NGHIÊN CỨU, GIẢI PHÁP XỬ LÝ HIỆN TƯỢNG CÁT CHẢY DO NƯỚC NGẦM NỀN ĐƯỜNG TRONG VÙNG 4CAM RANH

1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN VĂN HIỀN

NGHIÊN CỨU, GIẢI PHÁP XỬ LÝ HIỆN
TƯỢNG CÁT CHẢY DO NƯỚC NGẦM NỀN
ĐƯỜNG TRONG VÙNG 4/CAM RAN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT


2
HÀ NỘI - 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN VĂN HIỀN

NGHIÊN CỨU, GIẢI PHÁP XỬ LÝ HIỆN
TƯỢNG CÁT CHẢY DO NƯỚC NGẦM NỀN
ĐƯỜNG TRONG VÙNG 4/CAM RANH TỈNH
KHÁNH HÒA
CHUYÊN NGÀNH: KTXD ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH
PHỐ
Mã số: 60.58.02.05.01

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

GS.TS. BÙI XUÂN CẬY


3

HÀ NỘI - 2017


4

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân, được
xuất phát từ yêu cầu thực tiễn phát sinh trong công việc, để hình thành hướng
nghiên cứu. Các tài liệu tham khảo trong luận văn này có nguồn gốc rõ ràng
và kết quả trình bày trong luận văn được thu thập trong quá trình nghiên cứu
là trung thực và khách quan.
Hà Nội, ngày tháng 10 năm 2017
Học viên

Nguyễn Văn Hiền


5

LỜI CÁM ƠN
Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các Thầy cô giáo trong Bộ môn Đường
bộ, các chuyên gia và bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ, đóng góp ý kiến cho đề
tài. Đặc biệt đề tài được hoàn thành với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo
trực tiếp hướng dẫn GS.TS Bùi Xuân Cậy trong suốt quá trình nghiên cứu,
hoàn thiện luận văn kỹ thuật.

Trong quá trình thực hiện đề tài, bản thân tôi luôn chủ động thu thập tài
liệu và nghiên cứu với mong muốn được đóng góp một phần nhỏ bé vào sự
phát triển của ngành kỹ thuật xây dựng đường ô tô và đường thành phố. Tuy
nhiên, do phạm vi của đề tài là tương đối rộng, liên quan đến nhiều vấn đề còn
mới đối với Việt Nam lại chưa có sự nghiên cứu sâu về những vấn đề này.
Đồng thời do sự hạn chế về thời gian của bản thân vì phải đảm bảo thời gian
công tác tại đơn vị, cũng như năng lực nghiên cứu của bản thân còn hạn chế. Vì
vậy, một số nội dung nêu trong đề tài và biện pháp xử lý chưa được kỹ.
Trên cơ sở đề tài này, trong thời gian tới tôi sẽ tiếp tục đi sâu vào
nghiên cứu từng nội dung nhỏ để có những báo cáo chuyên đề cụ thể hơn.
Xin trân trọng cảm ơn.
Học viên

Nguyễn Văn Hiền


6

MỤC LỤC


7

DANH MỤC CÁC BẢNG


8

DANH MỤC CÁC HÌNH

9

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam là quốc gia có bờ biển dài hơn 3000km, có vùng châu thổ và
duyên hải kéo dài được tạo thành bởi trầm tích, bồi tụ bởi các tầng cát tích với
tầng 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 trong cả nước.
Đối với các công trình đang xây dựng, xói ngầm cát chảy trực tiếp tác
động vào nền móng gây sụt, lún hay âm thầm gây xói lở nền đường, trụ cầu
ven sông biển, tầng móng công trình, tạo nền các “hố tử thần”. Trong thời
gian gần đây, ở các thành phố lớn như thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng,
Huế, Nghệ An…liên tục xuất hiện các “hố tử thần” phá hoại các con đường
trọng yếu như đại lộ Nguyễn Văn Linh, QL1A…
Từ năm 2011, trong quá trình xây dựng cơ sở hạ tầng, trong đó có
mạng lưới đường giao thông ở Vùng 4/Cam Ranh, hiện tượng xói ngầm – cát
chảy đã gây ra rất nhiều khó khăn cho việc xây dựng nền móng đường ô tô và
các công trình dân dụng. Các đơn vị liên quan đã áp dụng nhiều biện pháp xử
lý tốn kém, phức tạp nưng chưa thực sự hiệu quả.
Để tìm được giải pháp hợp lý, kinh tế, phù hợp với năng lực thiết bị
trong nước, tận dụng vật liệu dịa phương để khắc phục một cách hiệu quả và
bền vững hiện tượng xói ngầm – cát chảy phục vụ cho xây dựng nền đường
Vùng 4/Cam Ranh, việc Nghiên cứu giải pháp xử lý hiện tượng cát chảy do
nước ngầm nền đường trong vùng 4/Cam Ranh là một vấn đề rất cần thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Đề xuất được các giải pháp khoa học công nghệ phù hợp để xử lý hiện
tượng cát chảy do nước ngầm nền đường Vùng 4/Cam Ranh.
3. Đối tượng nghiên cứu
Nền đường ô tô.

