bài giảng đất đắp đập nâng cao
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.13 MB, 75 trang )
<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">
<b>BÀI GIẢNG </b>
<b>ĐẤT ĐẮP ĐẬP NÂNG CAO </b>
<b>Hà Nội, tháng năm 2023 </b>
</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2"><b>MỤC LỤC </b>
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐẬP ĐẤT ... 1
1.1. Tình hình xây dựng đập đất trên thế giới và Việt Nam ... 1
1.1.1. Tình hình xây dựng đập đất trên thế giới ... 1
1.1.2. Tình hình xây dựng đập đất ở Việt Nam ... 1
1.2. Đặc điểm làm việc và các yêu cầu đối với vật liệu đất đắp ... 3
1.2.1. Đặc điểm làm việc của đập đất ... 3
1.2.2. Yêu cầu đối với vật liệu đất đắp ... 5
1.3. Các sự cố về đập liên quan đến tính chất của vật liệu đất đắp ... 7
1.3.1. Vỡ đập Suối Hành ở Khánh Hoà ... 7
1.3.2. Vỡ đập Suối Trầu ở Khánh Hoà ... 9
1.3.3. Vỡ đập Am Chúa ở Khánh Hoà ... 10
CHƯƠNG 2. PHÂN LOẠI ĐẤT TRONG XÂY DỰNG ĐẬP ... 11
2.1. Các nguyên tắc phân loại ... 11
2.2. Phân loại theo nguồn gốc và thành phần khoáng vật ... 11
2.3. Phân loại theo thành phần hạt ... 12
3.2. Tính lún ướt ... 22
3.3. Tính tan rã ... 24
3.3.1. Phương pháp thí nghiệm phao đo ... 25
3.3.2. Phương pháp thí nghiệm pinhole ... 27
</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">3.4. Tính xói rửa ... 29
3.4.1. Phương pháp thí nghiệm xói HET ... 30
3.4.2. Phương pháp thí nghiệm xói JET ... 31
3.4.3. Thí nghiệm xói mẫu đất trên máng thủy lực ... 32
CHƯƠNG 4. VẬT LIỆU ĐẤT ĐẮP VÀ CÁC YÊU CẦU TRONG THIẾT KẾ, THI CÔNG 35 4.1. Yêu cầu về vật liệu đắp đập ... 35
4.2. Lựa chọn vật liệu... 35
4.2.1. Nguyên tắc chọn vật liệu đắp đập: ... 35
4.2.2. Đất dùng làm bộ phận chống thấm cần thỏa mãn các yêu cầu sau: ... 36
4.2.3. Vật liệu làm tầng lọc ngược, tầng chuyển tiếp phải thỏa mãn các yêu cầu sau: 37 4.3. Các đặc trưng cơ lý của nền và vật liệu đắp đập ... 37
4.4. Lựa chọn các chỉ tiêu thiết kế ... 41
4.4.1. Các yếu tố quyết định đến việc lựa chọn chỉ tiêu đầm nén thiết kế ... 41
4.4.2. Mục đích của đầm nén ... 41
4.4.3. Tiêu chuẩn đầm nén ... 41
4.4.4. Xác định dung trọng khô ... 44
4.4.5. Vật liệu làm tầng lọc ngược ... 45
4.4.6. Lựa chọn chỉ tiêu thiết kế ... 45
4.5. Qui hoạch mỏ vật liệu đất phục vụ thi công ... 46
4.5.1. Yêu cầu chung ... 46
4.5.2. Các nội dung trong quy hoạch mỏ vật liệu đất ... 47
CHƯƠNG 5. XỬ LÝ ĐẤT TRONG XÂY DỰNG ĐẬP ... 50
<b>5.1.Xử lý đất để làm hào chống thấm cho đập bằng công nghệ hào đất-bentonite</b>50 5.1.1. Đặt vấn đề ... 50
5.1.2. Thi công hào đất – bentonite ... 51
</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4"><b>5.2.Xử lý đất để làm hào chống thấm đất-xi măng-bentonite với cường độ chịu lực cao</b>
</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5"><b>DANH MỤC HÌNH </b>
Hình 1.1 Đường bão hồ và khu mao dẫn trong thân đập ... 4
Hình 1.2 Tác động của sóng lên mái thượng lưu đập ... 4
Hình 2.1 Phân loại đất hạt mịn trong phịng thí nghiệm – Biểu đồ dẻo ... 13
Hình 3.1 Các cơ xói mái đập đắp bằng đất tan rã do mưa ... 25
Hình 3.2 Sơ đồ phao đo theo tiêu chuẩn TCVN 8712:2012 ... 26
Hình 3.3 Sơ đồ thí nghiệm phao đo cải tiến ... 27
Hình 3.4 Sơ đồ thí nghiệm Pinhole test ... 28
Hình 3.5 Thiết bị thí nghiệm xói tiêu chuẩn HET ... 31
Hình 3.6 Thiết bị thí nghiệm xói JET ... 32
Hình 3.7 Thiết bị thí nghiệm xói của Fujisawa ... 33
Hình 3.8 Sơ đồ thí nghiệm xói của Fujisawa ... 34
Hình 4.1 Biểu đồ quan hệ dung trọng γk với độ ẩm W từ kết quả đầm nén tiêu chuẩn ... 43
Hình 5.1 Sơ đồ thi cơng hào đất - bentonite ... 52
Hình 5.2 Một số loại máy đào phổ biến thường sử dụng để đào hào ... 55
Hình 5.3 Một số loại máy dùng để trộn và ủ dung dịch bentonite ... 56
Hình 5.4 Các loại máy trộn hỗn hợp đất-bentonite ... 57
Hình 5.5 Một số dụng cụ thí nghiệm tại hiện trường ... 58
</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6"><b>DANH MỤC BẢNG </b>
Bảng 2.1 Định nghĩa và kí hiệu qui ước các nhóm hạt ... 13
Bảng 2.2 Phân loại nhanh nhất đất hạt mịn ... 15
Bảng 2.3 Phân loại đất hạt thô ... 16
Bảng 2.4 Bảng phân loại nhanh đất hạt thô ... 18
Bảng 2.5 Tiêu chuẩn đánh giá trạng thái của đất dính ... 19
Bảng 3.1 Phân loại đất tan rã theo phương pháp thí nghiệm Pinhole ... 28
<b>Bảng 4.1 Xác định phương pháp thí nghiệm chỉ tiêu kháng cắt của đất có d ≤ 4,76 </b>mm ... 40
Bảng 5.1 Cấp phối của đất sử dụng để làm vật liệu lấp hào ... 54
Bảng 5.2 Thí nghiệm quản lý chất lượng hào đất bentonite ... 63
Bảng 5.3 Kết quả thí nghiệm tan rã tại các tỷ lệ phối trộn ... 66
Bảng 5.4 Độ trương nở của đất (với các cấp phối khác nhau) ở 7 ngày tuổi. ... 68
</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">1
<b>CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐẬP ĐẤT 1.1. Tình hình xây dựng đập đất trên thế giới và Việt Nam </b>
<i><b>1.1.1. Tình hình xây dựng đập đất trên thế giới </b></i>
Đập đất nhỏ là loại cơng trình thuỷ lợi đơn giản nhất. Chỉ cần dùng sức người và những phương tiện rất thơ sơ là có thể xây dựng được những đập đất rất nhỏ. Vì thế, chắc chắn là đập đất đã có từ xa xưa. Tuy nhiên, do vật liệu đất tự nhiên rất dễ bị huỷ hoại theo thời gian nên đến nay hầu như khơng cịn di tích của những đập đất từ thời cổ đại. Việc mới phát hiện di tích đập đất cổ ở Thổ Nhĩ Kỳ quả là rất hiếm, nếu chưa nói là duy nhất. Những cơng trình xây dựng từ thời cổ đại còn lưu lại đến ngày nay, như Kim Tự Tháp ở Ai Cập chẳng hạn, đều bằng đá. Mặc dầu vậy, các nhà khảo cổ cũng đã thu thập được một số chứng tích. Theo tư liệu của ASCE (American Society of Civil Engineering – Hội Xây dựng Hoa Kỳ) thì đập lớn bằng đất lẫn đá cổ xưa nhất là đập Sadd - el - Kafura cao khoảng 22m ở Ai Cập khoảng năm 2850 trước Công nguyên (cách chúng ta gần 5000 năm). Từ thế kỷ XIX, đập đất rất phát triển với những công nghệ ngày càng tiên tiến trong thiết kế và thi công. Những đập đất vào loại lớn nhất thế giới như Nurek (Tajikistan, cao 315m), Oroville (Mỹ, cao 262,5m). Theo thống kê năm 1996 từ 63 nước thành viên của ICOLD (International Commission on Large Dams - Hội Đập lớn Thế giới) thì 80% đập lớn (cao trên 15m) là đập đất. Theo thống kê của ICOLD cho 58.519 đập trên tồn thế giới thì đập vật liệu địa phương (VLĐP) chiếm 76%, trong đó 63% là đập đất [1].
