Nghiên cứu giải pháp chống cát chảy trong xây dựng công trình đường ô tô tại khu kinh tế Nghi Sơn tỉnh Thanh Hóa (LA tiến sĩ)

Nghiên cứu giải pháp chống cát chảy trong xây dựng công trình đường ô tô tại khu kinh tế Nghi Sơn tỉnh Thanh Hóa (LA tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp chống cát chảy trong xây dựng công trình đường ô tô tại khu kinh tế Nghi Sơn tỉnh Thanh Hóa (LA tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp chống cát chảy trong xây dựng công trình đường ô tô tại khu kinh tế Nghi Sơn tỉnh Thanh Hóa (LA tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp chống cát chảy trong xây dựng công trình đường ô tô tại khu kinh tế Nghi Sơn tỉnh Thanh Hóa (LA tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp chống cát chảy trong xây dựng công trình đường ô tô tại khu kinh tế Nghi Sơn tỉnh Thanh Hóa (LA tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp chống cát chảy trong xây dựng công trình đường ô tô tại khu kinh tế Nghi Sơn tỉnh Thanh Hóa (LA tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp chống cát chảy trong xây dựng công trình đường ô tô tại khu kinh tế Nghi Sơn tỉnh Thanh Hóa (LA tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp chống cát chảy trong xây dựng công trình đường ô tô tại khu kinh tế Nghi Sơn tỉnh Thanh Hóa (LA tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp chống cát chảy trong xây dựng công trình đường ô tô tại khu kinh tế Nghi Sơn tỉnh Thanh Hóa (LA tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp chống cát chảy trong xây dựng công trình đường ô tô tại khu kinh tế Nghi Sơn tỉnh Thanh Hóa (LA tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp chống cát chảy trong xây dựng công trình đường ô tô tại khu kinh tế Nghi Sơn tỉnh Thanh Hóa (LA tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp chống cát chảy trong xây dựng công trình đường ô tô tại khu kinh tế Nghi Sơn tỉnh Thanh Hóa (LA tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp chống cát chảy trong xây dựng công trình đường ô tô tại khu kinh tế Nghi Sơn tỉnh Thanh Hóa (LA tiến sĩ)

bộ giáo dục và đào tạo

trường đại học giao thông vận tải

NGHIÊN CứU GIảI PHáP CHốNG CáT CHảY TRONG XÂY DựNG CÔNG TRìNH ĐƯờNG Ô TÔ TạI KHU KINH Tế NGHI SƠN TỉNH THANH HóA

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận án, tác giả trân trọng cảm ơn các cơ quan đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ: Trường Đại học Giao thông Vận tải, Phòng Đào tạo sau đại học, khoa Công trình, Bộ môn Đường bộ, phòng thí nghiệm trọng điểm đường

bộ 1, Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông Vận tải, phòng thí nghiệm, kiểm định trọng điểm LASXD 1256, Công ty cổ phần tư vấn khảo sát thiết kế xây dựng Lương Anh Thế

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến các thầy hướng dẫn là PGS.TS Trần Tuấn Hiệp và GS.TS.Bùi Xuân Cậy đã hết sức tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, góp ý và định hướng nghiên cứu cho tác giả Xin cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn Đường bộ, khoa Công trình, các nhà khoa học, các cộng tác viên đã nhiệt tình hỗ trợ, giúp đỡ trong quá trình nghiên cứu

Tác giả xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học đã nhận xét, góp ý;

Hà nội 6/2017

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

-

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà nội, ngày tháng 6 năm 2017

Tác giả luận án

Lê Như Nam

MỤC LỤC

Danh mục hình ảnh, biểu đồ

Danh mục các bảng

Danh mục chữ viết tắt

Trang

Mở đầu….……… 1

1 Lý do và sự cần thiết lựa chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu……… 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu…….……… 4

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu ………….… 4

5 Cấu trúc đề tài luận án….……… 4

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu.……… ………… 5

1.1 Khái quát chung về cát biển và nước ngầm ……… 5

1.1.1 Khái quát chung về cát biển 5

1.1.2 Hoạt động của nước ngầm 7

1.2 Cơ sở lý thuyết về dòng thấm 8

1.2.1 Thấm trong đất……… 8

1.2.2 Định luật thấm đường thẳng (định luật Đarcy)……… 9

1.2.3 Định luật thấm đường cong (định luật A.AKrastiovolski) 10

1.3 Tổng quan về cát chảy trong xây dựng công trình vùng duyên hải… 11 1.3.1- Tổng quan về cát chảy……… 11

1.3.2 Sự cố công trình do cát chảy trên thế giới và Việt Nam ………… 14

1.3.3 Những sự cố công trình ở vùng cát chảy Nghi Sơn 18

1.4 Các nghiên cứu trên thế giới, trong nước về cát chảy và những giải pháp chống cát chảy ……… 21

1.4.1 Các nghiên cứu về cát chảy trên thế giới……… 21

1.4.2 Các nghiên cứu về cát chảy ở Việt Nam……… 23

1.4.3 Những vấn đề còn hạn chế và hướng nghiên cứu của đề tài……… 24

1.5 Mục tiêu của đề tài ……… 26

1.6 Nội dung nghiên cứu, kết quả nghiên cứu trong phòng và hiện trường……… 26

1.7 Phương pháp nghiên cứu……… 26

1.8 Kết luận chương ……… 27

Chương 2: Nghiên cứu địa chất thủy văn và thực nghiệm xác định hệ số thấm của cát chảy Nghi Sơn……… 28

2.1 Nghiên cứu điều kiện địa chất khu vực Nghi Sơn, Thanh Hóa……… 28

2.1.1 Điều kiện tự nhiên khu vực Nghi Sơn ……… 28

2.1.2 Khảo sát điều kiện địa chất vùng duyên hải Nghi Sơn……… 29

2.1.3 Kết quả khảo sát… ……… 32

2.2 Quan trắc mực nước ngầm khu vực Nghi Sơn, Thanh Hóa ………… 38

2.2.1 Mục tiêu quan trắc……… 38

2.2.2 Nội dung quan trắc……… 38

2.2.3 Kết quả quan trắc……… 38

2.3 Xác định cơ chế và phạm vi hoạt động của cát chảy Nghi Sơn …… 41

2.3.1 Thí nghiệm hàm lượng bụi, bùn sét, sulfat, sulfit, mica của lớp cát chảy thực nghiệm……… 41

2.3.2 Cơ chế và phạm vi hoạt động của cát chảy Nghi Sơn……… 41

2.4 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị đo thấm phức hợp CEPM 42

2.4.1 Mục tiêu nghiên cứu……… 44

2.4.2 Sơ đồ thực nghiệm……… 44

2.4.3 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị đo thấm phức hợp, CEPM…… 44

2.4.3.1 Cấu tạo……… 44

2.4.3.2 Mô tả thiết bị……… 47

2.4.3.3 Ưu điểm và hạn chế của thiết bị……… 47

2.5 Thực nghiệm trong phòng xác định hệ số thấm của cát chảy Nghi Sơn ……… 48

2.5.1 Mục tiêu thí nghiệm……… 48

2.5.2 Cách chế bị mẫu cát thí nghiệm……… ……… 48

2.5.3 Tiến hành thí nghiệm……… 50

2.5.4 Kết quả thí nghiệm……… 51

2.6 Nhận xét, kết luận chương ……… 53

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng xác định vật liệu chống cát chảy hợp lý……… 54

Nội dung chính của chương……… 56

3.1 Yêu cầu và nội dung nghiên cứu thực nghiệm……… 57

3.1.1 Yêu cầu thực nghiệm 57

3.1.2 Nội dung nghiên cứu thực nghiệm……….……… 57

3.2 Nghiên cứu xác định hàm lượng hợp lý của vật liệu phụ gia Bột sét… 58 3.2.1 Thí nghiệm xác định hàm lượng nước hợp lý trong dung hợp BS-N 58

3.2.1.1 Cách chế bị mẫu thí nghiệm……… 58

3.2.1.2 Thí nghiệm xác định kth1 của các mẫu……… 59

3.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm xác định quan hệ biến thiên của hệ số thấm, kth1 khi hàm lượng BS trong dung hợp [BS-N] thay đổi……… 61

