Cột nước áp lực giới hạn ổn định đáy hố móng thi công trong vùng nước có áp
BÀI BÁO KHOA HỌC
CỘT NƯỚC ÁP LỰC GIỚI HẠN ỔN ĐỊNH ĐÁY HỐ MÓNG
THI CÔNG TRONG VÙNG NƯỚC CÓ ÁP
Bùi Văn Trường1
Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp, kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định cột nước áp lực
giới hạn (hgh) ổn định đáy hố móng thi công trong vùng nước có áp tầng Holocen (qh) ở đồng bằng
sông Hồng. Từ đó xây dựng tương quan cột nước áp lực giới hạn và chiều dày (mp) các lớp đất đáy
móng, là cơ sở cho việc tính toán, thiết kế giải pháp ổn định đáy hố móng được an toàn và hiệu quả.
Từ khóa: Cột nước áp giới hạn, ổn định đáy hố móng
1. ĐẶT VẤN ĐỀ1
xác định cột nước áp lực giới hạn ổn định đáy
Thi công hố móng trong vùng nước có áp hố móng trong điều kiện thực tế tại hiện trường.
thường phải áp dụng các giải pháp kỹ thuật ổn
định đáy hố móng do các tác động bất lợi của
nước có áp như đùn đất, bục đất đáy hố móng.
Khi tính toán, thiết kế các giải pháp, cần xác
định cột nước áp lực giới hạn (hgh) ổn định đáy
hố móng (sau đây gọi là côt nước giới hạn).
Thông thường, cột nước giới hạn được xác định
từ điều kiện cân bằng với trọng lượng đẩy nổi
của cột đất đáy hố móng, bỏ qua giá trị độ bền
của đất (Banislaw, Kosta, 1972; Lê Đức Thắng,
1976; Lê Văn Kiểm, 1977). Cách xác định như
vậy thường là thiên về an toàn, dẫn đến tốn kém
và thời gian thi công kéo dài hơn, ảnh hưởng
đến tiến độ công trình. Nghiên cứu độ bền
chống cắt của nón, trụ đất đáy hố móng, một số
tác giả đã thiết lập công thức tính cột nước giới
hạn, gradien giới hạn bục đất (Phạm Văn Tỵ,
1986; Trần Tư và nnk, 1988). Tuy nhiên, trầm
tích đáy hố móng các công trình vùng châu thổ
sông Hồng thường có cấu tạo xen kẹp, không
đồng nhất. Đặc điểm đó không thể lượng hoá và
mô phỏng đầy đủ, chính xác bằng tính toán lý
thuyết và thí nghiệm trong phòng. Mặt khác,
dòng thấm nước có áp phát triển rất phức tạp,
đáy hố móng không chỉ mất ổn định do bục đất.
Do vậy, cần có những nghiên cứu thực nghiệm
2. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CỘT NƯỚC
ÁP LỰC GIỚI HẠN
2.1. Mô hình thí nghiệm
Mô hình hiện trường để xác định cột nước áp
lực giới hạn (hgh) gồm: hố đào, giếng khoan ép
nước, hệ thiết bị đo cột nước áp và đo biến
dạng. Hố đào được đào đến độ sâu hố móng thí
nghiệm và dùng phương pháp ép nước vào trong
giếng khoan để gia tăng cột nước áp lực. Cột
nước áp lực gây mất ổn định tầng đất đáy hố
móng được đo trực tiếp bằng ống đo áp H1. Ống
đo áp H1, H2 & H3 đặt cách giếng với khoảng
cách L1, L2, L3 để nghiên cứu biến đổi cột
nước áp lực theo chiều dài đường thấm; ống đo
áp H4, H5, H6, H7 theo dõi mực nước áp lực ở
tầng đất thấm yếu (9, 10) ở hố móng và ở tầng
chứa nước có áp lực (11). Biến dạng bề mặt
tầng đất đáy hố móng được quan trắc bằng 2
tensomet S1, S2. Sơ đồ mô hình thí nghiệm
được trình bày cụ thể ở hình 01 và hình 02.