<i><b>1.1.2. Tình hình xây dựng đập đất ở Việt Nam </b></i>
Việt Nam có một hệ thống hạ tầng thủy lợi (hồ, đập và hệ thống tưới, tiêu) thuộc loại lớn trên thế giới (cùng với Trung Quốc và Mỹ). Hồ chứa nước đóng một vai trò rất quan trọng trong phát triển kinh tế, xã hội, ổn định đời sống của nhân dân. Trong những năm qua, được sự quan tâm của Chính phủ, cả nước đã xây dựng được hơn 7.000 đập, hồ chứa thủy lợi - thủy điện tại 45 tỉnh, thành với tổng dung tích trữ khoảng 14,5 tỷ m<small>3</small> nước, cấp nước tưới cho 1,1 triệu ha đất nông nghiệp, cấp 1,5 tỷ
</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">2
m<small>3</small> nước cho công nghiệp, sinh hoạt. Theo số liệu thống kê của Tổng cục Thủy lợi năm 2020, Việt Nam hiện có hơn 7000 hồ chứa thủy lợi – thủy điện và 592 đập dâng có chiều cao từ 5m trở lên. Trong số đó thì số lượng hồ chứa thủy điện là 238 hồ (chiếm 3,5%), hồ chứa thủy lợi là 6.750 hồ (chiếm 96,5%, kể cả hồ chứa thủy lợi có cơng trình thủy điện), hơn 90% số đập tạo hồ thủy lợi ở nước ta hiện nay là đập đất [2].
Khu vực Bắc Bộ: Có 391 đập dâng (đập có chiều cao từ 5 m trở lên) và 2.543 hồ chứa thủy lợi (325 hồ lớn, 2.218 hồ vừa và nhỏ); trong đó: 19 hồ có tràn cửa van, 2.524 hồ có tràn tự do. Tổng dung tích trữ: 2,22 tỷ m<small>3</small>.
Khu vực Bắc Trung Bộ: Có 56 đập dâng (đập có chiều cao từ 5 m trở lên) và 2.323 hồ chứa thủy lợi (3 hồ quan trọng đặc biệt, 171 hồ lớn, 2.149 hồ vừa và nhỏ); trong đó: 52 hồ có tràn cửa van, 2.271 hồ có tràn tự do. Tổng dung tích trữ: 6,06 tỷ m<small>3</small>. Khu vực Nam Trung Bộ: Có 31 đập dâng (đập có chiều cao từ 5 m trở lên) và 517 hồ chứa thủy lợi (175 hồ lớn, 342 hồ vừa và nhỏ); trong đó: 86 hồ có tràn cửa van, 431 hồ có tràn tự do. Tổng dung tích trữ: 2,39 tỷ m<small>3</small>.
Khu vực Tây Nguyên: Có 100 đập dâng (đập có chiều cao từ 5 m trở lên) và 1.246 hồ chứa thủy lợi (178 hồ lớn, 1.068 hồ vừa và nhỏ); trong đó: 25 hồ có tràn cửa van, 1.221 hồ có tràn tự do. Tổng dung tích trữ: 1,68 tỷ m<small>3</small>.
Khu vực Nam Bộ: Có 14 đập dâng (đập có chiều cao từ 5 m trở lên) và 121 hồ chứa thủy lợi (1 hồ quan trọng đặc biệt, 39 hồ lớn, 81 hồ vừa và nhỏ); trong đó: 4 hồ có tràn cửa van, 117 hồ có tràn tự do. Tổng dung tích trữ: 2,14 tỷ m<small>3</small>.
Hiện nay việc xây dựng các hồ chứa mới gần như khơng cịn, chủ yếu là các dự án khôi phục, sửa chữa, nâng cấp nhằm đảm bảo an toàn cho các đập đã xuống cấp sau thời gian dài khai thác. Nhận thức được tầm quan trọng của việc đảm bảo an tồn các hồ chứa, nhằm duy trì và tăng trưởng kinh tế, Chính phủ đã đưa ra một Chương trình Quốc gia về an toàn đập vào năm 2003. Chương trình đã rà sốt và đánh giá hiện trạng an toàn đập trên cả nước và xác định khoảng 1800 hồ chứa thủy lợi có nguy cơ mất an tồn, cần được sửa chữa nâng cấp (chủ yếu là các hồ chứa có đập đất). Chi
</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">3
phí cho việc khơi phục các công năng thiết kế và cải thiện an tồn đập ước tính khoảng 17.000 tỷ đồng. Sau hơn 10 năm thực hiện, bằng nhiều nguồn vốn (trái phiếu Chính phủ, ODA, ngân sách địa phương), chương trình đã sửa chữa, nâng cấp cho khoảng 600 hồ chứa (~30% so với nhu cầu) với kinh phí đầu tư gần 12.000 tỷ đồng, đào tạo cán bộ quản lý và nhân viên vận hành cho một số địa phương và đơn vị quản lý hồ chứa được sửa chữa. Chương trình cũng hỗ trợ trang bị các thiết bị giám sát tự động tại 12 hồ chứa thủy lợi: Yên Lập, Cấm Sơn, Kẻ Gỗ, Sông Rác, Cửa Đạt, Phú Ninh, Rào Đá, Định Bình, Núi Một, Đá Bàn, EaSoup thượng, Dầu Tiếng. Dự án WB8 được Chính phủ phê duyệt vào năm 2015. Theo số liệu thống kê từ Tổng cục thủy lợi - Bộ Nông nghiệp và Phát triển nơng thơn, cịn khoảng 1.150 đập cần khôi phục công năng thiết kế hoặc nâng cấp để cải thiện an tồn. Ước tính cần khoảng 19.000 tỷ đồng để hỗ trợ cho các hoạt động tổng thể nhằm cải thiện an toàn đập từ cấp Quốc gia đến hệ thống.
Từ năm 2003 đến nay, đã sửa chữa được khoảng 1.500 hồ chứa với tổng kinh phí khoảng 30.000 tỷ đồng, trong đó: Giai đoạn 2019-2021, Chính phủ đã hỗ trợ cho 30 tỉnh 500 tỷ đồng để sửa chữa nâng cấp 84 hồ, dự án WB8 đã hoàn thành sửa chữa nâng cấp 436 hồ và các địa phương đầu tư sửa chữa nâng cấp bằng các nguồn vốn khác 80 hồ.
<b>1.2. Đặc điểm làm việc và các yêu cầu đối với vật liệu đất đắp </b>
<i><b>1.2.1. Đặc điểm làm việc của đập đất </b></i>
Những đặc điểm làm việc chủ yếu của đập đất là: 1. Thấm qua thân đập và nền
Nền đập và thân đập nói chung đều thấm nước. Khi mực nước thượng lưu dâng cao trong thân đập sẽ hình thành dịng thấm từ thượng lưu về hạ lưu.
Trong thân đập, có mặt bão hồ, trên mặt cắt ngang đập thể hiện là đường bão hoà. Phía trên đường bão hồ có khu nước mao dẫn. Độ cao khu mao dẫn tuỳ thuộc loại đất. Đối với đất cát độ cao mao dẫn 5 ÷ 15cm, đối với loại đất pha sét, đất sét độ cao
</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">Dưới tác dụng của lực thấm thuỷ động, mái đập càng dễ mất ổn định.
<i>Hình 1.1 Đường bão hoà và khu mao dẫn trong thân đập </i>
2. Ảnh hưởng của nước thượng hạ lưu đối với mái đập
Mực nước thượng hạ lưu, đập có thể gây phá hoại đất ở mái đập. Dưới tác dụng của sóng các kết cấu bảo vệ mái đập có thể bị phá vỡ, gây xói lở thân mái, làm trơi các tầng lọc bảo vệ...
<i>Hình 1.2 Tác động của sóng lên mái thượng lưu đập </i>
3. Tác hại của nước mưa và nhiệt độ:
Trong thời gian mưa, một phần nước sẽ thấm vào đập và một phần chảy trên mái đập có thể gây bào mịn và xói đất hoặc làm tan rã đất, hiện tượng này tiếp diễn làm giảm mặt cắt đập, gây biến dạng. Trong thiết kế đập đất cần có hệ thống thoát nước mưa ở đỉnh và mái đập nhằm tập trung nước vào các rãnh xây và chuyển xuống hạ lưu
</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">5
không cho chảy tràn lan trên đập. Khi nhiệt độ thay đổi có thể gây nứt nẻ thân đập, nhất là các loại đất sét, pha sét, có tính co ngót lớn.
