cát chảy xói ngầm

BÁO CÁOĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH ĐỘNG LỰC

CÁT CHẢY - XÓI NGẦM

GVHD : Th.S THIỀM QUỐC TUẤNSVTH : Nguyễn Minh Sang 0916287

Nguyễn Hưng Thịnh 0916331Nguyễn Văn Tiến 0916345

NỘI DUNG BÁO CÁO

PHẦN I : CÁT CHẢYI. KHÁI NIỆMII. NHỮNG DẤU HIỆU ĐẶC TRƯNGIII. THÀNH PHẦN,TÍNH CHẤT CƠ LÍ CỦA ĐẤT ĐÁIV. BẢN CHẤT TÍNH CHẢY CỦA CÁT CHẢYV. ĐIỀU KIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH KHU VỰC CÁT CHẢY

PHẦN II : XÓI NGẦM

I. KHÁI NIỆMII. ĐIỀU KIỆN PHÁT SINH VÀ PHÁT TRIỂN XÓI NGẦMIII. DỰ BÁO VÀ BIỆN PHÁP XỬ LÝ XÓI NGẦM

PHẦN I : CÁT CHẢYI. KHÁI NIỆM:

- Cát chảy là hiện tượng cát hạt nhỏ, hạt mịn, cát chứa nước và nhiều bụi chứa nước sẽ tự chảy khi bị các hố móng và các công trình bóc lộ ra. Hiện tượng chảy của cát có thể xảy ra một cách chậm chạp thành lớp dày, có thể xảy ra nhanh, hoặc rất nhanh và mang tính chất tai biến.- Cát chảy thuộc nhóm thứ 5 – nhóm đất có thành phần, trạng thái và tính chất đặc biệt. Cát chảy là đất yếu, không ổn định, nên đòi hỏi những phương pháp đặc biệt để thi công xây dựng và khai thác mỏ để đảm bảo sự ổn định cho công trình.

Cát chảy giả Cát chảy thật

- Phát sinh trong cát hạt thô, sạn, sỏi, cuội dưới áp lực thủy động của dòng thấm nước dưới đất .

- Khi đào cát chảy ra tương đối dễ.- Nước thoát ra trong khai đào dễ dàng.- Nếu lấy mẫu cát chảy giả lên 1 tấm ván thì nước sẽ thoát ra nhanh.

- Phát sinh trong cát hạt nhỏ, cát hạt mịn, cát bụi bão hòa nước. Sự bôi trơn của các chất keo. Áp lực thuỷ động nhỏ thì cát vẫn chảy.- Khai đào cát chảy thật tương đối khó khăn- Nước thoát ra có màu đục. - Nếu lấy mẫu cát chảy thật lên 1 tấm ván thì nước thoát ra ít và rất chậm.

- Ở phần dưới sườn, mái dốc có hiện tượng chảy của đất đá làm khối đất bên trên mất điểm tựa, ảnh hưởng đến sự ổn định của sườn, mái dốc.

Hình 1 : Cát chảy ở chân sườn, mái dốc

II. NHỮNG DẤU HIỆU ĐẶC TRƯNG CỦA CÁT CHẢY:

- Ở trạng thái tự nhiên, cát chảy thực có màu xám sáng, xám lục, xám xanh. Ra ngoài không khí, màu của chúng thay đổi nhanh và không đồng đều, chúng sáng hơn, phớt vàng, đôi chỗ phớt hồng.- Cát chảy ở trạng thái tự nhiên nước không chảy khỏi bề mặt do độ chứa ẩm lớn và độ thải nước nhỏ. Tuy nhiên khi lắc thì nước tràn ứa ra bên ngoài làm bề mặt của nó trở nên lấp lánh.- Tốc độ chảy của cát có thể chậm, nhanh, đôi khi rất nhanh tùy thuộc trạng thái của ứng suất.- Khi khoan trong cát chảy thường tạo nên các nút bịt : cát nâng cao hơn đáy lỗ khoan, chiều cao nút có thể đạt đến 10-15m.- Cát chảy có tính xúc biến : hóa lỏng khi bị rung và chấn động do tác động cơ học, sau khi tác động kết thúc thì tự hồi phục một phần hay toàn bộ trạng thái ban đầu.- Khi hong khô, cát chảy trở thành loại đất dính, khá cứng, sáng hơn so với trạng thái ban đầu, khó bóp vụn bằng tay, dính bụi màu xám trắng.

III. THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CƠ LÍ CỦA CÁT CHẢY:

1. Thành phần hạt:

- Cát chảy thực tiêu biểu thì các nhóm hạt mịn ( 0.1-0.05mm) hoặc hạt nhỏ (0.25-0.1mm) chiếm phần lớn hoặc cả hai nhóm hạt tạo nên khối chủ yếu của đất. Ngoài ra, còn chứa khá nhiều hạt bụi (0.05-0.002mm) và nhất thiết phải có một lượng nhất định hạt sét (<0.002mm).

2. Thành phần khoáng vật:

- Thành phần khoáng vật của cát chảy tương đối đồng nhất. Ngoài chất hữu cơ, phần phân tán mịn gồm những khoáng vật sét thuộc nhóm hidromica, kaolinit, monmorilonit, gloconit cũng như các oxit silic, nhôm, sắt. Phần hạt thô hơn gồm những hạt thạch anh, lẫn fenpat, mica, ít hơn là các khoáng vật màu.

III. THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CƠ LÍ CỦA CÁT CHẢY:

3. Tính chất cơ lí của cát chảy:

- Cát chảy thường có độ chặt hơi thấp, độ rỗng và độ chứa ẩm cao, tính thấm nước và thải nước thấp hoặc rất thấp. Độ chặt cốt đất thay đổi từ 1.14 đến 1.58g/cm3, độ rỗng từ 36 đến 58%, còn hệ số rỗng từ 0.67 đến 1.39.- Cát chảy có sức chống cắt thấp, góc mái dốc tự nhiên của chúng thay đổi từ 3-4o đến 8-9o. Đối với mẫu hong khô thì góc mái dốc có thể đạt tới 25-30o và lớn hơn.- Nhiều kết quả thí nghiệm tĩnh cát chảy bằng tải trọng thử cho thấy modun tổng biến dạng của chúng đạt đến 100kG/cm2. Dù vậy nhưng do chúng dễ hóa lỏng dưới tác dụng của động lực nên độ ổn định và khả năng chịu tải giảm đột ngột, có khi bẳng không.

IV. BẢN CHẤT TÍNH CHẢY CỦA CÁT CHẢY:

- Tính chảy của cát chảy liên quan đến thành phần vật chất đặc biệt. Chính thành phần đó quyết định tính háo nước và khuynh hướng di chuyển của nó dưới tác dụng của lực. Lực đó có thể là trọng lực, lực đẩy nổi thủy tĩnh và áp lực thủy động.

- Áp lực thủy động Dt-đ tác dụng lên các hạt đất đá được xác định theo biểu thức sau:

Dt-đ = nIVới:

n: dung trọng của nướcI: gradien thấm

V. ĐIỀU KIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH KHU VỰC CÁT CHẢY:- Khi xây dựng công trình tại những khu vực có cát chảy, cần phải lấy số liệu địa chất công trình làm cơ sở.

1. Đánh giá yếu tố ĐCCT:

- Cát chảy phân bố ở độ sâu bao nhiêu, bề dày lớp cát chảy và sự phân bố theo phương lớp, điều kiện thế nằm lớp cát chảy, lớp phủ trên và lót dưới phải được biểu thị rõ ràng trên mặt cắt và bản đồ địa chất.- Điều kiện địa mạo của khu vực phân bố cát chảy.- Thành phần và tính chất cơ lí của cát chảy, cả lớp đá phủ trên và lót dưới.- Đặc điểm thủy văn của cát chảy, chiều sâu thế nằm của mực nước dưới đất, giá trị cột nước, hướng nghiêng mặt nước dưới đất và mặt thủy áp.