3.2.2.1 Chế bị tổ hợp mẫu thí nghiệm……… 61

3.2.2.2 Thí nghiệm xác định quan hệ giữa kth1 và hàm lượng BS trong dung hợp [68%BS+32%N]……… 62

3.3 Nghiên cứu xác định hàm lượng hợp lý của vật liệu phụ gia BEN… 64 3.3.1 TN xác định hàm lượng nước hợp lý trong dung hợp BEN-N……… 65 3.3.1.1 Cách chế bị, tổ hợp mẫu thí nghiệm……… 65 3.3.1.2 Thí nghiệm xác định kth2 của các mẫu TN……… 65 3.3.2 Thí nghiệm xác định quan hệ thay đổi hệ số thấm kth2 củacát khi thay đổi hàm lượng vật liệu phụ gia BEN trong dung hợp [69%BEN+31%N]………

67

3.3.2.1 Chế bị tổ hợp mẫu thí nghiệm……… 67 3.3.2.2 Thí nghiệm xác định hệ số thấm kth2 của mẫu cát khi thay đổi hàm lượng BEN trong dung hợp [BEN-N]……… 68 3.4 Nghiên cứu xác định hàm lượng hợp lý của vật liệu phụ gia XM…… 70 3.4.1 Thí nghiệm xác định hàm lượng nước hợp lý trong hồ vữa [XM-N]

3.4.1.1 Chế bị tổ hợp mẫu thí nghiệm……… 70 3.4.1.2 Thí nghiệm để xác định hàm lượng nước có trong HH với XM có

3.4.2 Thí nghiệm xác định hệ số thấm kth3 của mẫu cát khi thay đổi hàm lượng XM trong dung hợp [XM-N]……… 73 3.4.2.1 Chế bị tổ hợp mẫu thí nghiệm……… 73 3.4.2.2 Thí nghiệm xác định quan hệ thay đổi kth3 khi hàm lượng XM trong dung hợp [XM+N] thay đổi……… 74 3.5 Nghiên cứu xác định hàm lượng hợp lý của vật liệu phụ gia [BS-XM] 76 3.5.1 Thí nghiệm xác định tỷ lệ XM hợp lý trong hỗn hợp [BS-XM]…… 76 3.5.1.1 Chế bị tổ hợp mẫu thí nghiệm… …… ……….… 76 3.5.1.2 Thí nghiệm xác định hệ số thấm kth5 khi thay đổi hàm lượng XM

3.5.2 Thí nghiệm xác định hàm lượng nước hợp lý trong dung hợp

3.5.2.1 Chế bị tổ hợp mẫu thí nghiệm……… 79 3.5.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm xác định hàm lượng nước hợp lý……… 79 3.6 Nghiên cứu xác định hàm lượng hợp lý của hỗn hợp vật liệu phụ gia

3.6.1 Thực nghiệm xác định tỷ lệ hàm lượng BEN hợp lý trong hỗn hợp

3.6.1.1 Cách chế bị, tổ hợp mẫu thí nghiệm……… 82 3.6.1.2 Nghiên cứu xác định xác định hệ số thấm kth5 khi thay đổi hàm lượng BEN trong hõn hợp [XM-BEN]……… 83

3.6.2 Nghiên cứu xác định hàm lượng nước hợp lý trong dung hợp [77%XM+23%BEN]+N (để kth5 nhỏ nhất)……… 85

3.6.2.1 Chế bị tổ hợp mẫu thí nghiệm……… 85 3.6.2.2 Nghiên cứu xác định hàm lượng nước hợp lý trong dung hợp [XM-BEN-N], (tìm kth5 nhỏ nhất)……… 85 3.7 Nghiên cứu xác định hàm lượng hợp lý các vật liệu phụ gia trong hỗn

3.7.1 Thực nghiệm xác định tỷ lệ hàm lượng BEN hợp lý trong hỗn hợp

3.7.1.1 Chế bị tổ hợp mẫu thí nghiệm……… 88 3.7.1.2 Thí nghiệm xác định quan hệ giữa kth6 và hàm lượng [BS-BEN] 88 3.7.2 Thí nghiệm xác định hàm lượng nước hợp lý trong dung hợp

[BS+BEN], (hàm lượng nước cho hệ số thấm của cát chảy nhỏ nhất)…… 91

3.7.2.1 Chế bị tổ hợp mẫu thí nghiệm……….……… 91 3.7.2.2 Thí nghiệm xác định quan hệ giữa kth7 và hàm lượng nước trong

3.8 Nghiên cứu xác định hàm lượng hợp lý vật liệu phụ gia thủy tinh

3.8.1 Chế bị tổ hợp mẫu thí nghiệm………… ……… 93

3.8.2 Thí nghiệm xác định hệ số thấm kth7 khi hàm lượng vật liệu phụ gia

thủy tinh lỏng, TTL, thay đổi ……… 93

3.9 Nhậnxét, kết luận chương 3……… 97

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường xác định hệ số thấm của cát khi cho thấm nhập vào tầng cát chảy các tổ hợp phụ gia khác nhau……… 99

4.1 Nội dung thực nghiệm…….……… 100

4.2 Thiết lập mô hình thực nghiệm hiện trường……… 100

4.3 Xây hố thực nghiệm và tiến hành thực nghiệm……… 102

4.3.1 Xây hố thực nghiệm……… 102

4.3.2 Tiến hành thực nghiệm……… 104

4.4 Kết quả thực nghiệm……… 107

4.4.1 Kết quả thực nghiệm xác định hệ số thấm của cát nguyên trạng…… 107

4.4.2 Kết quả xác định hệ số thấm của cát khi bị thấm nhập bởi tổ hợp vật liệu 1……… 109

4.4.3 Kết quả xác định hệ số thấm của cát khi bị thấm nhập bởi tổ hợp vật liệu 2……… 110

4.4.4 Kết quả xác định hệ số thấm của cát khi bị thấm nhập bởi tổ hợp vật liệu 3……… 111

4.4.5 Kết quả xác định hệ số thấm của cát khi bị thấm nhập bởi tổ hợp vật liệu 4……… 112

4.5 Phân tích hiệu quả kinh tế khi sử dụng các tổ hợp vật liệu phụ gia chống thấm khác nhau……… 113

4.6 Định hướng công nghệ sử dụng vật liệu phụ gia chống cát chảy trong xây dựng nền móng đường ô tô khu vực Nghi Sơn, Than Hóa 116

4.6.1 Đặc điểm xây dựng nền móng đường ô tô ở Nghi Sơn, Thanh Hóa 116

4.6.2 Giải pháp định hướng chống cát chảy bằng Hào chặn dòng ngầm (Hào chống thấm) ……… 117

4.7 Nhận xét, kết luận chương 4 ……… 120

Kết luận, kiến nghị……… 123 Các công trình đã công bố của tác giả

Tài liệu tham khảo

Phần phụ lục (trình bày cuốn riêng)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang Bảng 2.1 Tổng hợp các chỉ tiêu của các lớp đất thí nghiệm……… 34

Bảng 2.2 Kết quả theo dõi mực nước ngầm tại KKT Nghi Sơn………… 38

Bảng 2.3 Kết quả thí nghiệm hàm lượng bụi, bùn sét, sulfat, sulfit, mica 41

Bảng 2.4: Kết quả thực nghiệm xác định hệ số thấm của cát Nghi Sơn…… 52

Bảng 3.1: Kết quả thí nghiệm kth1, của các ống mẫu thí nghiệm theo thời

Bảng 3.6: Kết quả thí nghiệm xác định hệ số thấm kth3, khi hàm lượng

Bảng 3.7 Kết quả thí nghiệm hệ số thấm kth4 theo thời gian (hàm lượng

hỗn hợp [BS-XM] thay đổi, nước trong HH=0)……… 78 Bảng 3.8 Kết quả thí nghiệm hệ số thấm kth4 theo thời gian, (khối lượng [72%BS+28%XM] cố định, lượng nước thay đổi) ……… 80 Bảng 3.9 Kết quả thí nghiệm xác định hệ số thấm kth5 theo thời gian (hàm lượng[XM-BEN] thay đổi, lượng nước trong DH=0)……… 84 Bảng 3.10 Kết quả thí nghiệm hệ số thấm kth5 theo thời gian (khối lượng

[XM-BEN] cố định, lượng nước thay đổi)……… 87

Bảng 3.11: Kết quả thực nghiệm xác định hệ số thấm kth6, hàm lượng

[BS-BEN] thay đổi, lượng nước N=0……… 90 Bảng 3.12 Kết quả thí nghiệm hệ số thấm kth6, tỉ lệ [BS-BEN] cố định,

Bảng 3.13: Kết quả thí nghiệm hệ số thấm kth7, hàm lượng TTL thay đổi… 94

Bảng 3.14 Tổng hợp kết quả nghiên cứu xác định hàm lượng hợp lý của các vật liệu thành phần trong các tổ hợp vật liệu phụ gia chống cát chảy… 98 Bảng 3.15 Tổng hợp kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định các hàm lượng hợp lý của các vật liệu thành phần trong tổ hợp các vật liệu phụ gia chống cát chảy………

