Giải pháp xử lý nền cát hiệu quả cho hố móng sâu tại trạm bơm tiêu Nhất Trai, Bắc Ninh

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu giải pháp xử lý nền cát cho hố móng sâu vùng đồng bằng áp dụng cho trạm bơm tiêu nhất trai tỉnh bắc, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất

• Tác giả: Bùi Anh Tú
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hữu Huế
• Trường học: Đại học Thủy lợi
• Chuyên ngành: Kỹ thuật
• Đề tài: Giải Pháp Xử Lý Nền Cát Cho Hố Móng Sâu Tại Trạm Bơm Tiêu Nhất Trai, Bắc Ninh
• Loại tài liệu: luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giải pháp xử lý nền cát cho hố móng sâu

Giải pháp xử lý nền cát là một trong những vấn đề kỹ thuật quan trọng trong xây dựng các công trình có hố móng sâu, đặc biệt là tại các khu vực có địa chất phức tạp như trạm bơm tiêu Nhất Trai, Bắc Ninh. Việc xử lý nền cát đòi hỏi các phương pháp kỹ thuật tiên tiến để đảm bảo sự ổn định của hố móng, ngăn chặn hiện tượng cát chảy và xói ngầm. Các giải pháp bao gồm việc sử dụng hệ thống giếng kim để hạ thấp mực nước ngầm, tạo tường vây bằng cừ hoặc hào bentonite, và áp dụng các phương pháp phụt vữa để tạo màn chống thấm. Những giải pháp này không chỉ giúp ổn định hố móng mà còn đảm bảo an toàn cho các công trình lân cận.

1.1. Hiện tượng cát chảy và xói ngầm

Hiện tượng cát chảy và xói ngầm thường xảy ra khi thi công hố móng sâu trong điều kiện địa chất cát mịn và mực nước ngầm cao. Khi đào móng, nước ngầm có thể kéo theo các hạt cát vào hố móng, gây ra sự mất ổn định của mái và đáy hố móng. Hiện tượng này có thể dẫn đến sụt lún, đổ vỡ các công trình xung quanh. Để khắc phục, cần áp dụng các biện pháp như hạ mực nước ngầm, sử dụng tường vây chắn, và tăng cường độ ổn định của đất nền.

1.2. Phương pháp hạ mực nước ngầm

Phương pháp hạ mực nước ngầm là một trong những giải pháp hiệu quả để xử lý nền cát. Bằng cách sử dụng hệ thống giếng kim hoặc giếng khoan, mực nước ngầm được hạ thấp, giảm áp lực nước lên đáy và mái hố móng. Điều này giúp ngăn chặn hiện tượng cát chảy và xói ngầm, đồng thời tăng độ ổn định của hố móng. Phương pháp này đã được áp dụng thành công tại nhiều công trình lớn trên thế giới và Việt Nam, bao gồm cả trạm bơm tiêu Nhất Trai, Bắc Ninh.

II. Kỹ thuật xây dựng và địa chất công trình

Kỹ thuật xây dựng và địa chất công trình đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế và thi công các công trình có hố móng sâu. Tại trạm bơm tiêu Nhất Trai, Bắc Ninh, địa chất nền móng chủ yếu là cát mịn và cát hạt trung, với mực nước ngầm cao. Điều này đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật đặc biệt để đảm bảo sự ổn định của hố móng. Các phương pháp như tường vây, cừ, và hệ thống tiêu nước được áp dụng để ngăn chặn hiện tượng cát chảy và xói ngầm. Ngoài ra, việc tính toán nền móng cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo an toàn và hiệu quả của công trình.

2.1. Tường vây và cừ chắn

Tường vây và cừ chắn là những giải pháp kỹ thuật phổ biến để bảo vệ hố móng sâu. Tường vây được tạo thành từ các cọc cừ hoặc hào bentonite, giúp ngăn chặn sự xâm nhập của nước ngầm và cát vào hố móng. Tại trạm bơm tiêu Nhất Trai, Bắc Ninh, tường vây được thiết kế để chịu được áp lực nước ngầm và đảm bảo sự ổn định của hố móng. Cừ chắn cũng được sử dụng để tăng cường độ cứng của tường vây, ngăn chặn sự dịch chuyển của đất nền.

2.2. Tính toán nền móng

Tính toán nền móng là một bước quan trọng trong quá trình thiết kế và thi công hố móng sâu. Việc tính toán cần dựa trên các thông số địa chất, đặc biệt là tính thấm nước và độ ổn định của đất nền. Tại trạm bơm tiêu Nhất Trai, Bắc Ninh, các phương pháp tính toán như mô hình hóa bằng phần mềm Modflow được sử dụng để dự đoán hiệu quả của các giải pháp hạ mực nước ngầm. Kết quả tính toán giúp đảm bảo rằng hố móng sẽ ổn định trong suốt quá trình thi công và vận hành.