4. Biến dạng của nền và thân đập:
Dưới tác dụng của trọng lượng bản thân, đất thân đập và nền bị biến dạng. Chuyển vị đứng làm giảm chiều cao đập. Biến dạng làm đập và các thiết bị chống thấm bằng đất nứt nẻ gây nguy hiểm cho đập.
<i><b>1.2.2. Yêu cầu đối với vật liệu đất đắp </b></i>
Đập đồng chất - Đất đắp đập phải đảm bảo một mức độ ít thấm nước nhất định, phải có đủ tính bền để đảm bảo ổn định chống trượt của mái đập. Tính bền đó thể hiện ở các chỉ tiêu cơ lý như: cường độ chống cắt, góc ma sát trong, lực dính v.v... Hàm lượng chất hữu cơ trong đất tính theo trọng lượng khơng được q 1%. Hàm lượng muối và chất hồ tan khơng q 3%. Đối với các đập loại vừa và nhỏ tuỳ điều kiện cụ thể có thể cho phép các hàm lượng cao hơn chút ít, nhưng khơng q mức, để tránh đập bị lún không đều, tránh sinh thấm tập trung.
Đập không đồng chất - Đất thân đập phải đảm bảo hai yêu cầu chủ yếu là đủ tính bền và tính chống nước tốt. Yêu cầu chủ yếu đối với thiết bị chống thấm là ít thấm nước và có tính dẻo. Nếu dùng đất làm tường nghiêng, tường lõi hoặc sân trước phải đảm bảo hệ số thấm nhỏ hơn hệ số thấm của đất thân đập (20 ÷ 50) lần. Đồng thời đất làm vật liệu chống thấm phải đủ dẻo, dễ thích ứng với biến hình của thân đập mà khơng nứt nẻ. Tính dẻo biểu thị bằng chỉ số dẻo W<sub>n</sub>, phải đảm bảo W<sub>n</sub> < 7 để dễ thi công. Đất sét béo Wn > 20 là loại vật liệu khơng thích hợp vì có hàm lượng nước q lớn khó thi cơng, dễ sinh áp lực kẽ rỗng lớn làm mất ổn định mái đập. Vật thoát nước phải đảm bảo dễ thoát nước và chống được phong hoá.
Các loại đất thường không được sử dụng để đắp đập: Đá vôi, thạch cao và các loại vật liệu thô như sỏi sạn, cát; Vân mẫu, diệp thạch và các nham thạch dễ phong hố; Đất bùn dễ biến hình; Đất chứa nhiều chất hồ tan; Đất có tính trương nở, tan rã. Trong trường hợp đặc biệt, có thể dùng các vật liệu trên nhưng phải nghiên cứu, cải tạo để sử dụng cho thích hợp.
</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">6
Khi lựa chọn vật liệu đắp đập cần căn cứ vào các chỉ tiêu cơ lý sau: 1. Cấp phối hạt.
2. Độ rỗng và độ ẩm của đất. 3. Khối lượng riêng và tỷ trọng. 4. Hệ số thấm sau khi đắp đập.
5. Góc ma sát trong và lực dính đơn vị. 6. Tính chịu nén.
7. Chỉ số dẻo và giới hạn dẻo của đất dính. 8. Độ cao nước mao dẫn trong đất đắp. 9. Hàm lượng chất hữu cơ và chất hoà tan.
Đối với các đập cao trên 25m cần xét kỹ các chỉ tiêu 7, 8, 9.
Cấp phối hạt là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của đất. Khả năng chịu lực của đất phụ thuộc vào cấp phối, hình dạng hạt và thành phần khống vật, trong đó cấp phối hạt là nhân tố chủ yếu. Khi đắp đập bằng phương pháp đầm nén, loại đất có thành phần hạt không đều thường dễ thi công, dễ đạt dung trọng lớn, hệ số thấm nhỏ và lực chống cắt cao. Đó là do những hạt lớn làm cốt, hạt nhỏ lấp đầy các kẽ hở tạo thành một liên kết chặt chẽ. Đất có hệ số khơng đều η ≤ 30÷100 là loại cấp phối tốt. Loại đất có η < 5÷10 có tính thấm nước mạnh và khó đầm nén chặt. Hàm lượng hạt sét (d < 0,005mm) là một trong những nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất đất: Đất cát có hàm lượng sét từ 10÷25% là loại vật liệu thích hợp để đắp đập đồng chất; Đất mà hàm lượng sét từ 30÷40% (hoặc hàm lượng sét cao hơn) được dùng để đắp tường nghiêng hoặc tường lõi; Đất có hàm lượng sét > 50÷60% ít được dùng để đắp đập.
Độ chặt của đất là một trong những nhân tố quyết định sự ổn định của đập. Đất càng chặt, dung trọng khơ càng lớn và những tính chất cơ lý cũng thay đổi một cách có lợi như giảm được lún, giảm biến hình khi chịu tải trọng (trọng lượng bản thân và ngoại lực) giảm được độ rỗng, đỡ thấm nước, tăng được cường độ chống cắt. Như vậy mái đập có thể làm dốc hơn, khối lượng đất đắp cũng giảm nhỏ, nhưng vẫn bảo đảm ổn
</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">7
định. Vì những lý do trên, khi điều kiện thi công cho phép và về kinh tế xét thấy hợp lý thì người ta thường cố gắng tăng độ chặt của đất. Độ chặt của đất phụ thuộc vào các yếu tố: Phương pháp và loại máy đầm nén; Tải trọng của máy đầm tác dụng lên một đơn vị diện tích mặt đất; Số lần đầm; Tốc độ và thời gian tác dụng của đầm; Loại đất; Lượng ngậm nước; Độ dày lớp đất cần đầm nén.
<b>1.3. Các sự cố về đập liên quan đến tính chất của vật liệu đất đắp </b>
<i><b>1.3.1. Vỡ đập Suối Hành ở Khánh Hoà </b></i>
Đập Suối Hành có một số thơng số cơ bản sau: - Dung tích hồ: 7,9 triệu m3 nước
- Chiều cao đập: 24m - Chiều dài đập: 440m
- Khảo sát: Cơng ty Sơn Hà, TP. Hồ Chí Minh
- Thiết kế: Xí nghiệp KSTK thuộc Sở Thuỷ lợi Khánh Hồ - Thi cơng: Cơng ty Xây dựng Thuỷ lợi 7, Bộ Thuỷ lợi.
Đập được khởi công từ tháng 10/1984, hồn cơng tháng 9/1986 và bị vỡ vào 2h15 phút đêm 03/12/1986.
Thiệt hại do vỡ đập:
- Trên 100 ha cây lương thực bị phá hỏng - 20 ha đất trồng trọt bị cát sỏi vùi lấp - 20 ngôi nhà bị cuốn trôi
- 4 người bị nước cuốn chết.
Nguyên nhân: Khi thí nghiệm vật liệu đất đã bỏ sót khơng thí nghiệm 3 chỉ tiêu rất quan trọng là độ tan rã, độ lún ướt và độ trương nở, do đó đã khơng nhận diện được tính hồng thổ rất nguy hiểm của các bãi từ đó đánh giá sai lầm chất lượng đất đắp đập. Công tác khảo sát địa chất quá kém, các số liệu thí nghiệm về đất bị sai rất nhiều so với kết quả kiểm tra của các cơ quan chuyên môn của Nhà nước như Trường Đại học Bách khoa TP. HCM, Viện Khoa học Thuỷ lợi Miền Nam.
</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">8
Vật liệu đất có tính chất phức tạp, khơng đồng đều, khác biệt rất nhiều, ngay trong một bãi vật liệu các tính chất cơ lý lực học cũng đã khác nhau nhưng không được mô tả và thể hiện đầy đủ trên các tài liệu.
Thiết kế chọn chỉ tiêu trung bình của nhiều loại đất để sử dụng chỉ tiêu đó thiết kế cho toàn bộ thân đập là một sai lầm rất lớn. Tưởng rằng đất đồng chất nhưng thực tế là không. Thiết kế γk = 1,7T/m<small>3</small> với độ chặt là k = 0,97 nhưng thực tế nhiều nơi khác có loại đất khác có γk = 1,7T/m<small>3</small> nhưng độ chặt chỉ mới đạt k = 0,9.
