NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH BẰNG BƠM ERLIFT ĐỂ KHOAN CÁC GIẾNG KHAI THÁC NƯỚC NGẦM Ở NHƠN TRẠCH- ĐỒNG NAI

Tạp chí ĐỊA KỸ THUẬTISSN - 0868 - 279X NĂM THỨ 21 SỐ 2 NĂM 2017 MỤC LỤC NGUYỄN XUÂN THẢO, NGUYỄN DUY TUẤN, khoan tuần hoàn nghịch bằng bơm Erlift để khoan các giếng khai thác nước

Tạp chí ĐỊA KỸ THUẬTISSN - 0868 - 279X NĂM THỨ 21

SỐ 2 NĂM 2017

MỤC LỤC

NGUYỄN XUÂN THẢO, NGUYỄN DUY TUẤN,

khoan tuần hoàn nghịch bằng bơm Erlift để khoan các giếng khai thác nước ngầm ở Nhơn Trạch - Đồng Nai 3

TRẦN THƯƠNG BÌNH: Một số vấn đề về kết quả tính toán biến dạng lún cuối cùng trong thiết kế nền móng 9

ĐỖ NGỌC HÀ, ĐOÀN HUY LỢI, HUỲNH

dụng thiết bị máng mô phỏng trượt đất để nghiên cứu hiện tượng trượt nông tại thành phố Hạ Long, Quảng Ninh 15

NGUYỄN VĂN VI, NGUYỄN THANH HƯNG, NGUYỄN VĂN HIỀN: Nghiên cứu các đặc trưng thống kê giới hạn chảy của cốt thép trong các cầu btct thường 26

PHAN HUY ĐÔNG: Độ lún cố kết của nền theo quá trình gia tải nhiều cấp trong gia

cố nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia

TRẦN NGUYỄN HOÀNG HÙNG, HÀ HOAN HỶ: Đường kính cọc Soilcrete tạo ra bởi Jet Grouting: các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp xác định 41

PGS.TS NGUYỄN HUY PHƯƠNG

PGS.TS DOÃN MINH TÂM

Ngày 8-6-1996, Bộ Văn hóa - Thông tin

Cơ quan xuất bản: Viện Địa kỹ thuật

(Liên hiệp các Hội KH&KT Việt Nam)

38 phố Bích Câu - Đống Đa - Hà Nội

Tel: 04 22141917

Email: tapchidkt@yahoo.com.vn; viendkt@vusta.vn

Website: www.vgi-vn.vn

Xuất bản 3 tháng 1 kỳ

Nộp lưu chiểu: tháng Sáu 2017

In tại Công ty in Thủy lợi

Giá: 20.000 đ

VIETNAM GEOTECHNIAL JOURNAL

ISSN - 0868 - 279X VOLUME 21 NUMBER 2 - 2017

CONTENTS

PHAN HUY DONG: Thiếu tít tiếng Anh

NGUYEN DINH THU: Thi u tít ti ng Anh

NGUYEN XUAN THAO, NGUYEN DUY TUAN, NGUYEN THE VINH: Research on applying reverse circulation technology by using erlift pump to drill wells in Nhon Trach -

TRAN THUONG BINH: Some problems on calculation results final settlement of design

DO NGOC HA, DOAN HUY LOI, HUYNH

Application of landslide flume experiment

to research the shallow landslides in Ha Long, Quang Ninh 15

NGUYEN VAN VI, NGUYEN THANH HUNG, NGUYEN VAN HIEN: Studies statistical characteristics of the yield strength of steel rod in conventional reinforced concrete

PHAN HUY DONG: Consolidation settlement

of soil under multi – stage loading in soft soil improvement by PVP with surcharge 30

TRAN NGUYEN HOANG HUNG, HA HOAN HY: Diameters of soilcrete columns created

by Jet Grouting: affected factors and determination methods 41

DEPUTY EDITORS-IN-CHIEF

Assoc Prof.,Dr DOAN THE TUONG

EDITORIAL BOARD

Assoc Prof.,Dr DANG HUU DIEP

Assoc.Prof Dr PHUNG MANH DAC

Assoc Prof., Dr PHAM QUANG HUNG

Assoc Prof.,Dr NGUYEN BA KE

Dr PHUNG DUC LONG

Prof NGUYEN CONG MAN

Assoc Prof Dr NGUYEN HONG NAM

Assoc Prof.,Dr NGUYEN SY NGOC

Prof.,Dr VU CONG NGU

Assoc Prof.,Dr VO PHAN

Assoc Prof.,Dr NGUYEN HUY PHUONG

Assoc., Prof Dr DOAN MINH TAM

Prof., Dr TRAN THI THANH

Assoc Prof.,Dr.VUONG VAN THANH

Prof Dr TRINH MINH THU

Dr LE THIET TRUNG

Prof., Dr DO NHU TRANG

Assoc Dr TRAN VAN TU

Dr TRAN TAN VAN

Printing licence No 1358/GPXB

dated 8 June 1996 by the Minister of Culture and Information

Published by the Vietnam Geotechnical Institute (Vietnam

Union of Science and Technology Associations)

Add: 38 Bich Cau, Dong Da, Hanoi

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN

NGHỊCH BẰNG BƠM ERLIFT ĐỂ KHOAN CÁC GIẾNG

KHAI THÁC NƯỚC NGẦM Ở NHƠN TRẠCH- ĐỒNG NAI

NGUYỄN DUY TUẤN

Research on applying reverse circulation technology by using erlift pump to drill wells in Nhon Trach- Dong Nai

Abstract: One of the causes to the decline and breakage of the

underground well in Nhon Trach - Dong Nai industrial zone is the application of forward circulation drilling technology This method consists a lot of weak points when being used in cohesionless sedimentary layers in Nhon Trach A number of researches on reverse circulation drilling technology by using Erlift pump in sedimentary layers in Nhon Trach, Dong Nai will be presented in this article The advantage of this method is that the components are extruded from the boreholes such as gas, water and drill cuttings wash (3-phase flow) no directly impacts to the wellbores and aquifer characteristics This has a positive impact on the life expectancy of the well, as well as improvement of the efficiency of use

of wells

1 ĐẶT VẤN ĐỀ *

Trong những năm gần đây, nhu cầu nước

sạch cho sinh hoạt ở khu công nghiệp Nhơn

Trạch-Đồng Nai ngày càng gia tăng; trong khi

đó lưu lượng các giếng khai thác nước ngầm

ngày càng suy giảm Sau 5 năm vận hành khai

thác, hầu hết các giếng đều giảm lưu lượng khai

thác so với thiết kế ban đầu; trong đó có một số

giếng bị hư hỏng nặng Một trong các nguyên

nhân gây ra suy giảm lưu lượng khai thác hoặc

hư hỏng là do các giếng đều thi công bằng

phương pháp khoan xoay tuần hoàn thuận

truyền thống Đây là phương pháp có nhiều

nhược điểm khi khoan khai thác nước ngầm

bổ sung khai thác nước ngầm trong địa tầng trầm tích khu công nghiệp Nhơn Trạch - Đồng Nai thay thế các giếng đã hư hỏng

2 NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH BẰNG BƠM ERLIFT ĐỂ KHOAN CÁC GIẾNG KHAI THÁC NƯỚC NGẦM

2.1 Sơ lược về cấu tạo và nguyên lý làm việc của bơm erlift

Bơm erlift (Airlift pump) được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp mỏ để bơm thoát nước tháo khô mỏ; trong khai thác khoáng sản rắn bằng phương pháp thủy lực; trong khai thác cát làm vật liệu xây dựng; bơm nước quan trắc thủy

văn, v.v Trong khoan thăm dò, bơm erlift được

áp dụng để duy trì dòng nước rửa tuần hoàn

nghịch khi khoan trong các điều kiện địa chất

phức tạp với mục đích nâng cao tỷ lệ mẫu; khoan

thăm dò sa khoáng ở thềm lục địa và khoan các

giếng đường kính lớn khai thác nước ngầm

Cấu tạo bơm erlift (hình 1) gồm: ống nâng;

ống dẫn khí; buồng hòa trộn khí; ống hút

Hình 1 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc

của bơm erlift (Airlift pump)

1- ống nâng; 2- ống dẫn khí;