2.2. Quy trình thí nghiệm
Quy trình thí nghiệm như sau: Tăng cột nước
áp lực Ho trong giếng theo từng cấp 0.2, 0.4,
0,6m ..., cho đến khi đáy hố móng mất ổn định,
đùn đất, bục đất phát triển mạnh. Mỗi cấp áp lực
tiến hành quan trắc cột nước áp lực trong các
ống đo áp H1÷H7. Liên tục quan trắc, theo dõi
biến dạng bề mặt lớp đất đáy hố móng qua các
1 Bộ môn Địa kỹ thuật - Đại học Thủy lợi.
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 52 (3/2016)
107
tensomet S1, S2 và quá trình phát sinh, phát
triển đùn đất, bục đất ở đáy hố móng.
Mỗi loại đất ở đáy hố móng tiến hành thí
nghiệm với chiều sâu đào hố móng khác nhau
(chiều dày lớp đất ở đáy hố móng khác nhau).
Từ đó xác lập mối quan hệ giữa cột nước áp lực
giới hạn (hghLPi) và chiều dày (mp) của lớp đất
đáy hố móng. Trường hợp đáy hố móng gồm
nhiều lớp đất, cột nước giới hạn đáy hố móng
(hgh) bằng tổng cột nước giới hạn của các lớp
đất: h gh = hghLpi (1).
Hình 1. Sơ đồ mô hình thí nghiệm xác định
cột nước áp lực giới hạn đáy hố móng
Hình 2. Thí nghiệm xác định cột nước áp lực giới hạn đáy hố móng tại hiện trường
2.3. Vị trí và loại đất thí nghiệm vực I÷IV đặc trưng với tầng chứa nước qh1;
Ở Đồng bằng sông Hồng, tầng qh1 & qh2 là 2 khu vực V÷VII đặc trưng với tầng chứa nước
tầng chứa nước nằm nông (tầng Holocen), có qh2 (bảng 01).
ảnh hưởng trực tiếp đến thi công hố móng các
Thí nghiệm được thực hiện với các loại đất
công trình. Nhiều nơi các tầng chứa nước này yếu gặp phổ biến ở hố móng các công trình,
nằm dưới các lớp đất dính có tính thấm yếu, gồm sét, sét pha, sét pha kẹp cát nâu, vàng nhạt,
hình thành tầng nước có áp.
trạng thái dẻo mềm, dẻo chảy (lớp 8 &18); bùn
Thí nghiệm xác định cột nước áp lực giới sét pha kẹp, xen kẹp cát, lẫn hữu cơ (lớp 9, 10,
hạn được lựa chọn thực hiện tại 7 khu vực ven 11, 19, 20&21) của hệ tầng Thái Bình và hệ
sông Hồng, sông Trà Lý và sông Luộc thuộc tầng Hải Hưng. Đặc trưng cơ lý của các lớp đất
địa phận tỉnh Thái Bình, là những nơi phân bố được trình bày ở bảng 02 (Bùi Văn Trường,
tầng chứa nước áp lực, dễ xảy ra mất ổn định 2009). Mặt cắt địa chất điển hình nơi thí nghiệm
đáy hố móng và thuận lợi cho thí nghiệm. Khu được trình bày ở hình 03.
