CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. GIỚI THIỆU CHUNG Nền cần xem là một bộ phận cấu thành thống nhất của công trình, cùng với thân công trình chống lại tác động phá hoại thường xuyên của thiên nhiên mà trước hết là nước để đảm bảo công trình làm việc an toàn và bền vững lâu dài. Vì vậy điều kiện địa chất nền có vai trò rất quan trọng đối với sự an toàn của cả công trình. Để cho nền có chất lượng tốt phòng tránh được sự cố, nhiệm vụ của thiết kế là cần tìm được biện pháp xử lý nền thích hợp.
Trước hết cần nhận thức được tầm quan trọng đặc biệt của nền công trình, để có sự quan tâm đúng mức, đầu tư nghiên cứu cẩn thận tài liệu về địa chất nền, sau đó tìm ra biện pháp xử lý tốt nhất. Kinh nghiệm thực tế cho thấy chi phí cho biện pháp xử lý nền thường là rất tốn kém nhưng yêu cầu của thiết kế công trình là chất lượng nền tốt và công trình an toàn, bởi vì nếu xảy ra sự cố do nền công trình gây ra thì hậu quả sẽ rất nghiêm trọng, có khi còn gây tai họa và khi ấy chi phí để khắc phục sự cố do nền đập gây ra có khi còn lớn hơn rất nhiều lần chi phí để xử lý nền ban đầu. Hiện nay gia cố nền đất, đá yếu đã được thực hiện với nhiều phương pháp xử lý khác nhau ở nhiều nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Các phương pháp xử lý gia cố đều có những đặc tính riêng biệt của nó.
Mỗi một phương pháp xử lý đều có mục đích, khả năng ứng dụng, tính hiệu quả về kỹ thuật, kinh tế khác nhau phụ thuộc vào tính chất của các tầng đất đá nằm dưới và phân bố xung quanh nền móng công trình, phụ thuộc vào loại công trình, vị trí và quy mô của công trình xây dựng. ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC CỦA NỀN CÔNG TRÌNH THỦY LỢI Công trình thủy lợi được xây dựng trên các loại nền khác nhau, tuỳ theo tính chất của từng loại nền để đưa ra giải pháp kết cấu đập cho phù hợp (Đập đất, đập đất đá hỗn hợp, đập đá đổ, đập bê tông trọng lực. Do công trình được xây dựng trên các sông suối nên tạo chênh lệch mực nước giữa thượng lưu và hạ lưu, dưới tác 4 dụng của cột nước chênh lệch mà sinh ra sự chuyển động của nước qua các lỗ rỗng và khe nứt của nền từ thượng lưu về hạ lưu (hiện tượng thấm nước). Thấm dưới nền đập gây ra các tác hại như: - Tổn thất lưu lượng nước từ thượng lưu xuống hạ lưu.
- Dòng thấm gây nên áp lực lên đáy công trình có hướng từ dưới lên trên, áp lực thấm làm giảm nhẹ công trình và giảm khả năng chống trượt. - Nước thấm có thể gây nên tác dụng hoá học trong nền đá, hoà tan và mang ra hạ lưu những loại muối khoáng, dần dần làn giảm sức chịu tải của nền. - Trong nền đất, nước thấm có thể mang theo những hạt đất nhỏ làm thay đổi tính chất cơ lý của nền gây ra lún trượt. - Khi dòng thấm ra hạ lưu, các đường dòng gần như hướng thẳng đứng lên trên.
Do áp lực thấm tác dụng lên vùng đất ở khu vực này mà một số trường hợp có thể nâng cả khối đất lên (Hiện tượng đùn đất). Nói chung, nền các công trình thủy lợi làm việc dưới tác dụng của nhiều yếu tố như: Trọng lượng bản thân công trình, áp lực thấm, xói ngầm. Vì vậy việc xử lý nền đập là vấn đề hết sức quan trọng quyết định đến tính khả thi cũng như an toàn cho mỗi công trình. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ GIA CỐ NỀN CÔNG TRÌNH THỦY LỢI 1.