3-buồng phối khí; 4- ống hút

Trong quá trình khoan, hỗn hợp ban đầu gồm

dung dịch và mùn khoan (2 pha) ở phía dưới

buồng hòa trộn khí; nhờ chênh lệch áp suất ở

buồng hòa trộn khí, hỗn hợp 2 pha được hút vào

buồng hòa trộn khí qua ống hút 4 và hòa trộn

với khí tạo thành hỗn hợp 3 pha gồm dung dịch-

mùn khoan- khí Sau khi hòa trộn, hỗn hợp 3

pha được vận chuyển lên bề mặt qua ống 1

Mức độ hòa trộn của khí với hỗn hợp 2 pha để

tạo thành hỗn hợp 3 pha có khối lượng riêng

nhỏ hơn phụ thuộc vào lưu lượng và áp suất khí

truyền vào buồng hòa trộn khí

Hỗn hợp 3 pha được vận chuyển lên bề mặt

qua ống nâng 1 nhờ năng lượng tạo ra từ khí

nén truyền từ máy nén khí vào buồng hòa trộn

khí Năng lượng cần thiết của khí nén để nâng hỗn hợp 3 pha được xác định như sau [4,5,6]:

)101

P Q

trong đó N - năng lượng cần thiết của khí

nén để nâng hỗn hợp 3 pha,J; Q - lưu lượng khí k

Công nghệ khoan tuần hoàn nghịch cũng như công nghệ khoan tuần hoàn thuận cần đảm bảo rửa sạch mùn khoan ở đáy giếng Đây là một trong các yếu tố cơ bản quyết định tới chất lượng và năng suất khoan Để đảm bảo rửa sạch mùn khoan cần tính toán lưu lượng và tốc

độ bơm rửa phù hợp với phương pháp khoan, đặc điểm và tính chất đất đá khoan qua Lưu lượng cần thiết của bơm erlift để rửa sạch và tải mùn khoan lên bề mặt được xác định theo công thức sau:

0 2785,

Q  (2) Trong đó: Q- lưu lượng cần thiết để rửa sạch mùn khoan ở đáy giếng, m3/s; D- đường kính trong của cần khoan, m; V - vận tốc trung 0

bình của dòng hỗn hợp 3 pha chảy trong cần khoan, m/s

Khi nghiên cứu năng lượng khí cần thiết để nâng hỗn hợp 3 pha dọc theo cần khoan lên mặt đất, các tác giả đã xác định vận tốc dòng chảy của hỗn hợp 3 pha phụ thuộc vào lưu lượng khí truyền từ máy nén khí vào buồng hòa trộn và đường kính trong của cần khoan theo công thức:

3600

).(

42 0

D

K Q Q





trong đó: Q - lưu lượng khí cần thiết để tạo k

năng lượng nâng hỗn hợp 3 pha lên bề mặt,

m3/h; K - hệ số nén của khí do áp suất của cột n

dung dịch trong cần khoan ở phía trên buồng hòa trộn khí và được xác định theo công thức:

10(

Vận tốc V h dòng chảy của hỗn hợp 2 pha (dung

dịch và mùn khoan) từ đáy giếng khoan lên buồng

hòa trộn khí được xác định theo công thức sau:

V - vận tốc của dòng chảy 2 pha từ đáy

giếng khoan lên buồng hòa trộn khí, m/s; D - h

đường kính cần khoan ở phía dưới buồng hòa

trộn khí,m;

Lưu lượng khí cần thiết để nâng hỗn hợp 3

pha lên bề mặt được xác định theo công thức

sau [4,6]:

)110lg(

H- chiều cao nâng hỗn hợp 3 pha của bơm

erlift, m;  - hệ số hữu ích của bơm erlift Từ

biểu thức (6),ta tính lưu lượng của bơm erlift

phụ thuộc vào lưu lượng khí và chiều cao nâng

hỗn hợp 3 pha:

H

h Q

Q

10lg(

0

h P

Q

g QH

Lưu lượng bơm của bơm erlift không chỉ phụ

thuộc vào lưu lượng khí và đường kính trong

của cần khoan mà còn phụ thuộc vào hệ số nhấn

chìm của bơm trong lòng giếng Mối quan hệ

giữa hệ số với chiều sâu nhấn chìm buồng hòa

trộn khí và chiều cao nâng hỗn hợp 3 pha của

bơm erlift trong lòng giếng được xác định theo

3 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM CÔNG NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH BẰNG BƠM ERLIFT ĐỂ KHOAN CÁC GIẾNG KHAI THÁC NƯỚC NGẦM Ở NHƠN TRẠCH - ĐỒNG NAI

3.1 Đặc điểm địa chất thủy văn và địa tầng chứa nước

Theo tài liệu Địa chất thủy văn [3] tầng chứa nước trong trầm tích khu công nghiệp Nhơn Trạch

là tầng Pliocen (N2) nằm dưới tầng Pleistocen; chiều dày tầng chứa nước dao động từ 35 m - 65m; lưu lượng đạt từ 3 l/s đến 19 l/s; hệ số dẫn nước (Km) từ 300 m2 /ngày đến 720m2/ngày; trữ lượng nước đạt tới 110.000 m3 /ngày

Hình 2 Đường đặc tính bơm của bơm erlift khi thay đổi hệ số và chiều sâu nhấn chìm

Cột địa tầng trầm tích khu công nghiệp Nhơn Trạch gồm các lớp đất đá kém bền vững, liên kết yếu như : sét pha cát, cát hạt trung đến thô;

và các lớp sét lẫn sạn sỏi laterit ngăn cách nước

Tầng chứa nước là tầng cát hạt trung đến hạt thô

lẫn sạn sỏi

Kết quả nghiên cứu thành phần hạt [3] cho thấy

các lớp cát pha có kích thước hạt từ trung bình đến

thô (từ 1mm-0,5mm) và rất thô (từ 2mm-1mm)

Đặc biệt lớp cát nâu vàng có chứa sỏi kích thước

từ 5 mm-2mm (tới 6,6%) Hầu hết các lớp sét pha

đều chứa sỏi kích thước khác nhau; sỏi kích thước

lớn hơn 10mm chiếm tới 29,3% ; sỏi kích thước

lớp sét pha và sét pha lẫn sạn sỏi laterit trạng thái

déo,dẻo cứng, nửa cứng có khối lượng riêng từ

3.2 Yêu cầu kỹ thuật đối với các giếng khai

thác nước ngầm và thiết bị, dụng cụ khoan

Các giếng bổ sung khai thác nước ngầm ở

Nhơn Trạch- Đồng Nai được khoan thăm dò

đường kính 120 mm từ 0m-80 m Sau đó theo yêu

cầu của thiết kế, các giếng khai thác nước đều

được khoan đường kính 550 mm đến chiều sâu 78

m bằng công nghệ khoan xoay tuần hoàn nghịch

Công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng

bơm erlift được áp dụng khoan 18 giếng bổ

sung thay thế các giếng khai thác nước ngầm đã

bị hư hỏng ở khu công nghiệp Nhơn Trạch-

Đồng Nai Hình 3 mô tả cấu trúc giếng khai thác

nước ngầm GK5A đặc trưng cho vùng Nhơn

Trạch được khoan bằng công nghệ tuần hoàn

nghịch bằng bơm erlift

Để khoan thử nghiệm các tác giả đã lựa chọn

thiết bị và dụng cụ khoan như sau:

1 Máy khoan УРБ-ЗАМ-500 đã được cải

tiến chuyên dùng cho khoan khai thác nước ngầm bằng công nghệ tuần hoàn nghịch

2 Dụng cụ khoan gồm: bộ cần khoan đường kính ngoài 127mm, dày 9 mm, dài 3 m, nối với nhau bằng mặt bích; ống dẫn khí nén CS 33x27 mm,dài 3 m, lắp đối xứng ở cạnh bề mặt ngoài của cần khoan

3 Chòong khoan ba cánh đường kính 650mm; 550 mm;

Hình 3 Cấu trúc giếng GK5A khai thác nước ngầm

Trong quá trình khoan sử dụng dung dịch ít sét

để ngăn ngừa sự sập lở thành giếng khoan Các thông số cơ bản của dung dịch khoan như sau: Trọng lượng riêng 1,05-1,1 g/cm3; độ nhớt biểu kiến 22-24 s; độ thải nước 8 - 10 cm3/30 ph Sau khi khoan đến chiều sâu thiết kế, các giếng khoan được thực hiện các công đoạn xây

dựng, lắp đặt giếng khai thác nước ngầm như

trong khoan tuần hoàn thuận

3.3 Đánh giá kết quả thử nghiệm

Các kết quả thử nghiệm (bảng 1) áp dụng công

nghệ tuần hoàn nghịch bằng bơm erlift để khoan

các giếng khai thác nước ngầm ở Nhơn Trạch-

Đồng Nai cho thấy các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật

đạt giá trị cao hơn so với công nghệ tuần hoàn

thuận trong cùng điều kiện ở Nhơn Trạch - Đồng

Nai (điều kiện địa tầng, yêu cầu thiết kế giếng,

chiều sâu và công suất ở khai thác)

