Bài giảng Địa chất công trình - Chương 7: Các hiện tượng địa chất hiện đại liên quan đến xây dựng công trình

Nội dung text: Bài giảng Địa chất công trình - Chương 7: Các hiện tượng địa chất hiện đại liên quan đến xây dựng công trình

1. CHƯƠNG 7 CÁC HIỆN TƯỢNG ĐỊA CHẤT HIỆN ĐẠI LIÊN QUAN ĐẾN XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH Hiện tượng địa chất tự nhiên Hiện tượng địa chất cơng trình 7.1. HIỆN TƯỢNG ĐỘNG ĐẤT 7.1.1. Khái niệm - Động đất do đất sụt - Động đất do núi lửa - Động đất do các chuyển động kiến tạo là loại động đất rất phổ biến, cĩ cường độ mạnh và phạm vi ảnh hưởng lớn nhất.
2. Trung tâm Vật lý địa cầu thuộc Viện khoa học Việt Nam tiến hành thì những vùng cĩ khả năng xảy ra động đất mạnh bao gồm: 1. Vùng đơng bắc trũng Hà Nội: cấp 7 2. Vùng sơng Hồng, sơng Chảy cấp 7 - 8 3. Vùng sơng Đà cấp 8 4. Vùng sơng Mã cấp 8 - 9 5. Vùng biển Trung Bộ cấp 7 6. Vùng biển Nam Bộ và vùng sơng Đồng Nai, sơng Cửu Long cấp 7
3. Sơ đồ thành hệ kiến trúc thời đoạn Đệ Tứ giữa– muộn (QII – QIV)
4. Sơ đồ mơ hình địa động lực biển Đơng
5. 2 Cấp Mơ tả tình trạng động đất Thang độ Richter amax (cm/s ) v (cm/s) I -Khơng cảm nhận được Từ 1 đến 3 độ Richter II -Cảm thấy rất nhẹ III -Động đất yếu IV Động đất nhận rõ: bàn ghế, đồ đạc trong nhà rung chuyển V -Thức tỉnh: mọi người trong nhà đều nhận 12-25 thấy, người ngủ bị thức giấc, đồ vật bị rung mạnh (v=1-2) VI -Kinh hãi: nhiều người đang ở trong nhà tỏ ra sợ hãi và chạy ra đường Từ 3 đến 3,75 độ 25-50 Richter (v=2,1-4) VII -Hỏng nhà: nhiều nhà bị hư hại, đơi khi trượt đất ở sườn dốc, cĩ vết Từ 3,75 đến 5,9 50-100 nứt ở đường đi độ Richter (v=3,1-8) VIII -Nhà bị hư hại nặng Từ 5,9 đến 6,5 100-200 độ Richter (v=8,1-16) IX -Hư hỏng hồn tồn nhà cửa, đường sắt bị uốn cong, nền đất nứt rộng 200-400 đến 10 cm (v=16,1-32) X -Phá hoại hồn tồn nhà cửa, nền đất bị nứt đến vài dm, cĩ thể trượt Từ 6,5đến 7,75 400-800 đất lớn ở bờ sơng độ Richter (v=32,1-64) XI -Thảm hoạ: hư hại nặng cả những nhà kiên cố, đường, đê. Nền đất bị biến dạng to thành vết nứt rộng, đứt gãy . XII -Thay đổi địa hình: hư hại nặng và phá huỷ thực sự mọi cơng trình Từ 7,75 đến 8,25 trên và dưới mặt đất độ Richter -Đất nứt lớn, bị di động đứng và ngang, núi sơng sụt lở, xuất hiện hồ, thác,
6. Ảnh hưởng của gia tốc động đất lên ổn định của đất nền Gia tốc địa chấn a là một đặc trưng cho lực động đất. Đĩ là lượng dịch chuyển của bề mặt Trái đất trong một đơn vị thời gian. Lượng dịch chuyển này đặc trưng cho gia tốc mà các hạt đất đá ở mặt đất đạt được dưới tác dụng của sĩng địa chấn. Cĩ thể biểu thị gia tốc địa chấn a qua biên độ dao động A của sĩng địa chấn và chu kỳ dao động T của chúng: 4 2 a A T 2 Trong việc đánh giá các hệ số kỹ thuật của tải trọng do động đất hiện nay, chúng ta thường sử dụng hai phương pháp cơ bản. Phương pháp thứ nhất căn cứ vào độ lớn và khoảng cách từ chấn tâm để đánh giá khả năng hố lỏng của đất nền. Tuy nhiên, đa số các trường hợp, cường độ động đất tại một vị trí nào đĩ được mơ tả bằng gia tốc lớn nhất và độ kéo dài của các chấn động.
