Nghiên cứu giải pháp chống cát chảy trong xây dựng công trình đường ô tô tại khu kinh tế Nghi Sơn tỉnh Thanh Hóa (LA tiến sĩ)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.08 MB, 149 trang )
bộ giáo dục và đào tạo
trường đại học giao thông vận tải
NGHIÊN CứU GIảI PHáP CHốNG CáT CHảY
TRONG XÂY DựNG CÔNG TRìNH ĐƯờNG Ô TÔ
TạI KHU KINH Tế NGHI SƠN TỉNH THANH HóA
luận án tiến sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường Thành phố
Mã số: 62.58.02.05.01
Người hướng dẫn khoa học:
1: PGS.TS Trn Tun Hip
2: GS.TS Bựi Xuõn Cy
hà nội - 2017
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận án, tác giả trân trọng cảm ơn các cơ quan đã tạo mọi
điều kiện giúp đỡ: Trường Đại học Giao thông Vận tải, Phòng Đào tạo sau đại
học, khoa Công trình, Bộ môn Đường bộ, phòng thí nghiệm trọng điểm đường
bộ 1, Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông Vận tải, phòng thí nghiệm, kiểm
định trọng điểm LASXD 1256, Công ty cổ phần tư vấn khảo sát thiết kế xây dựng
Lương Anh Thế.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến các thầy hướng
dẫn là PGS.TS. Trần Tuấn Hiệp và GS.TS.Bùi Xuân Cậy đã hết sức tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ, góp ý và định hướng nghiên cứu cho tác giả. Xin cảm ơn
đến các thầy cô trong bộ môn Đường bộ, khoa Công trình, các nhà khoa học, các
cộng tác viên đã nhiệt tình hỗ trợ, giúp đỡ trong quá trình nghiên cứu.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học đã nhận xét, góp ý;
Hà nội 6/2017
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc.
----------------------------
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Hà nội, ngày
tháng 6 năm 2017
Tác giả luận án
Lê Như Nam
MỤC LỤC
Danh mục hình ảnh, biểu đồ
Danh mục các bảng
Danh mục chữ viết tắt
Trang
Mở đầu….………………………………………………………………..... 1
1. Lý do và sự cần thiết lựa chọn đề tài.................................................
1
2. Mục tiêu nghiên cứu…………………………………………..........
3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu…….……………………………
4
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu..………….….
4
5. Cấu trúc đề tài luận án….…………………………………………..
4
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu.………………..………….
5
1.1. Khái quát chung về cát biển và nước ngầm ………………………….
5
1.1.1. Khái quát chung về cát biển .............................................................
5
1.1.2. Hoạt động của nước ngầm............................................................. ...
7
1.2. Cơ sở lý thuyết về dòng thấm .......................................................... ...
8
1.2.1. Thấm trong đất……………………………………………………...
8
1.2.2. Định luật thấm đường thẳng (định luật Đarcy)………………….
9
1.2.3. Định luật thấm đường cong (định luật A.AKrastiovolski)..........
10
1.3. Tổng quan về cát chảy trong xây dựng công trình vùng duyên hải….
11
1.3.1- Tổng quan về cát chảy……………………………………………...
11
1.3.2. Sự cố công trình do cát chảy trên thế giới và Việt Nam..………….
14
1.3.3. Những sự cố công trình ở vùng cát chảy Nghi Sơn............................
18
1.4. Các nghiên cứu trên thế giới, trong nước về cát chảy và những giải
pháp chống cát chảy ………………………………………………………
21
1.4.1. Các nghiên cứu về cát chảy trên thế giới…………………………...
21
1.4.2. Các nghiên cứu về cát chảy ở Việt Nam……………………………
23
1.4.3. Những vấn đề còn hạn chế và hướng nghiên cứu của đề tài……….
24
1.5. Mục tiêu của đề tài …………………………………………………...
26
1.6. Nội dung nghiên cứu, kết quả nghiên cứu trong phòng và hiện
trường………………………………………………………………………
26
1.7. Phương pháp nghiên cứu………………………………………………
26
1.8. Kết luận chương...……………………………………………………..
27
Chương 2: Nghiên cứu địa chất thủy văn và thực nghiệm xác định hệ
số thấm của cát chảy Nghi Sơn…………………………………………...
28
2.1. Nghiên cứu điều kiện địa chất khu vực Nghi Sơn, Thanh Hóa………
28
2.1.1. Điều kiện tự nhiên khu vực Nghi Sơn ... ……………………………
28
2.1.2. Khảo sát điều kiện địa chất vùng duyên hải Nghi Sơn……………..
29
2.1.3. Kết quả khảo sát…....………………………………………………..
32
2.2. Quan trắc mực nước ngầm khu vực Nghi Sơn, Thanh Hóa ………….
38
2.2.1. Mục tiêu quan trắc………………………………………………......
38
2.2.2. Nội dung quan trắc…………………………………………………..
38
2.2.3. Kết quả quan trắc…………………………………………………….
38
2.3. Xác định cơ chế và phạm vi hoạt động của cát chảy Nghi
Sơn.............…….........................................................................................
41
2.3.1. Thí nghiệm hàm lượng bụi, bùn sét, sulfat, sulfit, mica của lớp cát
chảy thực nghiệm…………………………………………………………..
41
2.3.2. Cơ chế và phạm vi hoạt động của cát chảy Nghi Sơn……………...
41
2.4. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị đo thấm phức hợp CEPM...........
42
2.4.1. Mục tiêu nghiên cứu………………………………………………..
44
2.4.2. Sơ đồ thực nghiệm…………………………………………………...
44
2.4.3. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị đo thấm phức hợp, CEPM…….