Hình 4 Sơ đồ công nghệ khoan tuần hoàn

nghịch bằng bơm erlift

1.cần khoan phía dưới buồng hòa trộn khí;2

buồng hòa trộn khí; 3.ống dẫn khí; 4.mực nước

thủy tĩnh; 5.hỗn hợp mùn khoan-dung dịch- khí;

6 ống định hướng; 7.bong bóng khí; 8 máy nén

khí; 9.tyô dẫn khí nén;10.cần chủ động; 11.đầu xanhic; 12.tyô xả; 13.bàn rô to; 14 mực nước động; 15 hố dung dịch; 16 choòng khoan

Hình 5 Hình ảnh sỏi và cát lấy từ giếng khai thác nước ngầm ở Nhơn Trạch khi khoan tuần

hoàn nghịch bằng bơm erlift

Hình 5 mô tả một số hình ảnh thành phần và kích thước hạt mùn khoan lấy lên từ các giếng khai thác nước ngầm ở vùng Nhơn Trạch Đồng- Nai khi khoan tuần hoàn nghịch bằng bơm erlift

Bảng 1 So sánh kết quả khoan các giếng khai thác nước ngầm ở Nhơn Trạch bằng công nghệ tuần hoàn nghịch và thuận

Các chỉ tiêu

Công nghệ khoan tuần hoàn nghịch

Công nghệ khoan tuần hoàn thuận

Tỷ lệ tăng giảm

so với tuần hoàn thuận

- Thời gian trung bình khoan, h/giếng

- Tiến độ khoan trung bình, m/h

- Thời gian rửa và làm sạch giếng, h/giếng

- Lưu lượng bình quân 1 giếng, m3/h

55, 3 1,45

24

115

67,8 1,12

52

83

Giảm 18% Tăng 29,5% Giảm 53,8% Tăng 39%

4 KẾT LUẬN

Các kết quả nghiên cứu và thử nghiệm áp

dụng công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng

bơm erlift để khoan các giếng khai thác nước

ngầm ở Nhơn Trạch- Đồng Nai cho thấy:

- Công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng

bơm erlift cho phép khoan các giếng khai thác

nước ngầm đường kính đến 550 mm trong địa

tầng trầm tích bở rời,liên kết yếu Ưu điểm của

phương pháp này là các thành phần được đẩy

lên từ giếng khoan gồm khí,nước rửa và mùn

khoan (dòng 3 pha) không tác động trực tiếp

đến thành giếng khoan và đặc tính của tầng

chứa nước Điều này ít nhiều có tác động tích

cực tới tuổi thọ của giếng cũng như nâng cao

hiệu quả sử dụng giếng

- Trong cùng một điều kiện địa tầng như ở

Nhơn Trạch, khi áp dụng công nghệ khoan tuần

hoàn nghịch bằng bơm erlift cho phép tăng lưu

lượng khai thác đến 39%; tốc độ cơ học tăng

29,5%; thời gian thi công giảm 18%; thời gian

thổi rửa và làm sạch giếng giảm 53,8% so với

công nghệ khoan tuần hoàn nghịch

-Tùy thuộc vào đường kính giếng khoan,

đường kính cần khoan, lưu lượng và áp suất khí,

công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng bơm

erlift có thể nâng được cột dung dịch với hàm

lượng mùn khoan tới 60%-70% và kích thước hạt

mùn từ 50-60 mm tới chiều cao từ 80 m-100 m

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Lê Kim Đồng và nnk Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học “ Thiết kế chuyển đổi công nghệ khoan tuần hoàn thuận sang công nghệ khoan tuần hoàn ngược trong khoan khai thác nước dưới đất trong điều kiện Việt Nam Tp

Hồ Chí Minh-2006

2 Nguyễn Duy Tuấn, Nguyễn Xuân Thảo Kết quả áp dụng công nghệ khoan tuần hoàn ngược trong các giếng khai thác nước dưới đất ở Nhơn Trạch- Đồng Nai Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ- Địa chất số 54/04-2016, tr 62-65

3 Nguyễn Duy Tuấn, Nguyễn Minh Quân Báo cáo kết quả khoan thăm dò và khai thác nước dưới đất khu công nghiệp Nhơn Trạch 5 tại Huyện Nhơn Trạch Tỉnh Đồng Nai.Viện Công nghệ Khoan- Hà Nội- 2015

4 Drilling technique manual 1981, Wirth Maschen-und Bohrgerate –Fabrik Gmbh; Germal-1981

5 Xu Liu Wan Air Lift Reverse Circulation Drilling Technique in Water Well Construction Institute of Exploration Techniques China Academy of Geosciences, Beijing 2004

6 Гейер В Г Эрлифтные установки Донецк-1982

Người phản biện:GS.TS TRƯƠNG BIÊN

MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN BIẾN DẠNG LÚN

CUỐI CÙNG TRONG THIẾT KẾ NỀN MÓNG

TRẦN THƯƠNG BÌNH*

Some problems on calculation results of final settlement in the foundation design

Abstract: The paper analyzes the error factors in the prediction method

of final settlement, clarifies the practical meaning of the calculation results

ĐẶT VẤN ĐỀ *

Biến dạng lún của nền là sự phản ánh kết

quả tương tác giữa đất nền với tải trọng công

trình Trong khi đó, đất nền có vô vàn các

thuộc tính và tải trọng thì đa dạng, nên từ các

bài toán liên quan đến tính toán biến dạng lún

đã có các cách mô phỏng khác nhau về các

đặc điểm đất nền và tải trọng Theo đó, biến

dạng lún đã có nhiều phương pháp khác nhau

với kết quả tính không giống nhau Ngoài ra,

nếu phân biệt các phương pháp bởi bản chất

thông tin của các số liệu đất nền, thì trong

cùng một diện tích lãnh thổ, các phương pháp

khác nhau luôn cho kết quả tính khác nhau Sự

khác nhau đó chính là sự khác nhau về giá trị

sai số của kết quả tính mà phương pháp nào

cũng có Do đó, để đánh giá sự khác nhau về

giá trị kết quả tính trong cùng một xác suất tin

cậy của lý thuyết xác suất thống kê, để khẳng

định phương pháp nào chính xác hơn là không

đủ cơ sở, nếu không có một giá trị lún thực tế

Trong khi đó, giá trị lún cuối cùng của đất nền

dưới một tải trọng không đổi là kết quả của

một quá trình diễn biến theo thời gian, có khi

hàng chục năm Ngoài sự khác nhau về mức

*

Đại học Kiến trúc Hà Nội

ĐC: Km 10, đường Nguyễn Trãi, quận Thanh Xuân,

là một vấn đề rất đáng bàn luận

1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ BIẾN DẠNG LÚN CHO CÔNG TRÌNH

Các phương pháp đánh giá biến dạng lún của nền, nếu phân biệt với nhau theo bản chất của thông tin sử dụng trong đánh giá thì có thể chia thành các nhóm:

+ Quan trắc lún Các thông tin trong quan trắc là các giá trị lún thực tế đo được của một công trình với tải trọng xác định trên vị trí nền xác định Như thế, kết quả quan trắc cho biết giá trị lún chính xác ứng với các điều kiện rất cụ thể của tải trọng tại chính đất nền đó Mọi ứng xử của đất nền sẽ thể hiện khách quan và trực tiếp tổng hợp vào các phép đo chuyển vị lún hay nghiêng Do đó, về nguyên tắc sử dụng thí nghiệm quan trắc để đánh giá cho công trình khác tương tự, đặt trên đất nền tương tự sẽ cho các ứng xử tương tự Tuy nhiên, thực tế một nền đất tương tự là một khái niệm liên quan đến mức độ khác nhau của