Ngoài ra khi đánh giá điều kiện ĐCCT khu vực nghiên cứu, cần xét đến vị trí của các công trình hiện có và đang thiết kế. Xét về mức độ ổn định, điều kiện xây dựng chúng, phạm vi ảnh hưởng của chúng đến môi trường xung quanh.

V. ĐIỀU KIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH KHU VỰC CÁT CHẢY:

2. Xây dựng trên nền cát chảy:

- Cát chảy có thể là nền tự nhiên hoặc nền nhân tạo. Khi đặt móng ở độ sâu không lớn, phải hạn chế giá trị ứng suất tiêu chuẩn trên cát chảy, làm móng rộng, áp dụng những biện pháp nhằm đảm bảo kết cấu tự nhiên của cát chảy.

Sét pha cát

Dăm

Cát chảy

Hình 2 : Móng đặt trực tiếp trên cát chảy, móng rộng dần về phía nền.


2. Xây dựng trên nền cát chảy:

- Trường hợp cát chảy phân bố gần mặt đất và có bề dày ko lớn, thường đặt móng công trình trên đất chặt hơn và ổn định hơn lót dưới nó hoặc đặt trên đệm dăm, sỏi.

Hình 3 : Móng đặt trên cát chảy, nền của móng có đệm bằng dăm, thi công trong điều kiện có hàng cọc ván bảo vệ.

1. Sét pha cát2. Dăm3. Cát chảy với lớp mỏng sét pha cát và sét.4. Cát chảy.5. Cát chảy với lớp mỏng sét.

1

3 2

4

5

V. ĐIỀU KIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH KHU VỰC CÁT CHẢY:2. Xây dựng trên nền cát chảy:

- Nếu móng phải đặt sâu, người ta sử dụng móng cọc. Người ta dùng cọc treo, cọc chống dài 40m. Ngoài ra còn dùng giếng chìm hạ tới độ sâu 70m và giếng chìm hơi ép đến độ sâu 40m.

Hình 4 : Giếng chìm bằng bêtông cốt thép khi xây dựng trạm bơm.

1. Sét pha cát2. Cát chảy


3. Thi công công trình khai đào dưới đất:

- Thi công công trình khai đào ngầm nhờ những vi chống đặc biệt vây quanh, đóng sâu hơn đáy hố, thi công như thế đồng thời với thoát nước và đôi khi hạ thấp mực nước dưới đất qua các lỗ khoan xung quanh.

Hình 5 : Dùng vi thả thi công hố thẳng đứng trong cát chảy.

a, b, c - Những giai đoạn kế tiếp thả vi chống1. Chân vát nhọn2. Thành của vi thả3. Cửa của công trình khai đào ngầm

V. ĐIỀU KIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH KHU VỰC CÁT CHẢY:3. Thi công công trình khai đào dưới đất:

- Thi công công trình khai đào ngầm sau khi đã làm đông lạnh đất đá. Ta hạ nhiệt độ xuống 20oC bằng cách cho nước muối tuần hoàn trong ống đông lạnh.

Hình 6 : Mô hình thể hiện trạng thái của đất đá bị đông lạnh ở khu vực chuẩn bị thi công công trình khai đào ngầm.

a) Khi bắt đầu đông lạnh.b)Khi đông lạnh kết thúc.

V. ĐIỀU KIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH KHU VỰC CÁT CHẢY:3. Thi công công trình khai đào dưới đất:

- Trong cát chảy có áp lực nước khá cao, đề thi công những công trình khai đào ngầm, thường dùng máy đào mở lò tạo áp lực không khí khá cao. Dưới tác dụng của không khí nén, cát chảy hoặc nước trong đất bão hòa bị ép thoát ra khỏi đáy, làm cho đất trở nên ổn định.