44
2.4.3.1. Cấu tạo…………………………………………………………….
44
2.4.3.2. Mô tả thiết bị……………………………………………………..
47
2.4.3.3. Ưu điểm và hạn chế của thiết bị…………………………………..
47
2.5. Thực nghiệm trong phòng xác định hệ số thấm của cát chảy Nghi
Sơn ..………………………………………………………………………
48
2.5.1. Mục tiêu thí nghiệm…………………………………………………
48
2.5.2. Cách chế bị mẫu cát thí nghiệm………...…………………………...
48
2.5.3. Tiến hành thí nghiệm………………………………………………..
50
2.5.4. Kết quả thí nghiệm…………………………………………………..
51
2.6. Nhận xét, kết luận chương...……………………………………….....
53
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng xác định vật liệu
chống cát chảy hợp lý…………………………………………………......
54
Nội dung chính của chương……………………………………………….
56
3.1. Yêu cầu và nội dung nghiên cứu thực nghiệm…………………….....
57
3.1.1. Yêu cầu thực nghiệm........................................................................
57
3.1.2. Nội dung nghiên cứu thực nghiệm………………….……………….
57
3.2. Nghiên cứu xác định hàm lượng hợp lý của vật liệu phụ gia Bột sét…
58
3.2.1. Thí nghiệm xác định hàm lượng nước hợp lý trong dung hợp BS-N..
58
3.2.1.1. Cách chế bị mẫu thí nghiệm…………………………………….....
58
3.2.1.2. Thí nghiệm xác định kth1 của các mẫu…………………………….
59
3.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm xác định quan hệ biến thiên của hệ số
thấm, kth1 khi hàm lượng BS trong dung hợp [BS-N] thay đổi…………….
61
3.2.2.1. Chế bị tổ hợp mẫu thí nghiệm……………………………………..
61
3.2.2.2. Thí nghiệm xác định quan hệ giữa kth1 và hàm lượng BS trong
dung hợp [68%BS+32%N]…………………………………………………
62
3.3. Nghiên cứu xác định hàm lượng hợp lý của vật liệu phụ gia BEN…...
64
3.3.1. TN xác định hàm lượng nước hợp lý trong dung hợp BEN-N………
65
3.3.1.1. Cách chế bị, tổ hợp mẫu thí nghiệm…………………………….....
65
3.3.1.2. Thí nghiệm xác định kth2 của các mẫu TN………………………...
65
3.3.2. Thí nghiệm xác định quan hệ thay đổi hệ số thấm k th2 của cát khi
thay đổi hàm lượng vật liệu phụ gia BEN trong dung hợp
67
[69%BEN+31%N]………………………………………………………….
3.3.2.1. Chế bị tổ hợp mẫu thí nghiệm……………………………………..
67
3.3.2.2. Thí nghiệm xác định hệ số thấm kth2 của mẫu cát khi thay đổi hàm
lượng BEN trong dung hợp [BEN-N]……………………………………...
68
3.4. Nghiên cứu xác định hàm lượng hợp lý của vật liệu phụ gia XM…….
70
3.4.1. Thí nghiệm xác định hàm lượng nước hợp lý trong hồ vữa [XM-N]
(tìm kth3 nhỏ nhất)…………………………………………………………..
70
3.4.1.1. Chế bị tổ hợp mẫu thí nghiệm…………………………….....
70
3.4.1.2. Thí nghiệm để xác định hàm lượng nước có trong HH với XM có
kth3 nhỏ nhất………………………………………………………………...
71
3.4.2 Thí nghiệm xác định hệ số thấm kth3 của mẫu cát khi thay đổi hàm
lượng XM trong dung hợp [XM-N]………………………………………..
73
3.4.2.1. Chế bị tổ hợp mẫu thí nghiệm……………………………………..
73
3.4.2.2. Thí nghiệm xác định quan hệ thay đổi k th3 khi hàm lượng XM
trong dung hợp [XM+N] thay đổi………………………………………….
74
3.5. Nghiên cứu xác định hàm lượng hợp lý của vật liệu phụ gia [BS-XM]
76
3.5.1. Thí nghiệm xác định tỷ lệ XM hợp lý trong hỗn hợp [BS-XM]…….
76
3.5.1.1. Chế bị tổ hợp mẫu thí nghiệm…...……..……………………….…
76
3.5.1.2. Thí nghiệm xác định hệ số thấm kth5 khi thay đổi hàm lượng XM
trong hỗn hợp [BS-XM]…………………………………………………… 77
3.5.2. Thí nghiệm xác định hàm lượng nước hợp lý trong dung hợp
[72%BS+28%XM]…………………………………………………………
79
3.5.2.1. Chế bị tổ hợp mẫu thí nghiệm……………………………………..
79
3.5.2.2. Nghiên cứu thực nghiệm xác định hàm lượng nước hợp lý……….
79
3.6. Nghiên cứu xác định hàm lượng hợp lý của hỗn hợp vật liệu phụ gia
[XM-BEN] chống cát chảy………………………………………………..
82
3.6.1. Thực nghiệm xác định tỷ lệ hàm lượng BEN hợp lý trong hỗn hợp
[XM-BEN] …………………………………………………………………
82
3.6.1.1. Cách chế bị, tổ hợp mẫu thí nghiệm…………………………….....
82
3.6.1.2. Nghiên cứu xác định xác định hệ số thấm k th5 khi thay đổi hàm
lượng BEN trong hõn hợp [XM-BEN]……………………………………..
83
3.6.2. Nghiên cứu xác định hàm lượng nước hợp lý trong dung hợp
[77%XM+23%BEN]+N (để kth5 nhỏ nhất)………………………………...
