Kiểm soát chặt chẽ động thái nước dưới đất là biện pháp ngan ngừa sự cố hố đào

Mực nước ngầm thấp nhất ở gần hố đào và giảm dần theo sự tăng khoảng cách so với hố đào, vì vậy quá trình lún ở các điểm khác nhau trong đất sẽ có hình dáng tương tự như do dỡ tải các lớ

kiểm soát chặt chẽ động thái nước dưới đất

là biện pháp ngăn ngừa sự cố hố đào

PGS.TS Nguyễn Bá Kế

Hội Cơ học đất và Địa kỹ thuật công trình

1 Yêu cầu chung

Khi đào hố với lượng đất lấy đi khá lớn nên đã làm biến đổi trường ứng suất và trường biến dạng của đất quanh hố đào, làm thay đổi trạng thái nước dưới đất và có thể dẫn đến mất

ổn định nền đất nói chung và mất ổn định cả nền và kết cấu chắn giữ hố đào Do đó trong thiết

kế kết cấu chống giữ hố đào đều cần kiểm tra ổn định hố đào dới các tác nhân khác nhau, trong đó có tác nhân của nứơc, khi cần phải thêm các biện pháp gia cờng để nền đất quanh hố đào đợc ổn định hơn Trong báo cáo này sẽ tập trung trình bày vấn đề vừa nêu thông qua một

sự cố thực tế của hố móng cùng cách phân tích sự cố và bài học qua sự cố này

Các dạng mất ổn định do biến dạng và chuyển vị của tường và đất quanh hố đào có thể xem trên hình 1

Hình 1 Chuyển vị của đất và biến dạng của tường chắn hố đào

Các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị và ổn định nói trên gồm có :

- Sức chống cắt không thoát nước của đất, Cu;

- Độ sâu của hố đào, H;

- Bề rộng của hố đào, B;

- Độ sâu của lớp đất cứng, T;

- Độ sâu của tường chắn đất, D;

- Độ cứng của tường, EI;

- Khoảng cách giữa các tầng thanh chống/neo;

- Tác động của áp lực nước dới đất;

- Sự thành thạo và chất lượng của thi công

Các yếu tố trên đây thường phải được xem xét phân tích thông qua tính toán và từ đó biết

đ-ợc yếu tố nào là chính cho trường hợp cụ thể Để làm đưđ-ợc việc này thường phải dùng những phần mềm chuyên dùng, ví dụ phần mềm PLAXIS

Khi hố đào có thành nghiêng (không cần kết cấu chống giữ thành) thì việc kiểm tra ổn định theo phương pháp trượt cung tròn Phân tích ổn định tổng thể của hố đào (gồm nền + kết cấu chống giữ) cũng theo phương pháp mặt trượt cung tròn nhưng phải xét tới độ sâu 2 - 3 lần

độ sâu hố đào

2 ảnh hưởng của nước ngầm và một vài biện pháp xử lý

Tác động của nước ngầm đối với độ lún của đất rất đa dạng và xảy ra ở các giai đoạn đào khác nhau (xem hình 2) Tại nơi tường chắn đặt vào lớp đất dính nhưng không đạt tới độ sâu của hố đào, trạng thái thấm ổn định sẽ phát triển thành dòng ở bên dưới chân tường và đẩy nổi đáy hố đào Dòng thấm này là nguyên nhân làm giảm áp lực nước ngầm, làm gia tăng ứng suất có hiệu và độ lún của đất quanh hố đào Cũng tại thời điểm này, sức kháng bị động giảm do dòng đẩy nổi phía trong của tường chắn, sự chuyển dịch lớn hơn xảy ra khi sức kháng bị động thay đổi đến một lượng nào đó Sự hình thành trạng thái ổn định nước ngầm như vậy là nguyên nhân dẫn đến sự dịch chuyển của đất theo cả hai phương nằm ngang và thẳng đứng, có khi xuyên qua tường chắn nếu chúng thi công không tốt, bị thủng hoặc mối nối bị hở v v

Hình 2 Dòng chảy của nước ngầm vào hố đào

Mực nước ngầm thấp nhất ở gần hố đào và giảm dần theo sự tăng khoảng cách so với

hố đào, vì vậy quá trình lún ở các điểm khác nhau trong đất sẽ có hình dáng tương tự như do

dỡ tải các lớp đất ở phía trên hố đào gây ra (hình 3)

Hiện nay, nhiều sự cố công trình hố đào có liên quan đến nước ngầm xảy ra ở Thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội, nên phải đặc biệt chú ý đến nhân tố này trong thiết kế và thi công hố đào cũng như trong việc bảo vệ an toàn cho những công trình lân cận

