Quan trắc địa kỹ thuật trong côn trình ngầm

Các thông số thường được quan tâm là áp lực nước lỗ rỗng, tính thấm của đất, ổn định mái dốc Quan trắc để kiểm chứng các giả định của thiết kế, để điều chỉnh thiết kế Quan trắc để kiểm t

QUAN TRẮC ĐỊA KỸ THUẬT TRONG CÔNG TRÌNH NGẦM

TH.S ĐINH LÊ KHÁNH QUỐC

Tổng Công ty Xây dựng số 1 - Bộ Xây dựng

1 MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA CỦA VIỆC QUAN TRẮC ĐỊA KỸ THUẬT:

Quan trắc địa kỹ thuật có ý nghĩa quan trọng trong việc thi công các công trình ngầm là các công trình rất “nhạy cảm” với sự thay đổi các tính chất cơ lý, thuỷ văn của nền đất nơi đặt công trình xây dựng Hiểu rõ và nắm chắt quy luật thay đổi tính chất cơ lý, thuỷ văn của nền đất nơi xây dựng công trình là cần thiết trước khi khởi công thi công công trình, là một trong các yếu tố đảm bảo việc thi công thành công công trình

Quan trắc địa kỹ thuật để điều tra, khảo sát mô tả các điều kiện hiện trường ban đầu Các thông số thường được quan tâm là áp lực nước lỗ rỗng, tính thấm của đất, ổn định mái dốc

Quan trắc để kiểm chứng các giả định của thiết kế, để điều chỉnh thiết kế

Quan trắc để kiểm tra, giám sát các ảnh hưởng của thi công, các số liệu quan trắc có thể giúp cho kỹ sư có các quyết định đúng trong thi công mà không gặp sự cố

Quan trắc có thể để kiểm tra chất lượng thi công, cảnh báo sớm các sự cố có thể xảy ra, điều này giúp người kỹ sư có các quyết định kịp thời hoặc sơ tán an toàn các khu vực nguy cơ hoặc xử lý gia cố các khu vực nguy cơ đảm bảo an toàn lao động

Quan trắc có thể cung cấp các bằng chứng về pháp lý trong các tình huống xãy ra tranh chấp giữa nhà thầu thiết kế, nhà thầu thi công, chủ đầu tư, dân cư xung quanh công trình…

2 MỘT SỐ THIẾT BỊ QUAN TRẮC ĐỊA KỸ THUẬT HIỆN ĐANG ĐƯỢC SỬ DỤNG:

Tại Việt Nam hiện nay thiết bị quan trắc địa kỹ thuật chủ yếu được cung cấp bởi các hãng: Slope indicator company USA, GEOKON USA, GTC Engineering Co., Ltd Hàn Quốc… Trong phạm vi bài báo này chỉ giới thiệu một số thiết bị đo thông dụng:

+ Đầu đo áp lực nước lỗ rỗng

+ Đầu đo nghiêng

3 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CỦA CƠ HỌC ĐẤT CƠ SỞ

3.1 Đất: đất được cấu thành từ các hạt khoáng vật, các hạt khoáng vật này không

chặt khít với nhau mà có khoảng hở, lấp đầy các khoảng hở này là nước và không khí Nước và không khí trong các lỗ rỗng này được gọi là nước lỗ rỗng và khí lỗ rỗng

Đất mà có nước lấp đầy các lỗ rỗng gọi là đất bão hoà

3.2 Ứng suất tổng : áp lực lên đất gồm trọng lượng đất và tải trọng ngoài (do

công trình đặt lên đất) Ứng suất phát sinh trong đất do trọng lượng bản thân đất và tải trọng ngoài gọi là Ứng suất tổng

3.3 Ứng suất hiệu quả ’: ứng suất phát sinh do các hạt đất đè tiếp xúc lên nhau

gọi là ứng suất hiệu quả

3.4 Áp lực nước lỗ rỗng u: áp lực nước trong các lỗ rỗng gọi là áp lực nước lỗ rỗng 3.5 Mối liên quan giữa ’, , u:

Các ứng suất này liên quan với nhau bằng biểu thức:

u





Trong đó:

’ : Ứng suất hiệu quả

’ : Ứng suất tổng

u : Áp lực nước lỗ rỗng

Biểu thức thể hiện khi áp lực nước lỗ rỗng tăng thì ứng suất hiệu quả giảm và ngược lại