85
3.6.2.1. Chế bị tổ hợp mẫu thí nghiệm……………………………………..
85
3.6.2.2. Nghiên cứu xác định hàm lượng nước hợp lý trong dung hợp
[XM-BEN-N], (tìm kth5 nhỏ nhất)…………………………………………
85
3.7. Nghiên cứu xác định hàm lượng hợp lý các vật liệu phụ gia trong hỗn
hợp [BS-BEN] ……………………………………………..……………...
88
3.7.1. Thực nghiệm xác định tỷ lệ hàm lượng BEN hợp lý trong hỗn hợp
[BS-BEN] ………………………………………………………………….
88
3.7.1.1. Chế bị tổ hợp mẫu thí nghiệm……………………………………..
88
3.7.1.2. Thí nghiệm xác định quan hệ giữa kth6 và hàm lượng [BS-BEN]....
88
3.7.2. Thí nghiệm xác định hàm lượng nước hợp lý trong dung hợp
[BS+BEN], (hàm lượng nước cho hệ số thấm của cát chảy nhỏ nhất)…….
91
3.7.2.1. Chế bị tổ hợp mẫu thí nghiệm………………….………………….
91
3.7.2.2. Thí nghiệm xác định quan hệ giữa kth7 và hàm lượng nước trong
dung hợp {[70%BS+30%BEN]-N}………………………………………..
91
3.8. Nghiên cứu xác định hàm lượng hợp lý vật liệu phụ gia thủy tinh
lỏng ………………………………………………………………………...
93
3.8.1. Chế bị tổ hợp mẫu thí nghiệm…………...…………………………..
93
3.8.2. Thí nghiệm xác định hệ số thấm kth7 khi hàm lượng vật liệu phụ gia
thủy tinh lỏng, TTL, thay đổi ……………………………………………...
93
3.9. Nhận xét, kết luận chương 3…………………………………………..
97
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường xác định hệ số thấm
của cát khi cho thấm nhập vào tầng cát chảy các tổ hợp phụ gia khác
nhau………………………………………………………………………...
99
4.1. Nội dung thực nghiệm…….…………………………………………... 100
4.2. Thiết lập mô hình thực nghiệm hiện trường…………………………... 100
4.3. Xây hố thực nghiệm và tiến hành thực nghiệm………………………. 102
4.3.1. Xây hố thực nghiệm…………………………………………………
102
4.3.2. Tiến hành thực nghiệm……………………………………………… 104
4.4. Kết quả thực nghiệm…………………………………………………..
107
4.4.1. Kết quả thực nghiệm xác định hệ số thấm của cát nguyên trạng…… 107
4.4.2. Kết quả xác định hệ số thấm của cát khi bị thấm nhập bởi tổ hợp vật
liệu 1……………………………………………………………………….. 109
4.4.3. Kết quả xác định hệ số thấm của cát khi bị thấm nhập bởi tổ hợp vật
liệu 2……………………………………………………………………….. 110
4.4.4. Kết quả xác định hệ số thấm của cát khi bị thấm nhập bởi tổ hợp vật
liệu 3……………………………………………………………………….. 111
4.4.5. Kết quả xác định hệ số thấm của cát khi bị thấm nhập bởi tổ hợp vật
liệu 4……………………………………………………………………….. 112
4.5. Phân tích hiệu quả kinh tế khi sử dụng các tổ hợp vật liệu phụ gia
chống thấm khác nhau……………………………………………………... 113
4.6. Định hướng công nghệ sử dụng vật liệu phụ gia chống cát chảy
trong xây dựng nền móng đường ô tô khu vực Nghi Sơn, Than Hóa......... 116
4.6.1. Đặc điểm xây dựng nền móng đường ô tô ở Nghi Sơn, Thanh Hóa... 116
4.6.2. Giải pháp định hướng chống cát chảy bằng Hào chặn dòng ngầm
(Hào chống thấm) ………………………………………………………….. 117
4.7. Nhận xét, kết luận chương 4 ………………………………………….. 120
Kết luận, kiến nghị………………………………………………………... 123
Các công trình đã công bố của tác giả
Tài liệu tham khảo
Phần phụ lục (trình bày cuốn riêng)
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1. Tổng hợp các chỉ tiêu của các lớp đất thí nghiệm……………….
34
Bảng 2.2. Kết quả theo dõi mực nước ngầm tại KKT Nghi Sơn…………..
38
Bảng 2.3. Kết quả thí nghiệm hàm lượng bụi, bùn sét, sulfat, sulfit, mica...
41
Bảng 2.4: Kết quả thực nghiệm xác định hệ số thấm của cát Nghi Sơn……
52
Bảng 3.1: Kết quả thí nghiệm kth1, của các ống mẫu thí nghiệm theo thời
gian…………………………………………………………………………
60
Bảng 3.2. Kết quả thí nghiệm hệ số thấm kth1, và KL HH [68%BS +
32%N] thay đổi …………………………………………………………….
63
Bảng 3.3: Kết quả thí nghiệm kth2, của các ống mẫu thí nghiệm theo thời
gian………………………………………………………………………….
66
Bảng 3.4. Kết quả thí nghiệm hệ số thấm k th2, và hàm lượng BEN trong
dung hợp [69%BEN+31%N] thay đổi ……………………………………..
69
Bảng 3.5. Kết quả xác định kth3, của các ống mẫu thí nghiệm khi hàm
lượng nước thay đổi………………………………………………………...
72
Bảng 3.6: Kết quả thí nghiệm xác định hệ số thấm kth3, khi hàm lượng
dung hợp [74%XM+26%N] thay đổi………………………………………
75
Bảng 3.7. Kết quả thí nghiệm hệ số thấm kth4 theo thời gian (hàm lượng
hỗn hợp [BS-XM] thay đổi, nước trong HH=0)……………………………
78
Bảng 3.8. Kết quả thí nghiệm hệ số thấm kth4 theo thời gian, (khối lượng
[72%BS+28%XM] cố định, lượng nước thay đổi) ………………………...