Hình 3 Hạ mực nước trong hố móng làm cho đất

ở xung quanh hố bị lún không đều

Sự cố công trình Ngô Quyền - Hà Nội, xảy ra ngay trong quá trình đào hố móng để xây dựng tầng hầm Khi đào hố móng đến đáy tầng hầm trong mùa mưa đã gây lún nứt một số công trình liền kề với độ dịch chuyển ngang và độ lún đạt tốc độ 1mm/giờ, sàn và tường công trình

đã bị nứt

Sự cố công trình Lý Thái Tổ - Hà Nội, xảy ra ngay trong quá trình đào tầng hầm và hố móng, làm công trình cổ lân cận và một số nhà ở gần hố đào bị lún nứt nghiêm trọng và quá trình thi công bị tạm dừng Một trong những nguyên nhân gây sự cố là nước dưới đất đã kéo đất ở phía dưới móng công trình vào hố đào khi bơm hút nước nhằm tháo khô hố móng để thi công

Sự cố hố đào công trình cao ốc Pacific làm sập Viện Khoa học Xã hội vùng Nam bộ

và đang gây nứt nhà Sở Ngoại vụ (thành phố Hồ chí Minh ) cho đến nay vẫn chưa có sự phân tích chu đáo về mặt kỹ thuật, tuy rằng chúng có nguyên nhân tác động của nước ngầm và chất lượng thi công tường tầng hầm

Nước ngầm và dòng chảy của nó mới là yếu tố cần còn tính chất của đất, nhất là cát hạt mịn ở quanh hố là yếu tố đủ để gây mất ổn định khi có điều kiện Để đánh giá hiện tượng cát chảy hay xói ngầm phải thí nghiệm phân tích hạt để xác định hàm lượng hạt cát mịn, hạt sét và hệ số không đồng đều Cu = d60 / d10, nhằm đánh giá khả năng của các hiện tượng xói ngầm, rửa trôi và cát chảy

Nếu nhiều dòng thấm của nước là từ dưới lên trên, khi lực thuỷ động hướng lên bằng với trọng lượng đẩy nổi của đất thì hạt đất sẽ ở trạng thái huyền phù mà mất ổn định, khi đó

sẽ xảy ra hiện tượng cát chảy Cát chảy xảy ra ở chỗ dòng thấm trào ra từ bề mặt khối đất,ví

dụ ở chỗ tường chắn hố đào bị thủng hay ở đáy hố, mà không xảy ra trong nội bộ khối đất Cát chảy chủ yếu xảy ra với cát mịn, cát bột và đất bột

Lớp cát mịn dày và bão hoà nước của thành phố Hồ chí Minh thuộc loại này và có thể

là một trong những nguyên nhân gây sự cố vừa qua

Theo phân tích một số công trình của nước ngoài khi nước ngầm chảy từ dưới lên trên,

ở độ chênh thuỷ lực/gradient thuỷ lực I 1, thì các loại đất sau đây dễ xảy ra hiện tượng cát chảy:

(1) Hàm lượng hạt sét (phần trăm theo khối lượng) < 10 - 15%; Hàm lượng hạt bụi (phần trăm theo khối lượng ) > 65 - 75%;

(2) Hệ số không đồng đều Cu trong khoảng 1,6 - 3,2;

(3) Hệ số rỗng e > 0,85;

(4) Độ ẩm (phần trăm theo trọng lượng)  > 30 - 35%;

(5) Lớp cát mịn và đất mịn loại cát có độ dày > 25 cm

Khi dòng thấm trong đất cát, các hạt nhỏ mịn, dưới tác động của lực thuỷ động, có thể

bị nước kéo đi qua khe rỗng giữa các hạt thô, đó là hiện tượng xói ngầm Xói ngầm có thể xảy

ra trong phạm vi cục bộ, nhưng cũng có khả năng mở rộng dần và dẫn đến khối đất bị mất ổn định và phá huỷ Xói ngầm cũng có thể xảy ra ở chỗ dòng thấm trào ra hoặc xảy ra ngay trong nội bộ khối đất Độ chênh của cột nước tới hạn khi xảy ra xói ngầm có liên quan với đường kính của hạt đất và tình hình cấp phối Hệ số không đồng đều càng nhỏ thì càng dễ xảy ra xói ngầm Với loại đất không dính mà hệ số không đồng đều Cu > 10, với độ chênh thuỷ lực tơng đối nhỏ cũng có thể xảy ra xói ngầm

