BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI MAI HỒNG HẠNH NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ĐÊ QUAI TRÊN NỀN ĐẤT YẾU LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2011 BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI - MAI HỒNG HẠNH NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ĐÊ QUAI TRÊN NỀN ĐẤT YẾU Chuyên ngành : Xây dựng Cơng trình thuỷ Mã số: 60 - 58 - 40 : LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: GS TS LÊ KIM TRUYỀN Hà Nội - 2011 LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng Cơng trình thủy với đề tài : “ Nghiên cứu giải pháp thiết kế thi công đê quai đất yếu” hoàn thành với cố gắng thân giúp đỡ mặt thầy giáo, quan, gia đình bạn bè đồng nghiệp Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo: GS.TS Lê Kim Truyền trực tiếp tận tình hướng dẫn, động viên, cung cấp tài liệu, thông tin khoa học cần thiết cho luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn khoa Sau Đại học, khoa Cơng trình Thủy Lợi – Trường Đại học Thủy Lợi, thầy giáo, cô giáo tham gia giảng dạy trực tiếp tận tình giúp đỡ truyền đạt kiến thức trình học tập làm luận văn Tác giả xin cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp giúp đỡ động viên tinh thần vật chất để tác giả đạt kết hơm Do cịn nhiều hạn chế trình độ chun mơn, thời gian, nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót, tác giả mong muốn tiếp tục nhận nhiều góp ý bảo thầy, cô giáo bạn bè đồng nghiệp Xin chân thành cảm ơn! Tác giả Mai Hồng Hạnh Học viên: Mai Hồng Hạnh - Lớp CH 17C2 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Đê quai loại cơng trình thường gặp xây dựng cơng trình thủy lợi, thủy điện Đê quai ngồi việc ngăn chặn, vây quanh hố móng cịn cơng trình nối liền hai bờ, tạo thành mạng lưới giao thơng sau ngăn dịng Đê quai thường xây dựng theo phương pháp đắp lấn dần hai bên bờ đất tự nhiên, chưa xử lý Nền đê quai thường gặp đất yếu, loại đất bùn, đất bồi tích, v.v có sức chịu tải nhỏ tính nén lún lớn Khi đắp đê quai đất yếu khơng khảo sát thiết kế cẩn thận có giải pháp phù hợp đê quai dễ ổn định, bị lún nhiều dẫn đến hư hỏng, gây ảnh hưởng đến việc giao thông hai bờ tiến độ thi cơng chung cơng trình Trong q trình thi cơng xây dựng lựa chọn giải pháp thiết kế, thi cơng đê quai thích hợp với loại mang lại hiệu kinh tế cao bảo đảm chất lượng cơng trình làm việc cách an toàn đáp ứng yêu cầu cơng trình đặt Nếu lựa chọn giải pháp thiết kế, thi cơng đê quai khơng gây nên cố đáng tiếc, gây tổn thất lãng phí lớn kinh tế, an tồn q trình xây dựng cơng trình Vì vậy, đề tài “ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ĐÊ QUAI TRÊN NỀN ĐẤT YẾU ” cần thiết, có ý nghĩa kinh tế khoa học mà thực tiễn xây dựng cơng trình thủy lợi, thủy điện thường gặp Ý nghĩa thực tiễn khoa học - Ý nghĩa thực tiễn: Đất yếu loại đất có sức chịu tải nhỏ tính nén lún thường gặp nước ta Khi xây dựng đất yếu không khảo sát thiết kế cẩn thận có biện pháp xử lý thích đáng cơng trình xây dựng thường ổn định, bị lún nhiều lún kéo dài, ảnh hưởng xấu đến việc khai thác cơng trình cơng trình xây dựng xung quanh - Ý nghĩa khoa học: Trong nghiệp cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước nay, xây dựng cơng trình đất yếu, nhiều cơng trình áp Học viên: Mai Hồng Hạnh - Lớp CH 17C2 dụng cơng nghệ mới, có biện pháp thiết kế thi cơng đúng, xử lý đất yếu thích đáng Tương tác kết cấu cơng trình đất yếu đòi hỏi phải hiểu biết sâu khoa học đất, kỹ thuật móng, v.v Vì mang ý nghĩa khoa học rõ nét Mục đích đề tài - Nghiên cứu độ lún đê quai đất yếu - Nghiên cứu độ ổn định đê quai đất yếu - Lựa chọn kỹ thuật thi công đê quai đất yếu Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu thông qua tài liệu liên quan đến thiết kế thi cơng cơng trình đất yếu nước giáo trình chuyên ngành dịch từ nước ngồi - Tìm hiểu qua dự án thiết kế, thi cơng cơng trình đất yếu áp dụng - Nghiên cứu tài liệu khảo sát địa chất cơng trình biện pháp kỹ thuật cải tạo đất yếu xây dựng cơng trình - Phân tích kết độ lún đê quai đất yếu, độ ổn định đê quai đất yếu - Phương pháp phân tích tổng kết kinh nghiệm thực tế - Phương pháp chuyên gia Học viên: Mai Hồng Hạnh - Lớp CH 17C2 CHƯƠNG ĐẤT YẾU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU 1.1 – KHÁI NIỆM VỀ ĐẤT YẾU 1.1.1 Khái niệm chung đất yếu Khái niệm “đất yếu” chưa thật rõ ràng Khái niệm tương đối phụ thuộc vào trạng thái vật lý đất, tương quan khả chịu lực đất với tải trọng mà móng cơng trình truyền lên Đa số nhà nghiên cứu gọi đất yếu đất có khả chịu lực vào khoảng 0,5 – 1,0 KG/cm2, lớn hơn, có tính nén lún mạnh khơng áp dụng biện pháp xử lý việc xây dựng cơng trình đất khó khơng thể thực Đất yếu hồn tồn bão hịa nước, có hệ số rỗng lớn (thường ε > 1,0), hệ số nén lún lớn (α tới vài phần mười vài ba đơn vị), môđun tổng biến dạng bé (nói chung E0 ≤ 50kG/cm2) trị số chống cắt không đáng kể Đất yếu gồm loại đất sét mềm có nguồn gốc nước, thuộc giai đoạn đầu trình hình thành đất sét, loại cát hạt nhỏ, mịn, rời rạc, than bùn, loại trầm tích bị mùn hóa, than bùn hóa, v.v … Chúng đa dạng thành phần khoáng vật, thường giống tính chất lý chất lượng xây dựng Xét theo nguồn gốc đất yếu thành tạo điều kiện lục địa, vũng, vịnh, biển Nguồn gốc lục địa tàn tích (eluvi), sườn tích (deluvi), hồng tích (proluvi), gió, lầy, băng, người (đất đắp) Nguồn gốc vũng vịnh cửa sơng, tam giác châu vịnh biển Đất nguồn gốc biển tạo thành tạo khu vực nước nơng (khơng q 200m), thềm lục địa (200 ÷ 300m) biển sâu (hơn 300m) Tùy theo thành phần vật chất, phương pháp điều kiện hình thành, vị trí khơng gian, điều kiện địa lý khí hậu, biến đổi sau tạo nên, v.v … mà tồn loại đất khác Học viên: Mai Hồng Hạnh - Lớp CH 17C2 Trong thực tế xây dựng nước ta thường gặp nhiều đất sét yếu bão hòa nước cát lẫn bùn bão hòa nước (vùng đồng Bắc Bộ, đồng sơng Cửu Long) Chúng có tính chất đặc biệt đồng thời có số tính chất tiên biểu cho loại đất yếu nói chung Phần lớn đê quai xây dựng đất yếu đê quai cơng trình đập dâng Văn Phong (tỉnh Bình Định), đê quai cơng trình đập Ngàn Trươi (tỉnh Hà Tỉnh), đê quai cơng trình Hồ Tả Trạch (tỉnh Thừa Thiên Huế), đê quai cơng trình Hồ chứa nước Sơng Dinh (tỉnh Bình Thuận), v.v… 1.1.2 Đất sét yếu – Tính chất biến dạng đất sét yếu Đất sét yếu chất mối liên kết hạt chúng định Đất sét yếu có khả nén chặt củng cố tác dụng ứng suất Độ bền đất sét chịu lực xác định lực dính C Ngay áp lực bé, mức độ nén