báo cáo địa chất công trình động lực cát chảy xói ngầm

BÁO CÁO
ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH ĐỘNG LỰC
CÁT CHẢY - XÓI NGẦM
GVHD : Th.S THIỀM QUỐC TUẤN
SVTH : Nguyễn Minh Sang 0916287
Nguyễn Hưng Thịnh 0916331
Nguyễn Văn Tiến 0916345
NỘI DUNG BÁO CÁO
PHẦN I : CÁT CHẢY
I. KHÁI NIỆM
II. NHỮNG DẤU HIỆU ĐẶC TRƯNG
III. THÀNH PHẦN,TÍNH CHẤT CƠ LÍ CỦA ĐẤT ĐÁ
IV. BẢN CHẤT TÍNH CHẢY CỦA CÁT CHẢY
V. ĐIỀU KIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH KHU VỰC CÁT CHẢY
PHẦN II : XÓI NGẦM
I. KHÁI NIỆM
II. ĐIỀU KIỆN PHÁT SINH VÀ PHÁT TRIỂN XÓI NGẦM
III. DỰ BÁO VÀ BIỆN PHÁP XỬ LÝ XÓI NGẦM
PHẦN I : CÁT CHẢY
I. KHÁI NIỆM:
- Cát chảy là hiện tượng cát hạt nhỏ, hạt mịn, cát chứa nước và nhiều
bụi chứa nước sẽ tự chảy khi bị các hố móng và các công trình bóc lộ
ra. Hiện tượng chảy của cát có thể xảy ra một cách chậm chạp thành
lớp dày, có thể xảy ra nhanh, hoặc rất nhanh và mang tính chất tai biến.
- Cát chảy thuộc nhóm thứ 5 – nhóm đất có thành phần, trạng thái và
tính chất đặc biệt. Cát chảy là đất yếu, không ổn định, nên đòi hỏi
những phương pháp đặc biệt để thi công xây dựng và khai thác mỏ để
đảm bảo sự ổn định cho công trình.
Cát chảy giả Cát chảy thật
- Phát sinh trong cát hạt thô,
sạn, sỏi, cuội dưới áp lực thủy

động của dòng thấm nước
dưới đất .
- Khi đào cát chảy ra tương
đối dễ.
- Nước thoát ra trong khai đào
dễ dàng.
- Nếu lấy mẫu cát chảy giả lên
1 tấm ván thì nước sẽ thoát ra
nhanh.
- Phát sinh trong cát hạt nhỏ,
cát hạt mịn, cát bụi bão hòa
nước. Sự bôi trơn của các chất
keo. Áp lực thuỷ động nhỏ thì
cát vẫn chảy.
- Khai đào cát chảy thật tương
đối khó khăn
- Nước thoát ra có màu đục.

- Nếu lấy mẫu cát chảy thật lên
1 tấm ván thì nước thoát ra ít
và rất chậm.
- Ở phần dưới sườn, mái dốc có hiện tượng chảy của đất đá làm khối
đất bên trên mất điểm tựa, ảnh hưởng đến sự ổn định của sườn, mái
dốc.
Hình 1 : Cát chảy ở chân sườn, mái dốc
II. NHỮNG DẤU HIỆU ĐẶC TRƯNG CỦA CÁT CHẢY:
- Ở trạng thái tự nhiên, cát chảy thực có màu xám sáng, xám lục, xám
xanh. Ra ngoài không khí, màu của chúng thay đổi nhanh và không
đồng đều, chúng sáng hơn, phớt vàng, đôi chỗ phớt hồng.
- Cát chảy ở trạng thái tự nhiên nước không chảy khỏi bề mặt do độ