các loại nền thông qua việc đánh giá các đặc

điểm ứng xử của nền Do đó, kết quả quan trắc

là giá trị lún thực tế, nhưng luôn có tính bất định

về không gian, tức là kết quả không đúng cho

công trình có tải trọng như thế, nhưng đặt ở

không gian khác

+ Tính toán theo kết quả thí nghiệm hiện

trường

Điểm chung của các thí nghiệm hiện trường

có khả năng xác định biến dạng lún của nền là

tạo ra biến dạng cho nền bằng một tác dụng của

tải trọng tại hiện trường nơi đã, đang hoặc sẽ xảy

ra các ứng xử với tải trọng công trình Giá trị của

kết quả thí nghiệm hiện trường là sự phản ánh

khách quan các đặc điểm đất nền trong một phạm

vi nào đó được nhận biết thông qua sự biến đổi

trạng thái ứng suất nền bởi một tác động bên

ngoài gây ra biến dạng cho nền Cho nên, giá trị

sử dụng của thông tin về đất nền mà thí nghiệm

hiện trường mang lại, phụ thuộc vào phương thức

gây ra dạng phản ứng của nền và cách thức thu

nhận thông tin từ các phản ứng đó Do đó, ý

nghĩa của kết quả thí nghiệm hiện trường phụ

thuộc vào việc khai thác và sử dụng nó

Hiện nay, kết quả thí nghiệm hiện trường

trong tính toán biến dạng lún thường sử dụng hệ

số nền của thí nghiệm nén tĩnh nền, giá trị

kháng xuyên của thí nghiệm CPT

- Phương pháp nén tĩnh nền

Cơ sở của phương pháp là đề xuất của

Sleikhe-Polshin trong trường hợp nền đất một

lớp đất với chiều dày vô hạn, thì biến dạng lún

của nền dưới đế móng được xác định bởi

ý nghĩa phản ánh ứng xử của nền khác nhau Bởi vì, nếu diện tích hoặc tải trọng càng lớn thì chiều sâu vùng ảnh hưởng càng lớn, theo đó hệ

số nền phản ánh ứng xử nén của nền đến chiều sâu lớn hơn

Do đó, để xác định độ cứng của nền chỉ nên

áp dụng cho trường hợp nền đất đồng nhất hoặc nền có chiều dầy lớp đất chịu nén nằm trên đá gốc không lớn, trong trường hợp nền phân lớp thì sử dụng diện tích bàn nén và tải trọng nén bằng với diện tích đế móng và tải trọng công trình Như thế, khi nén trên nền phân lớp, tải trọng thí nghiệm sẽ rất lớn nếu công trình có tải trọng lớn, đó là hạn chế phương pháp này khi triển khai vào thực tế

- Phương pháp dựa vào kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh CPT

Năm 1957, De Beer và Martens được bổ xung bởi Bogdanovich, Milovich 1963, phương pháp đánh giá biến dạng lún theo giá trị xuyên CPT như sau:

2

ln3

phản lực nền và không giống nhau về chế độ

chất tải Ngoài ra, sự biến đổi mối quan hệ ứng

suất biến dạng trong ứng xử của đất dưới đế

móng với đất xung quanh mũi xuyên có những

điểm khác biệt đã hạn chế ý nghĩa sử dụng kết

quả thí nghiệm xuyên tĩnh trong tính toán biến

dạng Nhưng, với ưu điểm tiến hành đơn giản

cho phép thu thập thông tin đất nền ở nhiều

điểm và ở các độ sâu khác nhau, kết quả xuyên

tĩnh có nhiều điều kiện để kết hợp với các thông

tin khác trong đánh giá biến dạng lún

Tính toán biến dạng lún bằng thí nghiệm

xuyên tĩnh còn được tiến hành thông qua các

quan hệ tương quan giữa qc với E thể hiện dưới

dạng bảng tra hoặc các hàm tương quan Tuy

nhiên, các hàm tương quan được xây dựng trên

các số liệu của một khu vực giữa các cặp số

liệu, nên chỉ có ý nghĩa khu vực với một sự

chính xác nhất định Ưu việt lớn nhất của

phương pháp tính biến dạng lún bằng xuyên tĩnh

là kết quả tính là không phụ thuộc vào việc phân

chia chủ quan các lớp đất dưới nền

- Tính toán theo kết quả thí nghiệm trong phòng

Các phương pháp tính toán này xem xét quy

luật phân bố ứng suất gây lún giảm dần theo độ

sâu, trên cơ sở sử dụng kết quả thí nghiệm nén

không nở hông và tính toán độ lún của nền dưới

tâm diện chịu tải Theo mức độ xem xét khác

nhau về quy luật phân bố ứng suất và vùng chịu

nén, có các phương pháp sau

Phương pháp sử dụng đường cong e-p

Đặc điểm của phương pháp xem xét biến

dạng lún thông qua biến thiên từ lúc chưa chất

tải đến khi kết thúc lún của quá trình chất tải của

độ rỗng đất ở các độ sâu khác nhau, theo đó độ

lún của nền sẽ là

bt i z i

S i T i n

i

i e e m

Trong đó, eiT,eis- hệ số rỗng của phân tố thứ i

trước và sau khi gia tải

iz, ứng suất gây lún ở phân tố thứ i

ibt ứng suất bản thân ở phân tố thứ i m- chiều dày phân tố

i- hệ số nở hông của phân tố thứ i Phương pháp dựa vào đường e-logp Đặc điểm của phương pháp là dựa vào đường cong bán loga để tìm ra giới hạn phân chia 2 trạng thái của đát có bản chất cố kết khác nhau:

- Với đất quá cố kết (c> vo) đất đã trải qua quá trình nén chặt

' '

lg

voi i

n

i

ci c

q h

e

C S

lg(

i

i c

q C

e

h S

q = I.H.- tải trọng gây lún lên lớp thứ i, trong đó I hệ số ảnh hưởng xác định theo toán

đồ Oserberg Phương pháp lớp tương đương:

Đặc điểm của phương pháp là tuyến tính hóa đường phân bố ứng suất bằng việc quy đổi vùng chịu nén theo chiều dày lớp tương đương như sau:

hs chiều dày lớp tương đương hs=A b với A là

hệ số tra bảng dựa vào kích thước độ cứng ở tâm hoặc góc móng và hệ số biến dạng ngang 

a0 – hệ số nén lún rút đổi bình quân;

0 0

1 e

a a

P j

j h

2

Trong đó, Pct độ bền cấu trúc của đất;

j- Grandien thủy lực

xem độ lún của nền dưới một diện chịu tải,

được xác định bởi biểu thức

s

Ph

a

S 0

+ Phương pháp phân tầng lấy tổng

Đặc điểm của phương pháp là chia nền đất ra

nhiều phân tố để xác lập trạng thái ứng suất cho

các phân tố, trong đó độ lún của nền là tổng

biến dạng của các phân tố theo công thức:

i i i i n

mi – chiều dầy phân tố thứ i

Ei – modul tổng biến dạng của phân tố thứ i nhận

được từ tính toán kết quả thí nghiệm trong phòng

i

 - hệ số nở hông của phân tố thứ i nhận được

từ bảng tra hoặc tính theo công thức

n - số phân tố trong vùng chịu nén z Z là

chiều sâu tính từ đáy diện chịu tải đến độ sâu có

ứng suất gây lún z nhỏ hơn 5 lần ứng suất bản

thân bt

Các phương pháp liên quan đến kết quả thí

nghiệm trong phòng chứa đựng nhiều yếu tồ sai

số, bao gồm:

- Kết quả thí nghiệm trong phòng là sản

phẩm của nhiều công đoạn lấy mẫu, vận

chuyển, bảo quan, gia công và kết quả thí

nghiệm phụ thuộc vào kỹ năng thao tác, sự

chính xác của thiết bị

- Các mô phỏng về trạng thái của mẫu đất

trong phòng thí nghiệm không thể đúng với

trạng thái tồn tại của nó và điều kiện để nó ứng

xử đúng với thực tế Trong khi, một sai số nhỏ

của thí nghiệm thông qua các phép cộng sẽ trở

thành lớn của kết quả tính

- Tính lún bằng kết quả thí nghiệm trong

phòng còn phụ thuộc vào sự xác lập chiều dày

các lớp đất

Nhưng các phương pháp tính lún bằng kết

quả thí nghiệm trong phòng đều tính ở tâm diện chịu tải, nơi phân bố ứng suất theo chiều sâu là lớn nhất, cùng với sự chỉnh lý thống kê kết quả thí nghiệm và các phép tuyến tính trong bài toán Do đó, thay vì các sai số của kết quả tính dao động xung quanh giá trị thực đã được dồn

về một phía để đảm bảo kết quả tính toán là giá trị có độ tin cậy cao nhất cho ổn định công trình Chính vì thế, cùng với các ưu điểm khác, phương pháp tính toán dựa vào kết thi nghiệm trong phòng đã trở thành truyền thống và phổ biến trong thiết kế tiền định

Tóm lại mỗi phương pháp đêu có những ưu và nhược điểm khác nhau, không phương pháp nào

ưu việt trong mọi hoàn cảnh Do đó, kết hợp giữa các phương pháp thí nghiệm hiện trường và quan tắc với tính toán bằng thí nghiệm trọng phòng sẽ cho giá trị sát thực nhất, vấn đề là kết hợp như thế nào để có kết quả đánh giá hợp lý nhất