80
Bảng 3.9. Kết quả thí nghiệm xác định hệ số thấm kth5 theo thời gian (hàm
lượng[XM-BEN] thay đổi, lượng nước trong DH=0)………………..
84
Bảng 3.10. Kết quả thí nghiệm hệ số thấm kth5 theo thời gian (khối lượng
[XM-BEN] cố định, lượng nước thay đổi)…………………………………
87
Bảng 3.11: Kết quả thực nghiệm xác định hệ số thấm kth6, hàm lượng [BSBEN] thay đổi, lượng nước N=0……………………………………………
90
Bảng 3.12. Kết quả thí nghiệm hệ số thấm k th6, tỉ lệ [BS-BEN] cố định,
lượng nước thay đổi………………………………………………………...
91
Bảng 3.13: Kết quả thí nghiệm hệ số thấm kth7, hàm lượng TTL thay đổi…
94
Bảng 3.14. Tổng hợp kết quả nghiên cứu xác định hàm lượng hợp lý của
các vật liệu thành phần trong các tổ hợp vật liệu phụ gia chống cát chảy….
98
Bảng 3.15. Tổng hợp kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định các hàm
lượng hợp lý của các vật liệu thành phần trong tổ hợp các vật liệu phụ gia
chống cát chảy………………………………………………………………
98
Bảng 4.1. Kết quả theo dõi hệ số thấm k0 của cát………………………….. 107
Bảng 4.2. Kết quả theo dõi hệ số thấm của mẫu cát tự nhiên và các mẫu
cát chứa VLPG chống thấm theo thời gian………………………………… 108
Bảng 4.3. Tổng hợp kết quả theo dõi hệ số thấm kth1 theo thời gian………. 109
Bảng 4.4. Kết quả theo dõi hệ số thấm kth2 theo thời gian…………………. 110
Bảng 4.5. Kết quả theo dõi hệ số thấm kth3 theo thời gian…………………. 111
Bảng 4.6. Kết quả theo dõi hệ số thấm kth4 theo thời gian…………………. 112
Bảng 4.7. Tổng hợp kết quả tính chi phí VLPG chống thấm trên 1 m2 diện
tích thành hào chống thấm, (trên một đơn vị chiều rộng hào)……………... 115
DANH MỤC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ
Trang
Hình 1. Hình ảnh hố móng đường ô tô ở Nghi Sơn và hình ảnh minh họa
cát chảy……………………………………………………………………..
2
Hình 1.1. Các thềm biển và những tạo thành cát………………………….
6
Hình 1.2. Bãi cát ở Quảng Bình có thế nằm đụn, dải……………………..
6
Hình 1.3. Bãi cát Cửa Hội, Nghệ An……………………………………….
6
Hình 1.4. Sơ đồ tầng nước ngầm…………………….……………………..
7
Hình 1.5. Sơ đồ dòng ngầm………………………………………………..
7
Hình 1.6. Sơ đồ bồn ngầm…………………………………………………
7
Hình 1.7. Sơ đồ dòng ngầm và bồn ngầm………………………………….
8
Hình 1.8. Mô hình nước thấm qua mẫu đất.........................................
11
Hình 1.9. Sơ đồ hình thành cát chảy trong hố móng công trình…………..
11
Hình 1.10. Cát chảy, lở cát…………………………………………………
12
Hình 1.11. Cát chảy nhiều lớp……………………………………………...
12
Hình 1.12. Thi công hệ thống thoát nước TP Thanh Hoá………………….
14
Hình 1.13. Sập Viện nghiên cứu Khoa học xã hội bị sập khi thi công công
trình cao ốc Pacific bên cạnh……………………………………………….
15
Hình 1.14. Nền đường đang thi công bị xói lở do cát chảy đường Đông
Tây 2, KKT Nghi Sơn……………………………………………………...
15
Hình 1.15. Đường trên sa mạc Sahara bị vùi lấp do cát chảy……………..
16
Hình 1.16. Nền nhà ở An Hải, Tuy An, Phú Yên bị sụt lún do mưa lũ…….
16
Hình 1.17. Đường giao thông trên đồi cát bị chia cắt, cửa lò, Nghệ An…...
16
Hình 1.18. Cát chảy làm đường bị sụt, lún ở cửa lò, Nghệ An……………..
16
Hình 1.19. “Bom nước” thủy điện Ia Krel 2 bị vỡ khiến hàng triệu m3
nước tràn xuống hạ du tạo ra cơn lũ quét kinh hoàng……………………...
16
Hình 1.20. Vỡ đê sông cầu chày, 3.500 người dân xã Thọ phú lâm vào
cảnh khốn cùng……………………………………………………………..
16
Hình 1.21. Ruộng đồng của xã Hồng Thủy, Lệ Thủy bị cát chảy vùi
lấp…………………………………………………….……………………..
17
Hình 1.22. Lũ cát xảy ra tại thôn xóm Cát (An Hải, Tuy An, Phú Yên)…...
17
Hình 1.23. Đường trên nền Cát chảy bị sình lún, trồi khi thi công đường
vào nhà máy Giày, KKT Nghi Sơn………………………………………...
19
Hình 1.24. Tường rào bị sập do chấn động nền đường đang thi công đường
vào nhà máy Giày, KKT Nghi Sơn…………………………………
19
Hình 1.25. Thi công cống thoát nước Nguyên Bình gặp cát chảy…………
19
Hình 1.26. Đường trên nền cát chảy bị lún nứt, khu dân cư Nguyên Bình...