98

Bảng 4.1 Kết quả theo dõi hệ số thấm k0 của cát……… 107 Bảng 4.2 Kết quả theo dõi hệ số thấm của mẫu cát tự nhiên và các mẫu cát chứa VLPG chống thấm theo thời gian……… 108

Bảng 4.3 Tổng hợp kết quả theo dõi hệ số thấm kth1 theo thời gian……… 109

Bảng 4.4 Kết quả theo dõi hệ số thấm kth2 theo thời gian……… 110

Bảng 4.5 Kết quả theo dõi hệ số thấm kth3 theo thời gian……… 111

Bảng 4.6 Kết quả theo dõi hệ số thấm kth4 theo thời gian……… 112

Bảng 4.7 Tổng hợp kết quả tính chi phí VLPG chống thấm trên 1 m2

diện tích thành hào chống thấm, (trên một đơn vị chiều rộng hào)……… 115

DANH MỤC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ

Trang

Hình 1 Hình ảnh hố móng đường ô tô ở Nghi Sơn và hình ảnh minh họa

cát chảy……… 2

Hình 1.1 Các thềm biển và những tạo thành cát……… 6

Hình 1.2 Bãi cát ở Quảng Bình có thế nằm đụn, dải……… 6

Hình 1.3 Bãi cát Cửa Hội, Nghệ An……… 6

Hình 1.4 Sơ đồ tầng nước ngầm……….……… 7

Hình 1.5 Sơ đồ dòng ngầm……… 7

Hình 1.6 Sơ đồ bồn ngầm……… 7

Hình 1.7 Sơ đồ dòng ngầm và bồn ngầm……… 8

Hình 1.8 Mô hình nước thấm qua mẫu đất 11

Hình 1.9 Sơ đồ hình thành cát chảy trong hố móng công trình………… 11

Hình 1.10 Cát chảy, lở cát……… 12

Hình 1.11 Cát chảy nhiều lớp……… 12

Hình 1.12 Thi công hệ thống thoát nước TP Thanh Hoá……… 14

Hình 1.13 Sập Viện nghiên cứu Khoa học xã hội bị sập khi thi công công trình cao ốc Pacific bên cạnh……… 15

Hình 1.14 Nền đường đang thi công bị xói lở do cát chảy đường Đông Tây 2, KKT Nghi Sơn……… 15

Hình 1.15 Đường trên sa mạc Sahara bị vùi lấp do cát chảy……… 16

Hình 1.16 Nền nhà ở An Hải, Tuy An, Phú Yên bị sụt lún do mưa lũ…… 16

Hình 1.17 Đường giao thông trên đồi cát bị chia cắt, cửa lò, Nghệ An… 16

Hình 1.18 Cát chảy làm đường bị sụt, lún ở cửa lò, Nghệ An……… 16

Hình 1.19 “Bom nước” thủy điện Ia Krel 2 bị vỡ khiến hàng triệu m3 nước tràn xuống hạ du tạo ra cơn lũ quét kinh hoàng……… 16

Hình 1.20 Vỡ đê sông cầu chày, 3.500 người dân xã Thọ phú lâm vào cảnh khốn cùng……… 16

Hình 1.21 Ruộng đồng của xã Hồng Thủy, Lệ Thủy bị cát chảy vùi lấp……….……… 17

Hình 1.22 Lũ cát xảy ra tại thôn xóm Cát (An Hải, Tuy An, Phú Yên)… 17

Hình 1.23 Đường trên nền Cát chảy bị sình lún, trồi khi thi công đường vào nhà máy Giày, KKT Nghi Sơn……… 19

Hình 1.24 Tường rào bị sập do chấn động nền đường đang thi công đường vào nhà máy Giày, KKT Nghi Sơn……… 19

Hình 1.25 Thi công cống thoát nước Nguyên Bình gặp cát chảy………… 19

Hình 1.26 Đường trên nền cát chảy bị lún nứt, khu dân cư Nguyên Bình 19

Hình 1.27 Cát chảy gây xói lở thượng lưu cống và nền đường phía nam đường 513 KKT Nghi Sơn trong mùa mưa, lũ năm 2013……… 20

Hình 1.28 Kênh thoát nước KKT Nghi Sơn bị sạt lở hố móng do cát chảy 20

Hình 1.29 Hồ Đồng Đáng, xã Trường Lâm, huyện Tĩnh Gia- KKT Nghi Sơn bị vỡ khiến nhiều hộ dân bị ngập chìm trong nước……… 21

Hình 2.1 Thiết bị khoan và mẫu thí nghiệm……… 29

Hình 2.2 Bản đồ địa hình khu vực Nghi Sơn, Thanh hóa……… 30

Hình 2.3 Vị trí các lỗ khoan địa chất, các vị trí theo dõi MNN……… 31

Hình 2.4 Hình trụ hố khoan địa chất đại diện khu vực thực nhgiệm.…… 33

Hình 2.5 Mặt cắt địa chất đại diện khu vực nghiên cứu… ……… 37

Hình 2.6 Quan trắc mực nước ngầm bằng máy đo tự động Multitester

DE-960TR……… 39

Hình 2.7 Biểu đồ thay đổi mực nước ngầm theo thời gian……… 40

Hình 2.8 Sơ đồ thí nghiệm thấm Darcy……… 44

Hình 2.9 Hình chiếu bằng bộ thiết bị, CEPM ……… 45

Hình 2.10 Chi tiết ống đứng 2……….…… 45

Hình 2.11 Mặt cắt A-A của bộ thí nghiệm CEPM ……… ……… 46

Hình 2.12 Thiết bị thí nghiệm sau khi chế tạo và lắp đặt……….…… 46

Hình 2.13 Chế bị mẫu cát thí nghiệm……….……… 50

Hình 3.1 Quan hệ giữa kth1 và thời gian……… 59

Hình 3.2 Quan hệ giữa kth1 và hàm lượng nước trong hỗn hợp sau 144h… 61 Hình 3.3 Quan hệ giữa kth1 và thời gian thí nghiệm sau 144h…….……… 62

Hình 3.4 Quan hệ giữa kth1 và khối lượng BS trong DH [68%BS+32%N], sau……… ……… 64

Hình 3.5 Quan hệ giữa kth2 và hàm lượng nước trong DH [BEN-N] sau 144h……… 67

Hình 3.6 Quan hệ giữa kth2 và hàm lượng BEN trong dung hợp [BEN+31%N], với t=144h……… 68

Hình 3.7 Quan hệ giữa kth3 và thời gian……… 71

Hình 3.8 Quan hệ giữa kth3 và hàm lượng nước trong HH sau 144h ……… 71

Hình 3.9 Quan hệ giữa kth3 và thời gian……… 74

Hình 3.10 Quan hệ giữa kth3 khi thay đổi hàm lượng XM trong DH [XM+N], sau 144h……… 74

Hình 3.11 Quan hệ giữa kth4 và thời gian……… 77

Hình 3.12 Quan hệ giữa kth4, và hàm lượng XM trong HH sau 144h…… 71

Hình 3.13 Quan hệ giữa kth4, hàm lượng nước trong dung hợp và thời gian 81

Hình 3.14 Quan hệ giữa kth4 và hàm lượng nước trong dung hợp sau 144h 81

Hình 3.15 Quan hệ giữa kth5, hàm lượng [XM-BEN] và thời gian………… 83

Hình 3.16 Quan hệ giữa kth5 và hàm lượng XM trong HH sau 144h …… 83

Hình 3.17 Quan hệ giữa kth5, hàm lượng nước trong hỗn hợp và thời gian 86

Hình 3.18 Quan hệ giữa kth5 và hàm lượng nước trong HH sau 144h …… 86

Hình 3.19 Quan hệ giữa kth6, hàm lượng [BS-BEN] theo thời gian……… 89

Hình 3.20 Quan hệ giữa kth6, và hàm lượng BS trong hỗn hợp ……… 89

Hình 3.21 Quan hệ giữa kth6 và hàm lượng nước trong dung hợp

Hình 4.8 Chế bị các mẫu thí nghiệm các hỗn hợp tác nhân chống thấm… 105

Hình 4.9 Xác định lưu lượng Q (đo lượng nước chảy qua ống theo thời gian)……… 106

Hình 4.10 Biến thiên của kth1 theo thời gian……… 109

Hình 4.11 Biến thiên của kth2 theo thời gian……… 110

Hình 4.12 Biến thiên của kth3 theo thời gian………… ……… 111

Hình 4.13 Biến thiên của kth4 theo thời gian………… ……… 113

Hình 4.14 Hình ảnh cát chảy vào hố đào nền móng đường ô tô ở Nghi Sơn 116 Hình 4.15 Sơ đồ MCN hào VLPG chống cát chảy đối với hố móng công trình……… 118