7. Hậu quả thảm khốc của hố lỏng do động đất của đất bụi và cát là hiện tượng được ghi nhận từ rất nhiều trận động đất. Việc đánh giá dạng mất ổn định này của đất là một trong những vấn đề quan trọng hàng đầu khi thiết kế cơng trình trong vùng động đất. Cơ sở của nĩ chính là xác định thế năng hố lỏng của đất ở độ sâu khác nhau bằng quan hệ ứng suất động trung bình (av) với giá trị giới hạn bị hĩa lỏng của loại đất đĩ trong số chu kỳ tác động định sẵn (N). Hệ số ổn định đặc trưng như sau:  av Điều kiện cĩ thể xảy ra sự hố lỏng của đất là FL FL  ≥1. Giá trị N xác định bằng thực nghiệm từ các N thí nghiệm động ứng suất Phương pháp đánh giá thế năng hĩa lỏng theo H.B. Seed 1. Biểu đồ ứng suất động từ N chu kỳ tác dụng động đất vùng hoá lỏng hoá vùng 2. Biểu đồ ứng suất động gây hố lỏng trong N chu kỳ độ sâu độ bằng thí nghiệm trong phịng 2 1
8. Sức chống cắt khơng thốt nước thu được với tốc độ biến dạng được giữ 0.5%/s hoặc thấp hơn thì ta xác định được sức chịu tải của đất nền trong điều kiện tải trọng tĩnh: cu = cu(tĩnh) Độ ẩm 33.5 0.2 %) Theo đề nghị của Carroll cho hầu hết các loại đất sét bão hồ nước c u (dyn .) 1,5 cu Biến dạng cắt, (%)
9. Whitman và Healy (1963) đã làm một số thí nghiệm hút chân khơng cho các loại cát khơ.   3 H ệ số r ỗng 0.52 ar sin 1 ) 2   1 3 (lb/ in Vùng tập trung 3  Rõ ràng khi tăng tốc độ - ) f biến dạng ban đầu thì 1(  tương ứng với sự giảm gĩc ma sát trong của đất. Theo Vesic (1973) thì gĩc ma sát trong động nhỏ nhất: Sức bền nén, nén, bền Sức (động) = (tĩnh) - 20 Tốc độ biến dạng, (%/ s)
10. Thời gian Ứng suất ) 2 Biến dạng đặt tải tĩnh, phá hoại Ứng suất phá hoại t =465s ứng với tL =0.02s Ứng suất Biến dạng (%) Biến Ứng suất k g/suất cm Ứng Tải tức thời, Biến dạng (%) Biến tL =0.02s Thời gian (s) Ứng suất (kg/ cm2) Ứng xử của đất sét khi chịu tải động tức thời (Casagrande và Shannon đã thí nghiệm cho đất sét Cambridge và cát ở Manchester ) Modun biến dạng E được xác định theo thí nghiệm nén nở hơng thì modun biến dạng do tải tức thời q u(tảixung ) 1.5  2 lớn gấp 2 lần so với modun biến dạng với tải tĩnh: Eu(tải tức thời) = 2 Eu(tải tĩnh) q u(tĩnh )
11. - Khu vực ven biển ở các tỉnh phía Nam cĩ khả năng xảy ra động đất cấp 7 và lớn hơn. - Do đất nền cấu tạo bởi các lớp trầm tích mềm rời và mực nước ngầm gần mặt đất nên khi cĩ động đất thì cấp độ động đất cĩ thể cao hơn. Gia tốc ngang đỉnh do động đất của khu vực cĩ khả năng đạt đến giá trị a=0,25g. - Trầm tích mềm rời cĩ khả năng chịu tải trọng động đất thấp hơn nhưng gia tốc chấn động lan truyền cũng nhỏ hơn. Nếu động đất xảy ra với khoảng cách gần thì nguy cơ phá hoại cơng trình trên nền trầm tích bời rời rất cao. - Trong tính tốn nền mĩng cĩ xét đến ảnh hưởng của động đất thì giá trị gia tốc động đất thường được sử dụng và là thơng số cần thiết cho việc tính tốn.
