Biến hình thấm của đất nền và biện pháp phòng, chống

Dòng thấm dưới nền công trình, trong những điều kiện nhất định có thể gây ra những biến hình thấm bất lợi cho công trình mà trong thiết kế cần phải xem xét để tìm ra biện pháp phòng chống thích hợp.

I. Các biến hình thấm thông thường

Đây là những loại biến hình thấm thường xảy ra và có thể kiểm tra được bằng tính toán trên cơ sở các quy luật thông thường của vật lý, cơ học.

1. Xói ngầm cơ học

a) Hiện tượng:
Trong nền đất không dính hoặc ít dính, khi lưu tốc thấm vượt quá một giới hạn nào đó thì xảy ra hiện tượng các hạt nhỏ bị đẩy lọt qua các kẽ hở giữa các hạt lớn. Khi đó, độ rỗng trong đất nền tăng lên, lưu tốc thấm tăng lên và có khả năng cuốn theo các hạt đất lớn hơn. Đó là hiện tượng xói ngầm cơ học. Khi hiện tượng này tiếp tục phát triển thì sẽ làm tăng nhanh lưu lượng thấm và làm tăng độ rỗng của đất nền, sinh ra lún không đều và dẫn đến làm mất ổn định của công trình.
Có trường hợp dòng thấm chỉ làm xói một lượng nhất định các hạt đất nhỏ, làm tăng lưu  lượng  thấm  nhưng  chưa  phá  và  khung  kết  cấu  của  đất  và chưa  gây  mất  ổn  định công trình.
Trong quá trình xói ngầm cũng có trường hợp các khe hở giữa những hạt đất lớn bị các hạt đất không trôi qua được bịt lại, kẽ hở nhỏ đi, dần dần hiện tượng xói ngầm chấm dứt. Khi đó trong đất nền hình thành một tầng lọc tự nhiên, có các hạt đất phân bố từ nhỏ đến lớn theo chiều dòng thấm. Đây gọi là hiện tượng đọng ngầm.
Các điều kiện phát sinh hoặc chấm dứt xói ngầm cơ học rất phức tạp và phụ thuộc nhiều yếu tố (kết cấu của đất, thành phần hạt, sự sắp xếp ngẫu nhiên của các hạt…). Đã có nhiều phương pháp gần đúng xác định lưu tốc thấm giới hạn sinh xói ngầm, như các công thức của Xtốc, Tim, Đơgiattin… Tuy nhiên, do tính phức tạp của hiện tượng này, cách tiếp cận hợp lý nhất là sử dụng các kết quả nghiên cứu thực nghiệm. V.S.Ixtômina (Nga) đã tiến hành hàng loạt sêri thí nghiệm và đi đến nhận định rằng đối với đất không dính thì gradien thấm giới hạn xói ngầm cơ học chủ yếu phụ thuộc vào hạt của đất ƞ = d60/d10, trong đó d60 và d10 là đường kính các mắt sàng cho lọt 60% và 10%  trọng  lượng  mẫu  đất  thí  nghiệm.  Trên  hình  2-19,  đường  cong  liền  nét  biểu  diễn quan hệ Jgh ~ ƞ, còn đường nét đứt thể hiện trị số gradien xói ngầm cho phép:
Jcp ≥ Jgh/m      (2-44)
Trong đó: m – hệ số an toàn.
b) Xử lý chống xói ngầm cơ học:
Vùng nguy hiểm về xói ngầm là chỗ dòng thấm thoát ra hạ lưu. Để chống xói ngầm cơ học, cần phải làm thiết bị thoát nước dạng tầng lọc ngược.
Tầng lọc ngược được tạo thành từ một số lớp vật liệu không dính (cát, cuội sỏi, dăm) có đường kính hạt tăng dần theo chiều dòng thấm. Khi thiết kế tầng lọc ngược phải đảm bảo các nguyên tắc sau:
– Các hạt trong mỗi lớp không được di động.
– Các hạt đất được bảo vệ không lọt vào tầng lọc ngược. Trường hợp đặc biệt có thể cho phép các hạt đất rất nhỏ qua tầng lọc ngược, nhưng đất không sinh ra biến hình nguy hiểm.
– Các hạt của một lớp không được chui qua kẽ hở của lớp có hạt lớn hơn.
– Tầng lọc không bị tắc.
Xử lý chống xói ngầm cơ học
Hiện nay, trong xây dựng thuỷ lợi đang sử dụng các phương pháp khác nhau để chọn tầng lọc ngược. Một số phương pháp thông dụng như sau:
– Tính theo QPTL C5-75 (dịch từ Quy phạm của Liên Xô). Việc tính theo Quy phạm này thường gặp khó khăn do phải tính thử dần nhiều lần, khó áp dụng trong thực tế.
– Tính theo tiêu chuẩn của các nước phát triển. Các tiêu chuẩn này thường đơn giản, dễ áp dụng. Nguyên tắc thiết kế tầng lọc ngược được đảm bảo bởi các điều kiện sau:
1. Đất được bảo vệ không bị cuốn trôi vào lớp lọc, hoặc vật liệu lớp hạt nhỏ không bị cuốn trôi vào kẽ hở lớp hạt lớn:
D15/d85 ≤ 5    (2-45)
2. Đảm bảo khả năng thoát nước thấm:
D15/d15 ≤ 5  (2-46)
Ngoài ra, cần khống chế hàm lượng những hạt mịn của vật liệu làm lọc có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 0,074mm không được vượt quá 5% theo trọng lượng.
3. Vật liệu lớp lọc có cấp phối hợp lý, đảm bảo không bị phân tầng, tách lớp khi vận chuyển, và khả năng nén chặt tốt:
ƞ ≤ 20 (2-47)
4. Chỉ cần thiết kế lọc 1 lớp nếu D85 lớn hơn 2 lần đường kính lớn nhất của lỗ thoát nước ở tấm bêtông hoặc kẽ hở lớn nhất giữa các viên đá lát.
Trong các công thức trên, chữ D chỉ đường kính hạt của lớp hạt lớn; chữ d chỉ đường kính hạt của lớp hạt nhỏ liền kề (khi tính cho lớp đầu tiên của tầng lọc thì d là đường kính hạt của đất được bảo vệ); các chỉ số 15, 50, 85 tương ứng là số phần trăm của trọng lượng mẫu bị lọt xuống dưới mắt sàng đang xét.
Về chiều dày của lớp lọc, nếu tính theo lý thuyết thì thường rất nhỏ. Vì vậy trong thiết kế quy định chiều dày tối thiểu theo hình thức và điều kiện thi công. Ví dụ, với lớp lọc nằm ngang, t ≥  15 ÷ 30cm; lọc kiểu ống khói t ≥  40cm; vùng chuyển tiếp giữa các khối đất đắp: t ≥  1 ÷ 1,5m.