3.6 Cố kết của đất:

Khi có tải trọng ngoài đặt vào nền đất

Nếu là đất khô, không có nước trong lỗ rỗng thì tải trọng truyền vào các hạt đất đẩy chúng xích lại gần nhau (xem như khí trong lỗ rỗng là tiêu tán tức thì)

Nếu là đất bão hoà nước thì một phần áp lực do nước trong lỗ rỗng chịu (áp lực nước lỗ rỗng), một phần áp lực do hạt đất chịu (áp lực hiệu quả) Như vậy ban đầu thì áp lực nước lỗ rỗng tăng lên sau đó tiêu tán dần do nước dịch chuyển từ nơi có áp lực cao đến nơi có áp lực thấp, khi nước dịch chuyển quá trình tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng sẽ chuyển sang áp lực lên các hạt đất, ứng suất hiệu quả tăng lên, các hạt đất xích lại gần nhau, đất lún xuống

3.7 Sức chống cắt của đất:

Sức chống cắt của đất là một đơn vị đo lường sức kháng trượt bên trong của đất





Trong đó:

 : Ứng suất cắt lúc phá hũy

’ : Ứng suất hiệu quả

 : Góc ma sát trong (xác định từ phân tích mẫu trong phòng TN)

c : Lực dính của đất (xác định từ phân tích mẫu trong phòng TN)

Lưu ý

'  u nên áp lực nước lỗ rỗng nghịch với sức chống cắt, khi áp lực nước lỗ rỗng tăng, ứng suất hiệu quả và sức chống cắt giảm

Ứng suất tổng  tính toán được khi biết độ chặt, dung trọng của đất, cao trình mực nước ngầm Và cũng có thể đo được bằng thiết bị đo áp lực tổng tại hiện trường

 Khi biết  và u ta tính được  , do vậy đo được , u thì các trị số này là các nhân tố dự đoán về ổn định của đất nền

4 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ LẮP ĐẶT THIẾT BỊ QUAN TRẮC

4.1 Đầu đo áp lực nước lỗ rỗng:

Đầu đo áp lực nước dây rung VWP của hãng Slope Indicator là một máy biến năng áp lực có thể gắn trong một lỗ khoan hay trong đất đắp Cơ chế đo của nó bao gồm một dây thép đã kéo căng, một màng ngăn và một cuộn dây điện từ Một đầu của sợi dây thép được nối với màng ngăn Áp lực làm màng ngăn cong xuống, giảm sức căng trong sợi dây Cuôn dây từ được sử dụng để “kéo dật” sợi dây làm nó rung Sự rung của sợi dây gần cuộn dây từ gây ra một tín hiệu tần số Tín hiệu này được chuyển qua một cáp tín hiệu tới thiết bị thu số liệu

a Thiết bị ghi - đo

Sử dụng thiết bị thu số liệu DataMate của hãng Slope Indicator, máy sẽ thu thập tần số (Hz) của đầu đo tại các thời điểm khác nhau, thông qua phần mềm chuyên dụng các tín hiệu tần số này sẽ được chuyển đổi sang các đơn vị áp lực hay cột nước

+ Đầu đo áp lực nước lỗ rỗng VWP, Slope Indicator, USA;

+ VS DataMate, Slope Indicator, USA

+ Cáp điều khiển, máy tính và các thiết bị phụ trợ khác

b Lắp đặt thiết bị

- Lắp đặt trong hố khoan: Kiểm tra độ sâu hố khoan sử dụng một thước đo nặng Dùng thước màu để đánh dấu các độ sâu dự kiến trên ống hoặc cáp Điều này sẽ cho biết khi Piezometer được đặt đúng vị trí tại độ sâu thích hợp Đặt trong hố khoan một thước đo khác đánh dấu trên ống hay cáp để cho biết chiều cao của ống vách lên trên mặt đất

- Bỏ nắp bịt chống bẩn ở đầu đo trước khi lắp đặt

- Các đầu đo đôi khi được đặt trong các túi bọc cát Các túi bọc cát giữ đầu đọc ở giữa hố khoan và hoạt động như một lớp lọc bằng cát Cát cần được đổ thêm xung quanh túi trước khi đổ lớp Bentonite