12. 1. Tốc độ lan truyền gia tốc động đất trong trầm tích mềm rời ở khu vực ven biển của các tỉnh phía Nam và thành phố Hồ Chí Minh nhỏ nhưng khả năng chịu tải trọng động đất thấp, đặc biệt trong điều kiện mực nước ngầm rất gần với mặt đất. 2. Khả năng động đất từ các đứt gãy kiến tạo ven bờ biển phía Nam là khá cao và cĩ khả năng tác động mạnh lên các cơng trình trên đất yếu và các trầm tích bở rời ven biển. 3. Khi chịu tải trọng động đất, chuyển vị đứng (độ lún) của cọc khơng đáng kể, tuy nhiên chuyển vị ngang ở đầu cọc cĩ giá trị đáng kể. Dao động ngang ở đầu cọc trong thời gian xảy ra động đất cĩ giá trị cực đại và cĩ thể gây ra phá hoại các cấu kiện bên trên và làm hư hỏng cơng trình. 4. Chuyển vị của đất nền gần mặt đất cĩ giá trị lớn nhất khi chịu tác dụng động đất.
13. 7.2. TÁC DỤNG PHONG HĨA Hiện tượng đất đá bị vỡ vụn, biến đổi thành phần trong khí quyển dưới tác dụng của việc dao động nhiệt độ, nước, các chất hịa tan, gọi là hiện tượng phong hĩa. 7.2.1.Các kiểu phong hĩa Phong hĩa vật lý Phong hĩa sinh hĩa 7.2.2.Phân đới thẳng đứng vỏ phong hĩa Vỏ phong hĩa cĩ thể chia thành 4 đới phong hĩa 1. Đới vụn bột, hoặc đới hạt mịn 2. Đới vụn nhỏ hoặc đới hạt 3. Đới dạng tảng 4. Đới nguyên khối Các đá mẹ là các đá axit thì các đới phong hĩa thay đổi dần dần, cịn các đá mẹ là các đá bazơ thì khơng thấy chuyển biến dần dần như vậy mà cĩ sự thay đổi đột ngột từ đá mẹ cứng chắc sang vỏ phong hĩa tươi xốp ngay.
14. Ở các vùng nĩng ẩm như nước ta thường xảy ra quá trình laterite hĩa. Quá trình laterite hĩa thường xảy ra ở nơi cĩ địa hình dốc thoải, khí hậu nĩng ẩm, hai mùa mưa, khơ kế tiếp. Mùa mưa nước thấm qua các khe, phá hủy hịa tan các alumosilicat tạo nên mơi trường kiềm, các nguyên tố Na, K, Mg, Ca bị rửa trơi. Mùa khơ, do mao dẫn và bốc hơi bề mặt, các hydroxyt sắt, nhơm ở dưới theo nước đi lên rồi bốc hơi trở thành ơxit tích tụ và keo kết. Tầng tàn tích cĩ hàm lượng ơxit sắt và nhơm tăng lên tạo thành laterite cĩ màu vàng, đỏ nâu đặc trưng.