lún chúng đạt đến trị số đáng kể Quá trình biến dạng đất sét yếu xảy khoảng thời gian dài với tốc độ bé Khi nén trục, mẫu đất sét yếu cho trị số nở không lớn Khi nén không nở hông, đất xảy dịch chuyển hạt Có thể chia biến dạng đất sét yếu dạng sau : -Biến dạng khôi phục, gồm biến dạng đàn hồi biến dạng cấu trúc hấp phụ -Biến dạng dư, gồm biến dạng cấu trúc Biến dạng đất sét yếu phá hoại mối liên kết cấu trúc biến dạng màng hấp phụ dung hợp với nước gây nên Khi tải trọng chưa vượt độ bền mối liên kết cấu trúc, đất chưa bị nén thể tính chất đàn hồi Nhưng đất sét yếu, độ bền cấu trúc có trị số bé, phạm vi thể biến dạng đàn hồi không đáng kể Khi tải trọng vượt trị số độ bền cấu trúc biến dạng dẻo cịn dư phát triển tương đối nhanh kèm theo sau biến dạng nghịch Biến dạng dư vượt biến dạng thuận nghịch hàng chục lần Biến dạng khôi phục (thuận nghịch) trường hợp chia làm hai phần: Khôi phục tức thời khôi phục chậm muộn Phần đầu biến Học viên: Mai Hồng Hạnh - Lớp CH 17C2 dạng đàn hồi thực Trị số biến dạng đất yếu khơng đáng kể có ý nghĩa Các loại biến dạng chủ yếu đất sét biến dạng cấu trúc biến dạng cấu trúc hấp phụ Biến dạng cấu trúc: Là biến dạng dư xảy trượt tương đối lên hạt, khối tăng mật độ yếu tố cấu trúc đơn vị thể tích Trong trình biến dạng cấu trúc, ứng suất tác dụng vượt mức chịu đựng lực dính kết tạo nên hạt khối đất bị dịch chuyển Đặc điểm liên quan nhiều đến khả chịu tải Đất sét yếu mơi trường dẻo nhớt, chúng có tính dão, có khả thay đổi độ bền cho tải trọng tác dụng lâu dài Khả gọi tính chất lưu biến Dưới tác dụng lực không đổi, có trị số vừa phải, đất sét yếu cịn xảy q trình khác q trình khôi phục củng cố tượng xúc biến Hiện tượng thể rõ lớp đất sét xung quanh cọc đóng nền, nhiều thí nghiệm xác nhận lực dính C lớp đất sau thời gian hồi phục ban đầu Ngoài dão, tính chất lưu biến đất sét, kể đất sét yếu, cịn có biểu khác trùng ứng suất tức giảm (yếu) dần ứng suất đất giữ biến dạng ổn định Thời gian mà ứng suất gây nên biến dạng xét giảm e = 2,71828… lần gọi chu kỳ trùng ứng suất Chu kỳ phụ thuộc vào hệ số nhớt môđun đàn hồi trượt Chu kỳ trùng ứng suất lớn thời gian cần thiết để thể dão dài trái lại chu kỳ trùng ngắn thời gian để thể tính chất đàn hồi đất xét bé Ở đất sét chu kỳ trùng ứng suất thường ngắn Trong tính tốn cơng trình gồm đất có tính chất lưu biến, người ta dùng hai phương pháp: tính theo độ bền lâu dài (theo trạng thái giới hạn thứ nhất) tính theo biến dạng dão (theo trạng thái giới hạn thứ 2) Khác với phương pháp tính tốn thơng thường, trường hợp người ta xét đến ảnh hưởng nhân tố thời gian Học viên: Mai Hồng Hạnh - Lớp CH 17C2 Trong tính tốn lún, tượng lưu biến nghiên cứu hình thức xét đến mức độ thể dão loại đất, sở sơ đồ mơ hình khác Xét tương quan hai yếu tố dão thấm trình cố kết đất, tìm liên hệ thích hợp để biểu thị mối tương quan 1.1.3 Đất cát yếu Cát thành tạo biển vũng vịnh Về thành phần khống vật, cát chủ yếu thạch anh, đơi có lẫn tạp chất Cát gồm hạt kích thước 0,05 đến 2mm Cát gọi “yếu” có hạt thuộc loại nhỏ, mịn trở xuống, đồng thời có kết cấu rời rạc Ở trạng thái bão hịa nước bị nén chặt pha lỗng đáng kể, chứa nhiều di tích hữu chất lẫn sét Những loại cát chịu tác dụng rung chấn động