- Sét Bentonite phải được để bên trên đầu đo Lớp này cô lập áp lực nước lỗ rỗng tại đầu đo và ngăn vữa chui vào cát xung quanh đầu đo và chặn nước lọt vào Phải đảm bảo cấp đủ nước và thời gian để Bentonite trương nở Theo đúng các chỉ dẫn của nhà sản xuất set Bentonite

- Phần còn lại của hố khoan được lấp lại bằng Bentonite hay vữa xi măng Bentonite để ngăn chặn sự xâm nhập của nước qua hố khoan Cường độ của vữa phải tuơng thích với cường độ của đất xung quanh

- Nếu ống chống được sử dụng để giữ hố khoan mở Ống phải được kéo lên khi cát đã được đổ quanh đầu đo

- Ống chống cũng phải được kéo lên từ từ ngay trên các hạt Bentonite đang lắng xuống

- Sự lắp đặt chưa hoàn thành cho đến khi được kiểm tra và những số đọc đầu tiên được lấy Vì đất và nước lỗ rỗng bị xáo động trong quá trình lắp đặt nên cần phải lấy một loạt các số đọc để xác định khi nào đất “hồi phục” và có thể lấy số đọc ổn định (lặp lại) Trong đất không thấm nước điều này có thể kéo dài

- Bịt đường ống hoặc cáp để ngăn nước vào Xây miệng hố khoan và đặt hộp bảo vệ Ghi số đọc ban đầu rồi bàn giao cho khách hàng

Grout

Junction Box

Grout Pump and Mixer

Betonite Pellets

or Chips

Bentonite Pellets

or Chips

Pneumatic Tubing

Coarse grain sand

Tremie Pipe

Piezometer

4.2 Đầu đo chuyển vị ngang:

4.2.1 Ống vách của đầu đo nghiêng

Ống vách của đầu đo nghiêng là một ống đã tạo rãnh sẵn sản xuất cho mục đích đặc biệt được sử dụng khi lắp đặt Nó thực hiện ba chức năng:

- Dẫn hướng cho đầu dò của đập đo nghiêng, cho phép nó thu các số đo sát mặt đất;

- Biến dạng với mặt đất hoặc công trình xung quanh; do đó các số đo nghiêng của vách ống vách biểu thị một cách chính xác các dịch chuyển của nền

- Các rãnh tạo sẵn bên trong khống chế hướng của đầu đo nghiêng có bánh xe Ống vách được lắp đặt trong một hố khoan gần như thẳng đứng đã được khoan qua các khu vực nghi ngờ có dịch chuyển Ống vách cũng có thể được đặt trong bờ đắp, bên trong bê tông hoặc được gắn vào các công trình

Vị trí ban đầu của ống vách được thiết lập khi khảo sát cùng với đầu dò đo nghiêng Dịch chuyển của mặt đất làm cho ống vách dịch chuyển khỏi vị trí ban đầu của nó Tốc độ, độ sâu và độ lớn của dịch chuyển này được tính toán bằng cách so sánh số liệu khảo sát ban đầu với các số liệu khảo sát sau đó

a Đầu dò đo nghiêng

Đầu dò đo nghiêng có bánh xe chạy theo các rãnh dọc trong ống vách Nó bao gồm hai tốc kế đã cân bằng lực Một tốc kế đo độ nghiêng trong mặt phẳng của các bánh xe đầu đo nghiêng Mặt phẳng này được gọi là trục A Tốc kế kia đo độ nghiêng trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng của các bánh xe Mặt phẳng này được gọi là trục B Các số đọc nghiêng thường thu được ở các khoảng cách đều đặn 2m khi đầu dò được kéo từ đáy lên đỉnh của ống vách Các khoảng cách 2 feet được dùng cho các đầu dò của Anh

b Cáp điều khiển

Cáp điều khiển được sử dụng để kiểm tra độ sâu của đầu dò đầu đo nghiêng Nó cũng dẫn điện và các tín hiệu giữa đầu dò và bộ phận thu Các dây cáp điểu khiển (theo đơn vị mét) được đánh dấu đều đặn 0,5m một Các dây cáp điều khiển (theo đơn vị Anh) được đánh dấu đều đặn 1 foot một

c Bộ hiển thị số liệu Digitilt

Bộ hiển thị số đo nghiêng nhận được từ đầu dò đầu đo nghiêng Các thiết bị thu số liệu tình vi như Digitilt Date Mate lưu giữ các số đọc trong bộ nhớ, loại trừ nhu cầu ghi các số đọc với bút chì và giấy

