Tài liệu Nghiên cứu phương pháp khoan phụt tuần hoàn áp lực cao xử lý nền công trình thủy lợi

LỜI CẢM ƠN Xin cảm ơn Trường ĐHTL và các thầy cô Khoa Công trình đã đào tạo và hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình học cao học, cán bộ thư viện trường đã giúp đỡ tác giả trong quá trình tìm kiếm tài liệu để thực hiện luận văn. Tác giả luận văn xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn PGS.TS Lê Văn Hùng đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn tác giả về chuyên môn trong suốt quá trình nghiên cứu. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Quản lý đầu tư và xây dựng thủy lợi 4 – Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn đã tạo điều kiện cho tác giả trong quá trình học và thực hiện luận văn. Cuối cùng tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã nhiệt tình giúp đỡ động viên để tác giả hoàn thành luận văn này! Hà Nội, ngày 24 tháng 10 năm 2012 Tác giả Hoàng Trần Lâm LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận văn: “Nghiên cứu phương pháp khoan phụt tuần hoàn áp lực cao xử lí nền công trình thủy lợi” là kết quả nghiên cứu của tôi. Những kết quả nghiên cứu, thí nghiệm không sao chép từ bất kỳ nguồn thông tin nào khác. Nếu vi phạm tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm, chịu bất kỳ các hình thức kỷ luật nào của Nhà trường. Hà Nội, ngày 24 tháng 10 năm 2012 Tác giả Hoàng Trần Lâm MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................. …1 1. Tính cấp thiết của đề tài…………………………………………………………….……1 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài…………………………………………………….......2 3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ………………………………………..…2 4. Kết quả dự kiến đạt đựơc……………………………………………………………..….2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NỀN CÔNG TRÌNH THỦY LỢI ......... ...3 1.1. Tổng quan về ổn định nền công trình thuỷ lợi ………………………………….….3 1.2. Các phương pháp gia cố chịu lực cho nền ……………………………………….…5 1.2.1.Nhóm làm chặt đất trên mặt bằng cơ học ........................................................ .5 1.2.2.Nhóm làm chặt đất dưới sâu bằng chấn động và thuỷ chấn ............................. 6 1.2.3.Nhóm gia cố nền bằng thiết bị tiêu nước thẳng đứng ....................................... 6 1.2.4.Phương pháp gia cố nền bằng năng lượng nổ .................................................. 8 1.2.5.Gia cố nền bằng vải địa kỹ thuật ...................................................................... 8 1.2.6.Nhóm gia cố nền bằng chất kết dính ................................................................. 8 1.2.7.Nhóm các phương pháp vật lý gia cố nền đất yếu .......................................... 11 1.3. Các phương pháp gia cố chống thấm cho nền …………………………....…..11 1.3.1.Giải pháp chống thấm bằng tường nghiêng và sân phủ ................................ .11 1.3.2.Giải pháp chống thấm bằng tường răng kết hợp lõi giữa .............................. 13 1.3.3.Giải pháp chống thấm bằng tường hào bentonite .......................................... 15 1.3.4.Giải pháp chống thấm bằng khoan phụt vữa xi măng .................................... 18 1.3.5.Giải pháp chống thấm bằng cọc xi măng - đất ............................................... 21 1.3.6.Các giải pháp kết hợp khác ............................................................................. 25 1.4. Kết luận chương 1 ………………………………………………………….…26 CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ KHOAN PHỤT XỬ LÍ NỀN CÔNG TRÌNH THỦY LỢI....... 27 2.1. Xử lý nền đá nứt nẻ bằng khoan phụt xi măng ………………………..…...…27 2.1.1.Chọn loại xi măng và vật liệu pha trộn ......................................................... ..27 2.1.2.Chọn tỷ lệ N (nước/ximăng) .......................................................................... 28 X 2.1.3.Chọn thiết bị phụt vữa ..................................................................................... 28 2.1.4.Khoan phụt ...................................................................................................... 28 2.1.5.Chọn áp lực phụt vữa ...................................................................................... 30 2.2. Các phương pháp khoan phụt xi măng trong nền đá …………………...……..31 2.2.1.Phụt vữa một chiều.......................................................................................... 31 2.2.2.Phụt vữa tuần hoàn ......................................................................................... 31 2.2.3.Phụt vữa một lần ............................................................................................. 32 2.2.4.Phụt từ trên xuống ........................................................................................... 