Do việc đất trong thân đập không đồng nhất, độ chặt không đều cho nên sinh ra việc lún không đều, những chỗ bị xốp đất bị tan rã khi gặp nước gây nên sự lún sụt trong thân đập, dòng thấm nhanh chóng gây nên luồng nước xói xuyên qua đập làm vỡ đập. Việc lựa chọn sai lầm dung trọng khô thiết kế của đất đắp đập là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến sự cố vỡ đập. Kỹ sư thiết kế không nắm bắt được các đặc tính cơ bản của đập đất, khơng kiểm tra để phát hiện các sai sót trong khảo sát và thí nghiệm nên đã chấp nhận một cách dễ dàng các số liệu do các cán bộ địa chất cung cấp.
Khơng có biện pháp xử lý độ ẩm thích hợp cho đất đắp đập vì có nhiều loại đất khác nhau có độ ẩm khác nhau, bản thân độ ẩm lại thay đổi theo thời tiết nên nếu người thiết kế không đưa ra giải pháp xử lý độ ẩm thích hợp sẽ ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả đầm nén và dung trọng của đất. Điều này dẫn đến kết quả trong thân đập tồn tại nhiều γ<sub>k</sub> khác nhau.
Lựa chọn kết cấu đập không hợp lý. Khi đã có nhiều loại đất khác nhau thì việc xem đập đất là đồng chất là một sai lầm lớn, lẽ ra phải phân mặt cắt đập ra nhiều khối có các chỉ tiêu cơ lý lực học khác nhau để tính tốn an tồn ổn định cho tồn mặt cắt đập. Khi đã có nhiều loại đất khác nhau mà tính tốn như đập đồng chất cũng là 1 nguyên nhân quan trọng dẫn đến sự cố đập.
Trong thi cơng cũng có rất nhiều sai sót như bóc lớp đất thảo mộc khơng hết, chiều dày rải lớp đất đầm quá dày trong khi thiết bị đầm nén lúc bấy giờ chưa được trang bị đến mức cần thiết và đạt yêu cầu, biện pháp xử lý độ ẩm không đảm bảo yêu cầu
</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">9
chất lượng, xử lý nối tiếp giữa đập đất và các mặt bê tông cũng như những vách đá của vai đập không kỹ cho nên thân đập là tổ hợp của các loại đất có các chỉ tiêu cơ lý lực học không đồng đều, dưới tác dụng của áp lực nước sinh ra biến dạng không đều trong thân đập, phát sinh ra những kẽ nứt dần dần chuyển thành những dịng xói phá hoại tồn bộ thân đập.
<i><b>1.3.2. Vỡ đập Suối Trầu ở Khánh Hoà </b></i>
Đập Suối Trầu ở Khánh Hoà bị sự cố 4 lần: - Lần thứ 1: năm 1977 vỡ đập chính lần 1 - Lần thứ 2: năm 1978 vỡ đập chính lần 2
- Lần thứ 3: năm 1980 xuất hiện lỗ rị qua đập chính
- Lần thứ 4: năm 1983 sụt mái thượng lưu nhiều chỗ, xuất hiện 7 lỗ rị ở đi cống. Đập Suối Trầu có dung tích 9,3 triệu m3 nước.
- Chiều cao đập cao nhất: 19,6m. - Chiều dài thân đập: 240m.
- Đơn vị tư vấn thiết kế: Công ty KSTK Thuỷ lợi Khánh Hồ. - Đơn vị thi cơng: Cơng ty cơng trình 4-5, Bộ Giao thơng Vận tải. Nguyên nhân của sự cố:
Về thiết kế: xác định sai dung trọng thiết kế. Trong khi dung trọng khô đất cần đạt γk = 1,84T/m3 thì chọn dung trọng khô thiết kế γk = 1,5T/m<small>3</small> cho nên không cần đầm, chỉ cần đổ đất cho xe tải đi qua đã có thể đạt dung trọng yêu cầu, kết quả là đập hồn tồn bị tơi xốp.
Về thi cơng: đào hố móng cống q hẹp khơng cịn chỗ để người đầm đứng đầm đất ở mang cống. Đất đắp không được chọn lọc, nhiều nơi chỉ đạt dung trọng khô γk = 1,4T/m<small>3</small>, đổ đất các lớp quá dày, phía dưới mỗi lớp khơng được đầm chặt.
Về quản lý chất lượng: - Không thẩm định thiết kế.
- Giám sát thi công không chặt chẽ, nhất là những chỗ quan trọng như mang cống, các phần tiếp giáp giữa đất và bê tông, không kiểm tra dung trọng đầy đủ.
</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">- Thiết kế không nghiên cứu kỹ sự không đồng nhất của các bãi vật liệu nên vẫn cho rằng đây là đập đất đồng chất để rồi khi dâng nước các bộ phận của đập làm việc không đều gây nên nứt nẻ, sụt lún, tan rã, hình thành các vết nứt và các lỗ rị.
- Thi cơng khơng đảm bảo chất lượng, đầm đất không đạt dung trọng nên khi hồ bắt đầu chứa nước, đất không được cố kết chặt, gặp nước thì tan rã.
</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17"><b>2.2. Phân loại theo nguồn gốc và thành phần khoáng vật </b>
Trong những trường hợp khác nhau, thuật ngữ đất được dùng mang sắc thái khác nhau về ý nghĩa. Khi nghiên cứu về nguồn gốc của đất, ta thường theo quan điểm của các nhà địa chất coi đất là các lớp vật liệu rời, hình thành do đá bị phong hóa, phân vụn ra khơng cố kết và phân bố từ mặt đất xuống tới đá cứng. Theo nguồn gốc và thành phần khoáng vật, đất được phân thành các loại sau [3]:
- Đá: nguồn gốc macma, trầm tích hay biến chất, chiếm phần đáng kể của vỏ quả đất, có liên kết cứng chắc. Trong đó, đá macma thành tạo từ vật liệu nóng chảy lỏng (macma) được nguội lạnh ở trong hay trên mặt vỏ quả đất, như các đá granit, bazan, đolerit, andezit, gabro, sienit, pocfia; đá trầm tích thành tạo ở dạng lớp do các vật liệu lắng đọng trong nước tại biển, hồ.. như các loại đá vôi, cát kết, đá sét, cuội kết...; đá biến chất thành tạo từ các đá đã tồn tại trước sau bị biến đổi do quá nóng (đá hoa, quaczit...) hay do áp lực quá cao (đá phiến).
- Đất: là bất kỳ vật liệu rời hay dễ đào nào mà ta sẽ tiến hành xây dựng ở trên hay bên trong nó hoặc dùng nó để xây dựng. Trong xây dựng, đất phân thành các loại sau:
</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">12
+ Đất hữu cơ: là hỗn hợp giữa các hạt khoáng vật và vật chất hữu cơ, chủ yếu có nguồn gốc thực vật, ở các giai đoạn phân hủy khác nhau. Nhiều loại đất hữu cơ có nguồn gốc hồ, vũng vịnh, cửa sông, cảng, hồ chứa... Vật chất hữu cơ làm cho đất sờ trơn hơn, có màu sẫm và có mùi dễ cảm nhận.
+ Than bùn: Than bùn tạo thành hồn tồn từ vật chất hữu cơ, có tính xốp, ép co mạnh và có khả năng đốt cháy cao. Các khống vật vơ cơ cũng có thể có mặt và khi hàm lượng tăng lên, nó chuyển thành đất hữu cơ. Theo quan điểm xây dựng, than bùn có nhiều vấn đề do có hệ số rỗng, độ ẩm lớn, khả năng ép co cao, một số trường hợp có tính axit.
+ Đất tàn tích: là tàn dư của đá bị phong hóa và chưa bị di chuyển. Thường là cát hay cuội, hàm lượng oxit cao do q trình rửa đất. Các ví dụ như đất laterit, boxit, đất sét làm đồ sứ.
+ Đất bồi (aluvi): là các vật liệu như cát, cuội..được trầm đọng từ sông, suối. Đặc trưng của đất bồi là tuyển lựa (cỡ hạt) tốt nhưng chúng cũng thường hình thành các tầng không liên tục và bất thường.
+ Đất dính: Đất chứa các hạt sét hay bụi vừa đủ để tạo được rõ tính dính và dẻo. + Đất khơng dính: các đất như cát và cuội, bao gồm các hạt trịn hay góc cạnh (khơng có dạng tấm), khơng biểu hiện tính dẻo và tính dính.
+ Đất sét chứa đá tảng (sét tảng): là đất có nguồn gốc băng hà, gồm các hạt có kích thước trong phạm vi rộng từ bụi đá mịn tới đá tảng.
+ Trầm tích mới: Là các trầm tích trên mặt còn mới, chưa cố kết như đất bồi, băng tích và đất sét chứa đá tảng nguồn gốc sơng băng, cát do gió, hồng thổ...