Xử lý nền bằng lớp đệm. Xử lý nền bằng lớp đệm nhằm mục đích tăng sức chịu tải và làm giảm tính nén lún của nền. Người ta thường xử lý nền bằng đệm cát, đất, đá, sỏi. Xử lý nền bằng đệm cát.
- Dưới tác dụng của tải trọng công trình σđất giảm theo độ sâu. Khi gặp đất yếu người ta thay bằng 1 tầng đệm cát đủ sức chịu tải trọng và tận dụng được khả năng lớp đất yếu nằm dưới. - Tác dụng của tầng đệm cát : 5 + Giảm độ lún của móng. + Giảm được chênh lệch lún của móng vì do sự phân bố lại σ trong đất.
+ Giảm được độ sâu chôn móng → tiết kiệm vật liệu làm móng. + Tăng tốc độ cố kết của nền, rút ngắn quá trình lún, tăng nhanh sức chịu tải. - Sử dụng lớp đệm cát có hiệu quả khi lớp đất yếu ở trạng thái bão hoà nước có chiều dày < 3m không xuất hiện nước ngầm có áp. - Đệm cát được thi công theo trình tự sau: Rải → San → Đầm & kiểm tra độ chặt.
Xử lý nền bằng đệm đất. Trong thực tế xây dựng khi nền đất yếu như bùn, bồi tích v. Người ta đào bỏ và thay vào đó lớp đất đắp. Xử lý nền đệm đá sỏi.
- Khi lớp đất yếu dày < 3m ở trạng thái bão hoà nước dưới lớp đất yếu là lớp đất chịu lực tốt và xuất hiện nước có áp lực cao thì dùng đệm cát sỏi. - Trình tự thi công: Giống như đệm cát riêng lớp đệm đá yêu cầu phải xếp chèn thật tốt nếu không sẽ mất ổn định toàn bộ lớp đệm. Xử lý nền bằng cọc. Xử lý nền bằng cọc nhằm những mục đích sau đây : - Khắc phục hoặc hạn chế được biến dạng lún có trị số quá lớn và biến dạng không đều của nền.
- Bảo đảm sự ổn định cho công trình khi có tải trọng ngang tác dụng. - Giảm bớt được vật liệu xây làm móng và khối lượng đào, đắp. - Có thể cơ giới hoá được trong thi công và trong chế tạo nên rút ngắn được thời gian thi công. Xử lý nền bằng nổ mìn ép.
- Nội dung phương pháp: Người ta khoan lỗ, bố trí các lỗ mìn dài trong phạm vi nền cần gia cố dạng hình tam giác đều. Sau khi nổ mìn tạo thành những giếng có thành vách tương đối chặt → lấp cát và đầm chặt. 6 - Ưu điểm: Thi công đơn giản, ít tốn vật liệu nhân công, thi công nhanh. Nền đất nhanh đạt độ bền vững cao.
Đây là phương pháp mới nhưng có hiệu quả tốt về kinh tế và kỹ thuật. Xử lý nền bằng phương pháp đầm chặt lớp đất mặt. Khi gặp trường hợp nền đất yếu nhưng có độ ẩm nhỏ (G < 0,7) thì có thể sử dụng phương pháp đầm chặt lớp đất mặt để làm cường độ chống cắt của đất và làm giảm tính nén lún. Lớp đất mặt sau khi được đầm chặt sẽ có tác dụng như một tầng đệm đất, không những có ưu điểm như phương pháp đệm cát mà cón có ưu điểm là tận dụng được nền đất thiên nhiên để đặt móng, giảm được khối lượng đào đắp.