chứa ẩm lớn và độ thải nước nhỏ. Tuy nhiên khi lắc thì nước tràn ứa
ra bên ngoài làm bề mặt của nó trở nên lấp lánh.
- Tốc độ chảy của cát có thể chậm, nhanh, đôi khi rất nhanh tùy thuộc
trạng thái của ứng suất.
- Khi khoan trong cát chảy thường tạo nên các nút bịt : cát nâng cao
hơn đáy lỗ khoan, chiều cao nút có thể đạt đến 10-15m.
- Cát chảy có tính xúc biến : hóa lỏng khi bị rung và chấn động do tác
động cơ học, sau khi tác động kết thúc thì tự hồi phục một phần hay
toàn bộ trạng thái ban đầu.
- Khi hong khô, cát chảy trở thành loại đất dính, khá cứng, sáng hơn
so với trạng thái ban đầu, khó bóp vụn bằng tay, dính bụi màu xám
trắng.
III. THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CƠ LÍ CỦA CÁT CHẢY:
1. Thành phần hạt:
- Cát chảy thực tiêu biểu thì các nhóm hạt mịn ( 0.1-0.05mm) hoặc hạt
nhỏ (0.25-0.1mm) chiếm phần lớn hoặc cả hai nhóm hạt tạo nên khối
chủ yếu của đất. Ngoài ra, còn chứa khá nhiều hạt bụi (0.05-
0.002mm) và nhất thiết phải có một lượng nhất định hạt sét
(<0.002mm).
2. Thành phần khoáng vật:
- Thành phần khoáng vật của cát chảy tương đối đồng nhất. Ngoài
chất hữu cơ, phần phân tán mịn gồm những khoáng vật sét thuộc
nhóm hidromica, kaolinit, monmorilonit, gloconit cũng như các oxit
silic, nhôm, sắt. Phần hạt thô hơn gồm những hạt thạch anh, lẫn
fenpat, mica, ít hơn là các khoáng vật màu.
III. THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CƠ LÍ CỦA CÁT CHẢY:
3. Tính chất cơ lí của cát chảy:
- Cát chảy thường có độ chặt hơi thấp, độ rỗng và độ chứa ẩm cao,
tính thấm nước và thải nước thấp hoặc rất thấp. Độ chặt cốt đất thay
đổi từ 1.14 đến 1.58g/cm3, độ rỗng từ 36 đến 58%, còn hệ số rỗng từ

0.67 đến 1.39.
- Cát chảy có sức chống cắt thấp, góc mái dốc tự nhiên của chúng thay
đổi từ 3-4o đến 8-9o. Đối với mẫu hong khô thì góc mái dốc có thể đạt
tới 25-30o và lớn hơn.
- Nhiều kết quả thí nghiệm tĩnh cát chảy bằng tải trọng thử cho thấy
modun tổng biến dạng của chúng đạt đến 100kG/cm2. Dù vậy nhưng
do chúng dễ hóa lỏng dưới tác dụng của động lực nên độ ổn định và
khả năng chịu tải giảm đột ngột, có khi bẳng không.
IV. BẢN CHẤT TÍNH CHẢY CỦA CÁT CHẢY:
- Tính chảy của cát chảy liên quan đến thành phần vật chất đặc biệt.
Chính thành phần đó quyết định tính háo nước và khuynh hướng di
chuyển của nó dưới tác dụng của lực. Lực đó có thể là trọng lực, lực
đẩy nổi thủy tĩnh và áp lực thủy động.
- Áp lực thủy động Dt-đ tác dụng lên các hạt đất đá được xác định
theo biểu thức sau:
Dt-đ = γnI
Với:
γn: dung trọng của nước
I: gradien thấm
V. ĐIỀU KIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH KHU VỰC CÁT CHẢY:
- Khi xây dựng công trình tại những khu vực có cát chảy, cần phải lấy
số liệu địa chất công trình làm cơ sở.
1. Đánh giá yếu tố ĐCCT:
- Cát chảy phân bố ở độ sâu bao nhiêu, bề dày lớp cát chảy và sự phân
bố theo phương lớp, điều kiện thế nằm lớp cát chảy, lớp phủ trên và lót
dưới phải được biểu thị rõ ràng trên mặt cắt và bản đồ địa chất.
- Điều kiện địa mạo của khu vực phân bố cát chảy.
- Thành phần và tính chất cơ lí của cát chảy, cả lớp đá phủ trên và lót
dưới.
- Đặc điểm thủy văn của cát chảy, chiều sâu thế nằm của mực nước

dưới đất, giá trị cột nước, hướng nghiêng mặt nước dưới đất và mặt
thủy áp.
Ngoài ra khi đánh giá điều kiện ĐCCT khu vực nghiên cứu, cần xét
đến vị trí của các công trình hiện có và đang thiết kế. Xét về mức độ
ổn định, điều kiện xây dựng chúng, phạm vi ảnh hưởng của chúng đến
môi trường xung quanh.
V. ĐIỀU KIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH KHU VỰC CÁT CHẢY:
2. Xây dựng trên nền cát chảy:
- Cát chảy có thể là nền tự nhiên hoặc nền nhân tạo. Khi đặt móng ở
độ sâu không lớn, phải hạn chế giá trị ứng suất tiêu chuẩn trên cát
chảy, làm móng rộng, áp dụng những biện pháp nhằm đảm bảo kết
cấu tự nhiên của cát chảy.
Sét pha cát
Dăm
Cát chảy
Hình 2 : Móng đặt trực tiếp
trên cát chảy, móng rộng
dần về phía nền.
V. ĐIỀU KIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH KHU VỰC CÁT CHẢY:
2. Xây dựng trên nền cát chảy:
- Trường hợp cát chảy phân bố gần mặt đất và có bề dày ko lớn,
thường đặt móng công trình trên đất chặt hơn và ổn định hơn lót dưới
nó hoặc đặt trên đệm dăm, sỏi.
Hình 3 : Móng đặt trên cát chảy,
nền của móng có đệm bằng dăm,
thi công trong điều kiện có hàng
cọc ván bảo vệ.
1. Sét pha cát
2. Dăm
3. Cát chảy với lớp mỏng