2 Mục đích của tính toán biến dạng và ý nghĩa cúa các kết quả

Ngoài các sai số kết quả của các phương pháp tính, thì kết quả tính còn phụ thuộc vào việc xác định tải trọng, trong khi tải trọng công trình là kết quả của tổ hợp theo các kịch bản Như vậy, tải trọng tác dụng xuống nền đất thông qua móng không phải là giá trị thực, nên kết quả tính toán biến dạng lún cho một công trình cụ thể cũng là không thực, cho dù kết quả từ các phương pháp tính là chính xác

Hơn thế, biến dạng lún của đất nền luôn kèm theo sự biến đổi cấu trúc của đất để hình thành một cấu trúc khác Khi biến dạng còn nằm trong giới hạn phát triển của biến dạng trượt thì sự biến đổi cấu trúc có xu hướng làm tăng bền và giảm khả năng biến dạng Như thế, biến dạng lún của công trình còn phụ thuộc vào phương thức chất tải nhanh hay chậm, trong khi các phương pháp tính chưa tường minh sự ảnh hưởng này

Tóm lại có rất nhiều vấn đề chỉ ra rằng, kểt

quả tính toán lún cuối cùng của đất nền dưới tải

trọng công trình là giá trị không thực Vậy,

chúng có ý nghĩa gì trong thiết kế nền móng, khi

mà theo thời gian chịu tải trọng công trình, đất

nền chỉ biến đổi theo chiều hướng tăng bền,

giảm tốc độ lún và tắt dần đã được khẳng định

chăc chắn bằng sự thỏa mãn điều kiện chịu tải

của đất nền

Để tường minh về ý nghĩa thực tiễn của kết

quả tính toán, trước hết phải tường minh về bản

chất biến dạng lún của công trình

Biến dạng lún của công trình là sự chuyển vị

thẳng đứng lũy tiến theo thời gian của công

trình đó Nếu xét chuyển vị bằng sự biến đổi

theo thời gian khối tâm của công trình thì sẽ có

sự phân biệt biến dạng lún giữa công trình có

khối tâm không đổi là công trình có kết cấu

cứng hoặc đặt trên diện chịu tải cứng với công

trình kết cấu mềm như nền đường, nền đê v.v

Giữa chúng luôn có yêu cầu khác nhau về sử

dụng kết quả tính biến dạng lún

- Đối với công trình kết cấu cứng, khi chuyển

vị thẳng đứng, mọi điểm trên công trình đều

dịch chuyển theo quỹ đạo thẳng đứng và khi

chuyển vị xoay, mọi điểm đều dịch chuyển theo

quỹ đạo tròn, chung một trục nhưng khác bán

kính, sự phân bố tải trọng công trình xuống đất

nền là không giống nhau giữa các điểm, nên

biến dạng lún ở một điểm trong nền không phải

biến dạng lún cho công trình, nhưng sẽ làm thay

đổi nội lực của kết cấu Vì thế với công trình kết

cấu cứng, mục đích tính biến dạng là xác định

sự lún lệch với quan niệm rằng, sai số xảy ra thì

cùng sai số như nhau, chênh lún giữa các điểm

không bị ảnh hưởng

Trong thiết kế tiền định, tính toán biến dạng

nhằm khẳng định giải pháp móng được lựa chọn

thỏa mãn về điều kiện biến dạng, với yêu cầu

kết quả tính nhỏ hơn trị giới hạn cho phép về

biến dạng tuyệt đối và độ lún lệch, còn nhỏ hơn bao nhiêu không cần xem xét

Trong TCVN 9362 và TCVN 10304 quy định: nhà khung bê tông cốt thép không có tường chèn, giá trị lún tuyệt đối giới hạn

Sgh=8cm và độ lún lệch giữa hai móng liền kề

S/L= 0.002 là thỏa mãn, không cần xem xét đến sai số của kết quả tính Việc không xét đến sai số của kết quả tính, đã dẫn đến những sai lầm tiềm ẩn nguy cơ hoặc thể hiện ra bên ngoài bằng sự phá hủy kết cấu

Ví dụ, lún của đài A là S= 5cm và đài B có S=4,2 cm khoảng cách 2 đài L=5 mét, khi đó độ lún lệch giữa hai đài là 0.0016<0.002 và được đánh giá là thỏa mãn cả hai giới hạn Nhưng, nếu xem xét sai số của kết quả tính với giá trị thực vẫn có thể xảy ra khả năng: tại A độ lún S= 4mm, tại B độ lún S= 2,5mm, khi đó độ lún lệch

S/L=0.003, tức là không thỏa mãn giá trị cho phép Ngược lại sẽ có trường hợp kết quả tính không thỏa mãn, nhưng vì sai số nên giá trị thực vẫn thỏa mãn

- Đối với công trình có kết cấu mềm từ thân đến móng, những vấn đề chuyển vị và phân bố tải trọng công trình xuống nền khác với kết cấu cứng Trong đó, với công trình kết cấu mềm, tải trọng công trình truyền xuống các điểm dưới nền là như nhau Vì thế, lún lệch không phải là vấn đề chính yếu mà giá trị độ lún tuyệt đối mới cần có sự yêu cầu chính xác

Trong tính toán nền đường đắp trên đất yếu thì độ lún rất lớn, vì vậy sai số sẽ rất lớn, nếu bỏ qua sai số, tính toán chỉ xét theo độ tin cậy sẽ làm tăng khối lượng so với thực tế vốn có Đặc biệt với nền đất yếu, lún là quá trình lâu dài phụ thuộc vào điều kiện cố kết Vì thế, thời gian lún hay thời gian cố kết mới là điều quan tâm Như vậy, muốn có một giá trị lún thực tế thì mọi phương pháp tính toán đều không đáp ứng được, ngoài phương pháp quan trắc Nhưng,

phương pháp quan trắc lại có tính bất định không

gian Do đó, kết hợp chúng lại là nguyên tắc cơ

bản trong thiết kế nền móng để lựa chọn hợp lý

kết quả tính Nguyên tắc đó là: căn cứ vào độ lệch

của các kết quả tính so với kết quả quan trắc để

làm cơ sở lựa chọn Tuy nhiên, thực hiện theo

nguyên tắc đó đòi hòi một quy trình phức tạp, nhất

là với nhà cao tầng giải pháp móng sâu

Đối với công trình nhà kết cấu cứng, luôn có

yêu cầu về độ tin cậy của lún lệch, nhất là

trường hợp dưới móng công trình có nhiều

thành tạo cùng ở một độ sâu nhưng có tốc độ

lún khác nhau sẽ xảy ra sự chênh lún tức thời,

trước khi đạt giá trị cuối cùng Cho nên, để đảm

bảo sai số nhỏ hơn của giá thực so với kết quả

tính sẽ có cách giải quyết đơn giản như sau:

Giá trị giới hạn về điều kiện lún cho một loại

công trình, bao gồm: Giá trị lún tuyệt đối xem như

điều kiện cần là S <Scgh, giá trị độ lún lệch là điều

kiện đủ, xác định theo đẳng thức Sgh= L sgh, khi

đó điều kiện cần và đủ sẽ là: S <Scgh= L sgh

Trong đó, Scgh - độ lún tuyệt đối giới hạn phụ

thuộc vào loại công trình

L - khoảng cách giữa 2 điểm của móng gần

nhất được tính toán lún

sgh - độ lún lệch giới hạn quy định theo kết

cấu loại công trình,

Ví dụ, nhà khung bê tông cốt thép không có

tường chèn quy định S< Scgh=8cm đồng thời

s< sgh= 0.002 thì đề xuất điều kiện cần S <

8cm điều kiện đủ S< Sgh= 0.002L

Theo đề xuất này, kết quả kiểm tra điều kiện

biến dạng lún sẽ loại bỏ tất cả các khả năng lún

lệch giữa các móng vượt quá giới hạn cho phép

So với với cách kiểm tra điều kiện biến dạng

của giải pháp móng truyền thống S< Scgh và s<

sgh, phương pháp đề xuất áp dụng cho giải

pháp móng sâu không ảnh hưởng nhiều, vì độ

lún tuyệt đối của móng sâu rất nhỏ, nhưng áp

dụng với móng nông trong nhiều trường hợp sẽ phải thay đổi đáng kể kích thước móng để có được sự thỏa mãn Trong những trường hợp với móng nông, nên sử dụng kết quả nén tĩnh nền, hoặc sử dụng hệ số an toàn do đề xuất Statements (1967)

Kết luận:

Lựa chọn hợp lý kết quả tính toán biến dạng trong thiết kế nền móng công trình có vai trò quyết định đến lựa chọn giải pháp móng hợp lý, nếu lựa chọn kết quả không hợp lý sẽ có giải pháp móng không hợp lý Để lựa chọn hợp lý kết quả tính toán lún đòi hỏi phải tường minh tổ hợp tải trọng, kết cấu công trình, đặc biệt là quá trình xác lập các thông số đất nền xây dựng các phương án làm cơ sở lựa chọn