15. 7.3. HIỆN TƯỢNG ĐẤT CHẢY (HAY CÁT CHẢY) Khi các hố mĩng và các cơng trình bĩc lộ ra, cát hạt mịn, hạt nhỏ, cát chứa bụi và nhiều bụi chứa nước sẽ tự chảy – hiện tượng cát chảy. 7.3.1. Các loại đất chảy Cát chảy xảy ra do áp lực thủy động. ith = sub/ w Trong đĩ: ith – là trị số gradient áp lực nước tới hạn Để phân tố đất khơng bị cát chảy: dh  i   w w dl sub
16. CÁT CHẢY
17. Cát làm thí nghiệm cĩ e = 3 0,68. s = 2.66 g/cm . H Chiều dày lớp cát trong bình L = 0,4m . Bề dày lớp nước h trên bề mặt lớp cát h = 0,2m. Hỏi khi cát trong bình sơi lên L và bắt đầu chảy thì độ chênh cột nước H là bao nhiêu (Giá trị H khi bắt đầu xảy ra cát chảy)?
18. H M R hố mĩng hình chữ nhật: a= 9m, b=11m đào trong tầng chứa nước cĩ áp với chiều cao mực áp lực H=7m như hình vẽ. Các đặc trưng cơ lý của lớp cát chứa nước cĩ bề dày M=3m: 3 hệ số rỗng e=0,755; khối lượng riêng hạt s=2,661g/cm ; hệ số thấm K=5m/ngày đêm. Bán kính ảnh hưởng khi bơm hút R=14,2m.
19. h R hố mĩng hình chữ nhật: a= 8,5m; b=10m đào trong tầng chứa nước khơng áp cĩ bề dày h=5,5m. Thành hố mĩng được giữ ổn định thẳng đứng. Các đặc trưng cơ lý của lớp 3 đất: khối lượng thể tích bão hịa sat=1,837g/cm ; khối 3 lượng thể tích của nước w=1g/cm ; hệ số thấm K=5,2m/ngày đêm. Bán kính ảnh hưởng khi bơm hút R=14m.
20. Tính: Hố mĩng hình chữ nhật tương đương hố khoan bơm nước cĩ bán kính tương đương ro (m); Xác định lưu lượng khi tháo khơ hồn tồn Q (m3/ngày đêm); Giá trị gradient tới hạn ith; Giá trị gradient thực tế itt (xét trong trường hợp an tồn nhất)
21. 7.4. HIỆN TƯỢNG XĨI NGẦM Xĩi ngầm là hiện tượng các hạt đất đá bị lơi cuốn khỏi vị trí ban đầu dưới tác dụng của nước thấm; trong đất đá dần dần hình thành các khe hổng; xĩi ngầm nếu phát triển lớn cĩ thể gây sụt lún mặt đất, hư hỏng cơng trình. 7.4.1. Điều kiện phát sinh, phát triển xĩi ngầm D 1) Về đất đá: 60 20 2) Về nước thấm: D10 ith 1 1 n 0,5n 7.4.2.Biện pháp xử lý xĩi ngầm - Điều tiết dịng thấm: kéo dài đường thấm nhằm giảm nhỏ gradient thấm thực tế, giảm hoặc triệt tiêu hẳn xĩi ngầm như dùng sân phủ, tường cừ, màn chắn, khống chế nước mặt dao động. - Gia cố đất đá - Tạo lớp đất chống xĩi ngầm
22. 7.5. HIỆN TƯỢNG CACSTƠ Cacstơ là hiện tượng nước trên mặt và nước dưới đất hịa tan đất đá tạo nên các khe rãnh, các hang động ngầm. Cơng trình bên trên các hang động cĩ thể bị sụp đổ, mất nước, Dùng nước cacstơ cho các nhu cầu dân dụng, làm nơi chứa nước, dẫn nước, đơi khi cĩ thể sử dụng như là các cơng trình ngầm. 1 2 4 3
23. CACSTƠ
24. CACSTƠ
25. CACSTƠ
26. 7.6. HIỆN TƯỢNG TRƯỢT ĐẤT ĐÁ Trượt đất đá là hiện tượng di chuyển của các khối đất đá (thường là đất loại sét) với các đất đá nằm trên nĩ, theo một mặt trượt nào đĩ ở các sườn dốc. Sự di chuyển đĩ xảy ra với các tốc độ khác nhau, từ vài mm/ngày đêm đến vài m/giờ, rất ít khi hàng chục m/giờ. *Độ ổn định của mái dốc cấu tạo bởi đất rời T N P Đối với mái dốc bằng đất rời:
27. * Độ ổn định của mái dốc cấu tạo bởi đất dính Nếu đất ở mái dốc là đất dính chỉ cĩ lực dính c (cịn = 0) thì mái đến một độ sâu nào đĩ, cĩ thể thẳng đứng, nếu sâu hơn thì mái đất cĩ dạng đường cong. Chiều cao giới hạn hgh mà tới đĩ mái đất cĩ thể giữ được thẳng đứng là nhờ lực dính z 2c h gh  h hgh g h cos  1 2c 2c y ln y  hgh  cos  1 z 2c 2c z y
28. *Độ ổn định của mái dốc cấu tạo bởi đất cĩ lực dính và ma sát: Phương pháp mặt trượt lăng trụ trịn: Hệ số ổn định  được tính theo cơng thức: Ntg cl    T với Ni = Qi.cos ; Ti = Qi.sin
29. Phương pháp N.N.Maslov    tg c c tg  tg  c tg tg     N.N. Maslov đưa ra đề nghị tính tốn sự ổn định của mái dốc khi mái dốc cấu tạo bằng các lớp nằm ngang: ci  , , c 1 1 1 h1 tg i tg i    i .hi h2 2, 2, c2  3, 3, c3 h3 3
30. Phương pháp chia lát Fellenius Chia lát cho một mái dốc HỆ SỐ AN TỒN Các lực tác động lên các lát chia m a) Các lực chống trượt của lát chia ci .ab N.tg i  1 b) Giả thiết Fellenius Fs m T 1
31. Cơng thức được viết lại: m b  ci W.cos .tg i 1 cos Fs m W sin 1 b – là chiều rộng của lát chia; - gĩc tạo từ bán kính với trục đứng, tại điểm giữa của mặt đáy của lớp chia; W – trọng lượng từng lát chia
32. Phương pháp chia lát Bishop Bishop tương tự như phương pháp Fellenius nhưng cĩ xét đến lực tương tác giữa các mặt đứng của lát chia. Với giả thiết Vn – Vn+1 = 0 cho tất cả lát chia, cơng thức Bishop đơn giản hơn và cĩ dạng: m , , 1 W ub tg c b Fs m  , 1 tg sin cos sin ínm Fs
33. 7.6.3. Biện pháp phịng chống trượt a. Các biện pháp đề phịng: Cấm khai đào trên các sườn dốc, chân dốc; Hạn chế xây dựng các cơng trình nặng trên các bờ dốc; Cĩ biện pháp thốt nước tốt để tránh thấm nước làm tăng khối lượng khối trượt và giảm cường độ của đất; Giảm độ dốc của mái b. Các biện pháp chống trượt: h H h h a) bạt m ái dốc b) đóng cọc d) tường chắn c) bệ p hản áp
34. 7.7. HIỆN TƯỢNG XĨI MỊN 7.7.1. Sự xĩi lở và sụp đổ các bờ sơng 7.7.2. Cấu trúc của các thung lũng sơng 7.7.3. Các yếu tố quyết định hoạt động xĩi mịn của sơng Động năng của sơng tỷ lệ thuận với tích số của khối lượng nước m với một nửa bình phương tốc độ v của dịng chảy, tức là: mv 2 P 2
35. XĨI MỊN Các thung lũng sơng là những vùng tập trung chủ yếu cuộc sống và hoạt động của con người và nơi đĩ cĩ nhiều cơng trình hiện cĩ hoặc đang thiết kế. Quá trình xĩi mịn cĩ thể ảnh hưởng đến độ ổ định của các cơng trình. Chúng được biểu hiện ở tác dụng xĩi lở và xĩi trơi (phá hoại) bờ và lịng sơng – do dịng nước sơng gây ra: sự xĩi trơi và phá hoại ở sườn dốc, các khơng gian chia nước – do các dịng nước mưa gây ra.