19
Hình 1.27. Cát chảy gây xói lở thượng lưu cống và nền đường phía nam
đường 513 KKT Nghi Sơn trong mùa mưa, lũ năm 2013………………….
20
Hình 1.28. Kênh thoát nước KKT Nghi Sơn bị sạt lở hố móng do cát chảy..
20
Hình 1.29. Hồ Đồng Đáng, xã Trường Lâm, huyện Tĩnh Gia- KKT Nghi
Sơn bị vỡ khiến nhiều hộ dân bị ngập chìm trong nước……………………
21
Hình 2.1. Thiết bị khoan và mẫu thí nghiệm………………………………..
29
Hình 2.2. Bản đồ địa hình khu vực Nghi Sơn, Thanh hóa………………….
30
Hình 2.3. Vị trí các lỗ khoan địa chất, các vị trí theo dõi MNN……………
31
Hình 2.4. Hình trụ hố khoan địa chất đại diện khu vực thực nhgiệm.……...
33
Hình 2.5. Mặt cắt địa chất đại diện khu vực nghiên cứu…...……………….
37
Hình 2.6. Quan trắc mực nước ngầm bằng máy đo tự động Multitester DE960TR……………………………………………………………………….
39
Hình 2.7 Biểu đồ thay đổi mực nước ngầm theo thời gian………………..
40
Hình 2.8. Sơ đồ thí nghiệm thấm Darcy…………………………………….
44
Hình 2.9. Hình chiếu bằng bộ thiết bị, CEPM...…………………………...
45
Hình 2.10. Chi tiết ống đứng 2……………………………………….……..
45
Hình 2.11. Mặt cắt A-A của bộ thí nghiệm CEPM..………………..………
46
Hình 2.12. Thiết bị thí nghiệm sau khi chế tạo và lắp đặt…………….……
46
Hình 2.13. Chế bị mẫu cát thí nghiệm……………………….……………...
50
Hình 3.1. Quan hệ giữa kth1 và thời gian……………………………………
59
Hình 3.2. Quan hệ giữa kth1 và hàm lượng nước trong hỗn hợp sau 144h….
61
Hình 3.3. Quan hệ giữa kth1 và thời gian thí nghiệm sau 144h…….………..
62
Hình 3.4. Quan hệ giữa kth1 và khối lượng BS trong DH [68%BS+32%N],
sau………...…………………………………………………………………
64
Hình 3.5. Quan hệ giữa kth2 và hàm lượng nước trong DH [BEN-N] sau
144h…………………………………………………………………………
67
Hình 3.6. Quan hệ giữa kth2 và hàm lượng BEN trong dung hợp
[BEN+31%N], với t=144h………………………………………………….
68
Hình 3.7. Quan hệ giữa kth3 và thời gian……………………………………
71
Hình 3.8. Quan hệ giữa kth3 và hàm lượng nước trong HH sau 144h ………
71
Hình 3.9. Quan hệ giữa kth3 và thời gian……………………………………
74
Hình 3.10. Quan hệ giữa kth3 khi thay đổi hàm lượng XM trong DH
[XM+N], sau 144h………………………………………………………….
74
Hình 3.11. Quan hệ giữa kth4 và thời gian…………………………………..
77
Hình 3.12. Quan hệ giữa kth4, và hàm lượng XM trong HH sau 144h……...
71
Hình 3.13. Quan hệ giữa kth4, hàm lượng nước trong dung hợp và thời gian
81
Hình 3.14. Quan hệ giữa kth4 và hàm lượng nước trong dung hợp sau 144h
81
Hình 3.15. Quan hệ giữa kth5, hàm lượng [XM-BEN] và thời gian…………
83
Hình 3.16. Quan hệ giữa kth5 và hàm lượng XM trong HH sau 144h ……...
83
Hình 3.17. Quan hệ giữa kth5, hàm lượng nước trong hỗn hợp và thời gian...
86
Hình 3.18. Quan hệ giữa kth5 và hàm lượng nước trong HH sau 144h …….
86
Hình 3.19. Quan hệ giữa kth6, hàm lượng [BS-BEN] theo thời gian………..
89
Hình 3.20. Quan hệ giữa kth6, và hàm lượng BS trong hỗn hợp ……………
89
Hình 3.21. Quan hệ giữa kth6 và hàm lượng nước trong dung hợp
{[70%BS- 30%BEN]- N……………………………………………………
92
Hình 3.22. Quan hệ giữa kth7, hàm lượng TTL và thời gian………………...
93
Hình 3.23. Quan hệ giữa kth7 và hàm lượng TTL, sau 144h………………...
96
Hình 3.24. Một số hình ảnh chế bị mẫu và thí nghiệm hệ số thấm sử
dụngVLPG………………………………………………………………….
96
Hình 4.1. Sơ đồ mặt bằng hố thực nghiệm…………………………………. 101
Hình 4.2. Hình chiếu I-I…………………………………………………… 101
Hình 4.3. Chi tiết N (gắn tại đầu ống phía trong hố thực nghiệm)…………. 102
Hình 4.4. Hố thực nghiệm hình hộp 2m x 2,5m x 0,22m…………………... 102
Hình 4.5. Vệ sinh vữa bám và đóng ống thực nghiệm vào nền cát chảy…... 103
Hình 4.6. Lắp đặt các ống nhựa, van, cút vào hệ thống……………………. 103
Hình 4.7. Khoan giếng theo dõi chiều cao áp lực………………………….. 104
Hình 4.8. Chế bị các mẫu thí nghiệm các hỗn hợp tác nhân chống thấm….. 105
Hình 4.9. Xác định lưu lượng Q (đo lượng nước chảy qua ống theo thời
gian)………………………………………………………………………… 106
Hình 4.10. Biến thiên của kth1 theo thời gian……………………………….