III. Ứng dụng thực tế tại trạm bơm tiêu Nhất Trai Bắc Ninh

Tại trạm bơm tiêu Nhất Trai, Bắc Ninh, các giải pháp xử lý nền cát đã được áp dụng thành công để đảm bảo sự ổn định của hố móng sâu. Các phương pháp như hạ mực nước ngầm, tường vây, và cừ chắn đã được sử dụng để ngăn chặn hiện tượng cát chảy và xói ngầm. Kết quả thực tế cho thấy, các giải pháp này không chỉ đảm bảo an toàn cho công trình mà còn giúp tăng hiệu quả thi công. Việc áp dụng các công nghệ xây dựng tiên tiến đã mang lại những giá trị khoa học và thực tiễn đáng kể cho dự án.

3.1. Hệ thống giếng kim

Hệ thống giếng kim đã được sử dụng rộng rãi tại trạm bơm tiêu Nhất Trai, Bắc Ninh để hạ thấp mực nước ngầm. Hệ thống này bao gồm các giếng kim được bố trí xung quanh hố móng, giúp giảm áp lực nước và ngăn chặn hiện tượng cát chảy. Kết quả thực tế cho thấy, hệ thống giếng kim đã mang lại hiệu quả cao trong việc ổn định hố móng, đảm bảo an toàn cho quá trình thi công.

3.2. Kết quả và đánh giá

Các giải pháp kỹ thuật được áp dụng tại trạm bơm tiêu Nhất Trai, Bắc Ninh đã mang lại kết quả tích cực. Hố móng được ổn định, hiện tượng cát chảy và xói ngầm được kiểm soát hiệu quả. Các công trình lân cận không bị ảnh hưởng bởi quá trình thi công. Kết quả này khẳng định giá trị thực tiễn của các giải pháp xử lý nền cát, đồng thời mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực xây dựng công trình có hố móng sâu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Móng của hầu hết các công trình thường nằm dưới mặt đất từ vài mét đến hàng chục mét. Đào móng là công việc đầu tiên khi thi công xây dựng của bất kỳ công trình nào. Khi đào móng, chuyển đi một khối lượng đất đá, phá vỡ cân bằng tự nhiên của môi trường đất đá, nước dưới đất nên đã xảy ra một loạt các hiện tượng gây trở ngại đến công tác đào móng như: Đất đá ở thành hố trượt lở, di chuyển vào hố móng, đất ở đáy hố bị đẩy trồi, nước dưới đất, cát chảy vào hố móng, vùng đất xung quanh hố móng chuyển vị làm cho các công trình ở lân cận lún sụt, nứt nẻ.

Sự cố thi công hố móng công trình luôn song hành với việc lựa chọn giải pháp thi công hố đào không thích hợp với điều kiện địa chất và nước ngầm. Sự chuyển dịch đất nền quanh hố đào có thể xẩy ra ngay trong quá trình đào móng hay sau thời gian hố đào đã lấp đất. Đây là vấn đề khó tránh khỏi, một khi nhà thầu thiết kế hoặc thi công kém năng lực, ít kinh nghiệm hoặc tài liệu khảo sát thiếu chính xác. Vấn đề đào hố móng luôn luôn là chủ đề thời sự, nó tiềm ẩn nhiều rủi ro cần được xem xét kỹ lưỡng và có giải pháp thi công thích hợp, nhằm hoàn thành công trình đúng thời hạn, an toàn và hiệu quả.

Mục đích nghiên cứu của đề tài: - Nghiên cứu và đề xuất giải pháp kỹ thuật khắc phục hiện tượng cát đùn, cát chảy trong thi công công trình. - Ứng dụng kết quả nghiên cứu tính toán cho thi công trạm bơm tiêu Nhất Trai, huyện Lương Tài, Tỉnh Bắc Ninh. Phương pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu tài liệu chuyên ngành có liên quan đến vận động của nước ngầm, ổn định thấm của nền công trình. 1 - Tính toán ổn định hố móng sâu trong điều kiện địa chất và nước ngầm bất lợi, đồng thời phân tích trên mô hình bằng phần mềm Plaxis, Modflow.