4. Phạm vi nghiên cứu
Nền đường nằm trong vùng chịu ảnh hưởng của cát chảy do nước
ngầm.


10

5. Phương pháp nghiên cứu
- Thu thấp các số liệu về các vùng chịu ảnh hưởng của cát chảy do
nước ngầm.
- Tìm hiểu các giải pháp xử lý cát chảy đã áp dụng trên thế giới và ở
Việt Nam.
- Phân tích, đánh giá để đề xuất các giải pháp xử lý phù hợp cho nền
đường Vùng 4/Cam Ranh.
6. Nội dung của Luận án
Luận án gồm có 3 chương:
Phần mở đầu
Chương 1: Tổng quan về hiện tượng cát chảy và các giải pháp xử lý
Chương 2. Giới thiệu dự án đường giao thông Vùng 4/Cam Ranh
Chương 3. Nghiên cứu đề xuất giải pháp xử lý hiện tượng cát chảy do
nước ngầm nền đường trong Vùng 4/Cam Ranh
Kết luận và Kiến nghị.


11

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG CÁT CHẢY VÀ
CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ
1.1. Khái niệm về hiện tượng cát chảy

1.1.1. Khái niệm
Cát chảy là hiện tượng tương đối phổ biến và phức tạp, đã nhận được
sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới và trong nước. Hệ thống các
cơ sở lý thuyết và thực nghiệm được hình thành đã giúp cho việc nghiên cứu,
thiết kế các công trình chống đỡ, mái dốc, công trình ngầm,... một cách có
hiệu quả. Tuy nhiên, ở Việt Nam, các nghiên cứu sâu về các hiện tượng này
chưa nhiều và chưa được tiến hành một cách có hệ thống, đặc biệt là nghiên
cứu về cát chảy và xói ngầm trong điều kiện địa chất tự nhiên.
Cần có những nghiên cứu cụ thể hơn trong điều kiện Việt Nam để tìm
ra được các giải pháp hợp lý, kinh tế để khắc phục hiệu quả và bền vững hiện
tượng cát chảy – xói ngầm khi xây dựng các công trình giao thông ven biển.
Về bản chất, hiện tượng cát chảy và xói ngầm là một hiện tượng của
biến dạng thấm. Là hiện tượng di chuyển hạt khoáng dưới tác dụng của dòng
thấm, kết quả làm tăng độ rỗng của đất, gây mất ổn định nền công trình, đó
chính là những biểu hiện của quá trình biến dạng thấm.
Biến dạng thấm là một vấn đề phức tạp, thường xẩy ra trong thực tế xây
dựng các công trình nên đã được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa
học trên thế giới và trong nước. V.A. Mironenko và V.M. Sextakov cho rằng,
tác dụng của nước dưới đất không những làm thay đổi trạng thái ứng suất của
đất đá, mà còn có thể làm cho kiến trúc của đất đá bị xáo động (hoặc bị phá
hoại) do ảnh hưởng của những quá trình moi và chuyển cơ học gây nên bởi
lực thuỷ động. Biến dạng của đất đá do những quá trình đó được gọi là biến
dạng thấm. Theo tác giả Nguyễn Trấn, biến dạng thấm là biến dạng của đất do
quá trình tác dụng của dòng thấm làm thay đổi của các chỉ tiêu cơ lý như cấp
phối hạt, khối lượng thể tích, độ lỗ rỗng, lực dính kết, góc ma sát trong, hệ số


12

nén lún, hệ số thấm,... gây nên. Tác giả Phạm Văn Tỵ đã đưa ra định nghĩa cụ

thể về biến dạng thấm trong bài viết của mình tại Hội thảo toàn quốc về chất
lượng nền đê năm 1986: "Biến dạng thấm là biến dạng do tác dụng của dòng
thấm trong đất gây ra khi áp lực thấm vượt quá áp lực thấm giới hạn của đất".
Như vậy, có thể hiểu biến dạng thấm là biến dạng xẩy ra trong môi
trường đất đá do tác dụng của lực thấm khi nước vận động. Biến dạng thấm
xảy ra làm tăng độ rỗng, thay đổi trạng thái ổn định của đất đá và gây ảnh
hưởng lớn đối với công trình xây dựng.
Đặc trưng cho tính thấm của đất đá là độ thấm nước. V.Đ. Lomtađze đã
chỉ rõ, đất rời là những loại đất có độ thấm nước mạnh còn đất dính là những
loại đất có độ thấm nước yếu hoặc rất yếu. Độ thấm nước trước hết phụ thuộc
vào thành phần hạt của đất, ngoài ra nó còn phụ thuộc vào mức độ nén chặt
của đất, độ rỗng và kích thước lỗ rỗng, thành phần khoáng vật, thành phần
cation trao đổi trong nước cùng với các tính chất vật lý của nước như nhiệt
độ, độ nhớt.
Biến dạng thấm có thể xẩy ra dưới nhiều hình thức khác nhau. Theo
nhiều nhà nghiên cứu như: E.A. Zamarin, N.M. Botskov, V.X. Ixtomina, A.N.
Patrasev, Đ.Đ. Đjaxtin, V.A. Mironenko, V.M. Sextakov, R. Whitlow,... thì xói
ngầm và đùn đất là những hình thức biến dạng thấm chủ yếu xẩy ra ở nền
công trình. Điều kiện phát sinh, phát triển những hình thức này khác nhau và
phụ thuộc vào nhiều yếu tố.
V.Đ. Lomtađze cho rằng, cát chảy là hiện tượng di chuyển của khối cát
dưới tác dụng của áp lực nước hay trọng lượng bản thân cùng với sự bôi trơn
của hạt mịn khi chúng lộ ra ngoài. Bản chất tính chảy của cát chảy đã được
giải thích trong các công trình nghiên cứu của nhiều nhà khoa học. K.
Terzaghi (1933) cho rằng, tính chảy của cát chảy hoàn toàn chỉ do tác dụng
của áp lực thuỷ động, tính chảy chẳng phải là bản chất của một loại cát đặc
biệt nào. A.F. Lebeđev (1935), N.N. Maxlov (1958, 1968, 1971) và một số
nhà nghiên cứu khác đã kết luận: Tính chảy không những chỉ liên quan với áp
lực thuỷ động mà còn liên quan với thành phần đặc biệt trong cát, có những