Hình 4.16 Thí nghiệm đo thấm tại đại học Arkansas, theo ASTM D2434, Mỹ………

120 Hình 4.17 Thí nghiệm đo thấm bằng bộ thiết bị CEPM……… 121

1

MỞ ĐẦU

1 Lý do và sự cần thiết thực hiện đề tài

Cát chảy là hiện tượng cát hạt nhỏ, hạt mịn, nhiều hạt bụi, thuộc tầng chứa

nước có áp chảy thoát ra khỏi mặt phát lộ của thành vách ta luy, hố đào…Cát chảy là một hiện tượng địa chất công trình đa dạng, phức tạp, có thể xảy ra nhanh hoặc chậm hoặc rất chậm và âm thầm trong thời gian dài, gây ra nhiều sự

cố, tai biến, phá hoại khôn lường cho nền móng công trình trong quá trình xây dựng và khai thác Tầng đất chứa cát chảy là một dạng đất yếu, có thành phần, trạng thái và thuộc tính đặc biệt, cần có những giải pháp đặc biệt để xử lý

Hiện tượng sụt lở, mà một trong những nguyên nhân chủ yếu là do xói ngầm, cát chảy làm phá hoại thành vách hố móng, lún sụt công trình xảy ra ở nhiều nơi và khá phổ biến; như các hố tử thần, lún sập tòa nhà Pacific ở thành phố Hồ Chí Minh, sụt lở móng nền đường ở khu Kinh tế Nghi Sơn; sập nhà 4 tầng ở Gò Vấp, Thành phố Hồ chí Minh,…

Việt Nam là một quốc gia có bờ biển dài hơn 3000 km, có vùng châu thổ và duyên hải kéo dài được trầm tích, bồi tụ tạo thành với các tầng cát tích, nước ngầm hoạt động Hoạt động địa chất thủy văn phức tạp đã tạo nên hiện tượng xói ngầm, cát chảy phổ biến ở hầu khắp các tỉnh thành vùng duyên hải trong cả nước

Vùng duyên hải Nghi Sơn, Thanh Hóa có diện tích 18.611 ha, trải dài hơn 10km bờ biển, đang được đầu tư xây dựng cơ sở hạ tầng phục vụ cho khu kinh

tế Nghi Sơn; trong đó trọng tâm là công nghiệp nặng, công nghiệp cơ bản như Lọc hóa dầu, Nhiệt điện, Luyện cán thép, Cơ khí chế tạo…

Tầng cát chảy thuộc khu vực Nghi sơn thuộc tầng nông, có diện phân bố rộng, chiều sâu từ 1 đến 5 mét Hoạt động của cát chảy đã và đang gây ra rất nhiều khó khăn trong quá trình thi công xây dựng nền móng công trình, đặc biệt

là nền móng công trình đường ô tô Hình 1 cho thấy tác động của dòng ngầm cát chảy tác động vào một móng đường đang thi công trong khu vực

Trong quá trình xây dựng cơ sở hạ tầng kỹ thuật của khu kinh tế Nghi Sơn, Thanh Hóa; hiện tượng xói ngầm, cát chảy đã gây không ít khó khăn cho xây dựng nền móng đường ô tô như khu tái định cư Xuân Lâm - Nguyên Bình,

đường 513, đường vào nhà máy giày Sungrade… và đã phải áp dụng nhiều biện pháp xử lý tốn kém, phức tạp nhưng chưa thực sự hiệu quả

Hình 1 Hình ảnh hố móng đường ô tô ở Nghi Sơn và hình ảnh minh họa cát chảy

- Gia cố nền đất bằng hóa chất;

- Đóng băng nước trong đới dòng ngầm chứa tầng đất cát bão hòa nước;

- Xây dựng hệ thống tường cừ, tường vây, cọc baret, cọc đất-xi măng, bentonite…

- Phun phụt vữa (Jet grounting)

- Bơm hút nước làm khô hố móng…[16], [17], [42], [49], [51]

Tùy thuộc điều kiện địa lý tự nhiên, địa chất thủy văn, vật liệu xây dựng, và tiềm lực kinh tế, công nghệ khác nhau mà các giải pháp công nghệ sẽ được ứng dụng và hiệu quả thu được sẽ khác nhau

3

Nhiều giải pháp nêu trên yêu cầu công nghệ thi công phức tạp, đầu tư thiết

bị đắt tiền, thường chỉ áp dụng thích hợp cho hố móng sâu, có quy mô không

lớn Đối với móng đường trải dài hàng chục km với diện tích lớn, chiều sâu hạn

chế trong phạm vi từ 1m – 3 m thì những giải pháp trên thường không thích hợp

và quá tốn kém; khi đó cần nghiên cứu giải pháp đơn giản hơn bằng cách kết hợp dùng hào với tạo thấm nhập vào tầng cát chảy các vật liệu phụ gia chống thấm; tuy nhiên dùng những vật liệu phụ gia nào, với hàm lượng và tỷ lệ phối

hợp ra sao để cho hiệu quả tốt nhất?

Vấn đề đặt ra là: phải tìm được giải pháp hợp lý, kinh tế, phù hợp với năng lực thiết bị trong nước, tận dụng vật liệu địa phương để khắc phục một cách hiệu quả và bền vững hiện tượng cát chảy trong điều kiện Việt Nam; trước mắt nhằm phục vụ thiết thực cho xây dựng đường ô tô thuộc khu kinh tế Nghi Sơn và vùng duyên hải Thanh Hóa?

Đây thực sự là một câu hỏi lớn đặc biệt có ý nghĩa đối với các nhà xây dựng

Từ những phân tích như vậy, đề tài luận án: “ Nghiên cứu giải pháp chống cát chảy trong xây dựng công trình đường ô tô tại khu kinh tế Nghi Sơn tỉnh Thanh Hóa ”

là nhằm giải quyết một vấn đề khoa học, thực tiễn cấp thiết trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa cơ sở hạ tầng giao thông vận tải

2 Mục tiêu nghiên cứu

Kết hợp lý thuyết và thực nghiệm nhằm đề xuất được giải pháp hợp lý và sử dụng các vật liệu phụ gia chống cát chảy trong xây dựng nền móng công trình đường ô tô khu vực Nghi sơn, Thanh Hóa

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu giái pháp chống cát chảy trong xây dựng công trình đường ô tô

Phạm vi nghiên cứu: Khu kinh tế Nghi Sơn, tỉnh Thanh Hóa

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Nghiên cứu của luận án sẽ tập trung làm sáng tỏ hơn cấu tạo của cát và hoạt động cát chảy vùng duyên hải Nghi Sơn, Thanh Hóa

Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ góp phần làm phong phú hơn các giải pháp công nghệ chống cát chảy trong xây dựng nền móng công trình, đặc biệt là

nền móng đường ô tô thích hợp cho vùng kinh tế Nghi Sơn và có thể tham khảo

áp dụng cho các vùng duyên hải rộng lớn có điều kiện địa chất thủy văn tương

tự

Những giải pháp được luận án đề xuất trên cơ sở ứng dụng vật liệu phụ gia địa phương rẻ tiền có hiệu quả chống thấm tốt sẽ có ý nghĩa thực tiễn cao về kinh tế - kỹ thuật; bảo đảm bền vững nền móng, giúp tiết kiệm chi phí xây dựng, đẩy nhanh tiến độ thi công công trình

5 Cấu trúc của luận án

Nội dung nghiên cứu của luận án được thể hiện qua các chương:

Phần mở đầu

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Nghiên cứu điều kiện địa chất thủy văn và thực nghiệm xác định

hệ số thấm của cát trong tầng cát chảy Nghi Sơn

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng xác định vật liệu phụ gia

hợp lý chống cát chảy;