109
Hình 4.11. Biến thiên của kth2 theo thời gian……………………………….
110
Hình 4.12. Biến thiên của kth3 theo thời gian…………...………………….. 111
Hình 4.13. Biến thiên của kth4 theo thời gian…………...………………….. 113
Hình 4.14. Hình ảnh cát chảy vào hố đào nền móng đường ô tô ở Nghi Sơn 116
Hình 4.15. Sơ đồ MCN hào VLPG chống cát chảy đối với hố móng công
trình………………………………………………………………………… 118
Hình 4.16. Thí nghiệm đo thấm tại đại học Arkansas, theo ASTM D2434, 120
Mỹ…………………………………………………………………………..
Hình 4.17. Thí nghiệm đo thấm bằng bộ thiết bị CEPM………………….. 121
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BEN
: Bentonit
BS
: Bột sét
BS - N
: Bột sét và nước
BS - BEN
: Bột sét – Bentonit
BS - XM
: Bột sét – Xi măng
DH
: Dung hợp
ĐCTV
: Địa chất thủy văn
GRDP
: Tổng sản phẩm trên địa bàn
HK1
: Hố khoan 1
HH
: Hỗn hợp
KKT
: Khu kinh tế
KL
: Khối lượng
MCN
: Mặt cắt ngang
MNN
: Mực nước ngầm
N
: Nước
QL10
: Quốc lộ 10
QL1A
: Quốc lộ 1A
TĐC
: Tái định cư
TN
: Thí nghiệm
TP
: Thanh phố
TTL
: Thủy tinh lỏng
VAT
: Thuế giá trị gia tăng
VL
: Vật liệu
VLPG
: Vật liệu phụ gia
XD
: Xây dựng
XM
: Xi măng
XM-BEN
: Xi măng – Bentonit
MỞ ĐẦU
1. Lý do và sự cần thiết thực hiện đề tài
Cát chảy là hiện tượng cát hạt nhỏ, hạt mịn, nhiều hạt bụi, thuộc tầng chứa
nước có áp chảy thoát ra khỏi mặt phát lộ của thành vách ta luy, hố đào…Cát
chảy là một hiện tượng địa chất công trình đa dạng, phức tạp, có thể xảy ra
nhanh hoặc chậm hoặc rất chậm và âm thầm trong thời gian dài, gây ra nhiều sự
cố, tai biến, phá hoại khôn lường cho nền móng công trình trong quá trình xây
dựng và khai thác. Tầng đất chứa cát chảy là một dạng đất yếu, có thành phần,
trạng thái và thuộc tính đặc biệt, cần có những giải pháp đặc biệt để xử lý.
Hiện tượng sụt lở, mà một trong những nguyên nhân chủ yếu là do xói
ngầm, cát chảy làm phá hoại thành vách hố móng, lún sụt công trình xảy ra ở
nhiều nơi và khá phổ biến; như các hố tử thần, lún sập tòa nhà Pacific ở thành
phố Hồ Chí Minh, sụt lở móng nền đường ở khu Kinh tế Nghi Sơn; sập nhà 4
tầng ở Gò Vấp, Thành phố Hồ chí Minh,…
Việt Nam là một quốc gia có bờ biển dài hơn 3000 km, có vùng châu thổ và
duyên hải kéo dài được trầm tích, bồi tụ tạo thành với các tầng cát tích, nước
ngầm hoạt động. Hoạt động địa chất thủy văn phức tạp đã tạo nên hiện tượng
xói ngầm, cát chảy phổ biến ở hầu khắp các tỉnh thành vùng duyên hải trong cả
nước.
Vùng duyên hải Nghi Sơn, Thanh Hóa có diện tích 18.611 ha, trải dài hơn
10km bờ biển, đang được đầu tư xây dựng cơ sở hạ tầng phục vụ cho khu kinh
tế Nghi Sơn; trong đó trọng tâm là công nghiệp nặng, công nghiệp cơ bản như
Lọc hóa dầu, Nhiệt điện, Luyện cán thép, Cơ khí chế tạo…
Tầng cát chảy thuộc khu vực Nghi sơn thuộc tầng nông, có diện phân bố
rộng, chiều sâu từ 1 đến 5 mét. Hoạt động của cát chảy đã và đang gây ra rất
nhiều khó khăn trong quá trình thi công xây dựng nền móng công trình, đặc biệt
là nền móng công trình đường ô tô. Hình 1 cho thấy tác động của dòng ngầm cát
chảy tác động vào một móng đường đang thi công trong khu vực.
Trong quá trình xây dựng cơ sở hạ tầng kỹ thuật của khu kinh tế Nghi Sơn,
Thanh Hóa; hiện tượng xói ngầm, cát chảy đã gây không ít khó khăn cho xây
dựng nền móng đường ô tô như khu tái định cư Xuân Lâm - Nguyên Bình,
1
đường 513, đường vào nhà máy giày Sungrade… và đã phải áp dụng nhiều biện
pháp xử lý tốn kém, phức tạp nhưng chưa thực sự hiệu quả.
Hình 1. Hình ảnh hố móng đường ô tô ở Nghi Sơn và hình ảnh minh họa cát chảy
Các sự cố phá hoại nền móng công trình xây dựng do xói ngầm, cát chảy
xảy ra phổ biến ở hầu hết khắp các quốc gia trên thế giới.