32 2.2.5.Phụt từ dưới lên ............................................................................................... 33 2.2.6.Phụt vữa hỗn hợp ............................................................................................ 33 2.2.7.Những điều cần chú ý trong quá trình thi công phụt vữa ............................... 33 2.3. Xử lý nền bồi tích bằng phương pháp khoan phụt xi măng đất sét ……….….34 2.4. Kết luận chương 2 …………………………………………………………….41 CHƯƠNG 3: XỬ LÝ NỀN ĐÁ NỨT NẺ BẰNG CÔNG NGHỆ KHOAN PHỤT TUẦN HOÀN ÁP LỰC CAO .................................................................................. 42 3.1. Công nghệ khoan phụt tuần hoàn áp lực cao …………………………......…..42 3.1.1.Vật liệu…………………………………………………………………………….....42 3.1.2.Thiết bị…………………………………………………………………...…..43 3.1.3.Yêu cầu kỹ thuật khoan phụt vữa xi măng tuần hoàn áp lực cao ................... 45 3.1.4.Thành phần vữa xi măng ................................................................................. 47 3.1.5.Thi công khoan phụt vữa xi măng tuần hoàn áp lực cao ................................ 47 3.1.6.Tạo tầng phản áp ............................................................................................ 48 3.1.7.Định vị hố khoan ............................................................................................. 48 3.1.8.Công tác phân đoạn phụt ................................................................................ 48 3.1.9.Công tác khoan tạo lỗ ..................................................................................... 49 3.1.10.Công tác rửa hố, đặt nút và ép nước thí nghiệm .......................................... 49 3.1.11.Công tác phụt vữa xi măng ........................................................................... 49 3.1.12.Lấp hố….. ...................................................................................................... 52 3.1.13.Công tác khoan kiểm tra ............................................................................... 52 3.2. Giới thiêu phương án kỹ thuật xử lý nền công trình hồ chứa nứơc bản móng, tỉnh Nghệ An …………………………………………………………………...….53 3.2.1.Giới thiệu công trình ....................................................................................... 53 3.2.2.Các biện pháp xử lý nền công trình ................................................................ 59 3.3. Công tác khoan phụt tuần hoàn áp lực cao xử lý nền công trình ………….….60 3.3.1.Nhiệm vụ công tác xử lý nền ........................................................................... 60 3.3.2.Cơ sở lập đồ án thiết kế xử lý nền ................................................................... 60 3.3.3.Thiết kế khoan phụt ......................................................................................... 61 3.3.4.Thi công khoan phụt ........................................................................................ 63 3.3.5.Công tác khoan phụt thí nghiệm theo phương pháp khoan phụt vữa xi măng tuần hoàn áp lực cao……….. ................................................................................... 68 3.4. Kết luận chương 3 ………………………………………………………….…77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 79 1. Kết luận đạt được …………………………………………………………….…79 2. Những tồn tại và hạn chế ………………………………………….……….…...79 3. Phương hướng tiếp tục nghiên cứu…………………………………………...…81 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 82 MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ thấm qua đập có tường nghiêng + sân phủ. ...................................12 Hình 1.2: Sơ đồ thấm qua đập có tường lõi + chân răng .........................................14 Hình 1.3: Tường hào chống thấm bằng bentonite. ...................................................15 Hình 1.4: Thi công tường chống thấm bằng biện pháp đào hào trong dung dịch bentonite hồ Dầu Tiếng .............................................................................................17 Hình 1.5: Kết cấu đập đất chống thấm qua nền bằng khoan phụt vữa xi măng.......18 Hình 1.6: Công nghệ đơn pha ...................................................................................22 Hình 1.7: Công nghệ hai pha ....................................................................................23 Hình 1.8: Công nghệ ba pha .....................................................................................23 Hình 1.9: Mô tả quá trình thi công tạo tường chống thấm .......................................24 Hình 2.1: Phụt vữa một chiều ...................................................................................31 Hình 2.2: Phụt vữa tuần