2. Xói tiếp xúc

Khi dòng thấm chảy song song với mặt phân cách các lớp vật liệu hạt rời, nếu cấp phối hạt của các lớp không hợp lý và gradien thấm đủ lớn thì sẽ xảy ra hiện tượng các hạt của lớp nhỏ bị cuốn trôi vào kẽ hở của lớp hạt lớn và bị trôi theo dòng thấm. Hiện tượng này gọi là xói tiếp xúc.
Hệ số chuyển tiếp giữa 2 lớp thường chọn ξ ≤ 3 ÷ 10.

3. Đẩy trồi đất (đùn đất do thấm)

a) Hiện tượng: 
Đẩy trồi đất xảy ra ở nền đất dính, tại vùng cửa ra của dòng thấm, khi áp lực đẩy ngược của dòng thấm vượt quá lực giữ khối đất (trọng lượng bản thân, lực dính và ma sát với các khối xung quanh).
Xét một khối đất trong miền thấm có kích thước theo mỗi chiều bằng đơn vị. áp lực thuỷ động  lên  khối  đất  này  là Wth  =  γJ,  trong  đó  γ  –  trọng  lượng  riêng  của  nước; J – gradien thấm trung bình của khối tính toán.
Hình 2-22: Sơ đồ tính toán đẩy trồi
Jgh = γ2/γ – (1-n)           (2-48)
Nếu trong thực tế, tại vùng cửa ra của dòng thấm có Jra > Jgh thì khối đất sẽ bị đẩy trồi từ dưới lên trên, làm cho công trình bị mất ổn định (nghiêng, lật, trượt…).
b) Biện pháp phòng chống đẩy trồi đất
Để phòng chống đẩy trồi đất, ngoài các biện pháp kéo dài đường viền thấm để giảm Jra như đã nêu ở Bài Các biện pháp phòng chống thấm cho nền đất, còn có thể trực tiếp làm tầng gia trọng ở khu vực cửa ra.
Xét trường hợp phổ biến khi công trình có chân khay cắm vào nền như ở hình 2-22.
Điều kiện cân bằng giới hạn của cột đất có chiều cao là S, bề rộng đáy bằng 1 đối với bài toán phẳng như sau:
γhc x 1 = γđn.S x 1 + γp.t x 1 + C x S,     (2-49)
Trong đó:
hc – cột nước thấm ở đáy chân khay (điểm A);
t – chiều dày lớp gia trọng;
γp – trọng lượng riêng của lớp gia trọng;
C – lực dính đơn vị.
Trường hợp đất nền tại khu vực dòng thấm thoát ra có vết nứt hay một khuyết tật nào khác, thường lấy C = 0. Khi đó, chiều dày t của tầng gia trọng sẽ là:
 chiều dày t của tầng gia trọng