trở thành trạng thái lỏng nhớt, gọi cát chảy Khi chịu tải, đất cát khơng gắn kết có tính chất thể rời Độ bền xác định hoàn toàn lực ma sát Lực ma sát lại phụ thuộc vào trị số tải trọng, mật độ kết cấu, kích thước hạt, độ mài tròn cạnh mức độ đồng chúng Chỉ bị làm ẩm chút ít, cát xuất lực liên kết yếu, chủ yếu lực mao dẫn gây nên Ở cát chặt, nhiều trường hợp phát sinh lực tiếp nối tương hỗ hạt Nhân tố coi thể sức chống cắt ban đầu tải trọng pháp tuyến không Nhưng đặc điểm bật đất cát không có, có với mức độ yếu, lực dính hạt sức chống cắt thành phần ma sát gây nên Sức chống cắt cát gồm: -Sức chống ma sát số hạt trượt lên hạt khác -Sức chống lăn hạt lên hạt khác -Sức chống đập vỡ hạt sứt mẻ góc cạnh Sức chống cắt cát phụ thuộc vào thành phần khống vật hình dạng hạt, chủ yếu vào mật độ kết cấu chúng trị số tải trọng tác dụng, chủ yếu vào mật độ kết cấu chúng trị số tải tác dụng Tính chất có liên quan chặt chẽ đến khả chịu tải nền, đặc biệt cát bão hòa nước Học viên: Mai Hồng Hạnh - Lớp CH 17C2 Đặc điểm quan trọng cát bị nén chặt nhanh nhiều chịu tác dụng chấn động Khi cát gồm hạt nhỏ, nhiều hữu bão hòa nước chúng trở thành cát chảy Tính chất chảy có hạt nhỏ bé Trong thành phần loại cát này, lượng chứa hạt bụi (0,05 ÷ 0,002mm) chiếm 60 ÷ 70% Chúng có đặc điểm chứa nhiều hữu trạng thái keo Chỉ với điều kiện cát gọi cát chảy thực Loại cát yếu thứ hai cát chảy giả Nó bị chảy có áp lực thủy động Về thành phần cát chảy giả cát sạch, khơng lẫn vật liệu keo Ở trạng thái thiên nhiên, cát chảy thực có độ bền khả chịu lực tương đối cao, bị phá hoại kết cấu làm rời khơng cịn tính chất Lúc cát biến thành trạng thái chảy chất lỏng Sự tiếp xúc hạt lực ma sát sức chống cắt giảm xuống nhiều, chí đến số khơng Hiện tượng gọi “hóa lỏng” cát bị tác động động đất Hiện tượng cát chảy thường gặp đào hố móng xây dựng Khả mức độ thể cát chảy cấu tạo địa chất khu vực, áp lực cột nước, thành phần trạng thái cát định Cát chảy làm cho công tác thi công trở nên phức tạp, gây nguy hiểm nguyên nhân phát sinh, phát triển nhiều tai nạn phá hoại công trình Khi nghiên cứu kỹ nhận định xác nguyên nhân phát sinh, phát triển biết dùng biện pháp thích hợp tránh khắc phục nguy hiểm cát chảy gây nên Cát rời có khả giảm độ rỗng tác dụng tải trọng động rung Với trị số gia tốc chuyển động, lực ma sát cát giảm đến mức cát giống chất lỏng nhớt nặng Trị số gia tốc chuyển động gọi gia tốc lâm giới Khi thiết kế cơng trình đặt cát ngập nước điều kiện động, người ta tính để cơng trình làm việc gia tốc chấn động nhỏ gia tốc lâm giới Học viên: Mai Hồng Hạnh - Lớp CH 17C2 ... cứu độ ổn định đê quai đất yếu - Lựa chọn kỹ thuật thi công đê quai đất yếu Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu thông qua tài liệu liên quan đến thi? ??t kế thi cơng cơng trình đất yếu nước giáo... thuộc vào loại đất phương pháp thi công Đê quai đắp đất đồng chất đắp nhiều loại đất khác (đê quai có tường tâm đất sét, đê quai có tầng nghiêng đất sét, đê quai có tường tâm cọc) Phần nước đê quai. .. Hạnh - Lớp CH 17C2 28 CHƯƠNG ĐÊ QUAI VÀ SỰ ỔN ĐỊNH CỦA ĐÊ QUAI TRÊN NỀN ĐẤT YẾU 2.1 ĐÊ QUAI VÀ SỰ PHÂN LOẠI ĐÊ QUAI 2.1.1 Sự hình thành đê quai đặc điểm đê quai Đặc điểm thi cơng cơng trình thủy