hoàn ...................................................................................32 Hình 2.3:Ống chèn và ống manget dùng khi khoan phụt vữa đập đá đổ Hòa Bình (nguồn: Lê Đình Chung) ...........................................................................................36 Hình 2.4:Ống manget và tampon dùng khi phụt vữa để đá hóa nền cát sỏi dày > 70m ở nền đập Hòa Bình (nguồn: Lê Đình Chung) ..................................................36 Hình 3.1: Sơ đồ bố trí các đợt phụt...........................................................................64 Hình 3.2: Mặt bằng bố trí khoan phụt thí nghiệm khu vực 1 ....................................70 Hình 3.3: Mặt bằng bố trí khoan phụt thí nghiệm khu vực 2 ....................................71 Hình 3.4: Mặt bằng bố trí khoan phụt thí nghiệm khu vực 3 ....................................71 Hình 3.5: Mặt bằng bố trí khoan phụt thí nghiệm khu vực 4 ....................................72 Hình 3.6: Sơ đồ bố trí thiết bị khoan phụt thí nghiệm và phân đoạn phụt ..............75 MỤC LỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Một số công trình xử lý chống thấm nền bằng phương pháp khoan phụt vữa xi măng ...............................................................................................................19 Bảng 2.1: Tỷ lệ N ứng với lượng mất nước đơn vị ................................................28 X Giới thiệu thông số màn phụt nền cát sỏi của các đập lớn trên thế giới ..................40 Bảng 3.1: Các trị số Po và P [2] ...............................................................................45 Bảng 3.2: Lưu lượng vữa lớn nhất cho phép ............................................................46 Bảng 3.3: Lưu lượng vữa nhỏ nhất cho phép ...........................................................46 Bảng 3.4: Thành phần vữa xi măng chọn sơ bộ theo lượng mất nước đơn vị ..........47 Bảng 3.5: Áp lực phụt thiết kế dự kiến ......................................................................65 Bảng 3.6: Lựa chọn tỷ lệ vữa phụt sét-xi măng-nước (S-XM-N) ..............................66 Bảng 3.7: Lựa chọn tỷ lệ vữa phụt Sét-Nước-Xi măng-Phụ gia ...............................66 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam có hệ thống công trình thủy lợi rất phong phú và đa dạng, trong đó các công trình đê, đập chiếm tỷ lệ lớn và phân bố không đồng đều theo vùng lãnh thổ. Theo thống kê của Bộ NN&PTNT năm 2002 thì nước ta có khoảng 2360 con Sông có chiều dài trên 10km, trong đó có 9 hệ thống sông chính và có khoảng 1967 hồ (dung tích mỗi hồ trên 2.105m3), trong đó có 10 hồ thủy điện có tổng dung tích 19 tỷ m3. Trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa và phát triển mạnh mẽ của đất nước, nhiều công trình xây dựng, giao thông, thủy lợi…được kiến thiết xây dựng. Các công trình chủ yếu được xây dựng trên nền có địa chất và địa chất thủy văn phức tạp. Trong đó có nhiều công trình được xây dựng trên nền đá yếu, nứt nẻ mạnh, nền có tầng cuội sỏi dày. Khi gặp loại nền này, khả năng chống thấm cũng như sức chịu tải của nền kém dẫn đến nhiều sự cố khi đào móng và thi công công trình, làm tăng kinh phí thi công, tăng thời gian thi công, ảnh hưởng đến chất lượng công trình và an toàn lao động. Việc nghiên cứu các giải pháp xử lý nền phù hợp, giúp cho việc hoàn thành công trình đúng yêu cầu về tiến độ, chất lượng, giảm chi phí xây dựng là rất cần thiết. Vì vậy, nội dung luận văn tập trung nghiên cứu các phương pháp khoan phụt xử lý nền mà trọng tâm là công nghệ và thiết bị khoan phụt xi măng tuần hoàn áp lực cao xử lý nền đá nứt nẻ. 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài 2.1. Nghiên cứu tổng quan các phương pháp xử lý nền công trình thủy lợi bằng khoan phụt; 2.2. Phương pháp khoan phụt xi măng xử lý nền đá nứt nẻ, trong đó có công nghệ khoan phụt tuần hoàn áp lực cao; 2.3. Ứng dụng công nghệ khoan phụt tuần hoàn áp lực cao xử lý nền công trình Hồ chứa nước Bản Mồng, Nghệ An. 2 3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3.1. Cách tiếp cận - Nghiên cứu các phương pháp khoan phụt cơ bản khi xử lý nền đá nứt nẻ và bồi tích của các công trình thủy lợi thông qua lý thuyết, qui trình qui phạm; - Nghiên cứu kinh nghiệm xử lý nền đá nứt nẻ và nền bồi tích thông qua các tài liệu, thực tế thiết kế và thi công các công trình thủy lợi. 3.2. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết về yêu cầu cơ bản ổn định chống thấm của công trình thủy lợi. - Nghiên cứu tổng quan công tác gia cố và xử lý chống thấm cho nền công trình thủy lợi. - Nghiên cứu kế thừa về lý thuyết, thực nghiệm và kinh nghiệm thi công. 4. Kết quả dự kiến đạt được Nghiên cứu, nắm vững một cách sâu sắc các phương pháp khoan phụt gia cố và xử lý chống thấm cho nền công trình thủy lợi trên nền đá nứt nẻ và nền bồi tích. Phạm vi ứng dụng thích hợp của các phương pháp trên. Công nghệ và thiết bị khoan phụt xi măng xử lý nền đá nứt nẻ bằng phương pháp phụt tuần hoàn áp lực cao ứng dụng cho một công trình thủy lợi cụ thể. 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NỀN CÔNG TRÌNH THỦY LỢI 1.1. Tổng quan về ổn định nền công trình thủy lợi Đặc điểm địa chất chung của nền đập ở Việt Nam: Theo đặc điểm địa tầng, có thể chia toàn bộ đất phân bố trên lãnh thổ theo các nguồn gốc khác nhau như sau: - Đất Aluvi Đất Aluvi còn có tên gọi là đất trầm tích. Đất trầm tích có 2 loại là trầm tích sông và trầm tích biển. Đất có nguồn gốc từ trầm tích sông được sử dụng khá phổ biến để đắp đập. Đất Aluvi cổ phân bố chủ yếu ở các thung lũng sông lớn, và Aluvi hiện đại bao gồm trầm tích lòng sông, bãi bồi và các bậc thềm. Thường gặp là các đất sét, á sét phân bố trên các bậc thềm sông với chiều dày ít khi vượt quá 5m. Ở điều kiện tự nhiên đất có dung trọng khô γc = 1,4 ÷ 1,6 T/m3, độ ẩm W= 20÷25%, trạng thái dẻo đến cứng. Khi bão hòa nước, đất có các thông số chống cắt ϕ = 160 ÷ 200, C = 0,1÷ 0,4 kg/cm2, hệ số thấm K = 10-1÷ 10-5 cm/s. Loại đất này có hàm lượng sét 15÷35%, có thể sử dụng đắp đập đồng chất hoặc lõi đập. Trong thực tế, đất Aluvi phát triển ở các bậc thềm sông suối miền núi rất hẹp, trữ lượng ít. Phần lớn diện tích được canh tác, nên chỉ khai thác được một ít trong lòng hồ trước khi ngập nước. - Đất sườn tàn tích và tàn tích trên nền đá Bazan Phụ thuộc độ tuổi hình thành và nguồn gốc thành tạo mà tính chất cơ lý của nó khác nhau. Đất sườn tàn tích có hàm lượng laterit nhỏ, hàm lượng hạt sét nhiều thì khả năng chống thấm tốt, ngược lại hàm lượng dăm sạn nhiều thì dung trọng cao. - Đất sườn tàn tích và tàn tích trên nền đá Bazan trẻ (βQII-IV) Do đá được hình thành muộn, thời gian chưa đủ để phong hóa triệt để thành đất. Chiều dày lớp phong hóa thường nhỏ hơn 5m, gồm đất á sét, á sét màu nâu đỏ, có chứa nhiều đá tảng đủ các loại kích thước và dăm sạn. Tính theo trọng lượng đất chiếm tỷ lệ rất ít so với đá, do đó rất khó khai thác chúng để đắp đập. 4 - Đất sườn tàn tích và tàn tích trên nền đá Bazan cổ (βN2-Q1) Loại đất này phân bố rộng rãi ở Tây Nguyên và vùng Đông Nam Bộ, ở điều kiện tự nhiên đất có khối lượng riêng hạt rắn lớn, dung trọng khô thấp, hệ số rỗng lớn, các chỉ tiêu cơ học (ϕ, C, E) thuộc loại trung bình. Tính chất cơ lý của chúng thay đổi theo vị trí địa lý và địa hình. Chiều dày tầng phong hóa 20 ÷ 30m, chia thành 3 lớp kể từ trên mặt xuống như sau: * Lớp 1 (edQ): Đất sét - á sét màu nâu đỏ, hàm lượng kết vón laterit không đáng kể (khoảng 5%). Độ ẩm thay đổi nhiều theo mùa mưa và mùa khô. Ở đáy lớp 1 thông thường trên mặt cắt địa chất đều có lớp vón kết mảng (dạng đá ong) dày 1÷ 3m, rất cứng chắc. Nhiều công trình thực tế đã sử dụng loại đất này để đắp đập rất tốt. * Lớp 2 (eQ): Đất sét - á sét màu loang lổ. Hàm lượng kết vón laterit và dăm Bazan thay đổi trong phạm vị rộng, có chỗ đạt đến 60 ÷ 70% loại hạt có d >2mm (tính theo trọng lượng). Tùy từng nơi, các vón kết laterit có dạng tròn đặc sít hoặc méo mó sắc cạnh. * Lớp 3 (eQ): Đất sét và á sét màu tím gan gà, đốm trắng phớt các màu khác. Lớp đất này có dung trọng khô thấp so với 2 lớp trên, vì vậy ít sử dụng nó để đắp vào những vị trí xung yếu của đập. - Đất trên nền đá trầm tích lục nguyên (bột kết, cát kết...) Đặc điểm của loại đất này là nếu được phân bố trên những vùng đồi thoải thì lớp trên mặt (lớp 1- edQ) có nhiều hàm lượng vón kết laterit, thuộc loại đất vụn khô, tính thấm nước lớn. Nếu chúng được phân bố ở các sườn dốc thì hàm lượng vón kết không đáng kể. Ở đáy lớp 1 thường có lớp mỏng hoặc thấu kính vón kết dạng mảng (dạng đá ong) với tính thấm lớn. Các chỉ tiêu tính chất cơ lý của loại đất trên nền đá trầm tích lục nguyên tương đối tốt, nhưng đất có tính trương nở thuộc loại trung bình đến mạnh. - Đất trên nền đá phun trào (đaxit, biolit, andnezit...) Chỉ tiêu cơ lý của loại đất này thuộc loại trung bình. Do bề dày bé, nên thực tế chưa được sử dụng nhiều. - Đất trên nền đá biến chất (Gơnai) 5 Tính chất cơ lý của loại đất này thay đổi trong phạm vi rộng. Khi sử dụng chúng để đắp đập cần phân chia bãi vật liệu thành nhiều lớp để chọn lựa chỉ tiêu cơ lý tương đối đồng nhất. - Đất trên nền đá xâm nhập sâu (Granit, Granodiorit) Trong lớp (edQ) của đất này thường có đá tảng lăn, thậm chí có cả tảng lăn cỡ lớn. Dung trọng khô thiên nhiên của đất thấp, tuy có cao hơn với đất Bazan. Nhiều công trình đã sử dụng đất này để đắp đập. Riêng lớp 3 của loại đất này thường là á cát có chứa nhiều