<b>2.3. Phân loại theo thành phần hạt </b>
Theo TCVN 5747: 1993 đất xây dựng - phân loại [4] (hoặc TCVN 8217-2009), trình tự phân loại được thực hiện lần lượt như sau :
- Dựa trên thành phần kích thước hạt chiếm ưu thế trong đất để phân chia nó thành hai nhóm lớn là hạt thơ và hạt mịn;
</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">13
- Dựa trên hàm lượng các hạt để phân chia nhóm đất hạt thơ thành các phụ nhóm; - Dựa trên các giá trị giới hạn chảy, giới hạn dẻo, chỉ số dẻo để phân chia nhóm đất hạt mịn thành các phụ nhóm.
<i>Bảng 2.1 Định nghĩa và kí hiệu qui ước các nhóm hạt </i>
<small>Tên Định nghĩa Kí hiệu Tên gọi quốc tế thơng dụng (tiếng Anh) Đá tảng Hạt có kích thước lớn hơn 300mm B Boulfer </small>
<small>Cuội (dăm) có kích thước từ 300 đến 150mm Co Cobble Sỏi (sạn) có kích thước từ 150 đến 2 mm G Gravel Cát có kích thước từ 2 đến 0,06 mm S Sand </small>
<small>Bụi có kích thước từ 0,06 đến 0,02 mm M Silt (Mo, Mjala, tiếng Thuỵ Điển) Sét có kích thước từ < 0,002 mm C Clay </small>
<small>Hạt mịn tập hợp của các hạt bụi và hạt sét Hạt thơ các hạt có kích thước đường kính </small>
<i>Hình 2.1 Phân loại đất hạt mịn trong phịng thí nghiệm – Biểu đồ dẻo </i>
</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">14
Mỗi phụ nhóm trong đất hạt mịn được kí hiệu bằng hai chữ cái; chữ cái đầu là tên gọi của đất, chữ cái sau mơ tả tính nén của đất. Sau đây là ý nghĩa của các kí hiệu: - Đất bụi được kí hiệu bằng chữ M;
- Đất sét được kí hiệu bằng chữ C; - Đất hữu cơ được kí hiệu bằng chữ O.
Mỗi loại đất đặc trưng kể trên được phân chia thành 2 phụ nhóm dựa theo giá trị giới hạn chảy W1. Nếu W1 < 50% , đất có tính nén từ thấp đến trung bình, được kí hiệu bằng chữ L. Kết hợp với các tên đất, sẽ có 3 phụ nhóm: CL, ML và OL. Khi W1 > 50%, đất có tính nén cao, được kí hiệu bằng chữ H. Ba phụ nhóm tương ứng là CH, MH và OH.
Nhóm đất CL và CH bao gồm các sét vơ cơ. Nhóm CL nằm ở vùng trên của đường thẳng "A", được xác định bởi các giá trị W1 nhỏ hơn 50% và Ip > 7%. Nhóm CH cũng nằm trên đường thẳng “A", được xác định bởi giá trị W1 > 50%.
Nhóm đất ML và MH. Nhóm ML nằm ở vùng dưới đường thẳng “A", có giá trị W1 < 50% và có Ip < 4. Nhóm MH tương ứng với vùng nằm dưới đường thẳng “A” có W1 > 50%. Nhóm đất này bao gồm các đất bụi vô cơ và bụi sét. Các đất hồng thổ có giá trị 25% < W1 < 35% cùng nằm ở trong nhóm này. Những đất hạt mịn nằm trên đường thẳng “A" với giá trị 4% < Ip < 7% được coi là trường hợp biên và được mơ tả bằng kí hiệu kép CL- ML.
Nhóm OL và OH phân bố gần trùng với hai nhóm ML và MH; khi trong các đất này có chứa một hàm lượng hữu cơ, chúng nằm gần sát với đường thẳng “A”.
Nhóm Pt (than bùn) có giá trị W1 từ 300 ÷ 500% và Ip từ 100 ÷ 200%, khơng nằm trong biểu đồ dẻo.
Đất hạt mịn được phân loại nhanh ở hiện trường dựa theo các thử nghiệm ước lượng sau:
- Sức bền của đất ở trạng thái khô khi bị bóp vỡ được đánh giá theo cảm tính;
</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">15
- Độ bền của đất - được tiến hành giống như thí nghiệm xác định giới hạn dẻo, nhưng không nhằm xác định giá trị độ ẩm của đất, mà đánh giá độ bền của đất ở lân cận giới hạn dẻo;
- Sự ứng xử của đất dưới tác động rung, nhằm xác định khả năng xuất hiện và biến mất của nước khi nhào nặn và đập một miếng đất dẻo trong lòng bàn tay;
- Màu sắc và mùi vị của đất - đặc biệt quan trọng đối với đất hữu cơ.
<i>Bảng 2.2 Phân loại nhanh nhất đất hạt mịn </i>
<small>Hơn 50% trọng lượng của đất là các loại có kích thước < 0,08mm Nhận dạng đất qua thành phần các hạt có kích thước < </small>
<small>0,5 mm </small>
<small>Kí hiệu </small>
<small>Sức bền của đất ở trạng thái khô khi bị bóp vỡ </small>
<small>Độ bền của đất (độ sệt lân cận giới hạn dẻo)0 </small>
<small>ứng xử của đất dưới tác động rung </small>
<small>W1< 50% Bằng không hoặc gần bằng không </small>
<small>Không có Từ nhanh đến rất chậm </small>
<small>M L Đất bụi dẻo </small>
<small>Từ trung bình đến lớn </small>
<small>Trung bình Từ khơng đến rất chậm </small>
<small>CL Đất sét ít dẻo </small>
<small>Từ nhỏ đến trung bình </small>
<small>Yếu Chậm OL Đất bụi và sét hữu cơ ít dẻo </small>
<small>W1 >50% Từ nhỏ đến trung bình </small>
<small>Từ yếu đến trung bình </small>
<small>Từ chậm đến khơng </small>
<small>M H Đất bụi rất dẻo </small>
<small>Từ lớn đến rất lớn Lớn Từ không đến rất chậm </small>
<small>C H Đất sét rất dẻo </small>
<small>Từ trung bình đến lớn </small>
<small>Từ yếu đến trung bình </small>
<small>Từ không đến chậm </small>
<small>O N Đất bụi và sét hữu cơ rất dẻo </small>
<small>Thành phần chủ yếu là hữu cơ </small>
<small>Có mùi phân biệt, màu tối, vệt đen có tàn tích thực vật sợi, nhẹ, ẩm </small>
<small>Pt Than bùn hay đất có hàm lượng hữu cơ lớn </small>
</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">- Đất sỏi sạn: đất, gồm phần lớn là các hạt sỏi sạn, được kí hiệu bằng chữ G. - Đất cát: đất, gồm phần lớn là các hạt cát, được kí hiệu bằng chữ S.
Đất cuội sỏi và đất cát được chia thành 4 phụ nhóm:
- Đất chứa ít hoặc khơng chứa hạt mịn, khơng có loại hạt nào chiếm ưu thế về hàm lượng; cấp phối tốt, được kí hiệu bằng chữ W. Kết hợp với hai chữ cái của tên đất, có GW và SW;
- Đất chứa ít hoặc khơng chứa hạt mịn, có một loại hạt chiếm ưu thế về hàm lượng; cấp phối kém, được kí hiệu bằng chữ P. Kết hợp với các chữ của tên đất có GP và SP.
- Đất hạt thơ có chứa một lượng đáng kể hạt mịn, (chủ yếu là hạt bụi) khơng có tính dẻo, được kí hiệu bằng chữ M. Kết hợp với chứ cái của tên đất có GM và SM
- Đất hạt thơ có một lượng đáng kể hạt sét được kí hiệu bằng chữ C. Kết hợp với các chữ cái tên đất, có GC và SC.