Để khắc phục các sự cố do xói ngầm - cát chảy, cần phải sử dụng công
nghệ làm khô hố móng, làm hạn chế hoạt động của dòng ngầm, ngăn chặn dòng
đất cát ngầm chảy vào hố móng; từ nguyên lý đó, người ta ứng dụng các giải
pháp khác nhau, khá đa dạng; nhiều quốc gia phát triển đã phải áp dụng nhiều
giải pháp công nghệ phức tạp, đắt tiền như:
- Gia cố nền đất bằng hóa chất;
- Đóng băng nước trong đới dòng ngầm chứa tầng đất cát bão hòa nước;
- Xây dựng hệ thống tường cừ, tường vây, cọc baret, cọc đất-xi măng,
bentonite…
- Phun phụt vữa (Jet grounting)
- Bơm hút nước làm khô hố móng…[16], [17], [42], [49], [51]
Tùy thuộc điều kiện địa lý tự nhiên, địa chất thủy văn, vật liệu xây dựng, và
tiềm lực kinh tế, công nghệ khác nhau mà các giải pháp công nghệ sẽ được ứng
dụng và hiệu quả thu được sẽ khác nhau.
2
Nhiều giải pháp nêu trên yêu cầu công nghệ thi công phức tạp, đầu tư thiết
bị đắt tiền, thường chỉ áp dụng thích hợp cho hố móng sâu, có quy mô không
lớn. Đối với móng đường trải dài hàng chục km với diện tích lớn, chiều sâu hạn
chế trong phạm vi từ 1m – 3 m thì những giải pháp trên thường không thích hợp
và quá tốn kém; khi đó cần nghiên cứu giải pháp đơn giản hơn bằng cách kết
hợp dùng hào với tạo thấm nhập vào tầng cát chảy các vật liệu phụ gia chống
thấm; tuy nhiên dùng những vật liệu phụ gia nào, với hàm lượng và tỷ lệ phối
hợp ra sao để cho hiệu quả tốt nhất?
Vấn đề đặt ra là: phải tìm được giải pháp hợp lý, kinh tế, phù hợp với năng
lực thiết bị trong nước, tận dụng vật liệu địa phương để khắc phục một cách hiệu
quả và bền vững hiện tượng cát chảy trong điều kiện Việt Nam; trước mắt nhằm
phục vụ thiết thực cho xây dựng đường ô tô thuộc khu kinh tế Nghi Sơn và vùng
duyên hải Thanh Hóa?
Đây thực sự là một câu hỏi lớn đặc biệt có ý nghĩa đối với các nhà xây
dựng.
Từ những phân tích như vậy, đề tài luận án: “Nghiên cứu giải pháp chống cát
chảy trong xây dựng công trình đường ô tô tại khu kinh tế Nghi Sơn tỉnh Thanh Hóa”
là nhằm giải quyết một vấn đề khoa học, thực tiễn cấp thiết trong sự nghiệp công
nghiệp hóa, hiện đại hóa cơ sở hạ tầng giao thông vận tải.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Kết hợp lý thuyết và thực nghiệm nhằm đề xuất được giải pháp hợp lý và sử
dụng các vật liệu phụ gia chống cát chảy trong xây dựng nền móng công trình
đường ô tô khu vực Nghi sơn, Thanh Hóa.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu giái pháp chống cát chảy trong xây
dựng công trình đường ô tô.
Phạm vi nghiên cứu: Khu kinh tế Nghi Sơn, tỉnh Thanh Hóa.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Nghiên cứu của luận án sẽ tập trung làm sáng tỏ hơn cấu tạo của cát và hoạt
động cát chảy vùng duyên hải Nghi Sơn, Thanh Hóa.
Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ góp phần làm phong phú hơn các giải
pháp công nghệ chống cát chảy trong xây dựng nền móng công trình, đặc biệt là
3
nền móng đường ô tô thích hợp cho vùng kinh tế Nghi Sơn và có thể tham khảo
áp dụng cho các vùng duyên hải rộng lớn có điều kiện địa chất thủy văn tương
tự.
Những giải pháp được luận án đề xuất trên cơ sở ứng dụng vật liệu phụ gia
địa phương rẻ tiền có hiệu quả chống thấm tốt sẽ có ý nghĩa thực tiễn cao về
kinh tế - kỹ thuật; bảo đảm bền vững nền móng, giúp tiết kiệm chi phí xây dựng,
đẩy nhanh tiến độ thi công công trình.
5. Cấu trúc của luận án
Nội dung nghiên cứu của luận án được thể hiện qua các chương:
Phần mở đầu
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương 2: Nghiên cứu điều kiện địa chất thủy văn và thực nghiệm xác định
hệ số thấm của cát trong tầng cát chảy Nghi Sơn.
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng xác định vật liệu phụ gia
hợp lý chống cát chảy;
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường xác định hệ số thấm của
cát khi cho thấm nhập vào tầng cát chảy các tổ hợp vật liệu phụ gia khác nhau.
Phần kết luận, kiến nghị.
4
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Cát chảy là hiện tượng cát hạt nhỏ, mịn, nhiều hạt bụi sét, thuộc tầng chứa
nước ngầm có áp chảy thoát ra khỏi mặt phát lộ của thành vách ta luy, hố đào
khi xây dựng nền móng công trình… Cát chảy là một hiện tượng địa chất công
trình đa dạng, phức tạp, có thể xảy ra nhanh hoặc chậm hoặc rất chậm và âm
thầm trong thời gian dài, gây ra nhiều tai biến, sự cố phá hoại khôn lường cho
nền móng công trình xây dựng. Tầng đất chứa cát chảy là một dạng đất yếu, có
thành phần, trạng thái và thuộc tính đặc biệt, cần có những giải pháp đặc biệt để
xử lý.
Cát chảy là hiện tượng địa chất động lực, xuất hiện phổ biến ở khắp các
vùng miền, khắp các quốc gia trên thế giới; đặc biệt là vùng duyên hải.
Để nghiên cứu giải pháp chống cát chảy, chương này trình bày nghiên cứu
tổng quan về cát chảy.