Từ đó đề ra các giải pháp bảo vệ kênh dẫn, phòng tránh cát đùn, cát chảy cho kênh trong quá trình thi công và vận hành, sử dụng sau này. - Áp dụng cho một công trình thực tế có so sánh kết quả nghiên cứu và thực tế. TỔNG QUAN VỀ THI CÔNG MÓNG TRÊN NỀN CÁT ĐÙN, CÁT CHẢY 1. Hiện tượng xói ngầm, cát chảy Khi xây dựng công trình ở đồng bằng, ven sông, biển có hố móng sâu (các trạm bơm lớn, các hệ thống tiêu thoát nước, các tầng hầm của các tòa nhà, hầm đường bộ, ga tàu điện ngầm.) thường gặp đất nền là lớp cát hạt trung hoặc cát hạt mịn có lẫn một lượng nhỏ hạt sét phù sa và mực nước ngầm tự nhiên cao, một số trường hợp đáy móng công trình có thể có tầng nước áp lực, trong trường hợp này khi đào móng dễ phát sinh các hiện tượng: − Đáy hố móng bị bục do tầng nước áp lực ở phía dưới đẩy lên do lớp đất ở đáy móng quá mỏng, kéo theo đất và cát vào hố móng.

− Nước ngầm chảy từ mái hố móng kéo theo đất và cát vào trong hố móng. Khi đào móng các công trình này, mực nước ngầm lộ ra, các hạt mịn, hạt nhỏ cát chứa bụi sẽ bị nước ngầm kéo theo từ xung quanh mái hố móng và đáy hố móng vào hố móng công trình. Hiện tượng chảy của cát có thể diễn ra một cách chậm chạp, hoặc rất nhanh dưới hình thức đùn ra ngay sau khi đào đến chúng, làm cho mái hố móng mất ổn định, hoặc bục đáy hố móng. Nếu lượng đất, cát chảy vào hố móng quá nhiều thì có thể gây sụt lún, đổ vỡ các công trình xây dựng đã có ở xung quanh hố móng.

Tình hình nghiên cứu, ứng dụng của phương pháp hạ mực nước ngầm khi thi công hố móng. Tiêu nước cho các hố móng xây dựng là để ngăn ngừa tác động có hại của dòng chảy nước ngầm đối với nền và mái hố móng. Ngăn lưu lượng nước ngầm chảy vào hố móng, tiêu được nước cho đất tại các tầng đào, ngăn ngừa đất mái móng bị sụt và trượt. Hạ mực nước ngầm khi thi công hố móng trên thế giới.

Tại các công trường xây dựng thuỷ công của Liên – xô, phương pháp hạ nước ngầm được áp dụng rộng dãi trong thời kỳ công nghiệp hóa và hiện đại hóa, phương pháp hạ mực nước ngầm được áp khi xây dựng các tuyến tàu điện ngầm và kênh đào Matskva ( năm 1933-1937) và chẳng bao lâu sau đó tại các công trường của các công trình đầu mối Ru-bin-ski và U-glich-ski (năm 1936-1941). Nhưng tại các công trường đó đã sử dụng các thiết bị còn chưa hiện đại: giếng không sâu lắm với các máy bơm ly tâm, máy bơm cần để hạ nước ngầm không quá 4-4,5m và chỉ sử dụng có tính chất thí nghiệm các máy bơm sâu của nước ngoài loại hiện đại để giảm mức nước ngầm tới 11m. Tại kênh đào Von-ga Đông mang tên V.Lênin đã sử dụng với quy mô lớn các thiết bị hiện đại có hiệu quả do mình tự sản xuất: các máy bơm sâu để hạ mực nước ngầm tới 23m và các thiết bị kim lọc để hạ nước ngầm tới 5m. Tất cả trong các hố móng của 22 công trình thuỷ công trên sông đào Vôn-ga Đông với tổng diện tích phải tiêu là 84 ha.

Ở các nước trên thế giới cũng đã áp dụng phương pháp hạ mực nước ngầm vào các công trình thủy lợi, thủy điện, giao thông và xây dựng dân dụng đạt hiệu quả khá tốt. Hố móng sâu phức hợp của tháp phát thanh truyền hình Thượng Hải đặt sâu 12,5m diện tích đáy móng khoảng 2700m2, dùng phương pháp giếng kim để tiêu nước ngầm. Hai toà nhà của bệnh viện hữu nghị Trung Nhật, diện tích nhà khoảng 7000m2, cạnh dài lớn nhất là 91,4m, rộng 41,5m sâu -8,86m, mực nước ngầm khoảng -1,5 m, tầng chứa nước là đất cát bột nặng, đất bột sét và cát bột, đã dùng 570 giếng kim phun tạo thành 2 vòng tròn khép kín, hiệu quả hạ mức nước ngầm rất tốt. Đại lầu trung tâm Quốc mậu Vũ Hán có diện tích đào 5000m2, sâu -16,8m, bố trí giếng kết hợp cả bên trong và bên ngoài hố móng, giếng sâu 42-47m.