mica nên không thuận lợi cho việc đắp đập. - Đất bồi tích lòng suối (cuội, sỏi, lẫn đất sét...) Cấu trúc đất này thường gặp tại nơi có địa hình tích tụ (nơi các bãi bồi cát sỏi nhỏ, các bãi đá tảng lăn có bề dày và kích thước thay đổi theo mùa). Đặc trưng của địa tầng này từ trên xuống dưới như sau: Bên trên là lớp phủ có nguồn gốc bồi tích (aQ) gồm: Cát hạt thô chứa nhiều cuội sỏi, bão hòa nước, kết cấu chặt. Chiều dày của tầng phủ này từ 3÷4m. Đây là lớp thấm rất mạnh. Tiếp theo là các lớp á cát, á sét chứa dăm sạn đến hỗn hợp dăm sạn và các tảng lăn có kích thước tương đối lớn, nguồn gốc pha tàn tích (deQ), kết cấu chặt - đây là lớp thấm vừa, mạnh. Tiếp đến là tảng lăn, tảng lăn á sét lẫn sạn sỏi, sỏi cát lẫn bụi sét... 1.2. Các phương pháp gia cố chịu lực cho nền 1.2.1. Nhóm làm chặt đất trên mặt bằng cơ học Là một trong những phương pháp cổ điển nhất, đã được sử dụng từ lâu trên thế giới. Bản chất của phương pháp là dùng các thiết bị cơ giới như xe lu, máy đầm, búa rung...làm chặt đất. Các yếu tố chính làm ảnh hưởng đến khả năng đầm chặt của đất gồm: độ ẩm, công đầm, thành phần hạt, thành phần khoáng hoá, nhiệt độ của đất và phương thức tác dụng của tải trọng. Để làm chặt đất cần phải xác định được độ ẩm tốt nhất ứng với giá trị khối lượng thể tích khô lớn nhất. Do được làm chặt, các chỉ tiêu về độ bền của đất tăng lên đáng kể, tính biến dạng và tính thấm giảm đi. Hiện nay phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong xây dựng đường giao thông, sân bay, các công trình thủy lợi và trong xây dựng dân 6 dụng, công nghiệp. Có một số phương pháp làm chặt đất bằng cơ học như sau: 1.2.2. Nhóm làm chặt đất dưới sâu bằng chấn động và thuỷ chấn Khi đất cát hoặc đất đắp có chiều sâu phân bố lớn thường dùng phương pháp chấn động hoặc thủy chấn để nén chặt. - Nén chặt đất bằng chấn động Để nén chặt đất cát ở dưới sâu người ta thường dùng các loại đầm chuỳ có tần số 2900 ÷ 3000 vòng/phút. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu qủa nén chặt đất là gia tốc chấn động, độ ẩm của đất, khoảng cách giữa các vị trí đầm, tính đàn hồi của đất và bán kính máy chấn động. Khi làm chặt đất cát ở độ sâu nhỏ hơn 3 m thì bán kính làm chặt có thể đạt 1,5 m. Khi bán kính máy chấn động tăng thì gia tốc chấn động và hệ số nén chặt chấn động cũng tăng lên. - Nén chặt đất bằng thủy chấn Khi lớp cát cần nén chặt có chiều dày lớn thì người ta dùng phương pháp thủy chấn. Bản chất của phương pháp là vừa phun nước vừa tạo chấn động tác dụng vào đất cát. Khi đó lực dính giữa các hạt giảm đi, các hạt lớn sẽ lắng xuống còn các hạt nhỏ sẽ nổi lên, hình thành chuyển động xoắn ốc làm phát sinh cấp phối mới và như vậy sẽ hình thành cấp phối tốt nhất của đất ở trạng thái nén chặt. Để thi công nén chặt đất bằng phương pháp thủy chấn, người ta đóng vào trong đất những ống thép đường kính 19 ÷ 25mm và có đầu nhọn, phần ống dưới dài khoảng 50 ÷ 60cm, có đục lỗ xung quanh với đường kính 5 ÷ 6mm. Lợi dụng sức nước cao áp để đưa ống thép và máy chấn động đến độ sâu thiết kế và cho máy chấn động làm việc nén chặt đất từ dưới lên trên, mỗi đoạn làm chặt thường từ 30 ÷ 40cm trong khoảng thời gian 40 ÷ 120 giây. Sau khi làm chặt được lớp đất thứ nhất thì lại nâng máy đầm lên làm chặt lớp đất thứ 2 và cứ làm như vậy làm chặt cho đến khi lên mặt đất. 1.2.3. Nhóm gia cố nền bằng thiết bị tiêu nước thẳng đứng Đối với các nền đất sét yếu, do hệ số thấm của đất sét rất nhỏ nên qúa trình cố kết của đất nền ở điều kiện bình thường cần rất nhiều thời gian. Trong khi đó hầu 7 hết các công trình xây dựng lại đòi hỏi tốc độ thi công nhanh, đảm bảo tiến độ yêu cầu. Do vậy, người ta thường dùng các thiết bị tiêu nước thẳng đứng kết hợp với gia tải để làm tăng nhanh tốc độ cố kết của đất nền. Thiết bị tiêu nước thẳng đứng gồm nhiều loại khác nhau. Nguyên lý làm việc của các loại này là, dưới tác dụng của tải trọng ngoài, trong đất sẽ xuất hiện gradient thủy lực làm cho nước lỗ rỗng thoát ra theo phương ngang về phía các thiết bị tiêu nước, sau đó chảy tự do theo phương dọc theo các thiết bị để thoát nước lên mặt đất. Như vậy, việc đặt các thiết bị tiêu nước thẳng đứng trong nền đất có tác dụng rút ngắn chiều dài đường thấm và dẫn đến giảm thời gian hoàn thành cố kết. Các công nghệ gia cố bằng tiêu nước thẳng đứng bao gồm: - Gia cố nền bằng cọc cát, giếng cát Giếng cát và cọc cát được sử dụng rộng rãi để tăng nhanh qúa trình cố kết của đất nền, làm cho đất nền có khả năng biến dạng đều và nhanh chóng đạt đến giới hạn ổn định về lún. Tùy thuộc vào đặc điểm công trình xây dựng và cấu trúc nền mà người ta dùng cọc cát hay giếng cát. Giếng cát đóng vai trò thoát nước là chính nên gia cố nền bằng giếng cát thường đi