Sự cố biến dạng nền đất

Tóm tắt: Đất là môi trường rời rạc, phân tán và có tính rỗng lớn, do đó khi chịu tác dụng của tải trọng công trình và trọng lượng bản thân của đất, đất nền sẽ biến dạng. Do thể tích lỗ rỗng giảm đi khi nước và không khí thoát ra ngoài, các hạt rắn sắp xếp lại ở trạng thái chặt hơn làm cho mặt nền hạ thấp xuống gọi là hiện tượng biến dạng của nền đất.

1. Đặt vấn đề

Một trong những nhiệm vụ chủ yếu của người làm trong công tác xây dựng là phải đảm bảo điều kiện ổn định và độ bền của công trình với các hao phí vật liệu, biện pháp an toàn và sức lao động ít nhất. Cho nên việc nghiên cứu chất lượng nền đất, hay nói cách khác là vấn đề phức tạp và rất quan trọng, có ý nghĩa về lý thuyết và thực tiễn lớn trong việc thiết kế nền móng công trình.

2. Sự cố biến dạng nền

2.1. Lún không đều của nền đất yếu

a) Đặc trưng biến dạng của nền đất yếu

Vấn đề biến dạng của nền đất yếu chủ yếu phản ánh ở ba mặt sau:

- Lún nhiều mà không đều: Thống kê rất nhiều tư liệu quan trắc lún của vùng đất yếu cho thấy, công trình kết cấu hỗn hợp của tường gạch chịu lực, nếu số tầng biểu thị độ lớn chịu tải của nền độ lún của nhà 3 tầng là 15-20cm, 4 tầng thay đổi tương đối lớn thường là 20-25cm, 5,6 tầng độ lớn vượt qua 70cm. Độ lún lớn khiến cho cốt nền trong nhà thấp hơn cốt ngoài nhà làm cho nước mưa chảy vào, đường ống bị đứt gãy, nước thải không thoát ra được bên ngoài. Lún không đều của nền đất yếu là nguyên nhân chủ yếu của sự cố công trình gây nên phá hoại nứt hoặc nghiêng công trình kiến trúc. Có rất nhiều nhân tố ảnh hưởng đến lún không đều, như tính không đồng đều của đất, tải trọng của kết cấu bên trên chênh nhau, hình dạng của công trình phức tạp, ảnh hưởng của công trình bên cạnh, sự thay đổi của mực nước ngầm và hố đào xung quanh công trình.

- Tốc độ lún lớn: Tốc độ lún của công trình là một tiêu chí quan trọng đánh giá mức độ và tình trạng phát triển biến dạng của nền. Tốc độ lún của nền đất yếu là tương đối lớn nhất khi ngừng gia tải. Tốc đ0ộ lún cũng khác nhau theo sự thay đổi của diện tích mặt bằng móng và tính chất của tải trọng. Thông thường, khi hoạt tải công trình dân dụng và công nghiệp tương đối nhỏ, tốc độ lún khi hoàn công khoảng 0,5-1,5mm/ngày; công trình công nghiệp có hoạt tải tương đối lớn, tốc độ lún lớn nhất có thể đạt 45,3 mm/ngày. Theo thời gian tốc độ lún giảm dần, nhưng trong khoảng thời gian nửa năm đến một năm sau khi hoàn công là thời kỳ công trình có độ lún phát triển khác nhau nhiều nhất, cũng là thời kỳ công trình xuất hiện nứt dễ nhất. Trong trường hợp bình thường, nếu tốc độ lún giảm đến dưới 0.05mm/ngày, sự chênh lệch lún thường không tăng nữa. Nếu tải trọng tác động trên nền quá lớn cũng có thể xuất hiện lún đều. Lún đều với thời gian dài có thể dẫn đến nguy cơ mất ổn định của nền.

- Thời gian ổn định lún tương đối dài, lún của công trình chủ yếu là do sau khi đất nền chịu tải trọng, áp lực khe rỗng dần dần mất, ứng suất hữu hiệu không ngừng tăng lên dẫn đến tác động của cốt kết đất nền. Do đất yếu có độ thấm thấp, nước khe rỗng khó thoát ra, nên thời gian ổn định lún của công trình tương đối dài. Có một số công trình sau khi xây dựng xong vài năm, thậm chí vài chục năm lún vẫn chưa hoàn toàn ổn định.

b) Hậu quả gây ra đối với kết cấu bên trên do lún không đều

- Tường bị nứt;

- Cốt gạch nứt gãy;

- Cột bê tông cốt thép nghiêng lệch hoặc nứt gãy;

- Công trình xây dựng cao tầng bị nghiêng.