13

dấu hiệu đặc trưng và gọi đó là cát chảy thật. Như vậy, có hai loại cát chảy:
Cát chảy thật và cát chảy giả. N.N. Maxlov, V.Đ. Lomtađze, đã phân biệt rõ:
Bản chất chảy của cát chảy thật liên quan tới sự bôi trơn của các hạt nhỏ như
hạt sét, hạt keo và cả tác dụng của vi sinh vật làm góc ma sát trong của cát rất
nhỏ và có thể tự chảy, còn bản chất chảy của cát chảy giả liên quan tới tác
dụng của áp lực thuỷ động. Áp lực thuỷ động không làm thay đổi đáng kể góc
ma sát trong của cát mà chủ yếu làm thay đổi trạng thái ứng suất trong đó và
là nguyên nhân chủ yếu gây nên tính chảy của cát chảy giả.
- Khi các hố móng và các công trình bóc lộ ra, cát hạt mịn, hạt nhỏ, cát
chứa bụi và nhiều bụi chứa nước sẽ tự chảy. Hiện tượng chảy của cát có thể
xảy ra một cách chậm chạp thành lớp dày, có thể xảy ra nhanh hoặc rất nhanh,
mang tính chất đùn lên ngay khi đào và khai thác đến chúng, tới mức khối đất
đá còn lại không kìm nổi áp lực của cát lỏng nữa.
- Cát chảy ở trạng thái chuyển động tức là mất ổn định. Đất đá chứa
chúng ở các sườn dốc, mái dốc,…các công trình có sẵn hoặc đang xây dựng
trên đó cũng đều mất ổn định.
- Sự chuyển động nhanh chóng và đầy tai biến của cát chảy là mối nguy
hiểm lớn trong thi công xây dựng và khai thác mỏ.
Ví dụ, phần dưới của các sườn dốc, mái dốc hoặc khối trượt có hiện
tượng cát chảy của đất đá thì các khối bên trên mất điểm tựa. Do đó dọc theo
các sườn dốc, mái dốc có xuất hiện các vết nứt, dẫn tới việc thành tạo các
khối trượt mới hoặc thúc đẩy hiện tượng trượt đã có phát triển thêm.
Cát chảy có độ chặt kết cấu không đủ, do đó khi chịu tải trọng chúng bị
nén chặt lại, bị dồn ép và trồi lên. Cát chảy là đất yếu không ổn định, thuộc
nhóm đất có thành phần, trạng thái và tính chất đặc biệt.
- Một số đất loại sét: khi bị ẩm cũng dễ dàng bị tan rã, mất tính dính,
chúng chuyển sang trạng thái sệt và bắt đầu chảy. Tuy thế, khi độ ẩm vừa

giảm, độ sệt thay đổi thì hiện tượng chảy cũng chấm dứt.
- Có trường hợp: cát hạt thô và đất loại sét trong những trường hợp đặc
biệt cũng chảy tức là giống như cát chảy, đôi khi ta gọi chúng là đất chảy giả.


14

Hình 1.1. Cát chảy khi đào móng xây nhà làm đổ nhà bên cạnh
ở Quảng Ninh (16/11/2009).


15

1.1.2. Sự phân bố của cát chảy
- Phân bố rất rộng rãi: trong trầm tích hệ thứ Tư và đá gốc. Khi tiến hành
công tác thăm dò địa chất, công tác xây dựng và công tác khai thác mỏ ta hay
gặp chúng: khi khoan và đào hố móng tại bãi bồi và các thềm trên bãi bồi,…
- Cát chảy có mối liên hệ với các trầm tích trong nước có nguồn gốc
khác nhau, thường tạo thành lớp, thấu kính, vỉa và có thể phân bố ở những độ
sâu khác nhau.
- Địa mạo: cát chảy trong trầm tích hệ thứ tư liên hệ nhiều nhất với
thung lũng sông, đồng bằng aluvi và đồng bằng ven biển; còn trong đá gốc:
cát chảy liên quan với lớp phủ trầm tích của miền nền.
1.1.3. Những dấu hiệu đặc trưng của cát chảy
- Ở trạng thái tự nhiên: khi các lỗ khoan và các công trình khai đào vừa
chạm tới, cát chảy thực có màu xám lục, xám xanh,… với sắc thái đậm hoặc
nhạt tùy thuộc vào lượng chứa hữu cơ và các thành phần khác. Ra ngoài
không khí màu của chúng thay đổi nhanh và không đồng đều, chúng trở nên
sáng hơn, phớt vàng, phớt hồng do sự ôxit hóa các dạng ôxit thấp của sắt và
những hợp chất khoáng khác.