Bảng 1. Các khu vực thí nghiệm xác định cột nước áp lực giới hạn
TT
1
Khu vực TN
Lớp đất
8 &10
Địa điểm thí nghiệm
Bạch Đằng, Đông Hưng
Đồng Thanh, Vũ Thư
Vũ Đông, Kiến Xương
Hồng An, Hưng Hà
Vị trí tương ứng
K6.58.5 đê Tả Trà Lý
K0.52.5 đê Hữu Trà Lý
K3030.5 đê Hữu Trà Lý
K142145 đê Tả Hồng Hà I
K6.06.5 đê Hữu Luộc
K8.59.5 đê Hữu Luộc
K2020.5 đê Hữu Luộc
I
2
II
8 & 11
8 & 11
8 & 9
3
III
IV
V
4
5
18 & 19
18 & 21
18 & 21
Cộng Hòa, Hưng Hà
Hòa Tiến, Hưng Hà
6
VI
VII
7
Quỳnh Lâm, Quỳnh Phụ
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 52 (3/2016)
108
Bảng 2. Đặc trưng cơ lý các lớp đất thí nghiệm
Khối
lượng
riêng
g/cm3
1.84
K.L
riêng
hạt s
g/cm3
2.70
Góc
ma sát
độ
Hệ số
thấmKx
10-6
cm/s
6.5
Độ ẩm
w
%
Độ rỗng Chỉ số Độ sệt Lực dính
Tuổi
Loại đất
n
%
dẻo Ip
%
B
C
kG/cm2
Sét pha (8)
Sét pha, kẹp cát
(9)
32.2
38.3
48.45
52.69
15.6
16.0
0.74
0.99
0.110
0.063
10.2
1.76
1.74
2.69
2.68
7.2
5.5
9.4
25
3
amQ2 tb2
(Hệ tầng
Bùn sét pha, kẹp
45.4
41.2
55.4
15.5
1.23
0.057
Thái Bình) cát (10)
Bùn sét pha,
xen kẹp cát (11)
1.73
1.92
1.71
2.68
2.72
2.66
54.3
45.95
56.4
15.6
17.1
15.9
1.25
0.71
1.33
0.058
0.140
0.054
5.9
11.7
4.6
86
2.5
23
mQ21-2hh2
(Hệ tầng
Sét, sét pha (18) 30.6
Bùn sét pha, kẹp
47.5
Hải Hưng) cát (19)
Bùn sét pha, kẹp
cát (20)
Bùn sét pha, xen
kẹp cát (21)
mbQ21-2hh1
(Hệ tầng
Hải Hưng)
56.8
51.8
1.70
1.69
2.67
2.66
59.4
58.2
16.6
16.1
1.69
1.57
0.052
0.055
4.9
5.1
26
42
bảng 03&04. Cột nước giới hạn (hghLPi) được
xác định trực tiếp từ kết quả đo được từ ống đo
áp H1 tại thời điểm đáy hố móng xuất hiện
mạch đùn. Thời điểm này được thể hiện rõ ở kết
quả theo dõi biến đổi cột nước áp lực (hình 04)
và kết quả quan trắc biến dạng bề mặt tầng đất
đáy móng (hình 05). Từ các kết quả ở bảng
03&04 cho phép xác lập các đồ thị và phương
trình tương quan giữa cột nước áp lực giới hạn
với chiều dày các lớp đất ở đáy móng (hình
Hình 3. Mặt cắt địa chất tại khu thí nghiệm VII
2.4. Kết quả thí nghiệm
Kết quả thí nghiệm được trình bày trong 0612).
Bảng 3. Kết quả thí nghiệm cột nước giới hạn các lớp đất hệ tầng Thái Bình
(mlđ – Chiều dày lớp đất; Hđ – Cao độ mặt đất; Hđ – Cao độ đáy hố móng; D – Độ sâu hố móng)
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 52 (3/2016)
109
Bảng 4. Kết quả thí nghiệm cột nước giới hạn các lớp đất hệ tầng Hải Hưng
2.5
LP, m
hgh
2.0
1.5
hghLP =2.106mp +0.254
R2 =0.933
1.0
0.5
0.0
mp, m
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
Hình 4a. Biến đổi cột nước áp lực đáy lớp 9
(dày 2.20m) tại khu vực IV
Hình 5. Tương quan giữa cột nước giới hạn
với chiều dày lớp 8
8.0
7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
LP, m
hgh
hghLP =1.802mp +0.034
R2 =0.972
m
p, m
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
Hình 4b. Biến dạng bề mặt đất đáy hố móng theo
cột nước áp lực thí nghiệm
(Thí nghiệm với đáy hố móng là lớp 9, dày 2.20m
tại khu vực IV)
Hình 6. Tương quan giữa cột nước giới hạn
với chiều dày lớp 9
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 52 (3/2016)
110
hghLP, m
9.0
8.5
8.0
7.5
7.0
6.5
6.0
hghLP =1.756mp +0.014
R2 =0.966
LP
hgh
m
p, m
3.75
4.00
4.25
4.50
4.75
5.00
Hình 11. Tương quan giữa cột nước giới hạn với
chiều dày lớp 21
Hình 7. Tương quan giữa cột nước giới hạn
với chiều dày lớp 10
3. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Kết quả thí nghiệm (bảng 03&04) cho thấy,
cột nước giới hạn ổn định đáy hố móng (hgh) có
quan hệ phụ thuộc rất chặt chẽ với chiều dày
(mp) của các lớp đất nằm trên tầng nước có áp.