Về mặt tính toán cần tiến hành kiểm tra (tham khảo [1,2]) :

+ ổn định đáy hố đào khi dòng thấm không áp;

+ ổn định đáy hố đào khi dòng thấm có áp

Để xử lý hiện tượng cát chảy hay phun trào thường dùng phương pháp cọc xi măng đất hoặc bơm phun chất kết dính đông cứng nhanh nhằm ngăn hoặc kéo dài đường thấm như trình bày trên hình 4 và hình 5

Hình 4 Cọc ximăng đất để cải thiện đất quanh hố móng

a) Giảm áp lực đất chủ động và tăng áp lực đất bị động lên tường chắn

đối với hố móng sâu; b) Gia cố thành và đáy hố móng chống thấm

Hình 5 Dùng cọc bơm phun xi măng JST để ngăn ngừa phun trào

Minh hoạ cho phương pháp vừa nêu bằng ví dụ sau

Ví dụ : Một hố móng sâu (xem hình 6)14,95m, đất từ trên mặt đất đến đáy hố có lực dính C1 = 1,0 T/m2, lớp đất dưới đáy hố dày 1,95m có C2 = 1,0 T/m2, lớp tiếp theo sét

dẻo cứng có C3 = 4,0 T/m2, khi kiểm tra ổn định thấy hệ số ổn định Fs = 0,717 < 1,2 Muốn

có hệ số ổn định Fs bằng 1,2 thì đất cần cải thiện để có lực dính c'  7 T/m2 và đã dùng cọc đất ximăng cho mục đích này

Cường độ của cọc qu = 2c' = 14 T/m2, nếu lấy hệ số an toàn của cọc đất ximăng là 5 thì qu = 14  5 = 70 T/m2 = 7 kg/cm2 Qua tính toán đã dùng cọc ximăng đất bơm trộn (cọc JSP) với thành phần (tính cho 1m3 gia cố) nh sau: 250 kg ximăng + 421 lít nước được 500 lít dung dịch và cọc bố trí như hình 6

Trong nhiều trường hợp gặp đất quá yếu ngời ta có thể dùng công nghệ bơm ép vữa để gia cố toàn bộ gương đào khi đào ngầm hoặc chỉ gia cố phần đáy hố móng như người Mỹ đã làm khi xây dựng công trình dưới lòng sông ở San Francisco

Hình 6 Cách phòng ngừa đáy móng bị trồi bằng cọc JST của ví dụ

3 Phân tích sự cố công trình thực tế

Khi thu thập đầy đủ các dữ kiện của sự cố (với số liệu khách quan, trung thực) ta sẽ

phân tích các sự cố để từ đó rút ra những bài học kinh nghiệm quý giá, từ đó sẽ hoàn thiện dần phương pháp tính toán hoặc hoàn thiện công nghệ thi công hay tăng cường quản lý kỹ thuật… Điều vừa nêu là rất có ích cho thực tiễn cũng như lý thuyết nhưng lại rất khó thực hiện trong điều kiện hiện nay của nước ta do thiếu những thông tin xác thực có liên quan đến sự cố

Nhằm mục đích “làm mẫu” dưới đây trình bày cách điều tra, thu thập các dữ kiện,

phân tích sự cố, tìm nguyên nhân, đề ra cách xử lý sự cố một công trình hố đào thực tế do các đồng nghiệp Trung Quốc thực hiện (xem [3]

(1) Khái quát

Khách sạn Khải Tuyền Môn ở Trung tâm thương mại Hàng Châu, diện tích xây dựng 41.058m2, 30 tầng trên mặt đất, 2 tầng ngầm, kết cấu tường chịu cắt, khung đổ tại chỗ; diện tích xây dựng ngầm 4.800m2, chiều dày đài móng 2,1m, chiều dài hố móng theo hướng Nam Bắc 42m, theo hướng Đông Tây khoảng 65m, cao trình tương đối của mặt đất tự nhiên là - 1,5m Chiều sâu đào 11,0m, cục bộ 13,0m Phía Bắc giáp đờng Khánh Xuân, phía dưới có cáp điện, ống nước… Phía Nam cách nhà ở của Học viện Trung y khoảng 8 -9m, xung quanh có tường vây, đường xá, bên dưới là bể phốt, ống nước Mặt bằng công trình xem hình 7

Hình 7.Mặt bằng hiện trường của công trình

(2) Điều kiện địa chất

Tự mặt đất xuống :

(1) Đất lấp tạp dày 1,8  3,4m;