kèm với biện pháp gia tải để thoát nước nhanh. Khi gia cố nền bằng cọc cát thì cọc cát vừa có tác dụng nén chặt vừa có tác dụng thay thế đất nền, do phần lớn độ lún của nền đất kết thúc trong qúa trình thi công, vì thế có thể xây dựng công trình ngay mà không phải đợi thời gian cố kết nền. - Gia cố nền bằng bấc thấm và các thiết bị tiêu nước chế tạo sẵn (PVD) Bấc thấm là thiết bị tiêu nước thẳng đứng chế tạo sẵn, gồm nhiều loại, chiều rộng thường 100 ÷ 200mm, dày 3 ÷ 5 mm. Lõi của bấc thấm là một băng chất dẻo được bọc bởi lớp vải địa kỹ thuật polyeste không dệt, bằng vải địa cơ propylene hoặc giấy tổng hợp có nhiều rãnh nhỏ để đưa nước lên cao nhờ mao dẫn. Để cắm bấc thấm vào đất nền đất người ta dùng một máy chuyên dụng tự hành. Sau khi thi công bấc thấm, người ta cũng tiến hành gia tải nén trước giống như đối với giếng cát. Để nước thoát ra dễ dàng từ đầu bấc thấm người ta thường phủ lên phía trên mặt lớp đất yếu một lớp vải địa kỹ thuật và trên lớp vải địa kỹ thuật đắp một lớp cát 8 hạt to làm lớp thấm nước. 1.2.4. Phương pháp gia cố nền bằng năng lượng nổ Phương pháp này cũng đã được sử dụng từ lâu trên thế giới. Bản chất của phương pháp này là dùng năng lượng của sóng nổ để nén chặt đất. Người ta bố trí các quả mìn dài trong các giếng, phân bố theo mạng lưới tam giác đều và sâu hết chiều dày lớp đất yếu. Phía trên các qủa mìn người ta đổ cát thành đống hoặc đặt các thùng đựng cát không đáy. Khi mìn nổ, năng lượng được tạo ra sẽ nén đất ra xung quanh, cát sẽ rơi xuống lấp đầy vào giếng vừa được tạo ra. Sau đó, người ta tiếp tục đổ thêm cát vào giếng và đầm tới độ chặt yêu cầu. 1.2.5. Gia cố nền bằng vải địa kỹ thuật Trong những năm gần đây, vải địa kỹ thuật đã được ứng dụng rộng rãi ở nước ta, nhất là trong gia cố nền đường giao thông. Tùy theo mục đích sử dụng, vải địa kỹ thuật có thể được sử dụng để: (1) Làm chức năng như mặt phân cách nước (2) Làm chức năng như vật liệu tiêu nước. Ngoài ra vải địa kỹ thuật còn dùng để chống xói mòn, bảo vệ bờ...vv. 1.2.6. Nhóm gia cố nền bằng chất kết dính Bản chất của các phương pháp này là đưa vào nền đất các vật liệu kết dính như ximăng, vôi, bitum.....nhằm tạo ra các liên kết mới bền vững hơn nhờ các quá trình hoá lý và hoá học diễn ra trong đất, dẫn đến làm thay đổi tính chất cơ lý của đất nền. Tùy vật liệu đưa vào mà có những công nghệ như sau: - Gia cố nền bằng phương pháp trộn vôi Khi trộn vôi vào đất, vôi có tác dụng hút ẩm làm giảm độ ẩm của đất và đóng vai trò là chất kết dính liên kết các hạt đất. Khi tác dụng với nước, vôi chưa tôi có khả năng ngưng kết và đông cứng nhanh trong vòng 5 đến 10 phút. Qúa trình hyđrát hoá vôi chưa tôi có khả năng hấp thụ một khối lượng nước lớn (32 đến 100% khối lượng ban đầu) nên nhanh chóng làm nền đất khô ráo, dẫn đến đất nền được nén chặt. Để gia cố nền đất yếu ở dưới sâu người ta sử dụng cọc vôi hoặc cọc đất - vôi. Vôi tác dụng với nước sẽ tăng thể tích nên tiết diện các cọc vôi sẽ tăng lên làm tăng độ chặt 9 của nền. Ngoài ra các tác động của vật lý và hóa học sẽ làm tăng độ bền nén, lực dính và góc ma sát trong làm cho sức chịu tải tổng hợp của khối đất gia cố tăng lên. - Gia cố nền bằng phương pháp trộn ximăng Khi trộn ximăng vào đất sẽ xảy ra qúa trình kiềm và sau đó là quá trình thứ sinh. Quá trình kiềm là quá trình thủy phân và hyđrát hóa ximăng, được coi là quá trình hình thành nên độ bền của đất gia cố. Qúa trình kiềm sẽ tạo ra một lượng lớn hyđroxit canxi làm tăng độ pH của nước lỗ rỗng trong đất, tạo điều kiện thúc đẩy qúa trình thứ sinh. Ở điều kiện bình thường, các khoáng vật sét có thành phần hoá học chính là các ôxít nhôm và silíc khá bền vững, khó bị hòa tan, song trong môi trường kiềm có độ pH cao, chúng dễ bị hoà tan dẫn đến sự phá hủy của khoáng vật. Các ô xít nhôm và silíc ở dạng hòa tan tạo nên một phần vật liệu đông cứng và làm tăng cường độ của hỗn hợp đất ximăng. Quá trình thứ sinh xảy ra chậm chạp trong một thời gian dài. - Gia cố nền bằng phương pháp trộn bi tum Bitum là chất kết dính hữu cơ gồm các chất cácbuahydro khác nhau và các dẫn xuất không kim loại như ô xy, lưu huỳnh và nitơ. Khi trộn bitum vào đất, bitum có tác dụng chủ yếu với các hạt sét, còn các hạt bụi và hạt cát nhờ có bitum mà được dính kết, tích tụ lại dưới dạng ổ hoặc thấu kính với hình dạng và kích thước khác nhau. Bitum tác dụng với hạt sét tạo thành hỗn hợp hấp phụ lẫn nhau, có tính đàn hồi, có khả năng gắn chặt các hạt, kết quả là nhận được vật liệu mới đất - bitum liên kết bởi màng đàn hồi vật chất sét - bitum, ổn định đối với nước. Phương pháp gia cố đất bằng bitum thường được sử dụng nền đường giao thông có chiều dày gia cố nhỏ. - Gia cố nền bằng keo polime tổng hợp Các chất polime