2.2. Biến dạng của nền hoàng thổ có tính lún ướt

a) Đặc tính biến dạng của nền hoàng thổ có tính lún ướt

Nền hoàng thổ có tính lún ướt, biến dạng nén bình thường của nó thường sinh ra sau khi có tải, ổn định dần dần theo thời gian. Với rất nhiều nền hoàng thổ có tính lún ướt (trừ hoàng thổ mới tích tụ và hoàng thổ bão hòa), biến dạng nén lún phần lớn đã xong trong thời gian thi công, 3-6 tháng sau khi hoàn công đã cơ bản ổn định, mà tổng biến dạng thường không vượt quá 5-10cm. Tính chất của biến dạng lún ướt hoàn toàn khác với biến dạng nén lún.

- Đặc điểm của biến dạng lún ướt: Biến dạng lún ướt chỉ xuất hiện ở bộ phận có nước, đặc điểm của nó là biến dạng lớn, thông thường vượt quá biến dạng nén lún mấy lần, thậm chí mấy chục lần; phát triển nhanh, ngập nước sau 1-3h bắt đầu lún. Đối với sự cố thông thường, nói chung 1-2 ngày có thể biến dạng tới 20-30cm. Lún ướt lớn, có tốc độ nhanh mà không đều sẽ làm cho công trình biến dạng nghiêm trọng thậm chí bị phá hoại.

- Sự xuất hiện lún ướt hoàn toàn quyết định ở cơ hội ngập nước. Có công trình trong thời gian thi công xảy ra sự cố lún ướt, có công trình trong mấy năm, thậm chí mấy chục năm sử dụng bình thường mới xuất hiện sự cố lún ướt.

- Đặc trưng biến dạng lún ướt tải trọng ngoài: Biến dạng lún ướt có thể chia thành biến dạng lún ướt tải trọng ngoài và biến dạng lún ướt trọng lượng bản thân. Biến dạng lún ướt tải trọng ngoài là do tải trọng của móng (hoặc gọi là áp lực phụ thêm đáy móng) gây nên; biến dạng lún ướt trọng lượng bản thân sinh ra là do tác động của áp lực trọng lượng bản thân trong lớp đất bão hòa. Phạm vi sinh ra và sự phát triển của hai loại biến dạng không như nhau.

Lún ướt tải trọng ngoài khi xuất hiện trong lớp đất ở phạm vi độ sâu nhất định dưới đáy móng, độ sâu này gọi là độ sâu ảnh hưởng lún ướt tải trọng ngoài. Nó thường nhỏ hơn chiều sâu lớp nén lún của nền. Cho dù là nền hoàng thổ lún ướt trọng lượng bản thân, hay nền hoàng thổ lún ướt không phải trọng lượng bản thân đều như vậy. Thí nghiệm cho thấy rằng, chiều sâu ảnh hưởng của lún ướt tải trọng ngoài có liên quan với kích thước của móng, độ lớn của áp lực và loại lún ướt. Đối với móng hình vuông, khi áp lực ngập nước là 200kPa, chiều sâu ảnh hưởng lún ướt tải trọng ngoài của nền hoàng thổ lún ướt không phải trọng lượng bản thân khoảng 1-2,4 lần chiều rộng của móng. Đối với nền hoàng thổ lún ướt trọng lượng bản thân khoảng 2,0-2,5 lần, nếu áp lực tăng đến 300kPa, chiều sâu ảnh hưởng có thể đạt tới 3,5 lần chiều rộng móng.

Một trong những đặc điểm của lún ướt tải trọng ngoài tốc độ phát triển nhanh, ngập nước 1-3h đã lún rõ rệt, độ lún mỗi giờ có thể đạt tới 1-3cm; đặc điểm thứ hai là lún ướt ổn định nhanh, ngập nước 24h có thể hoàn thành 30-70% giá trị độ lún cuối cùng, ngập nước 3 ngày có thể hoàn thành 50-90%, đạt tới ổn định toàn bộ biến dạng lún ướt cần khoảng 15-30 ngày.

- Đặc trưng biến dạng lún ướt với trọng lượng bản thân: Biến dạng lún ướt với trọng lượng bản thân xảy ra dưới tác động của áp lực trọng lượng bản thân bão hòa. Lún ướt trực tiếp sinh ra ở lớp đất dưới đáy móng là lún ướt tải trọng bên ngoài, nó chỉ có liên quan với áp lực phụ thêm. Lún ướt sinh ra ở phía dưới chiều sâu ảnh hưởng của lún ướt tải trọng bên ngoài là lún ướt trọng lượng bản thân, nó chỉ có liên quan với độ lớn áp lực trọng lượng bản thân bão hòa.

