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. Khái quát chung về cát biển và nước ngầm; 1. Cơ sở lý thuyết về dòng thấm; 1. Tổng quan về cát chảy trong xây dựng công trình vùng duyên hải; 1.
Các nghiên cứu trên thế giới và trong nước về cát chảy và giải pháp chống cát chảy; 1. Mục tiêu của đề tài; 1. Nội dung nghiên cứu, kết quả nghiên cứu trong phòng và hiện trường; 1. Phương pháp nghiên cứu; 1.
Kết luận chương. Khái quát chung về cát biển và nước ngầm 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. 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. Bãi cát ở Quảng Bình Hình 1. 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%. 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.
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. - Bồn ngầm: Khi đáy cách nước bị lõm xuống, mặt nước ngầm gần như nằm ngang (Hình 1. - Dòng bồn ngầm hỗn hợp: Khi kết hợp cả hai loại trên (Hình 1. Tầng nước ngầm; 3.
Đới không khí; 4. Đới cách nước; 5. MNN mùa khô; 5’. Mạch nước; H - Bề dày tầng nước ngầm; h – Chiều sâu MNN; A – Mực nước ngầm Hình 1.
Sơ đồ tầng nước ngầm Hình 1. Sơ đồ dòng ngầm Hình 1. Đất đá cách nước 7 Hình 1. Sơ đồ dòng ngầm và bồn ngầm 1.
Đất đá cách nước; 4. Mực nước ngầm; 5. hướng vận động của dòng ngầm; 6. Nước mưa ngấm Nguồn cung cấp cho nước ngầm là nước mưa, nước sông ngoài đổ về, nước thủy triều, đôi khi do nước ở dưới sâu đi lên theo các đứt gãy kiến tạo hoặc các cửa sổ địa chất thủy văn.
Hướng thoát của nước ngầm là sông, ao hồ và biển. Ở vùng duyên hải, địa hình thường trũng thấp; chúng ta thường gặp các dải đất thấp ngập nước, hẹp và kéo dài, phân bố song song với đường bờ; độ cao của MNN ở đây thường cao và tùy thuộc vào điều kiện địa hình, khí hậu, khoảng cách đến biển mà độ cao MNN khác nhau. Mùa mưa nước ngầm dâng cao, mùa khô thì ngược lại. MNN cũng phụ thuộc vào triều cường hay triều kiệt, khoảng cách đến bờ biển.
Cơ sở lý thuyết về dòng thấm 1. Thấm trong đất Vận động của nước trọng lực trong môi trường thấm của đất đá được gọi là quá trình thấm. Thấm trong môi trường đất đá phụ thuộc vào kích thước các lỗ rỗng, khe nứt, hình dạng, sự liên hệ giữa chúng với nhau và được đặc trưng bởi vận tốc khá bé. Vận động thấm của nước trong đất đá có thể mang đặc tính ổn định hoặc không ổn định: - Vận động ổn định: Đặc trưng bởi sự ổn định của các yếu tố dòng thấm (Tốc độ, lưu lượng, mực nước, gradien thuỷ lực .) theo thời gian.
- Vận động không ổn định: Các yếu tố dòng thấm thay đổi theo thời gian; sự thay đổi thường do các nhân tố tự nhiên và nhân tạo gây ra. Vận động thấm của nước dưới đất có lưu lượng ổn định hoặc không ổn định (dòng chảy rối). Nước dưới đất hầu hết vận động thấm là dòng chảy tầng; do vậy, lưu lượng dòng thấm cũng được xem là lưu lượng dòng thấm ổn định. 8 Dòng thấm ổn định là dòng thấm có lưu lượng không đổi theo thời gian và không gian.
Khi tầng chứa nước có độ đồng nhất kém thì vận tốc thấm ở các tiết diện sẽ không giống nhau theo diện hoặc theo chiều thẳng đứng. Định luật thấm tuyến tính, (định luật Đarcy) Theo định luật Darcy, lưu lượng thấm tỉ lệ thuận với tiết diện thấm, với độ chênh áp lực và tỉ lệ nghịch với chiều dài dòng thấm. Định luật thấm Darcy được áp dụng cho dòng thấm là dòng chảy tầng; được biểu thị bằng biểu thức: H Q k .1) L Trong đó : Q - Lưu lượng thấm; k - Hệ số tỉ lệ phụ thuộc loại đất, (hệ số thấm của đất); F - Tiết diện thấm; H - Độ giảm áp khi nước thấm từ tiết diện a đến b; L - Chiều dài dòng thấm từ a đến b. H I , gradien thủy lực, tức độ chênh mực nước trên một đơn vị L chiều dài dòng thấm.
Vận tốc thấm lí thuyết: V k.2) “Vận tốc thấm dòng chảy ổn định tỉ lệ bậc nhất với gradien thuỷ lực”. Khi xét dòng thấm qua tiết diện F, bao gồm diện tích lỗ rỗng và hạt đất, nhưng trong thực tế nước chỉ thấm qua được tiết diện lỗ rỗng (hình 1. Nếu độ rỗng của đất là n thì tiết diện thấm thực tế là F.n và vận tốc Q V thấm thực tế sẽ là: U F.n n Vì n là số luôn luôn nhỏ hơn 1 cho nên, vận tốc thấm thực tế bao giờ cũng lớn hơn vận tốc thấm lí thuyết, tức U> V và lớn hơn khoảng 2 3 lần. [14], [15], [39] Hệ số thấm k là một đặc trưng quan trọng để đánh giá tính thấm của đất.
Đối với các loại đất khác nhau, phạm vi thay đổi hệ số k ứng với áp suất vào khoảng 1.10 2 như sau: Đất cát k = 1.10 -4 cm/s 9 Đất cát pha sét k = 1.10 -6cm/s Đất sét pha cát k = 1.10 -8 cm/s Đất sét k = 1.10-10 cm/s Các yếu tố ảnh hưởng đến tính thấm của đất: Đất thấm nhiều hay ít là do ảnh hưởng của nhiều yếu tố, trong đó phải kể đến điều kiện hình thành và tồn tại của đất, kết cấu và kiến trúc của đất, kích thước và hình dáng của hạt, thành phần dung dịch nước lỗ hổng và lượng chứa các khí kín. Trong quá trình tồn tại, các lớp đất ngày càng bị nén chặt dưới trọng lượng của các lớp tạo thành sau lắng đọng ngày càng dày ở bên trên, do đó lỗ hổng của chúng ngày càng giảm đi và tính thấm của chúng ngày càng bé. Kích thước và hình dáng các hạt cũng như cấp phối của đất có liên quan đến kích thước và số lượng các lỗ hổng, tức là với lượng nước kết hợp, do đó ảnh hưởng quan trọng đến tính thấm của đất. Đất cát có kích thưỡc lỗ hổng lớn, hơn nữa trong đất cát không có nước kết hợp, nên tính thấm của đất cát lớn, đất sét có kích thước lỗ hổng bé, có nước kết hợp bao bọc, nên tính thấm bé.
Thành phần dung dịch nước lỗ hổng ảnh hưởng đến tính thấm của đất thông qua cơ chế của sự trao đổi ion làm cho chiều dày màng nước kết hợp bao bọc hạt đất tăng hoặc giảm, dần tới tính thấm của đất sẽ tăng giảm theo.