Ngoài những vấn đề được trình bày xung quanh kết quả tính toán và lựa chọn hợp lý kết quả tính, để sáng tỏ vấn đề biến dạng lún của đất nền còn nhiều vấn đề khác phải xem xét, trong đó vấn đề sử dụng lý thuyết xác suất thống

kế làm công cụ để giải quyết các biến dạng của nền không đồng nhất về thành phần và bất đẳng hướng về cấu tạo và tính chất

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 E.D Sukina (1985), “Cơ lý hoá hệ phân

tán tự nhiên”, NXB Matxcova,< Tiếng Nga>

2 N.A Xưtovich.(1983), “Cơ học đất”, bản

dịch tiếng Nga Nhà xuất bản Nông nghiệp 3.Shamsher Prakash- Hary D.Sharma

(1999),“Móng cọc trong thực tế xây dựng“

,NXB XD – HN

4 R Whitlow (1997), “Cơ học đất”, NXB

Giáo dục

5.K.Széchy, L Varga (1978), “ Foundation

engineering”, Akadémiai Kiadó Budapest,

<Tiếng Anh>

Người phản biện: PGS.TS ĐOÀN THẾ TƯỜNG

ỨNG DỤNG THIẾT BỊ MÁNG MÔ PHỎNG TRƯỢT ĐẤT ĐỂ NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG TRƯỢT NÔNG TẠI THÀNH PHỐ

HẠ LONG, QUẢNG NINH

ĐỖ NGỌC HÀ, ĐOÀN HUY LỢI, HUỲNH ĐĂNG VINH,

Application of landslide flume experiment to research the shallow landslides in Ha Long, Quang Ninh

Abstract: Heavy rainfall is one of the major causes of shallow landslides in

the world To analyze landslide mechanisms triggered by rainfall, large-scale models have been used In Japan, there are several landslide experiments conducted in Forestry and Forest Products Research Institute and National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention In Vietnam, the similar landslide flume experiment was manufactured in Institute of Transport Science and Technology (ITST), Ministry of Transport This study used the laboratory flume experiment in ITST with artificial heavy rainfall to analyze the mechanism of a shallow landslide in Quang Ninh, Vietnam Wire extensometers were installed to detect the surface displacement before the landslide initiation Time prediction of landslide initiation could be possible from the accumulation and acceleration of slope surface movement

1 GIỚI THIỆU *

1.1 Tổng quan việc ứng dụng máng mô

phỏng trượt đất để nghiên cứu trượt nông

trên thế giới

Trượt nông dọc tuyến đường giao thông là

một trong những hiện tượng địa chất động lực

công trình diễn ra trong phạm vi mái dốc nền

đường hoặc trong một phạm vi rộng lớn hơn bao

gồm cả một phần sườn đồi hay sườn núi tiếp giáp

với mái dốc nền đường Hiện tượng trượt đất

phát sinh khi chịu tác động trực tiếp của con

người kết hợp với các yếu tố tác động thiên nhiên

như mưa, bão, lũ lụt, dòng chảy, nước ngầm hoặc

động đất, làm khối đất đá nằm trên mái dốc

hoặc sườn đồi, sườn núi bị mất ổn định cơ học và

sau đó tự tách ra thành một hoặc nhiều khối đất

ra ở những khu vực mà lớp đất trên mặt có hệ số thấm cao nằm trên một lớp đất có hệ số thấm thấp Khi nước mưa ngấm từ trên xuống gặp lớp đất có hệ số thấm thấp sẽ không thấm qua được,

do đó mực nước sẽ dâng lên trong lớp đất thấm tốt trên mặt, làm gia tăng áp lực nước lỗ rỗng và dẫn đến mất ổn định sườn dốc Các vụ trượt nông thường là nguồn gốc gây ra lũ bùn đá, lũ quét và khi xảy ra, sẽ gây ra thiệt hại rất lớn về con người và tài sản

Để nghiên cứu trượt đất, người ta có thể dùng các mô hình thí nghiệm Mô hình thí nghiệm

trong phòng là phương pháp mô phỏng gần

đúng với thực tế nhất Trong mô hình này, các

đặc tính của đất, điều kiện biên có thể kiểm

soát được và các thông số lượng mưa, áp lực

nước lỗ rỗng, độ dịch chuyển có thể quan trắc

được Do đó, để nghiên cứu cơ chế của hiện

tượng trượt nông, trên thế giới đã sử dụng một

số thiết bị máng mô phỏng trượt đất có xét đến

ảnh hưởng của mưa Một số nghiên cứu đã

được thực hiện bởi Wang, Sassa (2003),

Lourenco và nnk (2006), Tohari và nnk (2007),

Chen và nnk (2012), Tsutsumi và Fujita

(2012), Okada (2014), L.Z.Wu và nnk (2015), M.R Hakro và nnk (2015) Các máng trượt có kích thước khác nhau: ví dụ tại trường đại học Chengdu, Trung Quốc máng có kích thước chiều dài, rộng và cao lần lượt là 2x0,6x0,8 m

và tại trường Teknologi, Malaysia là 2,2x1x2,2

m Máng mô phỏng trượt đất lớn nhất trên thế giới với kích thước cao, dài, rộng tương ứng là 23x3x1,5 (m) được thiết kế và thí nghiệm tại Viện nghiên cứu Quốc gia về khoa học Trái Đất và phòng chống thảm họa thiên nhiên (NIED), đặt tại Tsukuba, Nhật Bản

Hình 1: Thiết bị máng mô phỏng trượt đất với kích thước dài, cao, rộng tương ứng là 23x3x1,5 (m) được thiết kế và thí nghiệm tại Viện nghiên cứu Quốc gia về khoa học Trái Đất và phòng chống

thảm họa thiên nhiên (NIED), đặt tại Thành phố Tsukuba, Nhật Bản

Máng mô phỏng trượt đất có kích thước nhỏ

hơn với kích thước dài, rộng, cao tương ứng là

9x1x1 (m) và góc nghiêng 320 được thiết kế và

thí nghiệm tại Viện nghiên cứu lâm nghiệp và

lâm sản (FFPRI), đặt tại Thành phố Tsukuba,

Nhật Bản Máng trượt có kích thước càng lớn

thì càng mô phỏng gần với thực tế hơn, tuy

nhiên việc thí nghiệm sẽ tốn kém và mất nhiều thời gian hơn

1.2 Mô hình máng mô phỏng trượt đất ở Việt Nam

Năm 2013, phòng thí nghiệm máng mô phỏng trượt đất đã được thiết kế và bắt đầu xây dựng tại Viện Khoa học và Công nghệ

GTVT Máng được thiết kế dựa trên chỉ tiêu

cơ lý của đất đá phong hóa tại khu vực Hải

Vân Năm 2015 và năm 2016, các thí nghiệm

máng mô phỏng trượt đất có mưa nhân tạo đã

được thực hiện tại Viện Khoa học và Công

nghệ GTVT Hai thí nghiệm sử dụng mẫu cát

từ sông Hồng, Hà Nội Hai thí nghiệm khác sử dụng mẫu đất lấy từ hiện trường khu vực trượt

Ga Hải Vân, Đà Nẵng

Hình 2: Thiết bị máng mô phỏng trượt đất với kích thước cao, dài, rộng tương ứng là 9x1x1 (m)

được thiết kế và thí nghiệm tại Viện Khoa học và Công nghệ GTVT

2 THIẾT BỊ VÀ VẬT LIỆU

2.1 Cấu tạo máng mô phỏng trượt đất

Sơ đồ thiết kế của máng mô phỏng trượt đất

tại Viện Khoa học và Công nghệ GTVT cùng hệ

thống giàn mưa nhân tạo được thể hiện trong

Hình 3 Một mặt của máng được làm bằng kính

cường lực trong suốt để có thể quan sát được

dịch chuyển của toàn bộ khối đất, một mặt làm

bằng thép Máng có chiều dài 9 m được chia

làm ba đoạn với các độ dốc khác nhau mô

phỏng theo điều kiện tự nhiên Đoạn trên cùng

dài 1 m có độ dốc 00 mô phỏng như đỉnh mái

dốc Đoạn giữa dài 4 m có độ dốc 340, được

thiết kế căn cứ theo kết quả thí nghiệm cắt phẳng cho vật liệu đất đá granit phong hóa tại Hải Vân có góc ma sát trong là 340 Đoạn dưới dài 4 m có độ dốc 100, mô phỏng sự thoải dần của mái dốc, đồng thời phản ánh sự khác biệt trong cơ chế dịch chuyển của đoạn mái dốc 340