Chiều dày lớp đất đáy hố móng càng lớn thì cột
nước giới hạn càng cao. Trong phạm vi chiều
dày lớp đất thí nghiệm, quan hệ này là tuyến
tính (hình 0511).
7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
LP, m
hgh
hghLP =1.680 mp +0.321
R2 =0.95
m
p, m
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy, các lớp
đất có thành phần, tính chất khác nhau có cột
nước giới hạn (hghLP) và mức độ biến đổi cột
nước giới hạn rất khác nhau. Sự khác biệt đó
không chỉ do dung trọng () mà còn phụ thuộc
vào độ bền, đặc biệt là mức độ đồng nhất của
đất ở đáy hố móng. Các lớp đất sét pha, sét dẻo
mềm (lớp 8, 18) là các lớp đất tốt, có độ bền (C,
) lớn hơn nên hghLP lớn hơn nhiều so với các
lớp đất yếu, bùn sét, bùn sét pha xen kẹp cát, lẫn
hữu cơ kém đồng nhất (lớp 9, 10, 11, 20, 21).
Điều đó được thể hiện rõ khi phân tích tương
quan hghLP~mp: Các lớp đất sét pha, sét dẻo
Hình 8. Tương quan giữa cột nước giới hạn
với chiều dày lớp 11
LP, m
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
hgh
hghLP =2.531mp +0.231
R2 =0.930
m ,
p
m
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
Hình 9. Tương quan giữa cột nước giới hạn
với chiều dày lớp 18
LP
mềm (lớp 8 & 18) có hgh lớn hơn 2.10÷2.53
7.0
LP, m
hgh
lần chiều dày (mp) của lớp đất đáy móng. Trong
khi đó, các lớp bùn sét pha, bùn sét (lớp 10,11,
20 & 21), hghLP chỉ lớn hơn 1.68÷1.76 lần chiều
dày (mp) của lớp đất đáy móng. Đường biểu
diễn quan hệ hghLP~ mp của các lớp đất sét pha,
sét dẻo mềm (hình 5 & 9) có độ dốc lớn hơn
1.2÷1.5 lần so với các lớp bùn sét, bùn sét pha
(hình 7, 8, 10 & 11) nên có mức độ gia tăng
hghLP nhanh hơn.
6.5
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
hghLP = 1.737mp +0.084
R2 = 0.982
m
p, m
2.50
2.75
3.00
3.25
3.50
3.75
4.00
Hình 10. Tương quan giữa cột nước giới hạn
với chiều dày lớp 20
Kết quả theo dõi, quan trắc biến dạng đáy hố
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 52 (3/2016)
111
móng (hình 04b) là bức tranh rất trực quan, cho tăng, phát triển mở rộng tạo cửa thoát, cát ở tầng
thấy: dưới tác dụng của cột nước áp, ban đầu đất nước có áp bị đẩy ục lên hố móng với khối
ở đáy móng bị biến dạng, đẩy cong nhẹ nhưng lượng lớn, khoảng trống dưới tầng đất đáy hố
không bị đẩy bục từng khối đất mà bị phá vỡ móng được mở rộng, dẫn đến sập đổ đáy hố
cục bộ tại các vị trí xung yếu (khuyết tật), phát móng (hình 12). Điều đó minh chứng cơ chế
sinh mạch đùn. Sau đó dưới tác động của dòng phá hoại đáy hố móng trong vùng nước có áp
thấm nước có áp, mạch đùn nhanh chóng gia không đơn giản là quá trình đẩy nổi hay bục đất.
Hình 12. Đùn đất, bục đất phát triển mạnh, đáy hố móng bị sập đổ
4. KẾT LUẬN
hố móng dưới tác dụng của nước có áp theo
- Cột nước áp lực giới hạn (hgh) ổn định đáy hố trọng lượng cột đất đẩy nổi hoặc đơn thuần theo
móng không chỉ phụ thuộc vào dung trọng của đất bục đất đáy hố móng là chưa hoàn toàn phù hợp,
ở đáy hố móng mà còn phụ thuộc vào độ bền, có thể dẫn đến tốn kém, ảnh hưởng đến an toàn,
mức độ đồng nhất, đặc biệt là sự có mặt của các tiến độ công trình.