- Một mẩu cát chảy ở TT tự nhiên: giống như đất ẩm, có mùi mốc, bề
mặt hơi nhám. Nước không chảy ra khỏi bề mặt này nhờ độ chứa ẩm lớn và
độ thải nước bé. Khi xe chở cát chảy biến thành một khối đồng nhất, chảy
loang ra thành lớp và trên bề mặt xuất hiện 1 lớp nước đục có màu giống như
màu của vữa xi măng lỏng.
- Khi bị bóc lộ bởi công trình khai đào,… cát chảy chảy như 1 chất lỏng
nhớt, tốc độ chảy có thể nhanh, chậm, đôi khi nhanh khủng khiếp tùy thuộc
vào trạng thái của ứng suất. Nếu trạng thái ứng suất chỉ do trọng lượng bản
thân, thì cát chảy chảy chậm; Nếu do tác dụng của áp lực thủy động và thủy
tĩnh có giá trị lớn và rất lớn, chúng sẽ vận động nhanh hoặc rất nhanh và đùn
đẩy lên.
- Khi khoan trong cát chảy: thường tạo nên những cái nút bịt, liên quan
đến lượng chênh lệch áp lực phát sinh trong đất chứa nước ở bên ngoài và bên


16

trong lỗ khoan. Nút bịt ở lỗ khoan gây nhiều khó khăn trong khi khoan,
thường dẫn đến sự cố, vì làm kẹt và tắc thiết bị khoan. Cho nên, khi gặp cát
chảy cần phải khoan nhanh một mạch và tuân theo qui tắc nhất định.
- Việc đào vét cát chảy thường gặp khó khăn: cắt cát chảy bằng xẻng
bằng cũng chẳng dễ gì, chỉ có khả năng xén từng lát mỏng. Nếu sắn lát dày thì
sẽ không thể lấy chúng khỏi đáy được. Khi thi công trong cát chảy: khối
lượng đã khoan đào thường không phù hợp với khối lượng thực tế của hố
móng và công trình khai đào, bởi vì cát chảy cứ tràn tới liên tục, nên thường
hay tính nhầm khối lượng công tác đã hoàn thành.
- Đặc điểm tiêu biểu của nhiều loại cát chảy: khuynh hướng biến đổi
xúc biến tức là Hóa lỏng khi bị rung và chấn động do tác động cơ học, sau khi
tác động đó chấm dứt, thì tự khôi phục lại một phần hoặc toàn phần trạng thái
ban đầu với tốc độ nào đó. Chúng nhanh chóng chuyển sang trạng thái lỏng,

đặc biệt không ổn định ở những khu vực làm việc của máy xúc, ô tô,…Trên
mặt những khu vực như thế cát chảy trở thành “ Đất lùng nhùng”.
- Khi bị hong khô: trở thành loại đất dính khá cứng, sáng hơn so với
trạng thái ban đầu, đất bị vụn nát, sứt vỡ khó bóp bằng tay, dính bụi màu xám
trắng. Khi khô nó biến thành tấm giòn dễ vỡ.
- Thành phần cát chảy: không những chứa hạt bụi mà còn chứa một
lượng hạt sét nhất định.
- Xếp cát chảy vào nhóm đất có thành phần, trạng thái và tính chất đặc
biệt là đúng.
1.1.4. Thành phần tính chất cơ lý của cát chảy
- Lượng chứa các cỡ hạt bụi thường lớn hơn tổng tất cả các cỡ hạt cát,
chúng xếp vào loại đất chứa bụi hoặc nhiều bụi. Lượng chứa các cỡ hạt sét
thường rất ít, đôi khi đạt đến 10% hoặc nhiều hơn. Có thể xếp cát chảy: cát
pha sét lẫn sét cùng cát hạt nhỏ và hạt mịn.
- Thành phần khoáng vật: khá đồng nhất, khoáng vật sét: nhóm
hydromica hay kaolinit với mức độ phân tán nào đó, có khi cả monmoriolit,…


17

oxit silic, nhôm và sắt. Hạt thô hơn gồm: hạt thạch anh lẫn fenspat, mica ít
hơn là khoáng vật có màu.
- Thành phần vật chất (thành phần hạt và thành phần khoáng vật): đó là
những bộ phận quyết định tính háo nước khá cao và khuynh hướng di động
(chảy) của cát chảy dưới tác dụng của lực dù rất bé.
- Nghiên cứu tính chất cơ lý của cát chảy rất khó khăn và phức tạp ở
điều kiện tự nhiên. Để lấy mẫu và thí nghiệm phải có những phương tiện kỹ
thuật đặc biệt.
Cát chảy: độ chặt hơi thấp, độ rỗng và độ chứa ẩm hơi cao, tính thấm
nước và thải nước bé hoặc rất bé, sức chống cắt rất thấp và có ϕ = 3 - 4o đến