Để mô phỏng hiện tượng mưa, một hệ thống các đầu phun mưa được thiết kế trên nóc mái máng trượt Hệ thống các đầu phun mưa này được thiết kế sao cho lượng mưa được phun đều dọc theo chiều dài máng trượt Để điều chỉnh được lượng mưa, một hệ thống van điều áp được lắp đặt dọc theo ống dẫn nước lên đầu phun

Hình 3: Cấu tạo máng trượt và hệ thống phun mưa

2.2 Hệ thống quan trắc

Sơ đồ hệ thống quan trắc được thể hiện trong

Hình 4 Hệ thống này được thiết kế nhằm quan

trắc được sự thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng,

sự dịch chuyển bề mặt, và sự dịch chuyển của toàn bộ khối trượt

Hình 4: Hệ thống quan trắc máng mô phỏng trượt đất

- Quan trắc sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng

tại một độ sâu nhất định để thấy được sự thay

đổi áp lực nước lỗ rỗng trong quá trình mưa

Khi áp lực nước lỗ rỗng tăng, mái dốc sẽ dần

đạt tới trạng thái giới hạn trượt Một loại đầu đo

áp lực nước lỗ rỗng hình trụ được đặt vào trong

đất cát trong máng trượt để đo áp lực nước lỗ

rỗng thay đổi

- Quan trắc sự dịch chuyển của bề mặt mái

dốc để thấy rõ các dịch chuyển bề mặt mái dốc,

bằng cách sử dụng thiết bị đo độ dãn dài Sự

dịch chuyển bề mặt và tốc độ dịch chuyển được

ghi lại trong biểu đồ Sử dụng phương pháp

phân tích nghịch đảo tốc độ dịch chuyển theo

Saito (1968) và Fukuzono (1985) có thể dự báo

được thời gian xảy ra trượt đất

- Quan trắc dịch chuyển của toàn bộ khối trượt trên mái dốc để phân tích, so sánh với sự thay đổi

áp lực nước lỗ rỗng trong khối trượt Các hình trụ đánh dấu hoặc các vật liệu cát màu có thể được sử dụng để đặt dọc theo khối trượt Dịch chuyển của các hình trụ đánh dấu được ghi lại bằng máy quay

và máy ảnh đặt dọc theo máng

- Thời gian của các dữ liệu quan trắc được đồng bộ bằng đồng hồ hiển thị số hoặc bằng thiết bị GPS

2.3 Lựa chọn địa điểm lấy mẫu vật liệu và lượng mưa thí nghiệm

Điểm trượt đất được lựa chọn thí nghiệm là khu vực trượt đất cầu vượt Bàn Cờ, đường vào Cảng Cái Lân, thành phố Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh (Hình 5)

Hình 5: Điểm trượt tại thành phố Hạ Long, Quảng Ninh được lựa chọn lấy mẫu

làm thí nghiệm máng mô phỏng trượt đất

Lượng mưa lớn nhất tại điểm trượt đất được

lấy theo số liệu thủy văn khu vực Phường Bãi

Cháy – thành phố Hạ Long - Quảng Ninh ngày

28/7/2015 (thời điểm trượt đất xảy ra) Lượng

mưa trung bình đo được trong ngày xảy ra trượt đất ở hai giờ mưa lớn nhất là 75mm/h (Hình 6) Đây là lượng mưa được sử dụng để thí nghiệm

mô hình máng trượt

Hình 6: Biểu đồ lượng mưa theo giờ ngày

26,27,28 tháng 7 năm 2015 khi trượt đất xảy ra

tại thành phố Hạ Long, Quảng Ninh (Theo số

liệu quan trắc tại trạm Bãi Cháy)

3 MỘT SỐ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Thí nghiệm mô phỏng trượt đất nông bằng

thí nghiệm máng trượt với lượng mưa lớn nhất

tại điểm trượt đất (75mm/h) thực hiện tại Phòng

thí nghiệm mô hình thuộc Viện Khoa học và

Công nghệ GTVT ngày 17/3/2017 ghi nhận

được một số nội dụng chủ yếu sau:

- Với lượng mưa lớn nhất tại điểm trượt đất (75mm/h) mái dốc bắt đầu có hiện tượng dịch chuyển sau 18 phút mưa Biến dạng bắt đầu từ chân mái dốc có độ dốc 340, do mái dốc mất ổn định phần chân mái nên tạo ra các vùng sụt trên thân mái

- Đoạn mái dốc có độ dốc 100 độ ổn định, không biến dạng trong suốt quá trình thí nghiệm mưa

- Vùng sụt phát triển từ mặt mái sau đó xuống sâu 35cm-:- 45cm so với mặt mái tạo ra cung trượt Đỉnh điểm của biến dạng tại phút thứ 70 (sau 4200 s tính từ khi thí nghiệm mưa), vùng sụt trượt kéo theo cả đoạn mái dốc 340 sụt xuống tạo thành dòng bùn đổ xuống chân mái dốc

3.1 Phân tích các chỉ tiêu cơ lý của mẫu vật liệu sử dụng cho thí nghiệm

Trước khi tiến hành thí nghiệm mô phỏng, mẫu đất được tiến hành các thí nghiệm trong phòng để xác định các chỉ tiêu cơ lý Bảng 1 trình bày tính chất cơ lý của mẫu lấy tại thành phố Hạ Long

3 Khối lượng thể tích tự nhiên w g/cm3 1,41

4 Khối lượng thể tích khô d g/cm3 1,20

Từ kết quả thí nghiệm thành phần hạt và hệ số

thấm của đất có thể thấy kích thước hạt và hàm

lượng hạt mịn ảnh hưởng rất lớn đến sự trượt lở

của địa hình đồi núi dốc, điển hình cho hiện tượng

trượt nông dọc các tuyến đường giao thông tại

Việt Nam Mẫu lấy trong thân trượt có hàm lượng

hạt mịn thấp cùng với hàm lượng các hạt bụi và

sỏi sạn nhiều hơn do đó tính liên kết giữa các lớp

đất giảm tạo nên mặt trượt giữa những lớp đất đá

với nhau Hệ số thấm của mẫu lại rất lớn, vì thế

khi nước thấm qua lớp đất nhanh chóng lấp đầy

các lỗ rỗng, làm đất bão hòa trong thời gian ngắn,

làm tăng áp lực nước lỗ rỗng và giảm cường độ

lực dính, giảm góc ma sát của lớp đất

Để so sánh sự thay đổi về khối lượng thể tích

của mẫu trước và sau thí nghiệm, chúng tôi tiến

hành lấy mẫu thí nghiệm được lấy tại ba vị trí và

tại ba độ sâu đối với mỗi vị trí lấy mẫu Vị trí

lấy mẫu lần lượt là 1m, 2m và 4m tính từ đỉnh

cao nhất của máng trượt Ba độ sâu tại mỗi vị trí

lần lượt là 20cm, 40cm và 60cm tính từ đáy

máng trượt lên Hình 7 thể hiện sự thay đổi thể

tích tại các vị trí khác nhau trên máng trượt Độ

ẩm của mẫu sau thí nghiệm lớn hơn trước thí

nghiệm Độ sâu của mẫu ở độ sâu 60 cm thay đổi càng ít nhất

Hình 7 So sánh khối lượng thể tích của đất

trước và sau khi thử nghiệm

3.2 Kết quả quan trắc áp lực nước lỗ rỗng

Hình 8 Áp lực nước lỗ rỗng tại các đầu đo chôn sâu 60 cm

Hình 9 Độ dịch chuyển của EX1 theo thời gian

Dựa trên biểu đồ quan hệ giữa áp lực nước lỗ

rỗng và thời gian ở Hình 8, có thể chia thành

các giai đoạn sau:

- Giai đoạn 1: Đất khô, ở giai đoạn này áp

lực nước lỗ rỗng âm do đất hút nước trongg đầu

đo và tạo ra áp lực chân không trong đầu đo

- Giai đoạn 2: Đất phía dưới đầu đo bão hòa,

giai đoạn này có đặc điểm là áp lực nước lỗ

rỗng tăng rất nhanh từ giá trị âm lên giá trị 0

- Giai đoạn 3: Áp lực nước lỗ rỗng tăng dần

từ 0 (mực nước ngầm dâng lên trên phía trên

đầu đo) đến một giá trị nhất định thì hiện tượng trượt xảy ra (đây là ngưỡng gây ra trượt lở)