d Đo nghiêng

Đầu dò đầu đo nghiêng và cảm biên đặt tại chỗ đo độ nghiêng của ống vách Với đầu dò, các số đo nghiêng thường được lấy ở các cự ly để đặn 1/2m hoặc 2 feet từ đáy lên đỉnh của ống vách Các cảm biến đặt tại chỗ được lắp đặt tại các vị trí cố định trong ống vách tại các khoảng cách đều đặn hoặc lớn hơn Trong cả hai trường hợp, số đọc nghiêng quan hệ với độ sâu hoặc cao độ

e Độ lệch ngang

Khi các số đọc của đầu đo nghiêng được xử lý, độ nghiêng được chuyển đổi sang một khoảng cách theo chiều ngang như hình vẽ dưới đây Độ lệch tại mỗi khoảng cách được gọi là độ lệch khoảng cách tăng dần Tổng các độ lệch khoảng cách được gọi là tổng độ lệch cho thấy độ nghiêng của ống vách

Các độ lệch cho thấy vị trí của ống vách Đồ thị của tổng độ lệch cho thấy đo nghiêng của ống vách

Measurement Interval(L)

Inclinometer Casing



Angle Inclinometion



Lateral Deviation (L Sin  )



Deviation

L

Inclinometer Casing

L

L





f Dịch chuyển ngang

Dịch chuyển biểu thị một sự thay đổi vì trí của ống vách, tức là một sự thay đổi độ lệch Dịch chuyển được tính bằng cách lấy độ lệch hiện tại trừ đi độ lệch ban đầu Độ lệch khoảng cách là sự thay đổi tại một khoảng cách Tổng dịch chuyển là tổng của các dịch chuyển khoảng cách

Trong đồ thị dưới đây, các dịch chuyển được tham khảo so sánh với một điểm cố định gần đáy của ống vách Khi đáy của ống vách không ổn định trong đất, các dịch chyển được so sánh với đỉnh của ống vách đã được khảo sát

Cumulative Displacement, A-Axis

0

10

20

30

40

50

60

Displacement in inches (Initial 11/19/91)

2/4/92 3/20/92 4/16/92 8/11/92 1/26/93 3/23/93 5/18/93

Brown

Brown

Clay

Clay

Light

Green Clay Clay

Soft

Gray Silty

Sand and Gravel

Displace me nt v s Time

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

0 100 200 300 400 500 600

Days (Initial 11/19/91)

26-28 ft

4.2.2 Thiết bị

- Ống vách của đầu đo nghiêng, 76 mm, L = 3m, Slope Instrument, USA;

- Đầu dò đầu đo nghiêng, Slope Instrument, USD;

- Inclinometer logger, Model 1022, Slope Instrument, USD

4.2.3 Lắp đặt ống vách đầu đo nghiêng

a Các lưu ý chung

- Đường kính ống vách ảnh hưởng tới tuổi thọ lắp đặt Dịch chuyển mặt đất làm cho ống vách biến dạng và cản trở đầu đò chuyển động trong ống vách Ống vách đường kính lớn hơn cho phép dịch chuyển dất lớn hơn và tạo đường vào dài hơn so vói ống vách đường kính nhỏ hơn Luôn sử dụng ống vách đường kính lớn nhất mà thiết bị khoan và cỡ lỗ khoan có thể thích ứng được

- Các vật liệu làm ống vách cũng ảnh hưởng tới tuổi thọ lắp đặt Ống vách làm bằng nhựa ABS là phù hợp cho việc tiếp xúc lâu dài với tất cả các loại đất, vữa và nước ngầm Nó không bị ăn mòn và thích ứng với các dịch chuyển của đất Ống vách bằng nhôm có thể bị ăn mòn Khi lắp đặt ống vách bằng nhôm cẩn thận không làm xước lớp keo epoxy bảo vệ của nó

- Một lớp bảo vệ thường được lắp đặt tại đỉnh của ống vách Lớp bảo vệ phải đủ rộng để gắn bộ ròng rọc vào đỉnh của ống vách Lớp bảo vệ cũng phải định vị dễ dàng đưa đầu dò vào ống vách khi lún xảy ra

b Hướng ống vách

- Hố khoan phải gần như thẳng đứng Lỗi trong do nghiêng tăng theo độ nghiêng của ống vách