<i>Bảng 2.3 Phân loại đất hạt thô </i>
<small>Hơn 50% trọng lượng của đất là các hạt có kích thước 0,08 mm </small>
<small>Định nghĩa Kí hiệu Điều kiện nhận biết Tên gọi Đất </small>
<small>cuội sỏi </small>
<small>Hơn 50% trọng lượng thành phần hạt thô có kích thước >2mm </small>
<small>Đất sỏi sạn sạch </small>
<small>Trọng lượng hạt có kích thước < 0,08mm ít hơn 5% </small>
<small>GW </small>
( )
<small>8010</small><i><small>C</small><sub>c</sub></i> <small>= =1÷3 </small>
<small>Đất sỏi, sạn Cấp phối tốt </small>
</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">17
<small>GP Một trong hai điều kiện của GW không thoả mãn </small>
<small>Đất sỏi, sạn cấp phối kém Đất sỏi sạn </small>
<small>có lẫn hạt mịn </small>
<small>Trọng lượng hạt có kích thước < 0,08mm nhiều hơn 12% </small>
<small>GM Giới hạn Atterberg nằm dưới đường A (xem biểu đồ Hình 2.1) hay Ip < 4 </small>
<small>Sỏi lẫn bụi. Hỗn hợp sỏi lẫn cát- sét, cấp phối kém GC Giới hạn Atterberg nằm </small>
<small>trên đường A (xem biểu đồ Hình 2.1) hay Ip > 7 </small>
<small>Sỏi lẫn sét. Hỗn hợp sỏi lẫn cát – sét, cấp phối kém Đất </small>
<small>cát </small>
<small>Hơn 50% trọng lượng thành phần hạt thơ có kích thước <2mm </small>
<small>Cát sạch Trọng lượng hạt có kích thước < 0,08mm ít hơn 5% </small>
<small>SW </small>
( )
<small>6010</small><i><small>C</small><sub>c</sub></i> <small>==1÷3 </small>
<small>Cát cấp phối tốt, cát lẫn sỏi ít hoặc khơng có hạt mịn </small>
<small>SP Một trong hai điều kiện của SW không thoả mãn </small>
<small>Cát cấp phối kém, cát lẫn sỏi có ít hoặc khơng có hạt mịn </small>
<small>Cát có lẫn hạt mịn </small>
<small>Trọng lượng hạt có kích thước < 0,08mm nhiều hơn 12% </small>
<small>SM Giới hạn Atterberg nằm dưới đường A (xem biểu đồ Hình 2.1) hay Ip < 5 </small>
<small>Cát lẫn sét, hỗn hợp cát – sét cấp phối kém </small>
<small>SC Giới hạn Atterberg nằm dưới đường A (xem biểu đồ Hình 2.1) hay Ip > 7 </small>
<small>Cát lẫn sét, hỗn hợp cát – sét cấp phối kém </small>
Trong đó :
Cu - Hệ số đồng nhất = D60/D10
Cc - Hệ số đường cong (hệ số cấp phối) = (D30)<small>2</small>/(D60 x D10)
Dn - Kích thước đường kính hạt mà lượng chứa các cỡ nhỏ hơn nó chiếm n%.
Các đất hạt thô được phân loại nhanh ở hiện trường, dựa trên cách nhận dạng các hạt đất ở hiện trường bằng mắt và kinh nghiệm.
</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24"><small>Đất sỏi sạn hơn 50% trọng lượng phần cát thơ có kích thước >2mm </small>
<small>Sạch khơng có hoặc có ít thành phần hạt mịn </small>
<small>Có tất cả các loại kích thước hạt và khơng có loại hạt nào chiểm ưu thế về hàm lượng </small>
<small>Có chứa thành phần hạt mịn, khơng có tính dẻo </small>
<small>GM Đất sỏi, sạn cấp phối tốt lẫn bụi </small>
<small>Có chứa thành phần hạt mịn, có tính dẻo </small>
<small>GC Đất sỏi, sạn lẫn sét </small>
<small>Đất sỏi sạn hơn 50% trọng lượng phần cát thơ có kích thước < 2mm </small>
<small>Sạch khơng có hoặc có ít thành phần hạt mịn </small>
<small>Có tất cả các loại kích thước hạt nào chiểm ưu thế về hàm lượng </small>
<small>Có chứa thành phần hạt mịn, khơng có tính dẻo </small>
<small>SM Đất cát lẫn bụi </small>
<small>Có chứa thành phần hạt mịn, có tính dẻo </small>
</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">Độ sệt B được định nghĩa như sau:
<i>Bảng 2.5 Tiêu chuẩn đánh giá trạng thái của đất dính </i>
Á cát
Rắn Dẻo Chảy
B<0 0≤B≤1
B>1
Á sét và sét
Rắn Nửa rắn
Dẻo Dẻo mềm Dẻo chảy
Chảy
B<0 0≤B≤0,25 0,25<B≤0,5 0,5<B≤0,75 0,75<B≤1
B>1
</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">20
<i><b>2.4.2. Đất rời </b></i>
Là đất cấu thành từ các hạt rời mà ở trạng thái khô cũng như ở trạng thái ẩm ướt hồn tồn khơng có hoặc có khơng đáng kể các liên kết keo nước, liên kết ion tĩnh điện giữa các hạt rắn tạo đất; bao gồm các hạt đất thơ có thành phần thuần túy là cát hoặc sỏi (sạn), cuội (dăm), hòn tảng hoặc hỗn hợp của chúng và cũng có thể là các hạt đất thơ nhưng có hàm lượng hạt bụi và hạt sét ít hơn 10%, trong đó hàm lượng hạt sét ít hơn 3% khối lượng.
Để đánh giá trạng thái vật lý của đất rời thường dùng khái niệm về độ chặt. Đất rời càng chặt thì khả năng chịu lực càng lớn, tính ép co và tính thấm càng nhỏ. Trong thực tế, thường dùng độ chặt D làm chỉ tiêu đánh giá trạng thái của đất rời.
Trong đó:
ε0 là hệ số rỗng của đất cát ở trạng thái tự nhiên; ε<sub>max</sub> là hệ số rỗng của đất cát ở trạng thái xốp nhất; εmin là hệ số rỗng của đất cát ở trạng thái chặt nhất.
Trong xây dựng chia độ chặt D thành 3 mức tương ứng với 3 trạng thái của đất: Đất cát chặt D>0,67
Đất cát chặt vừa 0,33≤D≤0,67 Đất cát xốp D<0,33
Tuy nhiên, đánh giá độ chặt theo phương pháp này cũng không được chính xác do việc xác định ε0; εmax ; εmin. Hiện nay trong xây dựng thường dùng phương pháp xuyên để đánh giá độ chặt của đất cát (Xuyên động Theo TCVN 9351:2022; xuyên tĩnh theo TCVN 9352:2012).
</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27"><i><small>Tr n</small></i>
Đất có tính trương nở trung bình: 8% < DTr.n ≤ 12 % Đất có tính trương nở mạnh: DTr.n > 12 %
Áp lực đất trương nở: Là ứng suất phát sinh trong đất, do trương nở bị kìm hãm hồn tồn bởi tải trọng phản áp vừa đủ làm cho đất khơng có biến dạng nở, ký hiệu là PTr.n, biểu thị bằng kPa.
Để đánh giá mức độ co ngót của đất sử dụng đại lượng độ co ngót thể tích, là tỉ số giữa lượng thể tích của đất bị giảm do co ngót khơ và thể tích ban đầu của đất, ký hiệu là Dc.ng, biểu thị bằng phần trăm (%) theo thể tích.
<i><small>C ng</small></i>
Trong đó:
Δh là lượng biến dạng co ngót của mẫu đất sau khi chấm dứt co ngót, mm
</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">22 h0 là chiều cao ban đầu của mẫu thí nghiệm, mm
Độ ẩm giới hạn co ngót là độ ẩm giới hạn của đất, mà tại đó, khi độ ẩm của đất dù tiếp tục giảm song thể tích đất vẫn khơng thay đổi, ký hiệu là Wc.ng, biểu thị bằng phần trăm (%) khối lượng.
Đối với cơng trình, nếu đất trương nở tự do sẽ làm tăng thể tích đất, làm giảm chỉ tiêu cơ lý của đất, khi đất bị khơ sẽ dẫn đến hiện tượng co ngót làm giảm thể tích và gây ra các vết nứt; nếu đất bị giới hạn trong một bộ phận kết cấu, khi đất bị làm ướt, không trương nở được sẽ sinh ra áp lực trương nở tác dụng lên các bộ phận kết cấu giới hạn nó.
<b>3.2. Tính lún ướt </b>
Là đất có sự lún phụ thêm đáng kể và xảy ra nhanh chóng khi nó bị làm ướt nước dưới tải trọng đang xét. Thường thì các đất hạt mịn (đất sét, đất bụi) và đất cát pha sét vừa ít ẩm vừa ít chặt, có cấu trúc lỗ hổng lớn thì rất có thể có tính lún ướt (điển hình là đất đỏ bazan tầng phủ, đất hoàng thổ và đất dạng hoàng thổ). Lún ướt tác hại không chỉ là gây ra lún sụt, lún khơng đều q mức, mà cịn có thể gây nên các khe nứt trong đất nền và trong công trình đất đắp trên đó. Đối với đập đất hồ chứa, đê sơng, đê biển, dịng thấm có thể tập trung tại các khe nứt đó và sẽ là ẩn họa khó lường. Lún ướt được đặc trưng bằng hệ số lún ướt tương đối am [6] .