Một số hình ảnh liên quan đến cát chảy

Hình 7 : Nhà bị nghiêng do hiện tượng cát chảy ở Wufeng

Hình 8 : Mô hình thể hiện cát chảy bị dồn ép

Hình 9 : Nước và cát bị dồn ép lên sau 1 trận động đất ( Christchurch, New Zealand)

PHẦN II : XÓI NGẦMI. KHÁI NIỆM:

- Với những điều kiện nhất định, dòng thấm làm chuyển dịch các hạt nhỏ trong đá hòn mảnh ( cát, sỏi, cuội,…) hoặc thuộc chất nhét trong khe nứt và hốc cactơ. Quá trình đó gọi là xói ngầm. - Xói ngầm phát triễn tương đối chậm (hàng năm, hằng chục năm), nhưng phổ biến rộng rãi trong thiên nhiên và biểu hiện rất đa dạng. Nếu xói ngầm phát sinh và phát triển ở nền công trình có thể gây ra lún nhiều và lún không đều, mất ổn định, làm biến dạng và phá hoại công trình.

- Xói ngầm tạo ra những dòng nước lớn chảy vào hố móng xây dựng, vào các công trình khai đào hoặc gây ra mất nhiều nước qua đường thấm dưới đất, quanh vai đập,…- Quá trình xói ngầm thường hay phá vỡ sự làm việc bình thường của các công trình thoát nước ngầm, hệ thống lọc của công trình thu góp nước, các ống lọc ngược do hiện tượng nhét bịt.

II. ĐIỀU KIỆN PHÁT SINH VÀ PHÁT TRIỂN XÓI NGẦM:

- Đất đá đồng nhất ở một mức độ nào đó - lúc này các hạt nhỏ hơn có thể chuyển dịch giữa các hạt to hơn và bị moi chuyển đi.- Có gradien nhất định của dòng nước - gây ra tốc độ thấm lớn của nước hoặc gây ra giá trị nhất định của áp lực thủy động trong đất.- Tồn tại miền xả ra và tiêu thoát các hạt nhỏ đất đá.

Xói ngầm phát sinh khi dòng thấm có tốc độ khá cao, hoặc khi áp lực thủy động trong đất đá có giá trị khá lớn.Tác dụng của dòng nước dưới đất thấm qua đất đá được biểu hiện ở sự phá hoại ổn định về thấm của chúng. Tác dụng đó xảy ra với những điều kiện sau đây:


- Như kết quả nghiên cứu của N.M.Botskov(1936), A.N.Patrasev(1938,1945), V.X.Ixtomina(1957) chứng tỏ rằng xói ngầm phát triển chủ yếu trong đất có hệ số không đồng nhất về thành phần hạt lớn hơn 20 và gradien thủy lực thì lớn hơn 5,tức là:

Kk = d60 / d10 > 20 và I > 5 Trong đó:

d60 - Đường kính kiểm tra các hạt d10 - Đường kính tác dụng hoặc có hiệu của các hạt

- Tùy thuộc vào hoàn cảnh địa chất, xói ngầm có thể phát triển trong một lớp nhất định hoặc trong hệ tầng đất đá không đồng nhất về thành phần hạt.


-Về đất đá, đất đá phải có lỗ rỗng đủ lớn, liên thông với nhau để các hạt vụn, hạt nhỏ có thể đi qua được.- Với đất đá nứt nẻ, đặc biệt là nứt nẻ kiến tạo thì điều kiện lỗ rỗng đã thỏa mãn để phát sinh xói ngầm. Xói ngầm xảy ra khi dòng thấm từ tầng thấm yếu sang tầng thấm mạnh, hệ số thấm giữa hai tầng chênh lệch quá 2 lần.

k2/k1 ≥ 2k1 - hệ số thấm tầng thấm yếu

k2 - hệ số thấm tầng thấm mạnh


- Về dòng thấm, năng lượng dòng thấm phải đủ lớn để hòa tan hoặc tách vỡ mối liên kết giữa các hạt trong đất dính, trong đất đá cứng chắc. Khi đánh giá mức độ ảnh hưởng của tốc độ dòng nước thấm đối với điều kiện phát triển xói ngầm, người ta sử dụng bảng số liệu theo D.D.Djatin (1936).