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường xác định hệ số thấm của

cát khi cho thấm nhập vào tầng cát chảy các tổ hợp vật liệu phụ gia khác nhau

Phần kết luận, kiến nghị

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Cát chảy là hiện tượng cát hạt nhỏ, mịn, nhiều hạt bụi sét, thuộc tầng chứa

nước ngầm có áp chảy thoát ra khỏi mặt phát lộ của thành vách ta luy, hố đào khi xây dựng nền móng công trình… Cát chảy là một hiện tượng địa chất công trình đa dạng, phức tạp, có thể xảy ra nhanh hoặc chậm hoặc rất chậm và âm thầm trong thời gian dài, gây ra nhiều tai biến, sự cố phá hoại khôn lường cho nền móng công trình xây dựng Tầng đất chứa cát chảy là một dạng đất yếu, có thành phần, trạng thái và thuộc tính đặc biệt, cần có những giải pháp đặc biệt để

Các nội dung chính của chương:

1.1 Khái quát chung về cát biển và nước ngầm;

1.2 Cơ sở lý thuyết về dòng thấm;

1.3 Tổng quan về cát chảy trong xây dựng công trình vùng duyên hải; 1.4 Các nghiên cứu trên thế giới và trong nước về cát chảy và giải pháp chống cát chảy;

1.5 Mục tiêu của đề tài;

1.6 Nội dung nghiên cứu, kết quả nghiên cứu trong phòng và hiện trường; 1.7 Phương pháp nghiên cứu;

1.8 Kết luận chương

1.1 Khái quát chung về cát biển và nước ngầm

1.1.1 Khái quát chung về cát biển

Cát biển là loại đất có nguồn gốc trầm tích, được tạo thành từ các sản phẩm của quá trình phá hủy các loại đất đá thành tạo từ trước đó (Đá macma, biến chất, trầm tích); do kết quả tích tụ và biến đổi tiếp theo của các trầm tích

có nguồn gốc cơ học Trong thành phần cát biển, các khoáng vật ít bị phong hóa chiếm ưu thế như thạch anh, felspat.[14]

Cát biển có kiến trúc rời rạc, tính chất rỗng xốp cao, độ rỗng tương đối lớn; có kiểu thế nằm theo lớp, đụn, dải Các lớp cát được tạo thành trong quá

trình trầm đọng một cách có chu kỳ, chúng có thể có độ dày rất lớn Cát có tính thấm nước lớn, tính thoát nước tốt; tính ép co nhỏ, thực tế ít bị nén lún

Hình 1.1 Các thềm biển và những tạo thành cát (Lê Đức An, 1979) [23]

1 – Phần lộ đá kết tinh, tuổi trước Neogen; 2 – Nơi phát hiện tectit; 3 – Di tích khảo cổ (2500 năm); 4 – Nơi có xác định tuổi C 14

; 5 – Các lớp có chứa vỏ sò hến

Cát biển có hạt nhỏ, độ mài mòn cao, khác với cát sườn tích thường có hạt to hơn và sắc cạnh; nguyên nhân là do cát biển bị mài dũa lâu dài bởi nước biển, sóng biển Từ bờ biển vào sâu trong lục địa cát biển trở nên mịn hơn, cát

bờ biển hoặc trên các đụn cát cao phân bố gần các cửa sông thường thô hơn, màu vàng và chứa nhiều mảnh nhỏ sò hến, vỏ cua biển

Các thành tạo cát biển có màu sắc khác nhau, màu của cát có liên quan đến quá trình hình thành và lịch sử phát triển bờ biển Tất cả các bờ biển có thể chia ra 7 nhóm căn cứ vào màu của chúng: cát vàng, cát trắng, cát đỏ, cát xám, cát vàng cam, cát vàng sáng và cát vàng nâu Ba nhóm đầu phân bố rộng rãi ở

bờ biển Việt Nam, những nhóm còn lại chỉ gặp lẻ tẻ trên một vài diện tích không lớn

Hình 1.2 Bãi cát ở Quảng Bình Hình 1.3 Bãi cát Cửa Hội, Nghệ An

Cát biển có thành phần cơ bản là cát, trong đó hàm lượng cát mịn rất cao, từ 71 đến 94%, hàm lượng sét vật lý thấp, ít khi vượt quá 10-15% Sự thay

đổi các cấp hạt trong cát biển phụ thuộc vào vị trí của chúng so với bờ biển, gió thổi từ biển vào mang theo các hạt mịn, để lại các hạt thô

Quan sát cát bờ biển có thể thấy, cát gồm chủ yếu là quartz, ngoài ra còn các hạt đục không cho ánh sáng đi qua Có thể nhìn thấy qua kính lúp một số mảnh nhỏ đá vôi, vẩy mica đen và trắng, các felspath, apatit, thạch cao, calcit…

Cát biển có dung trọng thay đổi từ 1,4-1,7 g/cm3, tỷ trọng 2,6-2,7 g/cm3

,

độ xốp từ 35 – 45%, sức chứa ẩm từ 2,5 đến 15,5%.[16], [23], [24], [41], [58]

1.1.2 Hoạt động của nước ngầm

Nước ngầm là loại nước trọng lực dưới đất trong tầng chứa nước thứ nhất kể từ trên xuống Phía trên tầng nước ngầm thường không có lớp cách nước che phủ và nước trọng lượng không chiếm toàn bộ bề dày của đất đá

thấm nước, nên bề mặt của nước ngầm là một mặt thoáng tự do (Hình 1.4)

Tùy thuộc vào điều kiện thế nằm, người ta chia ra làm 3 loại:

- Dòng ngầm: Khi đáy cách nước nằm ngang hoặc nghiêng, nước ngầm

chảy theo một phương nào đó (Hình 1.5)

- Bồn ngầm: Khi đáy cách nước bị lõm xuống, mặt nước ngầm gần như

1 Cát; 2 Cát chứa nước; 3 Đất đá cách nước

Hình 1.7 Sơ đồ dòng ngầm và bồn ngầm

1 Cát; 2 Cát chứa nước; 3 Đất đá cách nước; 4 Mực nước ngầm; 5 hướng vận động của dòng ngầm; 6 Nước mưa ngấm

Nguồn cung cấp cho nước ngầm là nước mưa, nước sông ngoài đổ về, nước thủy triều, đôi khi do nước ở dưới sâu đi lên theo các đứt gãy kiến tạo hoặc các cửa sổ địa chất thủy văn Hướng thoát của nước ngầm là sông, ao hồ

và biển

Ở vùng duyên hải, địa hình thường trũng thấp; chúng ta thường gặp các dải đất thấp ngập nước, hẹp và kéo dài, phân bố song song với đường bờ; độ cao của MNN ở đây thường cao và tùy thuộc vào điều kiện địa hình, khí hậu, khoảng cách đến biển mà độ cao MNN khác nhau

Mùa mưa nước ngầm dâng cao, mùa khô thì ngược lại MNN cũng phụ thuộc vào triều cường hay triều kiệt, khoảng cách đến bờ biển.[9],[25], [39], [58]

Vận động thấm của nước trong đất đá có thể mang đặc tính ổn định hoặc không ổn định:

- Vận động ổn định: Đặc trưng bởi sự ổn định của các yếu tố dòng thấm (Tốc độ, lưu lượng, mực nước, gradien thuỷ lực ) theo thời gian

- Vận động không ổn định: Các yếu tố dòng thấm thay đổi theo thời gian; sự thay đổi thường do các nhân tố tự nhiên và nhân tạo gây ra

Vận động thấm của nước dưới đất có lưu lượng ổn định hoặc không ổn định (dòng chảy rối) Nước dưới đất hầu hết vận động thấm là dòng chảy tầng; do vậy, lưu lượng dòng thấm cũng được xem là lưu lượng dòng thấm

ổn định

Dòng thấm ổn định là dòng thấm có lưu lượng không đổi theo thời gian

và không gian Khi tầng chứa nước có độ đồng nhất kém thì vận tốc thấm ở các tiết diện sẽ không giống nhau theo diện hoặc theo chiều thẳng đứng.[14],

[48], [51]

1.2.2 Định luật thấm tuyến tính, (định luật Đarcy)

Theo định luật Darcy, lưu lượng thấm tỉ lệ thuận với tiết diện thấm, với độ chênh áp lực và tỉ lệ nghịch với chiều dài dòng thấm Định luật thấm Darcy được áp dụng cho dòng thấm là dòng chảy tầng; được biểu thị bằng biểu thức:

I F k L

H F k

Trong đó : Q - Lưu lượng thấm;

k - Hệ số tỉ lệ phụ thuộc loại đất, (hệ số thấm của đất);

“Vận tốc thấm dòng chảy ổn định tỉ lệ bậc nhất với gradien thuỷ lực”