8 - 9o; nếu xác định trên mẫu đã hong khô ϕ = 25 - 30o và lớn hơn.
- Dưới tác dụng của tải trọng: trong điều kiện không thể ép trồi và
không chảy phè ra, cát chảy bị biến dạng ở mức độ nhất định. Thí nghiệm cát
2
chảy bằng tải trọng thử: có môdun tổng biến dạng Eo=100kG/cm và lớn hơn.
Giá trị này bằng các thí nghiệm tĩnh không phải lúc nào cũng có thể làm tiêu
chuẩn đánh giá đúng đắn tính chất xây dựng của chúng. Cát chảy thường có
Eo thấp hơn, chúng dễ bị hóa lỏng dưới tác dụng của động lực; độ ổn định và
khả năng chịu tải giảm đột ngột, có khi đạt đến =0.
1.1.5. Bản chất và điều kiện của cát chảy
1.1.5.1. Bản chất của cát chảy
- K.Terzaghi (năm1933): đã giải thích tính chảy của cát chảy là hoàn
toàn do áp lực thủy động. Ông nhấn mạnh: “Tính chảy chẳng phải là bản chất
của một loại cát đặc biệt nào.
- A.F.Lêbedev (năm 1935): “Tính chảy không những liên quan đến áp
lực thủy động mà còn với thành phần đặc biệt”.Ông đề nghị gọi “Cát chảy
chứa nước như thế là cát chảy thực”.
- N.N. Maxlov (năm 1959, 1968, 1971) Ông kết luận rằng: “Sự hóa


18

lỏng và chảy của cát không những chỉ liên quan đến đặc điểm về thành phần,
mà còn liên quan đến những đặc điểm về tính chất và trạng thái. Tính chảy
chỉ đặc trưng cho những loại cát không có lực ma sát trong, lực dính còn thì
rất nhỏ hoặc không có”.
- Cát chảy thực: có tính háo nước cao, khuynh hướng di động (chảy)
dưới tác dụng của lực dù nó rất nhỏ. Những lực đó có thể là: trọng lực, lực
đẩy nổi thủy tĩnh, áp lực thủy động.
- Nguyên nhân chảy của Cát chảy: đặc điểm thành phần, trạng thái và

tính chất của đất cát đang chịu tác dụng của trọng lực, lực thủy tĩnh và thủy
động. Vai trò chủ đạo của các lực này thay đổi tùy thuộc cấu trúc địa chất, thế
nằm của cát chảy và điều kiện bóc lộ của nó.
- Bản chất tính chảy: liên quan đến các lực trọng trường, thủy tĩnh và
thủy động lên đất háo nước, với lực liên kết giữa các hạt đã bị yếu đi (tức là
tác dụng lên đất cát có sức chống cắt thấp.
1.1.5.2. Điều kiện phát sinh cát chảy
Về điều kiện để phát sinh cát chảy, các nhà khoa học cho rằng, cát chảy
chủ yếu phát triển trong đất cát có thành phần hạt tương đối đồng nhất (η <
10). Theo K. Terzaghi, N.N. Maxlov, A.F. Lebeđev, građien áp lực thấm giới
hạn (Igh) của cát khi chịu tác dụng của dòng thấm đi lên được xác định:
Igh= (γs-1)(1- n),

(1-1)

trong đó: γs- khối lượng riêng của đất; n- độ lỗ rỗng của đất.
Cát bị phá hoại khi građien áp lực dòng thấm I > Igh.
E.A. Zamarin (1931) đã xác định građien giới hạn làm phát sinh cát
chảy:
Igh= (γs-1)(1-n) + 0,5n

(1-2)

R. Whitlow khẳng định, trong đất không dính, điều kiện chảy xảy ra
nếu vận tốc thấm đủ lớn để áp lực thấm triệt tiêu được hoàn toàn ứng suất
hiệu quả, nghĩa là:


19

I > Igh= γđ/γn,
trong đó:

(1-3)
γđ- khối lượng thể tích của đất trong nước;
γn- khối lượng riêng của nước.