Kích thước tính toán hạt đất, mm

Tốc độ gây rửa xói, m/phút

Kích thước tính toán hạt đất, mm

Tốc độ gây rửa xói, m/phút

53

1.00.80.50.3

13.2310.375.915.3

4.183.08

0.10.080.050.030.01

1.831.671.311.040.59

Bảng 1 : Giá trị tốc độ gây ra rửa xói của dòng nước dưới đất ứng với lúc bắt đầu xói ngầm


- Để xác định tốc độ ban đầu của dòng nước (m/s) ứng với lúc bắt đầu xuất hiện xói ngầm, người ta thường dùng công thức của Zikhard.

15th

Kv

Trong đó K – hệ số thấm của đất đá, m/s

*****

- Bằng thực nghiệm, L.I.Kozlova đã xác định tốc độ moi chuyển các hạt ra khỏi lớp đất đang bị rửa xói phụ thuộc vào tỉ số các đường kính kiểm tra của các hạt thuộc hai lớp kề nhau, và được biểu diễn bằng công thức:

Trong đó d60 và D60 - đường kính kiểm tra các hạt, mm


- V.X.Ixtomina(1952,1957) đã kết luận rằng đất đá càng không đồng nhất, xói ngầm xuất hiện với gradien càng thấp.

Hình 7 : Đồ thị đánh giá phát triển xói ngầma - Vùng gradien gây phá hoại của dòng nướcb – Vùng gradien an toàn

III. DỰ BÁO VÀ BIỆN PHÁP XỬ LÝ XÓI NGẦM:

1. Dự báo sự phát triển xói ngầm:

Khi dự báo sự phát triển xói ngầm cần đánh giá: - Mức độ không đồng đều về thành phần hạt của đất đá còn đang nghi ngại về ổn định thấm. - Những điều kiện thủy lực có thể có của dòng nước thấm, các giá trị tốc độ và gradien của nó. - Sự tồn tại những điều kiện moi chuyển các hạt nhỏ, các hạt nhỏ tách khỏi đất đá dưới tác dụng của dòng thấm.

Ngoài ra, cần chú ý đến điều kiện địa mạo ở điểm lộ trên mặt của các tầng chứa nước, điều kiện bóc lộ các tầng này do các hố móng, công trình khai đào ngầm, các công trình tiêu thoát nước ngầm,… gây ra.

III. DỰ BÁO VÀ BIỆN PHÁP XỬ LÝ XÓI NGẦM:

2. Biện pháp xử lí xói ngầm:

Để phòng ngừa xói ngầm, người ta thường áp dụng những biện pháp nào có tác dụng làm giảm gradien và tốc độ dòng nước.

- Điều tiết dòng thấm có thể thông qua điều tiết dòng nước mặt bằng cách dùng tường cừ, màn chắn, khống chế nước mặt dao động.- Tạo lớp chống xói ngầm bằng cách đặt các ống lọc ngược.- Ở những khu vực nguy hiểm người ta thường hạ thấp mực nước dưới đất bằng các công trình tiêu thoát. Làm vòng vây cọc ván và các màn chống thấm để tăng chiều dài đường thấm của dòng chảy hoặc ngăn cách hoàn toàn dòng nước với vùng cần bảo vệ.- Gia cố đất đá bằng cách đầm chặt đất, phun vữa gắn kết đất đá,… để làm giảm độ rỗng và tăng cường liên kết giữa các hạt đất đá với nhau.

Hình ảnh xói ngầm gây sự cố nguy hại đến công trình

Hình 10 : Nước ngầm chưa rò rỉ vào hố tầng hầm của công trình cao ốc Pacific

Hình 11 : Nước ngầm chảy vào hố tầng ngầm của công trình cao ốc Pacific

HÌNH ẢNH KHU VỰC PHƯỚC LONG QUẬN 9

Hình 12,13 : Các hố sụt lún ở các nhà dân

Hình 14 : Hồ chứa nước thải của công ty Posvina

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Địa chất công trình động lực, V.Đ.LÔMTAZED.2. Nguồn Internet.

Cảm ơn Thầy và các bạn đã chú ý lắng nghe

Documents

cát chảy xói ngầm