<small> − =</small>
Δhi - lượng lún ổn định tích luỹ đã hiệu chỉnh của mẫu đất ở độ ẩm tự nhiên hoặc chế bị, dưới cấp áp lực nén xác định hệ số lún ướt, mm;
Δh'i - lượng lún ổn định tích luỹ đã được hiệu chỉnh của mẫu đất thí nghiệm, sau khi đất bị làm ướt nước nhân tạo dưới áp lực nén đó được giữ nguyên, mm.
h0 là chiều cao ban đầu của mẫu thí nghiệm, mm
Với đất có trị số am ≥0,01, thì được coi là có tính lún ướt.
</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">23
Đặc điểm của biến dạng lún ướt: Biến dạng lún ướt chỉ xuất hiện ở bộ phận có nước, đặc điểm của nó là biến dạng lớn, thơng thường vượt quá biến dạng nén lún mấy lần, thậm chí mấy chục lần; phát triển nhanh, ngập nước sau 1-3h bắt đầu lún. Đối với sự cố thông thường, nói chung 1-2 ngày có thể biến dạng tới 20-30cm. Lún ướt lớn, có tốc độ nhanh mà khơng đều sẽ làm cho cơng trình biến dạng nghiêm trọng thậm chí bị phá hoại. Có hai hình thức biến dạng lún ướt đó là biến dạng lún ướt tải trọng ngoài và biến dạng lún ướt với trọng lượng bản thân.
- Biến dạng lún ướt tải trọng ngoài là do tải trọng của móng (hoặc gọi là áp lực phụ thêm đáy móng) gây nên. Một trong những đặc điểm của lún ướt tải trọng ngoài là tốc độ phát triển nhanh, ngập nước 1-3h đã lún rõ rệt, độ lún mỗi giờ có thể đạt tới 1-3cm; đặc điểm thứ hai là lún ướt ổn định nhanh, ngập nước 24h có thể hồn thành 30-70% giá trị độ lún cuối cùng, ngập nước 3 ngày có thể hồn thành 50-90%, đạt tới ổn định toàn bộ biến dạng lún ướt cần khoảng 15-30 ngày.
- Biến dạng lún ướt trọng lượng bản thân sinh ra là do tác động của áp lực trọng lượng bản thân trong lớp đất bão hịa. Sự hình thành và phát triển của biến dạng lún ướt trọng lượng bản thân chậm hơn so với biến dạng lún ướt tải trọng ngoài, thời gian để ổn định tương đối dài, thường khoảng ba tháng thậm chí trên nửa năm mới hồn thành ổn định.
Tác hại của biến dạng lún ướt đối với kết cấu bên trên
- Móng và kết cấu bên trên nứt: Nền hoàng thổ lún ướt khiến cho nhà chìm xuống nhiều, vết nứt của khối tường lớn, đồng thời phát triển nhanh.
- Nghiêng: Biến dạng lún ướt chỉ xảy ra ở bộ phận ngập nước, còn bộ phận không bị ngập nước về cơ bản không xảy ra, từ đó hình thành độ lệch lún, do vậy nhà và cơng trình có độ cứng tổng thể tương đối lớn, như ống khói, tháp nước dễ bị nghiêng. - Đứt gãy: Nếu nền nhiều nơi lún ướt, móng thường sinh ra biến dạng uốn tương đối lớn, làm cho móng của nhà và đường ống bị đứt gãy. Nếu các ống chính cấp thốt nước đứt gãy, cịn gây nguy hiểm lớn hơn đối với cơng trình xung quanh.
</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">24
<b>3.3. Tính tan rã </b>
Đất tan rã là đất bị phá vỡ kết cấu khi ngâm trong nước. Hình thức tan rã của đất là cách thức kết cấu đất bị phá hủy khi ngâm trong nước, có thể là: bị vỡ vụn dần từ ngoài vào trong; hoặc bị nứt vỡ dần thành các mảnh, cục nhỏ; hoặc bị nhão ra thành vữa rồi lọt qua lưới của quang treo; hoặc chỉ bị nứt vỡ thành một số cục to và nằm lại trên lưới của quang treo.
Các tính chất của đất tan rã có ảnh hưởng rất lớn đến điều kiện làm việc của đập đất, đập là cơng trình nhân tạo nên tính chất tan rã của đất được bộc lộ rất mạnh mẽ, đặc biệt là thời gian đầu khi đập mới vận hành. Ống thấm được hình thành trong thân đập đất khi dịng thấm tập trung xuất hiện ở hạ lưu, được hình thành do dòng thấm xuyên qua các lỗ rỗng của đất. Hiện tượng xói xảy ra đầu tiên tại cửa ra của dòng thấm, gây ra sự tập trung cục bộ dịng thấm và xói mịn. Q trình xói ngầm tiếp tục diễn ra và tiến về phía thượng lưu tạo thành một đường ống cho đến khi nó liên thơng phía thượng lưu, lúc đó có thể dẫn đến một sự cố vỡ đập nhanh chóng. Xói mịn như vậy xảy ra chủ yếu ở đất khơng có tính kết dính hoặc đất có tính kết dính thấp có ít khả năng chống lại gradient thấm. Với đất tan rã thì khác, đây là quá trình khử keo tụ khi có nước đi qua và nó diễn ra đồng thời trên suốt dọc các vết nứt nhỏ trong cùng một thời điểm. Hiện tượng ống thấm trong đất tan rã thường xuất hiện ở những khu vực có các vết nứt tiềm tàng như dọc theo cống, khu vực có sự chênh lệch khả năng chịu lực của nền hoặc khu vực hút ẩm theo Sherard và cộng sự, (1972a).
Có sự khác biệt giữa xói mịn bề mặt có thể xảy ra với đất tan rã và đất khơng tan rã. Với đất tan rã, xói mịn bề mặt làm bong tróc các hạt đất góp phần làm xuất hiện xói mịn bên trong khi bề mặt khơ và được tiếp xúc với nước. Đây là nguyên nhân quan trọng dẫn đến hiện tượng xói mịn mạnh cả trên bề mặt và bên trong khối đất (dưới mái đập) đối với vùng khô hạn lâu ngày và mưa tập trung cường độ cao. Emerson (1964) nghiên cứu so sánh thí nghiệm trong phịng với các trường hợp ngồi thực địa, cho thấy rằng khi đất kaolinit được làm ướt từ từ trên bề mặt, nó khơng thấm
</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">25
xuống quá sâu, nhưng khi làm ướt nhanh chóng bởi một trận mưa lớn, nó sẽ thấm xuống một độ sâu đáng kể.
<i>Hình 3.1 Các cơ xói mái đập đắp bằng đất tan rã do mưa </i>
a) Cơ chế xói mặt; b) Cơ chế xói tạo thành hố sụt
Một nghiên cứu khác của Huddleston và Lynch (1975) đã mô tả sự phát triển của xói mịn mạnh dạng rãnh và dạng ống ở các sườn dốc khơng có thực vật và lấp đất tan rã khi có mưa lớn sau thời gian hạn hán. Các sườn dốc lấp đầy thực vật và đất sét tan rã cho thấy sự xói mịn dạng ống nghiêm trọng trong các điều kiện khí hậu nhất định, tức là lượng mưa lớn sau hạn hán.
<i><b>3.3.1. Phương pháp thí nghiệm phao đo </b></i>
Để đánh giá mức độ kết cấu của đất bị phá hủy khi ngâm trong nước, sử dụng độ tan rã của đất, ký hiệu là D<sub>tr</sub>(%) là tỷ số giữa khối lượng đất bị tan rã tại thời điểm t với khối lượng đất ban đầu; đất có độ tan rã càng lớn thì càng kém ổn định ở trong nước. Hiện nay sử dụng phương pháp thí nghiệm theo TCVN 8718:2012 để xác định độ tan rã của đất D<small>tr</small> [7].
Trong đó
Dtr là độ tan rã của đất sau thời gian t, % kết cấu của đất bị phá hủy;
</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32"><i>Hình 3.2 Sơ đồ phao đo theo tiêu chuẩn TCVN 8712:2012 </i>
Sơ đồ này có nhược điểm là kết quả thí nghiệm sẽ xuất hiện sai lệch khi dựa vào mắt người khó có thể nhìn được chính xác sự thay đổi trên vạch đo cũng như trên vạch đo không thể thể hiện chính xác những sự thay đổi nhỏ về khối lượng của mẫu thí nghiệm. Đặc biệt là với những mẫu có tốc độ tan rã chậm.
Để khắc phục hạn chế trên có thể thay thước đo vạch bằng lực kế hiển thị số có độ chính xác đến 0,01N để xác định được thay đổi về trọng lượng của mẫu đất khi ngâm trong nước (quá trình tan rã). Khi đó độ tan rã của đất tính theo cơng thức:
trong đó: F0 : trọng lượng ban đầu (bao gồm cả mẫu đất và quang treo);
</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">27 Ft : trọng lượng tại thời điểm t;
Fz : trọng lượng của quang treo ngâm trong nước.