Để đầm chặt lớp đất mặt, người ta có thể dùng nhiều biện pháp khác nhau, thường hay dùng nhất là phương pháp đầm xung kích: Theo phương pháp này quả đầm trọng lượng 1 – 4 tấn (có khi 5 – 7 tấn) và đường kính không nhỏ hơn 1m. Để hiệu quả tốt khi chọn quả đầm nên đảm bảo áp lực tĩnh do quả đầm gây ra không nhỏ hơn 0,2kg/ cm2 với loại đất sét và 0,15kg/cm2 với đất loại cát. Xử lý nền bằng phương pháp gia tải nén trước Phương pháp này có thể sử dụng để xử lý khi gặp nền đất yếu như than bùn, bùn sét và sét pha dẻo nhão, cát pha bão hòa nước. Dùng phương pháp này có các ưu điểm sau: - Tăng nhanh sức chịu tải của nền đất; - Tăng nhanh thời gian cố kết, tăng nhanh độ lún ổn định theo thời gian Các biện pháp thực hiện: - Chất tải trọng (cát, sỏi, gạch, đá…) bằng hoặc lớn hơn tải trọng công trình dự kiến thiết kế trên nền đất yếu, để chọn nền chịu tải trước và lún trước khi xâydựng công trình.
- Dùng giếng cát hoặc bấc thấm để thoát nước ra khỏi lỗ rỗng, tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền, tăng nhanh tốc độ lún theo thời gian 7 1. Xử lý nền bằng phương pháp hoá lý. - Khi xây dựng các công trình chịu tải trọng trên nền đất cát ở trạng thái rời, đất có lỗ rỗng lớn cuội sỏi hay đá nứt nẻ v. thì phải sử dụng biện pháp hoá lý để xử lý.
- Nội dung phương pháp: Phụt vữa vào nền 1 loại dung dịch keo kết như vữa xi măng thuỷ tinh lỏng tạo những chất liên kết gắn chặt các hạt đất với nhau. - Mục đích: Tăng khả năng chịu tải của nền (phụt vữa cố kết), chống thấm (phụt vữa chống thấm), chống xói ngầm (hợp 2 phương pháp trên). - Xử lý bằng hoá lý bao gồm: Phụt vữa xi măng, silicat hoá, nhựa tổng hợp, nhựa bitum, điện thấm, điện hoá học, điện silicat hoá và phương pháp nhiệt v. - Ưu điểm của phương pháp hoá lý: Làm tăng khả năng chịu lực của nền, bảo đảm nền ổn định khi công trình có tải trọng ngang lớn.
Tạo nguồn chống thấm dưới nền công trình. Gia cường mặt tiếp giáp giữa nền và móng để chống thấm, chống trượt. Ở nước ta xử lý nền bằng phương pháp hoá lý hiện nay ứng dụng rộng rãi là phương pháp phụt vữa xi măng vì vừa thoả mãn yêu cầu cố kết, vừa thoả mãn yêu cầu phòng thấm. Các phương pháp khác do điều kiện thi công và khả năng kinh tế chưa cho phép nên hạn chế.
CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ CHỐNG THẤM NỀN CÔNG TRÌNH THỦY LỢI 1. Chân khay chống thấm Trước đây ở nước ta chủ yếu là xây dựng đập đất, nên biện pháp chống thấm nền bằng chân khay chống thấm cũng có sớm và phát triển. Đối với nền bồi tích có chiều sâu H < 10m, biện pháp xử lý thông dụng nhưng xử lý được triệt để và có hiệu quả nhất, cũng là đơn giản nhất là xây dựng chân khay. Chân khay chống thấm thường được làm bằng vật liệu thấm ít (đất sét), phải được cắm sâu vào tầng không thấm (nền đá hoặc đất thấm nước ít).
Tùy theo nền là đá hay đất và chất lượng nền mà có thiết kế kích thước chân khay hợp lý và phải có biện pháp chống xói ngầm 8 cho chân khay dưới tác dụng của dòng thấm dưới nền và trong chân khay. Ví dụ công trình đã chọn xử lý nền bằng chân khay chống thấm: đập Ngải Sơn (Đồng Mô), đập Phú Ninh (Quảng Nam), đập Gò Miếu (Thái Nguyên),.