Các nội dung chính của chương:
1.1. Khái quát chung về cát biển và nước ngầm;
1.2. Cơ sở lý thuyết về dòng thấm;
1.3. Tổng quan về cát chảy trong xây dựng công trình vùng duyên hải;
1.4. Các nghiên cứu trên thế giới và trong nước về cát chảy và giải pháp
chống cát chảy;
1.5. Mục tiêu của đề tài;
1.6. Nội dung nghiên cứu, kết quả nghiên cứu trong phòng và hiện trường;
1.7. Phương pháp nghiên cứu;
1.8. Kết luận chương.
1.1. Khái quát chung về cát biển và nước ngầm
1.1.1. Khái quát chung về cát biển
Cát biển là loại đất có nguồn gốc trầm tích, được tạo thành từ các sản
phẩm của quá trình phá hủy các loại đất đá thành tạo từ trước đó (Đá macma,
biến chất, trầm tích); do kết quả tích tụ và biến đổi tiếp theo của các trầm tích
có nguồn gốc cơ học. Trong thành phần cát biển, các khoáng vật ít bị phong
hóa chiếm ưu thế như thạch anh, felspat. [14]
Cát biển có kiến trúc rời rạc, tính chất rỗng xốp cao, độ rỗng tương đối
lớn; có kiểu thế nằm theo lớp, đụn, dải. Các lớp cát được tạo thành trong quá
5
trình trầm đọng một cách có chu kỳ, chúng có thể có độ dày rất lớn. Cát có tính
thấm nước lớn, tính thoát nước tốt; tính ép co nhỏ, thực tế ít bị nén lún.
Hình 1.1. Các thềm biển và những tạo thành cát (Lê Đức An, 1979) [23]
1 – Phần lộ đá kết tinh, tuổi trước Neogen; 2 – Nơi phát hiện tectit; 3 – Di tích khảo cổ
(2500 năm); 4 – Nơi có xác định tuổi C 14; 5 – Các lớp có chứa vỏ sò hến.
Cát biển có hạt nhỏ, độ mài mòn cao, khác với cát sườn tích thường có
hạt to hơn và sắc cạnh; nguyên nhân là do cát biển bị mài dũa lâu dài bởi nước
biển, sóng biển. Từ bờ biển vào sâu trong lục địa cát biển trở nên mịn hơn, cát
bờ biển hoặc trên các đụn cát cao phân bố gần các cửa sông thường thô hơn,
màu vàng và chứa nhiều mảnh nhỏ sò hến, vỏ cua biển...
Các thành tạo cát biển có màu sắc khác nhau, màu của cát có liên quan
đến quá trình hình thành và lịch sử phát triển bờ biển. Tất cả các bờ biển có thể
chia ra 7 nhóm căn cứ vào màu của chúng: cát vàng, cát trắng, cát đỏ, cát xám,
cát vàng cam, cát vàng sáng và cát vàng nâu. Ba nhóm đầu phân bố rộng rãi ở
bờ biển Việt Nam, những nhóm còn lại chỉ gặp lẻ tẻ trên một vài diện tích
không lớn.
Hình 1.2. Bãi cát ở Quảng Bình
Hình 1.3. Bãi cát Cửa Hội, Nghệ An
Cát biển có thành phần cơ bản là cát, trong đó hàm lượng cát mịn rất
cao, từ 71 đến 94%, hàm lượng sét vật lý thấp, ít khi vượt quá 10-15%. Sự thay
6
đổi các cấp hạt trong cát biển phụ thuộc vào vị trí của chúng so với bờ biển,
gió thổi từ biển vào mang theo các hạt mịn, để lại các hạt thô.
Quan sát cát bờ biển có thể thấy, cát gồm chủ yếu là quartz, ngoài ra còn
các hạt đục không cho ánh sáng đi qua. Có thể nhìn thấy qua kính lúp một số
mảnh nhỏ đá vôi, vẩy mica đen và trắng, các felspath, apatit, thạch cao,
calcit…
Cát biển có dung trọng thay đổi từ 1,4-1,7 g/cm3, tỷ trọng 2,6-2,7 g/cm3,
độ xốp từ 35 – 45%, sức chứa ẩm từ 2,5 đến 15,5%.[16], [23], [24], [41], [58]
1.1.2. Hoạt động của nước ngầm
Nước ngầm là loại nước trọng lực dưới đất trong tầng chứa nước thứ
nhất kể từ trên xuống. Phía trên tầng nước ngầm thường không có lớp cách
nước che phủ và nước trọng lượng không chiếm toàn bộ bề dày của đất đá
thấm nước, nên bề mặt của nước ngầm là một mặt thoáng tự do (Hình 1.4).
Tùy thuộc vào điều kiện thế nằm, người ta chia ra làm 3 loại:
- Dòng ngầm: Khi đáy cách nước nằm ngang hoặc nghiêng, nước ngầm
chảy theo một phương nào đó (Hình 1.5).
- Bồn ngầm: Khi đáy cách nước bị lõm xuống, mặt nước ngầm gần như
nằm ngang (Hình 1.6).
- Dòng bồn ngầm hỗn hợp: Khi kết hợp cả hai loại trên (Hình 1.7).
1. Đáy cách nước; 2. Tầng nước ngầm; 3. Đới
không khí; 4. Đới cách nước; 5. MNN mùa khô;
5’. MNN mùa mưa; 6. Nước mưa ngấm; 7.
Mạch nước; H - Bề dày tầng nước ngầm; h –
Chiều sâu MNN; A – Mực nước ngầm
Hình 1.4. Sơ đồ tầng nước ngầm
Hình 1.5. Sơ đồ dòng ngầm
Hình 1.6. Sơ đồ bồn ngầm
1. Cát; 2. Cát chứa nước; 3. Đất đá cách nước
7