36. Cấu trúc thung lũng khi sơng chảy qua đất đá cĩ độ chắc khác nhau
37. Các thềm ở thung lũng sơng theo mặt cắt ngang
38. Động năng của sơng tỷ lệ thuận với tích số của khối lượng nước m với một nửa bình phương tốc độ v của dịng chảy, tức là: mv2 P 2 So sánh giá trị động năng P của sơng với trọng lượng G của vật liệu rời do sơng mang chuyển, tức lưu lượng dịng cứng, cĩ thể phán đốn được đặc điểm của cơng do sơng thực hiện trên mặt cắt ngang hoặc trên một đoạn nào đĩ. Nếu P > G thì xĩi mịn chiếm ưu thế; khi P = G thì cĩ sự cân bằng giữa xĩi mịn và tích tụ; khi P < G thì tích tụ chiếm ưu thế. Đối với cùng một con sơng tương quan này thay đổi tùy từng chỗ.
39. Nếu tốc độ hiện cĩ hoặc cĩ thể cĩ lớn hơn tốc độ cho phép đối với đất đá được xét (vth>vcp) thì tác dụng xĩi lở, sụp đổ bờ và lịng sơng là khơng tránh được. Bảng: Tốc độ dịng nước cho phép lớn nhất khơng gây ra hiện tượng rửa xĩi đối với các nhĩm đất đá khác nhau
40. Đất đá Tốc độ, m/s Cứng Granit, bazan, diorit, quartzit, gneiss và các đá khối khác 15 Cát kết bền chắc, đá vơi, đá hoa đặc chắc khơng phân lớp 4-5 Nửa cứng Đá vơi cĩ hang hốc, cát kết chặt sít cĩ phân lớp 3-4 Đá vơi và cát kết lẫn sét, đá macnơ, đá phiến 2-3 Rời, xốp Tảng lăn và đá hộc lớn 4-5 Tảng lăn và đá hộc nhỏ 3-4 Cuội và đá dăm lớn 2-3 Cuội và đá dăm nhỏ 1-1,25 Sỏi sạn 0,6-1 Cát hạt thơ và hạt lớn 0,25-0,6 Cát hạt vừa và hạt nhỏ 0,26-0,35 Cát hạt mịn 0,2 Mềm dính Sét và sét pha cát cứng 1,2 Sét và sét pha cát nửa cứng 0,5 Cát pha sét chặt 0,6-0,8 Cát pha sét kém chặt 0,25-0,35
41. Bảng: Vận tốc đáy cho phép khơng xĩi của đất rời Trị số vận tốc cho phép khơng xĩi V V od .h1/ 6 cp d 1/ 6 Loại đất Cỡ hạt Đường kính V od V (mm) (m/s) od d 1 / 6 Cát nhỏ 0,05 – 0,25 0,2 0,65 vừa 0,25 – 1,0 0,2 0,65 lớn 1,0 – 2,5 0,2 – 0,25 0,65 – 0,70 Sỏi nhỏ 2,5 – 5 0,25 – 0,35 0,70 – 0,85 vừa 5 – 10 0,35 – 0,5 0,85 – 1,1 lớn 10 – 15 0,5 – 0,6 1,1 – 1,2
42. Vận tốc trung bình cho phép khơng xĩi của đất dính Vox Loại đất Trạng thái Khối Chiều sâu nước (m) lượng thể 0,4 1 2 3 tích (T/m3) Sét, sét mềm 1,2 0,35 0,40 0,45 0,50 pha dẻo mềm 1,2 – 1,5 0,70 0,85 0,95 1,10 dẻo cứng 1,65 – 2,05 1,0 1,20 1,40 1,50