tổng hợp không có sẵn trong thiên nhiên mà được tổng hợp từ dầu mỏ, khí đốt, than đá....Phân tử của chúng gồm rất nhiều khâu, nối với nhau bởi liên kết hóa học, tạo nên những chuỗi xích có cấu trúc thẳng, phân nhánh và mạng 3 chiều. Keo polyme tổng hợp có tính bám dính cao, thời gian đông cứng nhanh. Khi cho keo vào đất các qúa trình hoá lý, vật lý và hoá học phức tạp giữa các hạt đất và 10 keo, tạo thành chuỗi xích thẳng đi xuyên qua khối đất, hình thành bộ khung không gian bao bọc các hạt đất hoặc tiếp xúc các hạt đất, tạo nên cấu trúc không gian thống nhất với polime. Keo polime tổng hợp thường được sử dụng để gia cố nền hay làm móng hay mặt đường giao thông với đất không chứa cacbonat và có độ pH nhỏ hơn 7. - Gia cố nền bằng dung dịch vữa ximăng Bản chất của phương pháp là phun vào lỗ rỗng của đất đá một lượng vữa ximăng cần thiết để sau khi đông cứng, làm giảm tính thấm và tăng sức chịu tải của nền. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi đối với các công trình thủy lợi, thích hợp với các loại cát, đất sỏi và các loại nền đá nứt nẻ, đặc biệt hiệu qủa khi kích thước khe nứt > 0,15 mm, tốc độ thấm > 80m/ngđ nhưng không vượt quá 200m/ngđ. - Gia cố nền bằng phụt dung dịch Silicát Nếu nền đất và nền đá có độ rỗng và khe nứt nhỏ không thể sử dụng phương pháp phụt vữa ximăng thì người ta dùng phương pháp bơm hóa chất để gia cố. Chất hóa học thường dùng là natri silicat (thủy tinh lỏng - Na2O2SiO2) và canxi clorua (CaCl2). Phương pháp này sử dụng thích hợp nhất khi đất nền là: - Cát khô và bão hòa nước, có hệ số thấm từ 2 đến 80 m/ngđ. - Cát nhỏ và cát bụi, có hệ số thấm từ 0,5 đến 5 m/ngđ - Đất hoàng thổ có hệ số thấm từ 0,1 đến 2m/ngđ. Trường hợp đất có thấm ướt các loại dầu mỡ, tạp chất của dầu hỏa hoặc khi nước ngầm có độ pH > 9 thì không sử dụng được phương pháp này. - Gia cố nền bằng phương pháp phụt nhựa bitum Phương pháp phụt nhựa bitum sử dụng thích hợp trên các nền đá dăm, cuội, sỏi hoặc trong nền đá có nhiều khe nứt. Hiện nay, trên thế giới người ta thường dùng hai phương pháp phụt nhựa bitum: phụt nhựa bitum nóng và phụt nhựa bitum lạnh. + Phương pháp phụt nhựa bitum nóng dùng thích hợp trong đá cứng nứt nẻ, hang hốc và trong cuội sỏi. Nội dung của phương pháp là phụt nhựa bitum lỏng qua những lỗ khoan hoặc ống phụt vào trong lỗ rỗng của nền hoặc khe nứt. Nhược điểm 11 của phương pháp này là thiết bị thi công cồng kềnh, phức tạp, nhựa bitum sau khi lạnh thể tích bị giảm nên dễ gây ra biến dạng. + Phương pháp phụt nhựa bi tum lạnh, còn gọi là phương pháp phụt nhũ tương bi tum, dùng để gia cố nền đất cát và đá gốc có khe nứt nhỏ. Thường dùng nhũ tương bitum lỏng gồm 65% bitum, 35 ÷ 40% nước và chất gây ra nhũ tương. 1.2.7. Nhóm các phương pháp vật lý gia cố nền đất yếu - Gia cố nền bằng phương pháp điện thấm Bản chất của phương pháp là cắm vào đất dính bão hòa nước hai điện cực, cực dương là thanh kim loại, cực âm là ống kim loại có nhiều lỗ nhỏ. Sau khi cho dòng điện một chiều chạy qua, các hạt đất sẽ dịch chuyển về phía cực dương còn nước trong đất sẽ dịch chuyển về phía cực âm. Bố trí thiết bị thoát nước về phía cực âm thì lượng nước sẽ thoát ra đáng kể, làm tăng nhanh tốc độ cố kết, hạ thấp mực nước ngầm. - Gia cố nền bằng phương pháp điện hoá học: Phương pháp này dựa vào nguyên lý điện thấm, chỉ khác là người ta đưa vào đất qua cực dương các dung dịch hoá học như canxi clorua, natri silicat để khi có dòng điện chạy qua, các điện cực sẽ bị phá hủy và các sản phẩm phá hủy liên kết với các hạt sét làm cho khối đất trở nên cứng lại và nước sẽ được thải ra ở cực âm. Nếu đất có hàm lượng muối lớn thì hiệu qủa của phương pháp này sẽ cao. - Gia cố nền bằng phương pháp nhiệt: Bản chất của phương pháp là dùng nhiệt độ cao để gia cố đất bằng cách phụt qua lỗ khoan vào trong đất không khí nóng có nhiệt dộ 600 ÷ 800oC hoặc đưa nhiên liệu cháy vào trong đất qua lỗ khoan và đốt ở nhiệt độ 1000 ÷1100o C. Phương pháp này yêu cầu thiết bị và công nghệ thi công phức tạp, chi phí lớn nên ít được ứng dụng. 1.3. Các phương pháp gia cố chống thấm cho nền 1.3.1. Giải pháp chống thấm bằng tường nghiêng và sân phủ Khi xây dựng đập đất trên nền thấm nước mạnh mà chiều dày tầng nền thấm nuớc mỏng và vật liệu làm thân đập có hệ số thấm lớn thì hình thức chống thấm hợp 12 lý nhất thường là tường nghiêng nối tiếp với sân phủ. Người đầu tiên đặt cơ sở tính thấm qua loại đập này là viện sĩ N.N. Pavlôvxki và về sau giáo sư E.A.Zamarin bổ sung. Khi tính thấm theo phương pháp này xem tường nghiêng và sân phủ là hoàn toàn không thấm cho nên cho kết quả chỉ là gần đúng. Sơ đồ tính: Hình 1.1: Sơ đồ thấm qua đập có tường nghiêng + sân phủ. Dùng phương pháp phân đoạn, bỏ qua độ cao hút nước a0 ta có hệ phương trình sau để xác định q và h3: q = kn . (h1 − h3 ).T 0,44.T + Ls + m.h3 q = Kđ . (1-1) (h3 − h2 ).T h32 − h22 + Kn. 2.