V.A. Mironenko cũng xác định Igh theo điều kiện trên và lấy Igh xấp xỉ
bằng 1. Tuy nhiên, theo số liệu thí nghiệm trong phòng tác giả cho rằng, đất
không dính bắt đầu bị lơi lỏng khi građien áp lực thấm tại cửa ra bằng khoảng
0,6- 0,7.
Sự hoá lỏng cát bão hoà nước, đặc biệt là cát bụi, dưới tác dụng của lực
động khi có áp lực thuỷ động của dòng thấm cũng ảnh hưởng đáng kể tới quá
trình biến dạng thấm. Theo K. Terzaghi, V.A. Mironenko, quá trình hoá lỏng
cát khi có tác dụng của lực động chính là sự sắp xếp lại của các hạt khoáng,
các hạt dịch chuyển và có xu hướng chiếm những vị trí sao cho độ rỗng của
cát nhỏ hơn độ rỗng đã tồn tại, nước lỗ rỗng có tác dụng như ngoại lực cản trở
lại quá trình chuyển dịch ấy, đồng thời áp lực thuỷ động đủ lớn tác dụng sẽ
làm giảm lực ma sát giữa các hạt, góc ma sát "có hiệu" có thể giảm tới 0, đất
trở nên tương tự như chất lỏng chảy ra. Điều kiện građien áp lực thấm phát
sinh cát chảy có thể giảm đi đáng kể trong trường hợp có tác dụng của lực
động bên ngoài.
Sự phát sinh, phát triển xói ngầm và cát chảy còn quan hệ chặt chẽ với
sự tồn tại của miền thoát ra của vật liệu theo dòng thấm và cấu trúc của nền
đất. Trong trường hợp tầng chứa nước bị phủ bởi lớp phủ thấm nước yếu (lớp
phủ đất dính), quá trình biến dạng thấm xẩy ra phức tạp hơn nhiều. Chính lớp
phủ đã đóng vai trò giữ không cho cát ở tầng chứa nước thoát ra. Cát chỉ có
thể thoát ra được khi lớp phủ bị phá vỡ (xẩy ra hiện tượng đùn đất) hoặc tồn
tại những khuyết tật để hình thành dòng thấm tập trung.
- Điều kiện phát sinh cát chảy:

+ Điều kiện về kết cấu của đất:
d60/d10 ≤ 10: dễ phát sinh cát chảy.


20

+ Điều kiện về dòng thấm:
Igh = (D – 1)(1 – n)
Trong đó: D là tỷ trọng của cát, n là độ rỗng của cát.
+ Nếu Ithực tế > Igiới hạn: xảy ra cát chảy.
1.1.6. Điều kiện xây dựng công trình ở khu vực có cát chảy
- Độ sâu phân bố, điều kiện thế nằm của chúng (hệ tầng dày, lớp, thấu
kính, vỉa không có hình dạng rõ rệt,…), bề dày và sự phân bố của chúng theo
phương lớp; điều kiện thế nằm của cát chảy, của đất phủ trên và lót dưới cũng
cần 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 (có phát hiện: cát
chảy ở sườn dốc, mái dốc của bề mặt địa hình ở các mương xói, những chỗ bị
rửa xói, có tồn tại những dấu hiệu hoặc khả năng chảy, ép phè của chúng).
- Thành phần và tính chất cơ lý của cát chảy, đặc biệt là độ chặt kết cấu,
mức độ biểu hiện tính chất xúc biến, độ thải nước, tính thấm nước, sức chống
cắt và tính biến dạng trong điều kiện thế nằm tự nhiên. Tính chất đất đá phủ
trên và lót dưới.
- Đặc điểm địa chất thủy văn, chiều sâu thế nằm mực nước dưới đất, giá
trị cột nước, hướng nghiêng của mặt nước dưới đất và mặt thủy áp. Những số
liệu ấy cũng phải được thể hiện trên bản đồ địa chất và mặt cắt địa chất.
- Khi đánh giá điều kiện địa chất công trình của khu vực nghiên cứu:
cần xét đến vị trí các công trình hiện có, mức độ ổn định, điều kiện xây dựng,
đồng thời cũng phải xét đến các công trình nào đang thiết kế, phạm vi ảnh
hưởng có thể có của chúng đến ổn định của môi trường xung quanh. Phải
đánh giá điều kiện thi công xây dựng, khai đào và xác định các biện pháp kỹ

thuật cần thiết đảm bảo an toàn khi tiến hành xây dựng, đảm bảo ổn định và
tuổi thọ của công trình.
- Nhiệm vụ thực tiễn của công tác thiết kế và xây dựng công trình trên
vùng có cát chảy:
+ Điều kiện xây dựng trên cát chảy (sử dụng chúng làm nền công trình,
thiết kế và xây dựng móng công trình).


21

+ Điều kiện xây dựng trên cát chảy liên quan với việc thi công và xây
dựng trong chúng những hố móng sâu, công trường khai thác lộ thiên,…
- Cát chảy ở trạng thái tự nhiên có thể làm nền của móng công trình: tức
là nền thiên nhiên hoặc là sau khi đã làm chặt trước hoặc gia cố bằng những
biện pháp nhân tạo (nền nhân tạo). Khi bố trí móng công trình trên cát chảy
thường người ta thiết kế móng như với nền đất yếu: tải trọng trên cát chảy
không được làm công trình lún và lún lệch đến mức nguy hiểm cho sự ổn định
và khai thác công trình bình thường. Do đó, khi đặt móng ở độ sâu 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, loại trừ khả năng
chảy, ép phè, hóa xốp của chúng, hoặc đặt dưới móng đệm bằng: sỏi, dăm hoặc
dùng đệm bê tông. Ngoài ra, thường còn áp dụng những biện pháp kết cấu nhất
định để đảm bảo độ cứng của công trình (đai cốt thép, khe lún,…) và khả năng
chống lại hiện tượng lún và lún không đều có thể tăng lên.
- Trường hợp cát chảy phân bố gần mặt đất và có bề dày không lớn:
thường đặt móng công trình trên đất chặt hơn và ổn định hơn lót ở dưới nó
hoặc đặt trên đệm dăm sỏi.
Cần áp dụng những biện pháp ngăn chặn cát chảy tràn vào hố móng:
làm vòng vây cọc ván, hạ mực nước ngầm bằng cách tháo khô cát chảy và hút
nước ra khỏi hố móng.