Áp dụng phương pháp tăng dần số lượng giếng kim phun nước, hiệu quả hạ mực nước ngầm rất tốt. Hạ mực nước ngầm khi thi công hố móng ở Việt Nam Việt Nam là nước có nền khoa học kỹ thuật phát triển muộn hơn các nước tiên tiến 4 trên thế giới, hiện nay các công trình thủy lợi thủy điện, các công trình giao thông và dân dụng đang trên đà phát triển khá mạnh, công nghệ hạ thấp mực nước ngầm cũng theo đó mà phát triển theo. Trong những năm gần đây chúng ta đã áp dụng phương pháp hạ thấp mực nước ngầm để bảo vệ hố móng khi xây dựng nhiều công trình như: Hố móng cống Hiệp Thuận (Đập Đáy, Hà Tây cũ), Âu thuyền Cầu Đất (Hải Dương), trạm bơm Kim Đôi, trạm bơm Phấn Động, trạm bơm Nhất Trai (Bắc Ninh), trạm bơm Như Trác, Hữu Bị II (Hà Nam), cống Liên Mạc (Hà Tây), trạm bơm Tràm (Hải Dương), cống Vân Cốc, hệ thống kênh dẫn cụm công trình đầu mối Hát Môn - Đập Đáy (Hà Tây), tầng hầm các công trình xây dựng, hầm đường bộ… 1. Ảnh hưởng của việc tiêu nước mặt, tiêu nước ngầm đến ổn định hố móng công trình Móng của hầu hết các công trình xây dựng đòi hỏi phải có hố móng khô ráo để thi công, trừ một số trường hợp như đắp đất trong nước, dọn nền bằng tàu cuốc, tàu hút bùn.

Thi công các công trình có hố móng ở vùng có mực nước ngầm cao cần thiết phải có giải pháp tiêu nước và bảo vệ mái hố móng phù hợp đảm bảo an toàn công trình đang thi công và các công trình lân cận, đồng thời đẩy nhanh được tiến độ thi công. Việc lựa chọn phương án tiêu nước và bảo vệ mái hố móng liên quan mật thiết đến đặc điểm kết cấu công trình và phụ thuộc vào điều kiện địa chất - địa chất thuỷ văn của khu vực xây dựng công trình. Như vậy việc tiêu nước hố móng là biện pháp rất quan trọng để đảm bảo cho mái, đáy hố móng ổn định và khô ráo trong quá trình thi công. Ảnh hưởng của việc tiêu nước mặt, tiêu nước ngầm đến ổn định mái hố móng Đối với các công trình xây dựng ở những khu vực có mực nước ngầm cao, hố móng công trình phải tồn tại trong điều kiện phức tạp.

Tại đáy hố móng ứng suất giảm, áp lực lỗ rỗng giảm theo, mái hố móng chịu ảnh hưởng của dòng thấm trên mái chảy vào hố móng. Khi chênh lệch mực nước ngầm so với đáy hố móng càng lớn, độ dốc thủy lực tăng 5 cao dễ gây mất ổn định về xói ngầm, kéo theo các hạt cát trôi vào hố móng, mái hố sẽ bị rỗng chân nên khả năng chịu lực theo phương đứng giảm khiến đất phía trên tụt xuống làm sạt mái hố móng. Trong trường hợp cát mịn, có hệ số thấm bé thì dễ xảy ra cát đùn chảy và cũng gây sụt lở. Mực nước ngầm cao trên mái hố móng cũng là nguyên nhân gây mất ổn định về trượt mái.

Tác động trọng lực lên đất tăng khi độ ẩm ướt tăng sẽ kèm theo sự giảm độ bền (lực ma sát trong ϕ và lực dính C của đất giảm) (Hình 1. Biểu đồ biến đổi sức chống cắt của đất khi thay đổi độ ẩm Áp lực thủy động đóng vai trò lớn trong một số trường hợp trượt của mái dốc. Áp lực thủy động Dtđ hướng theo phương dòng thấm và xác định bằng công thức: D tđ = J.γ n (1- 1) Với J –Gradien thấm; γ n -. Khối lượng riêng của nước Trong thời gian đào móng, mực nước ngầm tại mái hố móng sẽ giảm xuống đột ngột làm nước từ xung quanh thấm vào hố móng sinh ra áp lực thủy động.

Tổng thành phần trọng lực T được bổ sung thêm áp lực thủy động D tđ làm giảm hệ số ổn định F của sườn dốc. Sơ đồ lực tác dụng lên mái dốc khi có áp lực thủy động Sự tăng tải trên mái dốc và các khu vực kề cận với mép mái dốc, các dao động địa chấn, các lực tác động tĩnh và động, lâu dài và tạm thời bên ngoài khác, máy móc, thiết bị, người…thường làm giảm sự ổn định và làm đất dịch chuyển. Phân tích nguyên nhân trên cho phép kết luận là sự hình thành tạo trượt do tăng lực cắt.