- Giai đoạn 4: Áp lực nước lỗ rỗng tăng nhanh trong khoảng thời gian ngắn, áp lực nước

lỗ rỗng tăng trong giai đoạn này không phải là

do mưa gây ra mà là do trượt đất làm thay đổi cấu trúc, cách sắp xếp các hạt trong đất đặc biệt

là sự nghiền nhỏ các hạt ở mặt trượt gây ra hiện tượng hóa lỏng cục bộ tại mặt trượt

- Giai đoạn 5: Giai đoạn khối đất dừng lại, áp lực nước lỗ rỗng giảm

Đối với 3 thiết bị đo dịch chuyển mái dốc

trên mặt, độ dịch chuyển của thiết bị đo dãn dài

EX1 là lớn nhất và nằm trên đỉnh của khối trượt

nên chúng tôi sẽ sử dụng số liệu của thiết bị này

để tiến hành phân tích

Hình 10 Tốc độ dịch chuyển của EX1 theo thời gian

Hình 11 Tốc độ dịch chuyển của EX1 theo thời gian (giai đoạn trượt đất xảy ra)

Hình 9, 10 và 11 biểu thị độ dịch chuyển và

tốc độ dịch chuyển của EX1 theo thời gian

Trong giai đoạn đầu (từ 0 đến khoảng 1000s) độ

Hình 12 Mối quan hệ giữa tốc độ dịch chuyển của EX1 và áp lực nước lỗ rỗng

(giai đoạn trượt đất xảy ra)

Hình 12 thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ

dịch chuyển và áp lực nước lỗ rỗng theo thời

gian Tại thời điểm trượt đất xảy ra nhanh nhất

(4235 s) thì áp lực nước lỗ rỗng cũng tăng đột

biến tại các đầu đo 12 và 16, sau đó áp lực nước

lỗ rỗng giảm dần theo thời gian

Phương pháp Fukuzono là một trong những

phương pháp phổ biến nhất để xác định thời điểm

trượt đất Phương pháp này được phát triển thông qua công tác khảo sát trượt đất có xem xét yếu tố mưa nhân tạo Trước khi trượt đất xảy ra, vận tốc dịch chuyển của khối đất tăng rất nhanh Đối với phương pháp này, giá trị nghịch đảo của vận tốc dịch chuyển được sử dụng Hình 13 cho thấy nghịch đảo vận tốc có xu hướng đi xuống và vị trí giao với trục hoành là thời điểm trượt đất xảy ra

Hình 13 Nghịch đảo vận tốc theo thời gian

4 KẾT LUẬN

Với kết quả bước đầu thí nghiệm nghiên cứu

hiện tượng trượt nông tại thành phố Hạ Long,

tỉnh Quảng Ninh bằng thí nghiệm máng trượt

đất ở phòng thí nghiệm của Viện Khoa học và

Công nghệ GTVT cho thấy:

- Mô hình máng trượt có thể mô phỏng được

hiện tượng trượt nông do mưa gây ra

- Đối với đất mẫu đất tại thành phố Hạ Long,

áp lực nước lỗ rỗng biến đổi theo 5 giai đoạn,

trong đó có giai đoạn áp lực nước tăng rất nhanh

từ khoảng -190 kPa đến khoảng 0 kPa đây là

giai đoạn đất chuyển từ trạng thái không bão

hòa sang đất bão hòa

- Tốc độ dịch chuyển của khối trượt thay đổi

từ 0 – 3,6 cm/s tương ứng với tốc độ của một vụ

trượt lở đất nhanh ở ngoài thực tế

- Đối với đất sét pha không bão hòa, hiện

tượng trượt đất xảy ra khi áp lực nước lỗ rỗng

gần như bằng không

- Tại giai đoạn trượt đất xảy ra, áp lực nước

tại một số đầu đo tăng nhanh, chứng tỏ trong

quá trình dịch chuyển, các hạt đất bị nghiền nhỏ

ở mặt trượt gây ra hiện tượng hóa lỏng cục bộ

tại mặt trượt

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Báo cáo tóm tắt tình hình thời tiết, thiên tai và thiệt hại tuần từ ngày 27/7 đến ngày 02/8/2015 do Trung tâm phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai thực hiện

2 Do Ngoc Ha, Huynh Dang Vinh, Huynh Thanh Binh (2014), Landslides on the road in Vietnam – Monitoring and solutions for landslide risk reduction, 2014 Vietnam – Japan SATREPS report meeting

3 Hirotaka Ochiai, Do Ngoc Ha, Huynh Dang Vinh (2016), Activities Report of WG4,

2016 Vietnam – Japan SATREPS report meeting

4 Hirotaka Ochiai, Yasuhiko Okada, Gen Furuya, Yoichi Okura, Takuro Matsui, Toshiaki Sammori, Tomomi Terajima, Kyoji Sass (2004),

A fluidized landslide on a natural slope by artificial rainfal, Landslides (2004) 1:211 219, DOI 10.1007/s10346-004-0030-4

5 Kyoji Sassa (2016) Instruction for World Reports on Landslides, International Consortium on Landslide

6 Yoichi Okura, Hikaru Kitahara, Hirotaka Ochiai, Toshiaki Sammori, Akiko Kawanami (2002), Landslide fluidization process by flume experiments, Engineering Geology 66: 65-78

Người phản biện: PGS.TS NGUYỄN SỸ NGỌC

NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG THỐNG KÊ GIỚI HẠN CHẢY

CỦA CỐT THÉP TRONG CÁC CẦU BTCT THƯỜNG

PGS.TS NGUYỄN VĂN VI * ThS NGUYỄN THANH HƯNG ThS NGUYỄN VĂN HIỀN

Studies on statistical characteristics of the yield strength of steel rod in conventional reinforced concrete bridge

Abstract: The article mentioned the need to update the design thinking in

view of the reliability theory, presents the results of the study to identify the main statistical parameters of the yield strength of conventional steel rod in the bridge structure of reinforced concrete to serve for the construction design according to the reliability theory

1 ĐẶT VẤN ĐỀ *

Các phương pháp tính toán và thiết kế các

công trình xây dựng, bao gồm cả các công trình

cầu, trong các Tiêu chuẩn hiện nay đều dựa trên

phương pháp các trạng thái giới hạn hoặc

phương pháp hệ số an toàn bộ phận mà ở Tây

Âu người ta gọi là “phương pháp nửa xác suất”

Chúng là cơ sở cho Tiêu chuẩn ISO-2394-73

[4], Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN272-05 [1]

và nhiều Tiêu chuẩn thiết kế của Nga [10] và

Châu Âu [3] Nhược điểm cơ bản của hệ

phương pháp này là ở chỗ, các hàm tải trọng

hay nội lực và hàm độ bền hay khả năng chịu tải

của cấu kiện và của cả công trình đều được coi

là hàm của các đại lượng không đổi, trong khi

bản chất các đại lượng này là các đại lượng

ngẫu nhiên Các đại lượng được đưa vào tính

toán công trình chính là các tham số của độ bền

vật liệu của kết cấu, các kích thước hình học,

các chỉ tiêu cơ-lý của đất, các tải trọng và tác

động,… Khi đó, giới hạn chảy của cốt thép chịu

lực thông thường là một trong các đại lượng

quan trọng nhất được đưa vào để thiết kế các

* Trường Đại học Công nghệ GTVT

54 Triều Khúc, Q Thanh Xuân, Hà Nội

ĐT: 0974853495

Email: nguyenvivx@gmail.com

cầu bê tông cốt thép (BTCT), và trong điều kiện Việt Nam các nghiên cứu thống kê về đại lượng này hầu như chưa có

Xét đến bản chất ngẫu nhiên của các đại lượng kể trên, ngày nay trên thế giới người ta đã

sử dụng tương đối phổ biến các phương pháp xác suất và độ tin cậy trong tính toán các công trình xây dựng, trong đó có các công trình cầu [6], [7], [9], Do vậy, cần cập nhật tư duy thiết

kế các công trình theo quan điểm của lý thuyết

độ tin cậy Việc xác định các tham số thống kê chủ yếu, đánh giá quy luật phân bố và mức độ phân tán của giới hạn chảy của cốt thép chịu lực được dùng nhiều trong xây dựng cầu BTCT thông thường là một trong các nhiệm vụ quan trọng để thiết kế các công trình cầu theo lý thuyết độ tin cậy

Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu xác định các tham số thống kê chủ yếu của giới hạn chảy của cốt thép thường trong các công trình cầu BTCT dựa trên các kết quả thí nghiệm được

ở một số cầu đã được xây dựng

2 CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Các tác giả đã tiến hành thu thập số liệu thí nghiệm về giới hạn chảy của cốt thép thường trong các công trình cầu BTCT tại các cơ quan quản lý cầu Đã thu thập số liệu của 7 cầu: Cầu Đông Trù, Hà Nội; Cầu Dự án Đường cao tốc