Khi xét dòng thấm qua tiết diện F, bao gồm diện tích lỗ rỗng và hạt đất, nhưng trong thực tế nước chỉ thấm qua được tiết diện lỗ rỗng (hình 1.8) Nếu độ rỗng của đất là n thì tiết diện thấm thực tế là F.n và vận tốc thấm thực tế sẽ là:

n

V n

Hệ số thấm k là một đặc trưng quan trọng để đánh giá tính thấm của đất Đối với các loại đất khác nhau, phạm vi thay đổi hệ số k ứng với áp suất vào khoảng 1.102

-:- 2.102 như sau:

Đất cát k = 1.10-1

-:- 1.10-4 cm/s

Đất cát pha sét k = 1.10-3

-:- 1.10-6cm/s Đất sét pha cát k = 1.10-5

-:- 1.10-8 cm/s Đất sét k = 1.10-7

-:- 1.10-10 cm/s

Các yếu tố ảnh hưởng đến tính thấm của đất:

Đất thấm nhiều hay ít là do ảnh hưởng của nhiều yếu tố, trong đó phải

kể đến điều kiện hình thành và tồn tại của đất, kết cấu và kiến trúc của đất,

kích thước và hình dáng của hạt, thành phần dung dịch nước lỗ hổng và

lượng chứa các khí kín

Trong quá trình tồn tại, các lớp đất ngày càng bị nén chặt dưới trọng

lượng của các lớp tạo thành sau lắng đọng ngày càng dày ở bên trên, do đó

lỗ hổng của chúng ngày càng giảm đi và tính thấm của chúng ngày càng bé

Kích thước và hình dáng các hạt cũng như cấp phối của đất có liên

quan đến kích thước và số lượng các lỗ hổng, tức là với lượng nước kết

hợp, do đó ảnh hưởng quan trọng đến tính thấm của đất Đất cát có kích

thưỡc lỗ hổng lớn, hơn nữa trong đất cát không có nước kết hợp, nên tính

thấm của đất cát lớn, đất sét có kích thước lỗ hổng bé, có nước kết hợp bao

bọc, nên tính thấm bé

Thành phần dung dịch nước lỗ hổng ảnh hưởng đến tính thấm của đất

thông qua cơ chế của sự trao đổi ion làm cho chiều dày màng nước kết hợp

bao bọc hạt đất tăng hoặc giảm, dần tới tính thấm của đất sẽ tăng giảm

theo

Ảnh hưởng của khí kín đối với tính thấm của đất thể hiện ở chỗ làm

tắc đường thấm nước Khi lượng khí kín trong đất nhiều, thì tính thấm

giảm so với khi trong đất không có khí kín [14], [15], [24]

1.2.3 Định luật thấm phi tuyến (định luật A.AKrastiovolski)

Khi vận động thấm của nước dưới đất tạo thành dòng chảy rối, vận tốc

- Dạng tổng quát của vận tốc thấm nước dưới đất: m

k I k

Đơn vị tính của vận tốc thấm là m/h, m/ng.đ thì đơn vị tính của k cũng là m/h và m/ng.đ Hệ

số thấm phụ thuộc vào thành phần hạt đất và nhiệt độ của nước dưới đất Nó được xác định bằng thí nghiệm thấm ở trong phòng và ở hiện trường hoặc sơ bộ xác định bằng các công thức kinh nghiệm theo độ rỗng n và d10 của đất

Trường hợp m = 1, quy luật thấm lại trở về đúng với định luật Đacxi, nếu m > 1 thì quan hệ vận tốc thấm với gradiên thủy lực sẽ thể hiện là đường cong [14], [15], [45], [47], [49], [50], [51], [54], [58], [59]

1.3 Tổng quan về cát chảy trong xây dựng công trình vùng duyên hải 1.3.1- Tổng quan về cát chảy

Cát chảy là một hiện tượng địa chất công trình được biểu hiện bởi dòng bùn cát chảy vào hố móng dưới tác dụng của áp lực thủy động Kết quả làm cho hố móng bị biến dạng, các công trình ở gần hố móng sẽ không ổn định: bị lún hoặc nứt [15], [17]

Hình 1.9 Sơ đồ hình thành cát chảy trong hố móng công trình

Cát chảy là hiện tượng gây khó khăn trong quá trình thi công hố móng, công trình ngầm, gây mất ổn định mái dốc, khối trượt làm mất ổn định và gây biến dạng các công trình lân cận; tăng khối lượng đào đất, tăng thời gian thi

công và tăng chi phí giải pháp kỹ thuật (Hình 1.9.)

Cát chảy thường có kết cấu xốp rời, dễ bị nén chặt, bị dồn ép hoặc bị trồi lên Cát chảy là loại đất yếu, kém ổn định, khi thi công cần có biện pháp kỹ thuật đặc biệt để đảm bảo sự ổn định cho các công trình [14], [24]

Khi cát chảy ở phía dưới sườn dốc, mái dốc, hố đào sẽ khoét rỗng tầng đế, làm cho các khối phía trên mất điểm tựa; khi đó sẽ hình thành khối trượt mới hoặc thúc đẩy, phát triển thêm các khối trượt đã có, làm phá vỡ sự ổn định của sườn dốc, mái dốc hoặc hố đào; gây nên sụt lún, biến dạng các công trình đó hoặc công trình gần đó

Cát chảy xuất hiện nhiều ở vùng đồng bằng duyên hải, nguyên do đây là nơi có cấu tạo địa chất phổ biến là cát hạt mịn, hạt nhỏ (do chịu bài mòn bởi nước biển và sóng biển), địa hình trũng thấp, MNN cao (chịu nhiều tác động của các điều kiện tự nhiên, khí hậu, thủy văn, thủy triều)

Điều kiện phát sinh cát chảy:

Để hiện tượng cát chảy xảy ra, phải có hai điều kiện chính:

- Thành phần đất là cát rời, giữa các hạt gần như không có lực dính (c=0) hoặc lực dính rất nhỏ, lỗ rỗng có chứa đầy nước

Trong điều kiện nhất định nhất định, hiện tượng cát chảy xuất hiện trong đất cát hạt mịn, hạt nhỏ, hạt bụi hoặc đất cát pha hạt bụi

- Áp lực thủy động của dòng nước ngầm truyền vào các hạt cát khi mở hố móng, hố đào Do tính thấm nước yếu của cát chảy nên áp lực thủy động gây ra

áp lực thấm truyền vào hạt cát làm cho hạt cát di chuyển theo hướng giảm gradien thấm

Khi đất cát chuyển sang trạng thái chảy sẽ mất liên kết kiến trúc, các hạt

sẽ chuyển sang trạng thái lơ lửng

Cát chảy rất nhạy cảm với chấn động (hay hiện tượng rung, chấn động)

và lực đập động lực Các lực đó sẽ làm hỏng công trình, ngay cả khi nơi phát lực đó ở rất xa công trình [7],[24]

Theo đặc tính, cát chảy được chia làm hai loại:

- Cát chảy giả: Cát chảy do áp lực thủy động Khi chuyển động, nước dưới đất tạo ra áp lực thủy động  tác dụng lên các hạt đất đá và được xác định theo biểu thức:

dt

dq g

1

I th  đn  s   (1.5) Trong đó:

g - gia tốc trọng trường;

dt

dq - vận tốc thấm của nước

q – lưu lượng thấm, t – thời gian thấm

I – gradien thấm; Ith – gradien áp lực nước tới hạn s- là khối lượng riêng của cát, g/cm3, n - dung trọng của nước;

quanh hạt cát làm giảm ma sát giữa các hạt Khi có một áp lực thủy động tác dụng, dòng cát được đẩy đi Khi giảm gradien thủy lực của dòng nước ngầm nhỏ hơn Igh, cát chảy vẫn xảy ra

Hệ số thấm của chúng rất nhỏ, nhỏ hơn 0,43 m/ng Đặc tính của cát chảy thật là khả năng phóng thích nước kém Khi mất nước chúng biến thành những khối cố kết

Cát chảy rất nhạy cảm với chấn động (hiện tượng rung) và lực va đập động lực các lực đó sẽ làm hỏng công trình, ngay cả khi nơi phát ra lực đó ở rất xa [14], [24], [40], [41], [42], [50], [51], [54]

1.3.2 Sự cố công trình do cát chảy trên thế giới và Việt Nam

Có 3 dạng sự cố công trình do cát chảy gây ra:

1 – Cát chảy gây sạt lở, sụt lún hố móng công trình khi khai đào như: nhà cửa, cầu cống, nền đường, các công trình ngầm…

Xảy ra phổ biến khi đào hố móng để thi công công trình, đặc biệt các

công trình ở vùng duyên hải (hình 1.12, 1.13, 1.14)

Điển hình trong số đó là:

- Khi thi công đường hầm tàu điện ngầm ở thành phố xanh Petecbua (Nga) làm hàng nghìn mét khối đất đá đã ập vào đường hầm rộng 80m, tạo nên những hố sụt lớn trên bề mặt địa hình [14]

- Khi thi công công trình cao ốc Pacific làm sập Viện nghiên cứu Khoa học xã hội;

- Thi công công trình ở TP Thanh Hóa gây sụt lún hai bên hố đào và lún nứt công trình hai bên đường…

Hình 1.12 Thi công hệ thống thoát nước TP Thanh Hoá phải dùng cọc ván thép kết hợp bơm hút do gặp cát chảy tuồn vào hố móng gây sụt lún nhà dân và các công trình hai bên

Hình 1.13 Sập Viện nghiên cứu Khoa học xã

hội bị sập khi thi công công trình cao ốc

Pacific bên cạnh

Hình 1.14 Nền đường đang thi công bị xói

lở do cát chảy đường Đông Tây 2, KKT

Nghi Sơn

Nguyên nhân sự cố:

- Khi khai đào hố móng công trình, tạo ra các vết lộ của hố móng, tạo điều kiện cho áp lực thủy động của dòng thấm hoạt động và truyền vào các hạt cát, làm cho các hạt cát di chuyển theo hướng giảm áp lực dòng thấm (tức là hướng vào hố móng công trình)

- Dòng cát khi di chuyển vào hố móng công trình làm cho hố móng công trình bị vùi lấp, đồng thời làm cho khối đất đá trên thành hố móng bị mất điểm tựa và gây ra lún, nứt, biến dạng thậm chí sụp đổ hố móng công trình hoặc bộ phận công trình trên đó

- Dòng cát chảy thường kéo dài với khoảng cách khá xa so với hố móng công trình khai đào; đồng thời quá trình thi công đầm lèn gây ra hiệu ứng rung chấn lớp cát dưới hố móng công trình có thể làm cho công trình gần đó lún, nứt, thậm chí sụp đổ

2 – Cát chảy gây ra biến dạng trượt, trồi, lún, thậm chí sụp đổ công trình khi thi công, khai thác Thể hiện qua các ví dụ: Từ hình 1.15 đến 1.20, hình 1.23 đến 1.27

- Do độ chặt của lớp cát chảy không đủ, khi công trình đặt trên nền cát chảy chưa được giải quyết triệt để, dưới tác dụng của tải trọng động, tải trọng bản thân công trình gây ra hiện tượng trượt giữa các hạt cát (mực nước ngầm cao, các hạt cát được bọc bởi các hạt sét và hữu cơ, làm giảm ma sát giữa các hạt cát) làm cho nền móng công trình rạn nứt, gây trượt, trồi giữa các lớp cát Hiện tượng này thường xảy ra đối với đường ô tô có kết cấu móng nông, chịu tải trọng động

Hình 1.15 Đường trên sa mạc Sahara bị vùi

bộ nền móng công trình ra khỏi vị trí trước đó

Hình 1.17 Đường giao thông trên đồi cát bị

chia cắt, cửa lò, Nghệ An

Hình 1.18 Cát chảy làm đường bị sụt, lún

ở cửa lò, Nghệ An

Hình 1.19 “Bom nước” thủy điện Ia Krel 2 bị

vỡ khiến hàng triệu m3 nước tràn xuống hạ du

tạo ra cơn lũ quét kinh hoàng

Hình 1.20 Vỡ đê sông cầu chày, 3.500 người dân xã Thọ phú lâm vào cảnh khốn

3 – Cát chảy gây sa mạc hóa ruộng vườn, làng mạc khi mưa lũ lớn, gió lốc xoáy

Hình 1.21 Ruộng đồng của xã Hồng Thủy,

Lệ Thủy bị cát chảy vùi lấp Hình 1.22 Lũ cát xảy ra tại thôn xóm Cát (An Hải, Tuy An, Phú Yên)

Do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, nước biển dâng; lũ cát thường xuất hiện ở vùng duyên hải Khi mưa to, bão gió lớn, thì mực nước dâng cao, các dòng nước do mưa lũ lớn cuốn theo những dòng cát làm sa mạc hóa ruộng vườn, vùi lấp các công trình giao thông, xây dựng Làm cho công trình hư hỏng, xuống cấp nhanh chóng thậm chí gây nguy hiểm, mất an toàn cho cuộc sống nhân dân trong vùng

Sự gia tăng của các hiện tượng khí hậu cực đoan và thiên tai, cả về tần số và cường độ do biến đổi khí hậu là mối đe dọa thường xuyên, trước mắt và lâu dài đối với tất cả các lĩnh vực, các vùng và các cộng đồng Bão,

lũ lụt, hạn hán, mưa lớn, nắng nóng, tố lốc là thiên tai xảy ra hàng năm ở nhiều vùng trong cả nước, gây thiệt hại cho sản xuất và đời sống

Nạn cát chảy xảy ra chủ yếu ở vùng ven biển Dọc bờ biển Quảng Trị các cồn cát phát triển mạnh tập trung ở các huyện Hải Lăng, Triệu Phong, Gio Linh, Vĩnh Linh và Thành phố Đông Hà Hiện tượng cát bay xảy ra do nguyên nhân mùa khô nóng kéo dài 6 tháng (từ tháng I tới tháng VII), tốc

độ gió trong mùa đạt 3-5 m/s đã làm cho cát khô ở các cồn chuyển dịch từ phía biển vào nội đồng, tốc độ trung bình 2-3 m/năm Ngược lại với mùa khô, mùa mưa ở Quảng Trị kéo dài từ tháng IX đến tháng XII với lượng mưa có thể đạt trên 600 mm/tháng đã tạo ra dòng chảy mặt tập trung trên vùng cát Dòng chảy này đã kéo theo một khối lượng cát lớn xuống lấp

đồng ruộng, công trình (Hình 1.21 đến 1.24)

1.3.3 Những sự cố công trình ở vùng cát chảy Nghi Sơn

Khu Kinh tế Nghi Sơn được Chính phủ thành lập, nằm ở phía Đông Nam tỉnh Thanh Hóa, nằm trên dải đồng bằng ven biển Bắc Trung Bộ, có chiều dài khoảng 12km bờ biển Là KKT nằm ở vùng ven biển, có địa hình tương đối bằng phẳng, thành tạo bởi các dải cát hạt mịn, hạt bụi; có địa hình thấp, trũng, mực nước ngầm cao, chịu tác động của khí hậu cực đoan, thủy triều đã tạo nên vùng đồng bằng chịu tác động của cát chảy khi xây dựng công trình

Hơn 10 năm xây dựng và phát triển, Khu kinh tế Nghi Sơn được đánh giá

là một trong 5 khu kinh tế trọng điểm của cả nước được Chính phủ quan tâm, ưu tiên đầu tư xây dựng hạ tầng để kêu gọi thu hút đầu tư, phát triển công nghiệp; Làm tăng nhanh giá trị thặng dư cho nền kinh tế

Hằng năm KKT Nghi Sơn được đầu tư hàng nghìn tỷ đồng để xây dựng

hạ tầng kỹ thuật, xã hội; trong đó chú trọng đầu tư phát triển hạ tầng giao thông

để kết nối các khu chức năng trong và ngoài khu kinh tế; tạo sự đồng bộ và liên kết chặt chẽ giữa đường bộ, đường sắt, đường biển và đường hàng không để trao đổi, giao thương hàng hóa, du lịch, hành khách, cũng như tạo sự liên kết vùng

Cùng với quá trình đầu tư, xây dựng; công tác thi công, khai thác các công trình trong khu kinh tế Nghi Sơn thời gian qua gặp những sự cố công trình

do cát chảy có thể nêu tên như sau:

1/ Sự cố khi thi công công trình đường vào nhà máy giày khu vực xã Bình Minh – Sự cố trong thi công, (Hình 1.23, 1.24)

Sự cố được mô tả và gây tổn thất như sau:

- Nền đường được thiết kế với nền đào sâu 50 cm, thi công đắp bù 30cm K98 Kết quả không thi công được phải bóc đi làm lại nhiều lần do lớp K98 chịu tác động của nước ngầm và cát chảy dưới nền công trình; đồng thời bức tường của nhà máy chạy dọc sát bên đường cũng bị lún, nứt và sập

Nguyên nhân do tác động của lớp cát chảy dưới móng nền đường có độ chặt không đủ; khi đầm lèn, các lớp cát trượt lên nhau gây ra trồi lún, sình lầy lớp k98, không thể thi công được Không những thế, lớp cấp phối đá dăm cũng không thể chịu được khi xe chạy Kết quả phải bóc đi làm lại, kinh phí tăng lên nhiều lần