( L − m.h3 ) L − m.h3 + 0,44.T (1-2) Phương trình đường bão hòa trong hệ trục tọa độ như hình 1.1 có dạng: h32 − h22 y= h − .x L − m.h3 2 3 (1-3) Lựa chọn các thông số cơ bản của tường. * Chiều dày sân trước: Chiều dày sân trước phải đủ để loại trừ hiện tượng xói ngầm do gradien thấm qua sân trước gây ra: δs ≥ h −h Z = 1 [J ] [J ] (1-4) Trong đó: - Z: Độ chênh cột nước giữa hai mặt trên và mặt dưới sân trước. 13 - h1: Cột nước trước đập (cột nước trên tường nghiêng) - h: Cột nước mặt dưới của tường nghiêng (cột nước này thay đổi theo từng mặt cắt của tường nghiêng). - [J]: Gradien thấm cho phép và lấy bằng: 8,0 đối với đất á sét. 12,0 đối với đất sét. Theo điều kiện thi công, chiều dầy sân trước không bé quá 0,5m đối với đập thấp và đối với đập cao không bé quá 1m. * Cao trình đỉnh tường nghiêng: Chọn không thấp hơn MNDGC ở thượng lưu. * Chiều dài sân phủ (Ls): Trị số hợp lý của Ls xác định theo điều kiện khống chế lưu lượng thấm qua đập và nền và điều kiện không cho phép phát sinh biến dạng thấm nguy hiểm của đất nền. Sơ bộ có thể lấy Ls = (3÷5).H, trong đó H là cột nước lớn nhất. * Ưu điểm: - Vật liệu chống thấm chủ yếu bằng đất sét nên rất sẵn có, giá thành xây dựng thấp, thiết bị thi công thông dụng như máy đào, máy lu, máy ủi,...vì vậy phương pháp này cho hiệu quả kinh tế cao. - Thi công trên nền cát cuội sỏi có hệ số thấm nhỏ. * Nhược điểm: -Chống thấm theo phương pháp này không triệt để được do khi tính thấm xem tường nghiêng và sân phủ là hoàn toàn không thấm cho nên cho kết quả chỉ là gần đúng. - Chỉ thi công ở nơi có địa hình xây dựng rộng. - Không thi công được khi nền là đá lăn, đá tảng. * Phạm vi ứng dụng. - Chống thấm cho các đập đất có nền thấm nước rất sâu hoặc vô hạn. 1.3.2. Giải pháp chống thấm bằng tường răng kết hợp lõi giữa Khi đập đất có lõi giữa xây dựng trên nền thấm nước và chiều dày tầng thấm nước không lớn lắm thì biện pháp chống thấm cho nền thông thường là kéo dài lõi giữa xuống tận tầng không thấm. Để tính thấm qua loại đập này có thể chia đập ra làm ba phân đoạn. Đoạn II 14 gồm lõi giữa và tường răng, còn hai đoạn I và III là phần đập và nền tương ứng nằm bên trái và bên phải nó. Sơ đồ tính: Hình 1.2: Sơ đồ thấm qua đập có tường lõi + chân răng * Lưu lượng thấm: Dùng phương pháp phân đoạn để tính, bỏ qua a0, lưu lượng q và các độ sâu h3, h4 trước và sau tường lõi xác định theo phương trình thấm cho từng phân đoạn như sau: Phân đoạn 1: q = Kđ . (h1 − h3 ).T h12 − h32 + Kn. 2.( L1 + m.h1 + 0,44h1 ) L1 + m.h1 + 0,44.T Phân đoạn II (lõi và tường): Phân đoạn III: q = Kđ . q = K0. h32 − h42 2.δ (h4 − h2 ).T h42 − h22 + Kn. 2.L L − m'.h2 + 0,44.T (1-5) (1-6) (1-7) * Phương trình đường bão hòa. Ở đoạn sau tường lõi, với hệ trục như trên hình 1.2 phương trình đường bão hòa có dạng: y2 = ( h4 − h2 ) 2 .x L (1-8) * Ưu điểm: - Vật liệu chống thấm chủ yếu bằng đất sét nên rất sẵn có, giá thành xây dựng thấp, thiết bị thi công thông dụng như máy đào, máy lu,máy ủi,...vì vậy phương pháp này cho hiệu quả kinh tế cao. - Thi công trên nền cát cuội sỏi có hệ số thấm nhỏ. - Chống thấm theo phương pháp này cho hiệu quả tương đối cao. 15 * Nhược điểm: - Chống thấm theo phương pháp này phải thi công các loại đất giữa phần lỏi và nền có tính chất tương tự tránh phân lớp giữa tường lỏi và đất nền gây thấm do phân lớp. - Chỉ thi công ở nơi có địa hình xây dựng rộng. - Không thi công được khi nền là đá lăn, đá tảng. * Phạm vi ứng dụng. - Chống thấm cho các đập đất có nền thấm nước rất nông. 1.3.3. Giải pháp chống thấm bằng tường hào bentonite Tường chống thấm thi công bằng biện pháp đào hào trong dung dịch bentonite là giải pháp kết cấu tốt và giải quyết được cơ bản bài toán thấm đối với nền cát, cát cuội sỏi, nền đất có chiều sâu tới 60m mà các giải pháp khác không thể thực hiện được. Kết cấu này được áp dụng lần đầu tiên ở Việt Nam (năm 1999) Người đề xuất là Nguyễn Văn Tăng, nhà thầu thực hiện đầu tiên Công ty Bachysoletanche (tại đập chính Dầu Tiếng - tỉnh Tây Ninh). * Nguyên lý công nghệ: Tường hào chống thấm là loại tường được thi công bằng biện pháp chung là đào hào trong dung dịch betonite trước, sau đó sử dụng hỗn hợp các loại vật liệu xi măng + bentonite + phụ gia, sau thời gian nhất định đông cứng lại tạo thành tường chống thấm cho thân và nền đập. Hào được thi công trong dung dịch bentonite gọi tắt là hào bentonite là hố móng có mái dốc đứng, hẹp, sâu được thi công trong điều kiện luôn có dung dịch bentonite. Hào thường có chiều rộng 0,5 ÷ 0,9m, có chiều sâu 5÷ 120m. Hình 1.3: Tường hào chống thấm bằng bentonite.