sét pha cát và sét.
4. Cát chảy.
5. Cát chảy với lớp mỏng
sét.
1
3 2
4
5
V. ĐIỀU KIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH KHU VỰC CÁT CHẢY:
2. Xây dựng trên nền cát chảy:
- Nếu móng phải đặt sâu, người ta sử dụng móng cọc. Người ta dùng
cọc treo, cọc chống dài 40m. Ngoài ra còn dùng giếng chìm hạ tới độ
sâu 70m và giếng chìm hơi ép đến độ sâu 40m.
Hình 4 : Giếng chìm bằng bêtông
cốt thép khi xây dựng trạm bơm.
1. Sét pha cát
2. Cát chảy
V. ĐIỀU KIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH KHU VỰC CÁT CHẢY:
3. Thi công công trình khai đào dưới đất:
- Thi công công trình khai đào ngầm nhờ những vi chống đặc biệt vây
quanh, đóng sâu hơn đáy hố, thi công như thế đồng thời với thoát
nước và đôi khi hạ thấp mực nước dưới đất qua các lỗ khoan xung
quanh.
Hình 5 : Dùng vi thả thi
công hố thẳng đứng trong
cát chảy.
a, b, c - Những giai đoạn kế
tiếp thả vi chống
1. Chân vát nhọn
2. Thành của vi thả

3. Cửa của công trình khai
đào ngầm
V. ĐIỀU KIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH KHU VỰC CÁT CHẢY:
3. Thi công công trình khai đào dưới đất:
- Thi công công trình khai đào ngầm sau khi đã làm đông lạnh đất đá.
Ta hạ nhiệt độ xuống 20oC bằng cách cho nước muối tuần hoàn trong
ống đông lạnh.
Click to edit Master title style
Hình 6 : Mô hình thể hiện trạng thái của
đất đá bị đông lạnh ở khu vực chuẩn bị
thi công công trình khai đào ngầm.
a) Khi bắt đầu đông lạnh.
b)Khi đông lạnh kết thúc.
V. ĐIỀU KIỆN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH KHU VỰC CÁT CHẢY:
3. Thi công công trình khai đào dưới đất:
- Trong cát chảy có áp lực nước khá cao, đề thi công những công
trình khai đào ngầm, thường dùng máy đào mở lò tạo áp lực không
khí khá cao. Dưới tác dụng của không khí nén, cát chảy hoặc nước
trong đất bão hòa bị ép thoát ra khỏi đáy, làm cho đất trở nên ổn
định.
Một số hình ảnh liên quan đến
cát chảy
Hình 7 : Nhà bị nghiêng do hiện tượng cát chảy ở Wufeng
Hình 8 : Mô hình thể hiện cát chảy bị dồn ép
Hình 9 : Nước và cát bị dồn ép lên sau 1 trận
động đất ( Christchurch, New Zealand)
PHẦN II : XÓI NGẦM
I. KHÁI NIỆM:
-
Với những điều kiện nhất định, dòng thấm làm chuyển dịch các hạt