(2a) Cát bột dày 0,2  1,1m, w = 30,0%;

(2b) Cát bột dày 3,35  4,0m,  = 24,9o, C = 16,8 kPa, w = 28,9%;

(2c) Cát bột dày 6,45  8,5m,  = 29,4o, C = 5,6 kPa, w = 25,8%;

(2d) Cát bột dày 5,0  2,0m,  = 22,3o, C = 16,5 kPa, w = 34,5%;

(3) Sét bùn dày 2,1  9m, w = 44,7%;

(4a) Sét bột dày 0  3m ,  = 18,6o, C = 14 kPa, w = 24%

u = (4,5o), Cu = (155)

(4b) Sét bột dày 8,2  0m ,  = 15,4o, C = 22,4 kPa, w = 33%

u = (6o), Cu = (75,7)

Nước ngầm từ -2m trở xuống, hệ số thấm từ 1,86 x 10-32,56 x 10-4 Lúc khô ráo, vách đứng được , gặp nước sẽ thành cát chảy Tầng ngầm đặt ở tầng 2 (2c) cát bột, ở độ sâu -17m trở xuống là tầng sét bùn không thấm nước Phía đông Tây hố móng bên dưới trước đây là lòng sông cổ, móng nhà cũ, khi thi công đào được số lượng lớn đá xanh, đá hộc và các vật thể khác (xem hình 7)

(3) Thiết kế kết cấu chống đỡ hố móng

Móng của toà nhà là móng hộp - cọc Hố móng dùng kết cấu chống đỡ bằng cọc khoan nhồi và 2 tầng liên kết bằng ống thép, độ sâu mũi cọc khoan nhồi là -25,0m xuyên qua lớp cát bột vào tầng (4a)  (4b) Dùng cọc xi măng đất làm tường cừ, chắn nước, mũi cọc ở độ sâu-

13,5  19,8m, cắm vào tầng đất (3) không thấm nước Hạ mức nước bằng thủ công là biện pháp phù trợ, dự phòng, chi tiết xem hình 8 và 9

Mặt phía Đông, Tây: một hàng cọc khoan nhồi (1000, cự ly 800mm sâu - 24m) và 8 hàng cọc xi măng đất (0 hình hoa mai gắn vào nhau 100mm, sâu -13,5 m

 - 19,8m)

Mặt phía Nam, cách tường vây Học Viện Trung y 4m, bố trí 1 hàng cọc khoan nhồi và

3 hàng cọc xi măng đất ( kích thước như trên )

Mặt phía Bắc: vì sát đường người đi bộ Khánh Xuân, chỉ bố trí một hàng cọc khoan nhồi (kích thước như trên) và 1 hàng cọc xi măng phun xoay hình chữ S ( 1200, khoảng cách tâm đến tâm 900mm, sâu - 13,5,8m)

Từ 0 xuống - 2,5m và -7,5m mặt nằm ngang bố trí thanh chống bằng ống thép dự ứng lực 609 (gồm cả chống góc), điểm giao nhau dùng 10 thanh U tổ hợp thành, khoảng cách trong là 6,5m/cọc

Phía ngoài hố móng, đào hạ đất tới - 2,00 m đỉnh cọc xi măng đất ở cao độ - 2,5m, đỉnh cọc làm dầm bê tông cốt thép ăn vào 4 vách với kích thước 1100mm x 500mm, đồng thời cũng làm điểm đỡ thanh chống ở tầng trên Tầng giữa điểm đỡ ở -7,5m của cọc khoan, tại đây có tăng cường thêm vành đai thép Hai tầng giằng chống lắp xong, cho dự ứng lực 30 50 T mỗi thanh

Xét tới mũi cọc và cọc xi măng đất chôn vào tầng bùn không thấm nước dưới -17,0m đạt được mục đích ngăn nước đùn vào một cách triệt để, phía ngoài hố móng dự phòng 1 số giếng thu nước , phía trong theo kế hoạch cũ có đặt giếng thu nước, sau bị phá hoại, sửa thành điểm hạ mức n-ước cấp 2

(4) Đào hố móng, phân tích sự cố và cách xử lí

4.1 Giai đoạn đào đất

Tại chỗ sụt đất số 1 và số 2 không thể thi công tiếp được nữa, đành phải dùng xi măng khô và đất sét lấp lại

Phân tích nguyên nhân: kiểm tra kỹ chỗ cọc xi măng lộ ra, thấy khe hở cát chảy, điều

