép, cừ Larsen, cọc bản, thuật ngữ tiếng anh là steel sheet pile) là một cấu kiện dạng tấm có các rãnh khoá (còn gọi là me cừ) để hợp thành một tường chắn khép kín. Nhằm mục đích ngăn nước và chắn đất trong hầu hết các trường hợp ứng dụng.
Cọc cừ thép được sử dụng lần đầu tiên vào năm 1908 tại Mỹ trong dự án Black Rock Harbour, tuy nhiên trước đó người Ý đã sử dụng tường cọc cừ bằng gỗ để làm tường vây khi thi công móng mố trụ cầu trong nước. Bên cạnh gỗ và thép, cọc cừ cũng có thể được chế tạo từ nhôm, từ bê tông ứng lực trước. Tuy nhiên với những ưu điểm vượt trội, cọc cừ thép vẫn chiếm tỉ lệ cao trong nhu cầu sử dụng.
Ngày nay, trong lĩnh vực xây dựng, cọc cừ thép được sử dụng ngày càng phổ biến. Từ các công trình thủy công như cảng, bờ kè, cầu tàu, đê chắn sóng, công trình cải tạo dòng chảy, công trình cầu, đường hầm đến các công trình dân dụng như bãi đậu xe ngầm, tầng hầm nhà nhiều tầng, nhà công nghiệp. Cọc cừ thép không chỉ được sử dụng trong các công trình tạm thời mà còn có thể được xem như một loại vật liệu xây dựng, với những đặc tính riêng biệt, thích hợp với một số bộ phận chịu lực trong các công trình xây dựng.
Hình dạng mặt cắt thường dùng chữ U, chữ Z hoặc cọc cừ thẳng bụng kiểu máng… tuỳ theo các hãng sản xuất.
Kết cấu chẵn giữ bằng cọc cừ thép tức là dùng cọc cừ thép đóng vào trong đất, có đặt các thanh chống hoặc neo cần thiết để chống lại áp lực đất, áp lực nước, đảm bảo cho đất xung quanh hố móng được ổn định.
Chắn giữ bằng cọc cừ thép có ưu điểm là: chất lượng vật liệu của cọc cừ tin cậy, trong tầng đất yếu thì tốc độ thi công nhanh, và tương đối giản đơn, khả năng ngăn nước tương đối tốt, loại cọc cừ tạm thời có thể nhổ lên dùng lại nhiều lần, giá thành hạ.
Hình 2.9. Hình dạng mặt cắt cọc cừ thép thường dùng
Các thông số chính khi lựa chọn cọc cừ thép gồm các kích thước dài, rộng, chiều dày ván cừ, diện tích mặt cắt, trọng lượng, mô men quán tính, mô men tĩnh.
* Tính toán
Khi lựa chọn chiều sâu đặt cừ, có thể sử dụng phương pháp giải tích hoặc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để lựa chọn chiều sâu chôn cừ. Sau đó tiến hành kiểm tra vấn đề ổn định của cừ và đất sau lưng cừ theo một trong hai phương pháp dưới đây:
* Phương pháp giải tích
+ Dạng cừ không có chống (dạng conson) chiều sâu chôn khoảng 10m: khi chiều sâu chôn cừ không lớn: sử dụng phương pháp cân bằng tĩnh hay phương pháp Blum, hoặc phương pháp đường đàn hồi (phương pháp đồ giải).
+ Dạng có một tầng chống: sử dụng phương pháp giữ đất tự do hoặc giữ đất cố định (phương pháp dầm tương đương). Chú ý khi sử dụng 2 phương pháp này phải phân tích đặc tính của đất nền để lựa chọn phương pháp hoặc có thể sử dụng phương pháp dầm đẳng trị.
b b
U
b b
b b
h hh
bề dầy a
bề dầy e BZ
RZ
bề dầy a bề dầy e
bề dầy e
bề dầy a
α
bề dầy e
+ Dạng nhiều tầng chống: sử dụng phương pháp dầm liên tục, phương pháp chia đôi tải trọng thanh chống.
Phương pháp giải tích được đề cập chi tiết ở nhiều tài liệu nghiên cứu về nền móng như.