4. Đùn đất tiếp xúc

Đối với nền đất dính, khi thiết kế tầng gia trọng theo công thức (2-50) sẽ đảm bảo không sinh đẩy trồi cả mảng lớn đất ở hạ lưu. Nhưng nếu tầng gia trọng cấu tạo bằng vật liệu hòn lớn (đá lát, đá đổ…) và giữa các hòn có khe hở thì dòng thấm có thể đẩy bong từng phần đất nền tại vị trí các khe hở. Đó là hiện tượng đùn đất tiếp xúc (hình 2-23a).
Đùn đất tiếp xúc
Để ngăn ngừa đùn đất tiếp xúc, cần hạn chế khe hở giữa các hòn của tầng gia trọng bằng cách đặt một lớp đệm trung gian bằng sỏi cuội hoặc dăm dạng tầng lọc ngược. Nếu đất nền có chỉ số dẻo Wn > 7 ÷ 10 và độ bão hoà G > 0,85 thì các số liệu đặc trưng  DI50 và HI = DI60 / DI10 của vật liệu lớp đệm thứ nhất có thể chọn theo đồ thị hình 2-23b, c, trong đó trị số δ = 0,5; 1,0; 1,5 cm là độ sâu lớp bong tróc cho phép của nền đất sét.

II. Các biến hình thấm đặc biệt

Ngoài các dạng biến hình thấm thông thường nói trên, trong môi trường thấm còn có thể xẩy ra các dạng biến hình thấm đặc biệt do tồn tại các khe hở, khuyết tật trong đó. Các khe hở, khuyết tật này được hình thành do nhiều nguyên nhân khác nhau (xói ngầm, lún không đều, vết nứt trong đất, rễ cây mục nát, động vật đào hang…). Vị trí của khuyết tật có thể ở bất cứ chỗ nào trong miền thấm và nói chung, không thể dự kiến trước được.
Khi trong nền (hay bản thân công trình đất) có tồn tại các khe hở, khuyết tật như vậy, dưới tác dụng của cột nước  thấm (cột nước chênh lệch thượng – hạ lưu công trình) sẽ hình thành các hang thấm tập trung. Dòng thấm sẽ đi theo con đường ngắn nhất nối các hang thấm tập trung, khi đó chiều dài đường thấm bị rút ngắn, gradien thấm tăng nhanh, khả năng phá hoại của dòng  thấm là rất lớn. Dạng phá hoại này của dòng thấm gọi là phá hoại đặc biệt, không thể dự kiến trước được vị trí, quy mô và mức độ hư hỏng của nền và công trình.
Để kiểm tra khả năng phá hoại đặc biệt của nền và công trình, chỉ có thể sử dụng các đại lượng gradien thấm trung bình cho toàn miền, gọi là độ bền thấm đặc biệt hay độ bền thấm chung:
Trong đó:
JK < JKCP, (2-51)
JK – gradien thấm chung của nền hay công trình;
JKCP – gradien thấm chung cho phép của nền hay công trình.
ý nghĩa của công thức (2-51) là ở chỗ khi cột nước thấm của công trình đã khống chế, cần phải thiết kế công trình có đường viền thấm đủ dài, để khi có hang thấm tập trung ở một vị trí nào đó thì phần còn lại của đường thấm vẫn đủ để chống lại các biến hình thấm nguy hiểm. Cách kiểm tra đường viền thấm theo công thức (2-16) cũng là theo nguyên tắc này.
Trị số JK đối với nền đất của công trình có thể xác định theo phương pháp do Viện nghiên cứu Khoa học Thuỷ lợi toàn liên bang – VNIIG (Liên Xô) đề nghị:
(2-52)
Trong đó:
H – cột nước thấm;
Ttt – chiều sâu tính toán của nền;
Ʃξi – tổng hệ số sức cản tại các bộ phận của miền thấm.
Cách xác định Ttt và các Ʃξi như đã nêu ở Bài Thấm qua nền đất đồng chất dưới đáy công trình.
Trị số JKCP đối với nền đất phụ thuộc vào loại đất và cấp công trình có thể tham khảo ở bảng 2-4.
Bảng 2-4. Trị số JKCP của nền đất 
Trị số JKCP của nền đất

 110 total views,  1 views today

Để lại bình luận