- Do điều kiện địa chất và đặc điểm công trình mà móng phải đặt sâu:
sử dụng rộng rãi móng cọc, giếng chìm,…
- Để cải tạo cát chảy: sử dụng rộng rãi phương pháp phụt silicat dung
dịch và tháo khô bằng điện thẩm. Ngoài ra còn cải tạo cát chảy bằng PP nén
chặt: rung ở dưới sâu (nén rung).
1.1.7. Biện pháp ngăn ngừa
- Khi xây dựng trong khu vực có cát chảy cần phải xác định:
 Sự phân bố và điều kiện thế nằm của chúng.
 Điều kiện địa mạo ở khu vực phân bố cát chảy.
 Thành phần tính chất cơ lý của cát chảy, đặc biệt là độ chặt kết cấu.


22
 Đặc điểm địa chất thủy văn của khu vực có cát chảy, chiều sâu mực nước.

- Một số biện pháp ngăn ngừa như hạ thấp mực nước ngầm, giảm áp
lực thủy động. Có thể dùng một hệ thống giếng, hố khoan, rãnh…; bảo vệ mái
dốc, mái hố đất không bị nước chảy làm trôi đất.
1.2. Khái niệm về hiện tượng xói ngầm
1.2.1. Khái niệm
Xói ngầm là hình thức biến dạng thấm được các nhà khoa học nghiên
cứu nhiều vì nó khá phổ biến liên quan với xây dựng các công trình thuỷ lợi.
Theo V.A. Mironenko, xói ngầm được hiểu là sự moi cuốn đi những hạt nhỏ
qua lỗ rỗng của cốt đất hạt to hơn và thoát ra ngoài. Kết quả, xói ngầm làm
cho độ rỗng trong đất tăng dần, nền đất trở nên mất ổn định.
Theo V.Đ. Lomtađze, xói ngầm thường phát triển chậm chạp và biểu
hiện rất đa dạng ở các mức độ khác nhau, xói ngầm có thể tạo ra các đường
xói và do vậy tạo ra các dòng thấm tập trung, thúc đẩy quá trình phá hoại của
dòng thấm. V.A. Mironenko khẳng định, xói ngầm có thể phát triển ở mức độ
nào đó, tuỳ thuộc vào η và I, trong đó sự moi cuốn các hạt nhỏ qua lỗ rỗng

của hạt lớn có thể có mức độ (đến một lúc nào đó thì chấm dứt) hoặc có thể
moi cuốn không ngừng làm phá hoại đất.
- Ở chân sườn đồi hoặc chân mái dốc quan sát thấy điểm lộ cát, sỏi bão
hòa nước: thấy xói ngầm phát triển, những loại đất này trở nên rời xốp, nhất là
trong vùng nước dưới đất thoát ra ngoài, các hạt nhỏ bị moi chuyển đi làm
cho độ chặt của đất giảm xuống, độ rỗng của đất tăng lên. Đất bị nén chặt
dưới tác dụng của tải trọng do khối đất đá ở phía trên, làm xuất hiện các khe
nứt hình thành các mặt và đới yếu; sự ổn định của sườn và mái dốc bị phá
hoại hình thành các khối trượt. Nếu xói ngầm phát sinh, 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 có thể làm thay đổi quá mức độ thấm nước của đất đá, của
chất nhét khe nứt và hốc Cac tơ tạo ra những đường rửa mòn, tạo ra những


23

dòng nước lớn chảy vào hố móng xây dựng, các công trình khai đào ngầm,…
gây ra mất nhiều nước qua đường thấm dưới đất, quanh vai đập,… Xói ngầm
thường là nguyên nhân của nhiều loại biến dạng mặt đất và thành tạo các
trũng, phễu lún, hố sụt, khe nứt,…Những biến dạng như thế, xuất hiện trong
đất đá ở phía trên hệ thống đường ngầm, các hốc, các tầng,… nằm trong vùng
phát triển xói ngầm.
- 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 gom nước,
các ống lọc ngược. Sở dĩ như vậy là có hiện tượng nhét bịt, trôi lấp các hạt
nhỏ vào các lỗ rỗng và chỗ trống của vật liệu chèn phủ các công trình thoát
nước ngầm và ống lọc, do đó tính thấm nước của các công trình và thiết bị
này bị giảm xuống chúng không còn hoạt động được nữa.
1.2.2. Điều kiện hình thành xói ngầm