- Lắp đặt ống vách với một bộ rãnh hướng về phía dự kiến có dịch chuyển Duy trì hướng thích hợp này trong quá trình lắp đặt Cố gắng sửa lại hướng của ống vách khi đã lắp đặt sẽ làm cho ống bị vặn

c Các ống nối

- Keo ABS dùng trên các ống nối đòi hỏi 24 giờ để đạt được đầy đủ cường độ Ống vách thường được lắp ráp và lắp đặt nhanh hơn nhiều Trong các hố đầy nước, sự đẩy nổi giảm trọng lượng hiệu quả của ống vách do đó cường độ ít hơn được yêu cầu từ ống nối Tuy nhiên, khi ống vách đước lắp đặt trong các hố khoan khô, ống nối phải giữ toàn bộ trọng lượng của ống vách Trong trường hợp này, đóng chặt ống nối bằng các đinh tán Một cáp treo gắn vào phần đáy của ống vách cũng có thể làm giảm tải trọng lên các mối nối

- Các ống nối cần được gắn lại bằng vữa Vữa chui vào ống vách có thể gây tắc, làm rãnh dẫn hướng thiếu chính xác và làm hỏng các bánh xe của đầu dò đầu đo nghiêng

d Đắp vữa

- Vữa cần được trộn để có một cường độ tương tự như cường độ của đất

- Dung trọng của vữa tạo ra một lực đẩy nổi do đó tải trọng phụ có thể cần thiết để giữ ống vách trong hố khoan sau khi lắp đặt Một ống thép có thể hạ xuống bên trong

ông vách tựa vào nắp đáy Một tải trọng ngoài có thể đặt vào dáy của ống vách nhưng điều này đòi hỏi một hố khoan và một cáp treo sâu hơn để ngăn trọng lượng này khỏi kéo tuột các phần mới được lắp đặt của ống vách

- Không ấn ống vách xuống bằng máy khoan vì phương pháp này có thể làm ống vách bị xoắn trong lỗ khoan

- Sau khi vữa đông cứng, thường đổ thêm vữa vào lỗ khoan trước khi lớp bảo vệ được lắp đặt

e Lắp đặt ống vách đo nghiêng bằng ống phun vữa

Protective Cover

End Cap

Coupling Casing

Bentonite Cement Grout

Grout Pump and Mixer Water

- Làm sạch dung dịch khoan và mảnh vụn trong hố khoan Gắn nắp đậy vào phần cuối của ống vách

- Lắp đặt ống vách trong hố khoan, thêm ống vách khi cần đến khi ống vách tới độ sâu yêu cầu Trong các hố khoan đầy nước, đổ đầy nước vào ống để chống lại sự nổi Trong các hố khoan khô, lắp đặt ống vào vách khô Đổ đầy nước vào ống vách để chống lại sự đẩy nổi khi bắt đầu phun vữa Giữ mực nước cùng mực với dung dịch vữa để tránh ảnh hưởng tới các ống nối đã được gắn chặt

- Đặt một tấm thép hay một ống xuống đáy của ống vách để chống lại sự đẩy nổi trong quá trình vữa đông cứng Sau đó thả ống phun vữa xuống đáy hố khoan và bơm vữa

- Đổ đầy vữa vào hố khoan và lắp đặt hộp bảo vệ Ghi các số đo ban đầu rồi bàn giao cho khách hàng

5 MỘT SỐ CÔNG TRÌNH ĐÃ LẮP ĐẶT CÁC THIẾT BỊ QUAN TRẮC

a Dự án Asiana Plaza tại đường Lê Duẩn - Quận 1 – Tp.HCM do tập đoàn KUMHO - Hàn Quốc làm chủ đầu tư

b Dự án siêu thị LOTTE MART tại Quận 7 – Tp.HCM

TÀI LIỆU THAM KHẢO

c Cơ học đất – Roy Whitlow

d Tài liệu chuyên ngành của hãng SLOPE INDICATOR USA

e Tài liệu của hãng GEOKON USA

f GTC engineering CO.LTD HÀN QUỐC

g Hồ sơ thiết kế kỹ thuật thi công tầng hầm công trình ASIANA PLAZA

h Hồ sơ thiết kế kỹ thuật thi công công trình LOTTE MART