đó chứng tỏ lúc thi công, do sai lệch về vị trí cọc, về độ thẳng đứng của cọc và do chướng ngại vật… làm cho hai cọc không gắn kết với nhau được; tạo thành chỗ dò nước, thêm vào đó

độ sâu đào thử đã vượt quá điểm hạ mực nước do đó nước từ bên ngoài hố đào qua khe hở, mang theo cát tràn vào trong tạo thành hiện tượng cát chảy

Biện pháp bổ sung: kết hợp cả điểm hạ mực nước lẫn biện pháp chặn nước lại để chữa trị Xét đến mô đuyn nén ép của đất khá cao, qua tính toán, hạ mực nước làm độ lún cố kết dự tính là 25mm, thì khu ký túc xá học viện ở phía Nam (móng là cọc vuông dài 6m) không vì thế mà chịu ảnh hưởng quá lớn, nhưng phải chú ý quan trắc

Bên ngoài hố móng tăng thêm giếng hạ mực nước cấp 1, bên trong hố móng thêm điểm hạ mực nước để hạ nhanh độ dốc thuỷ lực

Trên mặt đất đối với 3 hàng cọc xi măng đất ở phía Nam, tiến hành kiểm tra kỹ chỗ gắn kết giữa hai giai đoạn thi công và dùng 2 điểm phun vữa xi măng để lấp lại

Quy định chi tiết: “Hạ mức nước trước, đào sau”, “chống trong trước mới đào sâu thêm” Nghiêm cấm đào trước, đào quá sâu

Vừa đào vừa chắn nước ở khe giữa 2 cọc, tức là trên thành cọc khoan nhồi đặt lên 1

l-ới thép rồi phun 1 lớp bê tông đá cỡ nhỏ dày 10 - 15cm để bảo vệ thành vách

4.2 Giai đoạn bịt đáy

Tuy đã sử dụng hàng loạt biện pháp, nhưng vì hố móng rất rộng, nguồn nước ngầm lại rất phong phú, hiện tượng cát chảy chưa thể hoàn toàn loại trừ Đặc biệt là thi công bít đáy vô cùng khó

ở chỗ ngóc ngách của hố móng, ở chỗ tầng đệm mỏng, yếu và chỗ tiếp giáp với cọc công trình có cát

chảy đùn lên, nghiêm trọng hơn nữa là trên mặt đất bên ngoài hố móng bị nứt nẻ nhiều, kí túc xá phía Nam nghiêng dần vào phía trong hố móng, phải dần nghiên cứu phương án xử lí tiếp

(1) Phân tích nguyên nhân

Giếng cấp 2 ở bên ngoài, giếng cấp 1 ở bên trong hố móng hạ mực nước tạo nên độ lệch làm cho nước bên ngoài chảy qua các khe hở của tầng bịt đáy đùn lên Mấy giếng bên trong, sau khi bỏ

đi không dùng cũng có nước đùn lên và đều mang theo cát, tạo thành dòng cát chảy dẫn đến mặt đất

bị lún, nứt nẻ, xem hình 10

(2) Giải pháp bổ cứu

Giữa hố đào làm thêm giếng cấp 3 theo hướng nam bắc và giếng điểm cục bộ hạ mức

nư-ớc, làm tiêu tán hiện tượng nước đùn Tăng độ dầy, chiều rộng lớp bít đáy, hình thành hệ giằng thứ 3 đồng thời có tác dụng chặn, ép nước dưới đáy móng một cách hiệu quả

Chỗ cục bộ cắt nước chảy nghiêm trọng ở vách hố đào ngoài cách phun màng lưới ra trên bề mặt đổ thêm tường bê tông cốt thép chặn nước

Trên đài móng, giữa khuôn gạch và vách cọc đổ bê tông đá hộc (lợi dụng cục bê tông đập ra) chèn chặt vào các góc (xem hình 11)

Mặt đất bị nứt nẻ thì kiểm tra toàn diện, liên tục dùng vữa xi măng trát kín xoa bằng,

đề phòng trời mưa nước ngấm xuống

4.3 Giai đoạn thi công ngầm

Cùng với các biện pháp được đưa vào sử dụng, đã khống chế cơ bản hiện tượng nước đùn và cát chảy, trong phạm vi lớn thì các vật kiến trúc lân cận và các cơ sở hạ tầng của thành phố cũng giảm bớt hiện tượng lún không đều, ổn định

Thêm vào đó ma liên tục trong tháng từ tháng năm thực tế có tác dụng như bù lại nước, lún cục bộ xuất hiện phản đàn hồi Tình thế chuyển biến có lợi cho việc thi công tầng ngầm