Xói ngầm phát triển chủ yếu trong đất rời, đặc biệt là trong cát, phụ
thuộc vào mức độ không đều hạt (được đánh giá qua hệ số không đều hạt- η)
và građien áp lực thấm (I). Đất càng không đều hạt, građien áp lực thấm càng
lớn thì xói ngầm càng dễ xẩy ra. Kết quả nghiên cứu của N.M. Botskov
(1936), A.N. Patrasev (1938-1945), V.X. Ixtomina (1957), cho thấy, xói ngầm
dễ phát sinh trong đất có η>20, khi η<10 thì chủ yếu phát triển cát chảy, còn
khi 10<η<20 trong đất có thể phát sinh xói ngầm hoặc cát chảy. Khi nghiên
cứu điều kiện phát sinh xói ngầm, V.X. Ixtomina (1952, 1957) cũng đã kết
luận, cát càng không đều hạt, xói ngầm xuất hiện với građien càng thấp. Bằng
thí nghiệm, tác giả đã thành lập đồ thị quan hệ giữa I ứng với lúc bắt đầu xói
ngầm với η của cát (theo quan điểm moi cuốn không ngừng) và đã xác định
vùng građien an toàn và vùng građien gây xói ngầm của dòng thấm. Từ đồ thị
có thể thấy, khi η<10 sự phá hoại nền do xói ngầm chỉ xảy ra với I > 0,52,
nhưng sự moi cuốn "có mức độ" những hạt nhỏ vẫn có thể xẩy ra ngay khi I
còn nhỏ hơn.


24

Điều kiện phát sinh xói ngầm:
- Điều kiện về kết cấu của đất: Thành phần cấp phối hạt. Trong đất phải
có 2 loại đường kính hạt chiếm ưu thế và D/d ≥ 20 hay d 60/d10 ≥ 20 để phát
sinh xói ngầm.
- Điều kiện về dòng thấm: Độ dốc giới hạn để các hạt cát bắt đầu bị đẩy
đi được xác định theo công thức: Igh = (D – 1)(1 – n) + 0,5n
trong đó: D là tỷ trọng của cát, n là độ rỗng.
- Nếu Ithực tế > Igiới hạn : xảy ra xói ngầm.
1.2.3. Các tác động làm phát triển xói ngầm
- Lực tác dụng chính làm phát triển xói ngầm: tốc độ vận động lớn của
dòng nước thấm rửa trôi các hạt, rửa xói đất đá; hoặc là áp lực thủy động xuất

hiện trong dòng thấm. Nếu áp lực thủy động lớn: trong điều kiện thích hợp,
nó có thể làm dịch chuyển cả khối đất, tức là gây nên trạng thái chảy; nếu như
áp lực thủy động thấp: chỉ có những hạt bé hơn trong đất đá dịch chuyển.
- Tác dụng của dòng nước dưới đất thấm qua đất đá được biểu hiện ở
sự phá hoại ổn định về thấm của chúng, ở sự rửa xói ngầm (ở sự phát triển xói
ngầm). Tác dụng đó có thể xảy ra với những điều kiện sau đây:
+ Đất đá không đồng nhất ở mức độ nào đó, các hạt nhỏ hơn có thể
chuyển dịch giữa các hạt to hơn và bị moi chuyển đi.
+ Có građien nhất định của dòng nước, građien này 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 những hạt nhỏ khỏi đất đá.
 Những điều nói trên chứng tỏ rằng: 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; ở ranh giới tiếp xúc giữa hai lớp có
thành phần khác nhau, trong chất nhét có thành phần không đồng nhất ở các
khe nứt, hốc các tơ, hệ thống thoát nước ngầm và ở những nơi đắp phủ khác.
- Khi nghiên cứu địa chất công trình để luận chứng cho việc thiết kế và XD


25

những công trình khác nhau, khi dự báo sự phát triển xói ngầm cần đánh giá:
+ Mức độ không đồng nhất về thành phần hạt của đất đá còn đang nghi
ngại về ổn định thấm.
+ Điều kiện thủy lực của dòng thấm, các trị số tốc độ và građien của nó
+ Sự tồn tại các điều kiện để moi chuyển các hạt nhỏ. Cần chú ý đến
điều kiện địa mạo ở điểm lộ ra trên mặt của các tầng chứa nước, điều kiện bóc
lộ các tầng này do các hố móng, công trình khai đào ngầm, các công trình tiêu
thoát nước ngầm gây ra.
Như vậy, hiện tượng xói mòn ngầm chủ yếu xảy ra trong cát rời rạc

dưới tác dụng của dòng thấm làm cho những hạt nhỏ trong khối đất bị cuốn
trôi đi khỏi lỗ rỗng giữa các hạt lớn, còn các hạt lớn thì vẫn giữ nguyên vị trí.
Hiện tượng này làm cho bề mặt đất tụt xuống thành các hố giống như cái
phễu. Hiện tượng xói ngầm này gây nguy hiểm cho các công trình thủy công
và giao thông. Nó thường phát sinh ở hạ lưu các cống, phát sinh trong bản
thân đê, đập đất, khi các công trình làm việc với đầu nước cao, làm cho công
trình bị rò rỉ dẫn đến hiện tượng trôi đất mãnh liệt, làm sụp đổ công trình. Ở
các mái dốc thiên nhiên cũng có thể phát sinh xói ngầm và là một trong những
nguyên nhân phát sinh dốc trượt.