<i>Hình 3.3 Sơ đồ thí nghiệm phao đo cải tiến </i>
<i>1. Lực kế; 2. Giá đỡ; 3. Quang treo; 4. Mẫu đất; 5. Bình thủy tinh; 6. Nước </i>
<i><b>3.3.2. Phương pháp thí nghiệm pinhole </b></i>
Việt Nam hiện chưa có tiêu chuẩn thí nghiệm đất tan rã theo phương pháp pinhole, tham khảo tiêu chuẩn D4647-93 của Mỹ (Standard Test Method for Identification and Classification of Dispersive Clay Soils by the Pinhole Test) [8].
Mẫu đất được đưa vào ống thí nghiệm nằm ngang, phía sau mẫu đất là cuội sỏi đảm bảo thoát được nước và phần đất tan rã. Trên mẫu đất đục 1 lỗ đường kính 1mm. Dịng chảy nằm ngang có cột nước áp lực là 50mm chảy qua lỗ trên mẫu đất. Theo dõi và đo lượng đất tan rã thốt ra bằng bình đo đặt phía sau khối cuội sỏi.
</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">28
<i>Hình 3.4 Sơ đồ thí nghiệm Pinhole test </i>
Nếu đất khơng tan rã: dịng chảy thốt ra trong và kích thước lỗ đục trên mẫu đất khơng thay đổi.
Nếu đất tan rã nhẹ đến trung bình: dịng chảy thốt ra có màu đục nhẹ, kích thước lỗ đục và tốc độ dịng chảy ra khơng thay đổi
Nếu đất tan rã mạnh: dịng chảy thốt ra đục, kích thước lỗ đục tăng nhanh và tốc độ dòng chảy ra cũng tăng.
<i>Bảng 3.1 Phân loại đất tan rã theo phương pháp thí nghiệm Pinhole </i>
Phương pháp A và Phương pháp C yêu cầu đánh giá độ đục của nước thốt ra, kích thước cuối cùng của lỗ đục trên mẫu và tính tốn tốc độ dịng chảy qua lỗ để phân loại tính tan rã của đất. Phương pháp B chỉ yêu cầu đánh giá độ đục của nước thốt
</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">29
ra và kích thước cuối cùng của lỗ đục để phân loại tính tan rã của đất. Việc tính tốn tốc độ dịng chảy qua lỗ trong Phương pháp A phục vụ chủ yếu như một hướng dẫn về thiết bị phù hợp và hiệu suất mẫu thí nghiệm dưới các áp suất tuần tự được áp dụng trong q trình thí nghiệm. Tất cả các phương pháp tạo ra kết quả tương tự và bất kỳ phương pháp nào cũng có thể được sử dụng để xác định tính tan rã của đất.
<b>3.4. Tính xói rửa </b>
Sự phát triển của xói trên bề mặt đập dưới tác dụng của dòng chảy là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến vỡ đập. Hiểu được cơ chế xói là chìa khóa để giải thích hiện tượng xói lở và có thể dự báo sự cố vỡ đập đất khi nước tràn đỉnh.
Khả năng xói của đất là thuộc tính vốn có của đất có thể bị xói do tác động của dịng chảy mặt. Xói phụ thuộc vào điều kiện địa hình và tính chất của đất. Khả năng xói bị ảnh hưởng bởi khả năng hấp thụ nước của đất và khả năng chống lại tác động của dòng chảy (kéo các hạt dọc theo bề mặt) của đất.
Tốc độ xói là đại lượng đặc trưng cho khả năng xói của đất, nó được biểu thị bằng khối lượng đất bị cuốn rời khỏi vị trí ban đầu trên một đơn vị diện tích, trong một đơn vị thời gian (đơn vị là m<small>3</small>/s.m<small>2</small>). Thông thường đại lượng này được xác định thơng qua các thí nghiệm.
Vận tốc tới hạn tạo ra ứng suất tới hạn τc là ứng suất khi đất bắt đầu bị xói. Khi vận tốc cũng như ứng suất của dòng chảy thấp hơn giá trị tới hạn thì khơng có xói, ngược lại xói sẽ diễn ra với một tốc độ xác định. Giá trị giới hạn xói này rất cần thiết trong xây dựng, nhưng nó khơng tồn tại một cách tự nhiên, ví dụ như đá granite có giá trị ứng suất tới hạn rất cao. Để tạo thành một cái hố trên loại đá này dưới tác dụng của dòng chảy nhỏ giọt mất khoảng 20 triệu năm. Trong trường hợp này, ứng suất chưa đạt giá trị tới hạn nhưng đá vẫn bị xói. Lý do giải thích cho việc này là khơng có một giới hạn ứng suất lặp lại cho vật liệu, và ứng suất lặp lại thậm chí rất nhỏ cũng có thể phá vỡ được liên kết vật liệu, chỉ có điều là số chu kỳ cần thiết để phá vỡ liên kết. Vì
</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">E là tốc độ xói của đất trên một đơn vị diện tích (m<small>3</small>/s.m<small>2</small>);
τ là ứng suất cắt tại vị trí xói phụ thuộc vào điều kiện dòng chảy, N/m<small>2</small>; τ<sub>c</sub> là ứng suất cắt tới hạn của đất, N/m<small>2</small>;
Kđ và α là các hệ số xói.
Kđ, τc, α là các thơng số phụ thuộc vào tính chất đất và được xác định thơng qua thí nghiệm.
<i><b>3.4.1. Phương pháp thí nghiệm xói HET </b></i>
Thí nghiệm xói ống (HET) (theo Wan and Fell 2004) được tiến hành trong phịng thí nghiệm. Phương pháp sử dụng một mẫu đất trong ống được đầm nện tiêu chuẩn, một lỗ khoan đường kính 6,35mm xuyên qua mẫu đất. Dịng chảy có thể chảy qua lỗ khoan với một áp lực nào đó, áp lực nước có thể điều khiển tăng dần cho đến khi xảy ra hiện tượng xói. Trong q trình thí nghiệm, áp lực nước giữ không đổi trong thời gian đủ dài để duy trì dịng chảy. Kết quả đo đạc sự gia tăng tốc độ dịng chảy trong q trình thí nghiệm, đường kính ban đầu và cuối cùng của lỗ khoan được sử dụng để tính tốn đường q trình ứng suất cắt sinh ra do dòng chảy và tốc độ xói của đất. Mối quan hệ giữa ứng suất cắt và tốc độ xói đo đạc được sẽ giúp xác định các thơng số xói cơ bản của đất.
</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">31
<i>Hình 3.5 Thiết bị thí nghiệm xói tiêu chuẩn HET </i>
<i><b>3.4.2. Phương pháp thí nghiệm xói JET </b></i>
Thiết bị thí nghiệm xói tia (JET) được phát triển ở trung tâm nghiên cứu kỹ thuật thủy lực và nông nghiệp, Stillwater, Oklahoma bởi Hanson và Cook năm 2004. JET là một thiết bị công nghệ được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều các phòng thí nghiệm lớn trên thế giới. Cơ sở của phương pháp dựa trên lý thuyết xung động của tia nước. Độ chính xác của kết quả đo đạc phụ thuộc vào sự nắm vững lý thuyết thủy động lực học và sự đánh giá tin cậy của ứng suất cắt tới hạn sinh ra trên bề mặt mẫu. Thiết bị JET phát triển dựa trên phương pháp Blaisdell của Hanson và Cook, sử dụng dạng đường hyperbolic của Blaisdell và các cộng sự (1981) để xác định độ sâu cân bằng. Thí nghiệm được thực hiện trên bề mặt đất tiếp xúc ngang hoặc nghiêng (Hanson và các cộng sự, 2002) hoặc ở trong phịng thí nghiệm sử dụng mẫu đất dạng ống hoặc mẫu trong các khuôn đầm nện chặt (theo Hanson và Hunt, 2006). Thí nghiệm này đã thực hiện thành công trên mẫu đất rất nhỏ, đường kính 75mm và được mơ tả trong tiêu chuẩn ASTM D5852. Tia nước tác động lên bề mặt mẫu đất bằng một vịi phun thủy lực chìm, vịi này có đường kính là 6,35mm được đặt cách bề mặt mẫu đất một khoảng cách từ 6 ÷ 30 lần đường kính vịi. Vị trí của vịi phun và cột nước áp lực có thể điều chỉnh để thay đổi ứng suất sinh ra trên mẫu đất, mặc dù vậy, cột nước áp lực
</div>