‘khuyết tật’ trong tầng đất đáy hố móng. Đất sét
- Chiều cao cột nước áp lực giới hạn (hgh) xác
pha, sét dẻo mềm (lớp 8 & 18) có cột nước giới định bằng thực nghiệm, phù hợp với điều kiện
hạn (hghLP) lớn hơn 2.10÷2.53 lần chiều dày (mp) thực tế. Thi công hố móng trong điều kiện nước
của lớp đất; bùn sét pha, bùn sét, kẹp, lẫn hữu cơ có áp tầng Holocen (qh1&qh2) vùng đồng bằng
LP
(lớp 10,11, 20 & 21) có hgh lớn hơn 1.68÷1.76 Sông Hồng có thể sử dụng tương quan hghLP~mp
lần chiều dày (mp) của lớp đất đáy móng.
của các lớp đất (hình 05÷11) để xác định cột
- Cơ chế phá hoại đáy hố móng thi công nước áp lực giới hạn(hgh), tính toán, thiết kế các
trong vùng nước có áp không đơn giản là quá giải pháp ổn định đáy hố móng được đảm bảo
trình đẩy nổi hay bục đất. Tính toán ổn định đáy an toàn và hiệu quả.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Lê Văn Kiểm (1977), Kỹ thuật thi công đất và nền móng, Nxb Đại học và THCN, Hà Nội.
Mironenko V.A và Sextakov V.M (1982), Cơ sở thuỷ địa cơ. Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội.
Phạm Văn Quốc (2001), Nghiên cứu dòng thấm không ổn định và tác động của nó đến ổn định công
trình đê có nền cát thông nước với sông, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Hà Nội.
Lê Đức Thắng, Bùi Anh Định, Phan Trường Phiệt (1976), Nền và móng, Nxb Đại học và THCN,
Hà Nội.
Bùi Văn Trường (2009), Nghiên cứu biến dạng thấm nền đê hạ du sông Hồng địa phận tỉnh Thái
Bình và đánh giá thực nghiệm các giải pháp xử lý, Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Hà Nội.
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 52 (3/2016)
112
Bùi Văn Trường (2013), “Cơ chế phá hủy thấm nền đê hạ du sông Hồng”, Tạp chí Địa kỹ thuật, số
4-2013, Hà Nội.
Bùi Văn Trường (2015), “Kết quả bước đầu nghiên cứu xói ngầm, cát chảy nền đê sông bằng
phương pháp thí nghiệm hiện trường”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường, số 50,
tr. 133-139, Hà Nội.
Trần Tư, Trần Mạnh Liểu và nnk (1988), “Độ bền vững của lớp đất tầng phủ hạ lưu để chống lại sự
bục đất ở đê Hà Nội”, Tạp chí Thuỷ lợi, (240) , Hà Nội.
Phạm Văn Tỵ (1986), “Một số ý kiến về nguyên nhân biến dạng và những kiến nghị về nghiên cứu
ĐCCT ở nền đê”, Hội thảo về chất lượng nền đê, Hà Nội.
Branislav Kujundzic, Kosta Donin and the others (1972), Transactions, Vol. XVII, No 50-53,
institut za Vođoprivredu " Jaroslav Cerni", Beograd.
Abstract:
CRITICAL WATER HEAD TO STABILIZE
OPEN PIT IN CONFINED AQUIFER FOUNDATION
The paper presents the methodology and experiment results of critical water head (hgh) to stabilize
open pit foundation in confined Holocen aquifer (qh) in the Red River Delta. The correlations
between the critical water head and thickness of soil layer in foundation structures (mp) have been
formulated. The results will be a good reference to optimize the calculation and design of open pit
foundation.
Keywords: Critical water head, foundation stabilization.
BBT nhận bài: 07/3/2016
Phản biện xong: 23/3/2016
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 52 (3/2016)
113
7 trang
16320
Free
Bạn đang xem tài liệu "Cột nước áp lực giới hạn ổn định đáy hố móng thi công trong vùng nước có áp", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- cot_nuoc_ap_luc_gioi_han_on_dinh_day_ho_mong_thi_cong_trong.pdf