nhỏ trong đá hòn mảnh ( cát, sỏi, cuội,…) hoặc thuộc chất nhét
trong khe nứt và hốc cactơ. Quá trình đó gọi là xói ngầm.
- Xói ngầm phát triễn tương đối chậm (hàng năm, hằng chục năm),
nhưng phổ biến rộng rãi trong thiên nhiên và biểu hiện rất đa dạng.
Nếu xói ngầm phát sinh và phát triển ở nền công trình có thể gây ra
lún nhiều và lún không đều, mất ổn định, làm biến dạng và phá hoại
công trình.
- Xói ngầm tạo ra những dòng nước lớn chảy vào hố móng xây dựng,
vào các công trình khai đào hoặc gây ra mất nhiều nước qua đường
thấm dưới đất, quanh vai đập,…
- Quá trình xói ngầm thường hay phá vỡ sự làm việc bình thường
của các công trình thoát nước ngầm, hệ thống lọc của công trình thu
góp nước, các ống lọc ngược do hiện tượng nhét bịt.
II. ĐIỀU KIỆN PHÁT SINH VÀ PHÁT TRIỂN XÓI NGẦM:
- Đất đá đồng nhất ở một mức độ nào đó - lúc này các hạt nhỏ hơn có
thể chuyển dịch giữa các hạt to hơn và bị moi chuyển đi.
- Có gradien nhất định của dòng nước - gây ra tốc độ thấm lớn của
nước hoặc gây ra giá trị nhất định của áp lực thủy động trong đất.
- Tồn tại miền xả ra và tiêu thoát các hạt nhỏ đất đá.
Xói ngầm phát sinh khi dòng thấm có tốc độ khá cao, hoặc khi áp lực
thủy động trong đất đá có giá trị khá lớn.
Tác dụng của dòng nước dưới đất thấm qua đất đá được biểu hiện ở sự
phá hoại ổn định về thấm của chúng. Tác dụng đó xảy ra với những điều
kiện sau đây:
II. ĐIỀU KIỆN PHÁT SINH VÀ PHÁT TRIỂN XÓI NGẦM:
- Như kết quả nghiên cứu của N.M.Botskov(1936), A.N.Patrasev(1938,1945),
V.X.Ixtomina(1957) chứng tỏ rằng xói ngầm phát triển chủ yếu trong đất có
hệ số không đồng nhất về thành phần hạt lớn hơn 20 và gradien thủy lực thì
lớn hơn 5,tức là:
Kk = d60 / d10 > 20 và I > 5

Trong đó:
d60 - Đường kính kiểm tra các hạt
d10 - Đường kính tác dụng hoặc có hiệu của các hạt
- Tùy thuộc vào hoàn cảnh địa chất, xói ngầm có thể phát triển trong
một lớp nhất định hoặc trong hệ tầng đất đá không đồng nhất về
thành phần hạt.
II. ĐIỀU KIỆN PHÁT SINH VÀ PHÁT TRIỂN XÓI NGẦM:
-Về đất đá, đất đá phải có lỗ rỗng đủ lớn, liên thông với nhau để các
hạt vụn, hạt nhỏ có thể đi qua được.
- Với đất đá nứt nẻ, đặc biệt là nứt nẻ kiến tạo thì điều kiện lỗ rỗng đã
thỏa mãn để phát sinh xói ngầm. Xói ngầm xảy ra khi dòng thấm từ
tầng thấm yếu sang tầng thấm mạnh, hệ số thấm giữa hai tầng chênh
lệch quá 2 lần.
k2/k1 ≥ 2
k1 - hệ số thấm tầng thấm yếu
k2 - hệ số thấm tầng thấm mạnh
II. ĐIỀU KIỆN PHÁT SINH VÀ PHÁT TRIỂN XÓI NGẦM:
- Về dòng thấm, năng lượng dòng thấm phải đủ lớn để hòa tan hoặc
tách vỡ mối liên kết giữa các hạt trong đất dính, trong đất đá cứng
chắc. Khi đánh giá mức độ ảnh hưởng của tốc độ dòng nước thấm
đối với điều kiện phát triển xói ngầm, người ta sử dụng bảng số liệu
theo D.D.Djatin (1936).
Kích thước tính
toán hạt đất, mm
Tốc độ gây rửa
xói, m/phút
Kích thước tính
toán hạt đất, mm
Tốc độ gây rửa
xói, m/phút

5
3
1.0
0.8
0.5
0.3
13.23
10.37
5.91
5.3
4.18
3.08
0.1
0.08
0.05
0.03
0.01
1.83
1.67
1.31
1.04
0.59
Bảng 1 : Giá trị tốc độ gây ra rửa xói của dòng nước
dưới đất ứng với lúc bắt đầu xói ngầm
II. ĐIỀU KIỆN PHÁT SINH VÀ PHÁT TRIỂN XÓI NGẦM:
- Để xác định tốc độ ban đầu của dòng nước (m/s) ứng với lúc bắt đầu
xuất hiện xói ngầm, người ta thường dùng công thức của Zikhard.
15
th
K

v =
Trong đó K – hệ số thấm của đất đá, m/s
*****
- Bằng thực nghiệm, L.I.Kozlova đã xác định tốc độ moi chuyển các
hạt ra khỏi lớp đất đang bị rửa xói phụ thuộc vào tỉ số các đường
kính kiểm tra của các hạt thuộc hai lớp kề nhau, và được biểu diễn
bằng công thức:
Trong đó d60 và D60 - đường kính kiểm
tra các hạt, mm