* Phương pháp phần tử hữu hạn
Có thể sử dụng phần mềm Plaxis để tính toán. Cần tiến hành tính cho hai bài toán thuận và nghịch:
+ Trước tiên làm bài toán nghịch: Quy định hệ số ổn định của tường cừ, sau đó tìm chiều sâu chôn cừ.
+ Bài toàn thuận: từ chiều sâu chôn cừ tiến hành tính toán lại hệ số ổn định của cừ.
* Ứng dụng
Với khả năng chịu tải trọng động cao, cọc cừ thép rất phù hợp cho các công trình cảng, cầu tàu, đê đập, ngoài áp lực đất còn chịu lực tác dụng của sóng biển cũng như lực va đập của tàu thuyền khi cặp mạn.
Trên thế giới đã có rất nhiều công trình cảng được thiết kế trong đó cọc cừ thép (thường kết hợp với hệ tường neo và thanh neo) đóng vai trò làm tường chắn, đất được lấp đầy bên trong và bên trên là kết cấu nền cảng bê tông cốt thép với móng cọc ống thép hoặc cọc bê tông cốt thép ứng suất trước bên dưới. Tường cọc thép này cũng được ngàm vào bê tông giống như cọc ống.
Hệ tường neo thông thường cũng sử dụng cọc cừ thép nhưng có kích thước và chiều dài nhỏ hơn so với tường chính. Thanh neo là các thanh thép đường kính từ 40mm đến 120mm có thể điều chỉnh chiều dài theo yêu cầu. Việc thiết kế công trình cảng sử dụng cọc cừ thép có thể tiết kiệm về mặt chi phí hơn vì nếu không dùng cọc cừ thép thì số lượng cọc ống bên dưới kết cấu nền cảng sẽ phải tăng lên nhiều và phải thiết kế thêm cọc xiên để tiếp thu hoàn toàn các tải trọng ngang tác dụng vào kết cấu nền cảng.
Bên cạnh công trình cảng, nhiều công trình bờ kè, kênh mương, cải tạo dòng chảy cũng sử dụng cọc cừ thép do tính tiện dụng, thời gian thi công nhanh, độ bền chịu lực tốt.
Với các công trình đường bộ, hầm giao thông đi qua một số địa hình đồi dốc phức tạp hay men theo bờ sông thì việc sử dụng cọc cừ thép để ổn định mái dốc hay làm bờ bao cũng tỏ ra khá hiệu quả.
Trong thiết kế, cọc cừ thép ngoài việc kiểm tra điều kiện bền chịu tải trọng ngang còn phải kiểm tra điều kiện chống cháy để chọn chiều dày phù hợp. Bề mặt của cọc cừ thép bên trong được sơn phủ để đáp ứng tính thẩm mỹ đồng thời cũng để bảo vệ chống ăn mòn cho cọc cừ thép.
Lĩnh vực mà cọc cừ thép được sử dụng nhiều nhất đó là làm tường vây chắn đất hoặc nước khi thi công các hố đào tạm thời. Cọc cừ thép được sử dụng khắp mọi nơi:
trong thi công tầng hầm nhà dân dụng, nhà công nghiệp, thi công móng mố trụ cầu, hệ thống cấp thoát nước ngầm, trạm bơm, bể chứa, kết cấu hạ tầng, thi công van điều áp kênh mương… tùy theo độ sâu của hố đào cũng như áp lực ngang của đất và nước mà cọc cừ thép có thể đứng độc lập (sơ đồ conson) hay kết hợp với một hoặc nhiều hệ giằng thép hình (sơ đồ dầm liên tục). Đa phần hệ giằng được chế tạo từ thép hình I nhằm thuận tiện trong thi công.
b) Hệ thanh chống
Hệ thanh chống bằng thép thường được sử dụng kết hợp với ván cừ thép trong trường hợp hố móng có chiều sâu lớn mà chiều rộng nhỏ, làm tăng khả năng ổn định của hệ thống ván cừ thép.
* Thanh chống
Mặt cắt thường dùng của thanh chống và dầm đài có thép ống, thép chữ H, thép chữ I, thép lòng máng và các mặt cắt tổ hợp của chúng (Hình 2.10).
Hình 2.10. Mặt cắt thường dùng của thanh chống bằng thép
* Trụ chống và dầm đai, dầm ngang
y
y y y y
x x x x x x x x x x
y
y
y y y