Đồng thời khi đầm rung, chấn động của lu làm cho cát dưới nền đường chuyển động và gây tác động, dịch chuyển đến lớp cát dưới móng của tường rào làm nghiêng đổ bức tường dài gần 1km, phải phá đi, xây lại

Hình 1.23 Đường trên nền Cát chảy bị sình

lún, trồi khi thi công đường vào nhà máy

Giày, KKT Nghi Sơn

Hình 1.24 Tường rào bị sập do chấn động nền đường đang thi công đường vào nhà máy Giày, KKT Nghi Sơn

2/ Công trình đường Đông Tây 2, KKT Nghi Sơn- sự cố trong thi công

Quá trình thi công đầm lèn gây nên chấn động các hộ dân hai bên đường làm nứt nhà cửa của nhân dân hai bên đường, phải đền bù thiệt hại Sau mùa

mưa năm 2009, cát chảy còn gây xói lở nền đường đang thi công (Hình 1.14)

3/ Công trình đường giao thông khu dân cư Nguyên Bình – Sự cố khai thác (Hình 1.25, 1.26)

Đường trong khu dân cư Nguyên bình – Khu kinh tế Nghi Sơn, sau khi thi công xong, đưa vào khai thác một thời gian thì xuất hiện các vết nứt do lớp cát chảy dưới nền đường chuyển động làm biến dạng các lớp nền đường Vậy nên phải đào bỏ thi công lại

Hình 1.25 Thi công cống thoát nước Nguyên

Bình gặp cát chảy

Hình 1.26 Đường trên nền cát chảy bị lún nứt, khu dân cư Nguyên Bình

4/ Công trình đường 513 Khu kinh tế Nghi Sơn – Sự cố khai thác

Công trình đường 513 Khu kinh tế Nghi Sơn đang khai thác, sử dụng bị

xói lở do cát chảy dưới móng nền đường trong mùa mưa 2013 (Hình 1.27)

Hình 1.27 Cát chảy gây hư hỏng thượng lưu cống và nền đường 513 KKT Nghi Sơn trong mùa mưa, lũ năm 2013

5/ Thi công cọc khoan nhồi cầu sông Bạng 2, KKT Nghi Sơn gặp thấu

kính cát chảy ở độ sâu -15m, làm sập ống vách; không thể khoan tiếp được Để tiếp tục khoan đến độ sâu thiết kế, phải bỏ đi một đoạn ống vách để giữ thành cọc và khoan qua thấu kính đó

6/ Thi công kênh thoát nước thôn thành gặp sự cố cát chảy làm trôi cọc

cừ, lấp hố móng công trình làm tăng chi phí xây dựng (Hình 1.28)

Hình 1.28 Kênh thoát nước KKT Nghi Sơn bị sạt lở hố móng do cát chảy

7/ Cơn bão số 10 ngày 30/9 năm 2013 gây mưa to, lượng mưa lên đến 50mm, đã gây ra vỡ 3 hồ chứa nước trong huyện Tĩnh Gia – KKT Nghi Sơn là

hồ Đồng Đáng, hồ Thung Cối và hồ Khe Trầu (Hình 1.29)

Hình 1.29 Hồ Đồng Đáng, KKT Nghi Sơn bị vỡ khiến nhiều hộ dân bị ngập lụt

Lượng nước tích trữ trong 3 hồ kể trên có tổng dung tích lên đến gần 1 triệu m3 đổ ập xuống làm hơn 1.000 hộ dân ở 5 xã Tân Trường, Trường Lâm, Mai Lâm, Trúc Lâm, Hải Thượng… bị ngập sâu trong nước từ 1 – 1,5m, có nơi ngập đến 2m nước

Những sự cố, hình ảnh nêu trên đã phần nào mô tả sự cố công trình do cát chảy ở trên thế giới, Việt Nam cũng như KKT Nghi Sơn; chúng rất đa dạng và phổ biến khi thi công ở hầu hết các dạng công trình: Cống, nền đường, công trình cầu, nhà cửa, đê đập thủy lợi… Do vậy việc nghiên cứu giải pháp khắc phục những sự cố cát chảy KKT Nghi Sơn đang là vấn đề thời sự và cấp bách

1.4 Các nghiên cứu trên thế giới, trong nước về cát chảy và giải pháp chống cát chảy

1.4.1 Các nghiên cứu về cát chảy trên thế giới

Cát chảy là hiện tượng địa chất rất phức tạp, phổ biến; vì vậy các nhà khoa học và xây dựng thế giới đã nghiên cứu về hiện tượng này từ rất sớm và trong thời gian dài; trong nhiều thế kỷ, con người phải gian nan chống chọi với hiện tượng tự nhiên phức tạp đó Lý thuyết thấm trong đất và các nghiên cứu đã làm sang tỏ cơ chế hoạt động của cát chảy; từ đó người ta đã nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật để chống giữ hố móng, bơm hút nước, cố kết đất, ngăn chặn hoạt động của nước ngầm… Ngày nay nhiều nơi trên thế giới người ta sử dụng giải pháp bơm phụt vữa để khống chế dòng thấm Biện pháp bơm phụt vữa khá hiệu quả, tuy nhiên đòi hỏi thiết bị hiện đại, đắt tiền

Năm 1933, khi nghiên cứu cát chảy K.Terzaghi cho rằng tính chảy của cát hoàn toàn chỉ do tác dụng của áp lực thủy động, chứ không phải bản chất của một loại cát đặc biệt nào.[7]

Năm 1935, A.F.Lebedev kết luận rằng tính chảy không những liên quan với áp lực thủy động mà còn liên quan tới thành phần đặc biệt của cát Cát chảy tiêu biểu có thành phần và những dấu hiệu đặc trưng dễ nhận biết A.F.Lebedev đề nghị gọi cát chảy như vậy là cát chảy thật Kết luận này được nhiều nhà nghiên cứu xác nhận, trong số đó có kết quả nghiên cứu của N.N.Maxlov (1959,1968,1971)

N.N.Maxlov cho rằng sự hóa lỏng và chảy của cát không những liên quan đến thành phần mà liên quan đến tính chất và trạng thái của cát Tính chảy chỉ đặc trưng cho những loại cát không có lực ma sát trong còn lực dính thì không có hoặc nhỏ Năm 1972, V.V.Radina công bố về ảnh hưởng của vi sinh vật với tính chảy của cát chảy thật [40], [42]

Năm 1959, P.Uxov đã liệt cát chảy vào các loại đất đặc biệt, chúng có tính chảy [7]

Cuối năm 1970, Viện thiết kế Thủy lợi Liên Xô phát hiện ra vi sinh vật trong cát chảy Vi sinh vật cũng đóng vai trò quan trọng làm cho cát chảy [23]

Năm 1943 trong giáo trình cơ học đất, Giáo sư Karl Terzaghi đã đề cập đến hiện tượng cát chảy (seepage); hay Soi Mechanic của tác giả Robert Nova, Australia, 1995…có thể nói trong các tài liệu về cơ học đất trên thế giới đều đề cập đến hiện tượng cát chảy; tuy nhiên giải pháp cụ thể chống cát chảy thì vẫn đang trong quá trình nghiên cứu ở nhiều dạng thức và cấp độ khác nhau tùy thuộc trình độ khoa học công nghệ của mỗi quốc gia, khu vực

Năm 1945, công binh Mỹ thực hiện đầu tiên việc đào hào trong dung dịch

để xây dựng chân khay chống thấm dọc đê sông Missippi Năm 1959 áp dụng làm tường chống thấm cho đập đất đập lớn đầu tiên (USACE) Kể từ đó công nghệ này được áp dụng chống thấm cho rất nhiều đập

Năm 1969, hào xi măng – bentonit được thi công đầu tiên ở đập Razaza (Iran) do công ty Soletane thực hiện, từ năm 1971 – 1972 có 4 đập ở Mehico sử dụng tường hào xi măng – bentonit để chống thấm cho thân và nền đập

Năm 2005, Diễn đàn các kỹ sư kết cấu Việt Nam công bố đề tài, Hạ thấp

mực nước ngầm khi thi công hố móng lớn, cách thi công hạ thấp MNN tại

Vương quốc Bỉ, công ty Vinck

Năm 2006, nhóm sinh viên Khúc Hồng Vân, Heng Phoury và Nguyễn

Khoa Diệu Linh nghiên cứu khoa học đề tài: “ Bảo vệ thành vách và tiêu nước

hố móng cho nền cát chảy”