Sự hình thành và phát triển của biến dạng nén lún trọng lượng bản thân chậm hơn so với nén lún tải trọng ngoài, thời gian để ổn định tương đối dài, thường khoảng ba tháng thậm chí trên nửa năm mới hoàn thành ổn định. Sự hình thành và phát triển của biến dạng nén lún trọng lượng bản thân có những điều kiện nhất định. Sự khác nhau tương đối lớn ở những vùng khác nhau, lún ướt bằng trọng lượng bản thân mới được phát triển đầy đủ, còn diện tích ngập nước tương đối nhỏ, lún ướt bằng trọng lượng bản thân rất không đầy đủ, thậm chí hoàn toàn không sinh ra lún ướt. Sự khác nhau này dùng tính nhạy cảm lún ướt bằng trọng lượng bản thân để diễn đạt. Loại trước gọi là lún ướt bằng trọng lượng bản thân không nhạy cảm, phạm vi xử lý nền cần sâu, để loại bỏ toàn bộ tính lún ướt bằng trọng lượng bản thân các lớp đất là tốt nhất. Nếu loại bỏ toàn bộ các lớp đất có khó khăn, thì phải dùng biện pháp loại bỏ một phần tính lún ướt của lớp đất, đồng thời kết hợp biện pháp ngăn nước chặt chẽ để xử lý. Đối với hiện trường lún ướt bằng trọng lượng bản thân không nhạy cảm cũng giống như nền hoàng thổ lún ướt không bằng trọng lượng bản thân, chỉ xử lý lớp đất trong phạm vi lớp nén lún.

b) Hiệu ứng sinh ra của biến dạng lún ướt đối với kết cấu bên trên

- Móng và kết cấu bên trên nứt: Nền hoàng thổ lún ướt khiến cho nhà chìm xuống nhiều, vết nứt của khối tường lớn, đồng thời phát triển nhanh.

- Nghiêng: Biến dạng lún ướt chỉ xảy ra ở bộ phận ngập nước, còn bộ phận không bị ngập nước về cơ bản không xảy ra, từ đó hình thành độ lệch lún, do vậy nhà và công trình có độ cứng tổng thể tương đối lớn, như ống khói, tháp nước dễ bị nghiêng.

- Đứt gãy: Nếu nền nhiều nơi lún ướt, móng thường sinh ra biến dạng uốn tương đối lớn, làm cho móng của nhà và đường ống bị đứt gãy. Nếu các ống chính cấp thoát nước đứt gãy, còn gây nguy hiểm lớn hơn đối với công trình xung quanh.

2.3. Trương nổ hoặc co ngót của nền đất

a) Đặc trưng biến dạng tính co giãn của nền đất trương nở

- Tính không đồng đều của biến dạng co giãn: Theo sự thay đổi của khí hậu các mùa, lặp đi lặp lại mất nước hút nước, sẽ làm cho nền đất trương nở biến dạng không đều, mà thời gian dài không thể ổn định được.

- Đặc trưng biến dạng của đất mái dốc: Quan trắc thực địa hiện trường cho thấy, mái dốc không chỉ có biến dạng lên xuống, mà còn có chuyển vị ngang, mức độ biến dạng lên xuống và lượng chuyển vị ngang đều lấy điểm trên mật dốc là lớn nhất, nó giảm dần theo sự tăng lên của khoảng cách đến mặt dốc.

Kết quả quan trắc trên cho thấy, vấn đề nền đất trương nở ở khu vực mái dốc phức tạp hơn nhiều so với vùng bằng phẳng. Khi xây dựng trên mái dốc, làm phẳng mặt bằng cần đào cần đắp, độ ẩm của đất cũng khác nhau, do đó khiến cho biến dạng trương nở co ngót của đất không đều. Sau khi cắt dốc tạo phẳng, mép trước của bãi đất là một bậc dốc hoặc mái đất, lúc này mặt đất khô nhanh, vừa ở vai dốc, vừa ở mặt dốc ra ngoài, mức độ thay đổi của độ ẩm lớn hơn 1-2 lần ở mặt dốc, làm tăng biến dạng của nhà giáp mặt dốc. Ngoài ra, trong quá trình làm phẳng mái dốc, ứng suất bên trong phân bố lại, ở vai dốc hình thành dải lực căng, chân dốc hình thành vùng ứng suất cắt lớn nhất, thêm vào đó do tác động của lực trương nở hướng ngang gây nên, biến dạng của dốc phát triển ra phía ngoài, hình thành chuyển vị ngang tương đối lớn, thậm chí biến thành dòng chuyển động.

b) Hiệu ứng của biến dạng co giãn đối với kết cấu bên trên

- Phá hoại nứt công trình nói chung có đặc tính xuất hiện thành nhóm vùng. Phần lớn xây dựng sau ba năm, năm năm, thậm chí sau một hai chục năm mới xuất hiện vết nứt, cũng có một số nhỏ đã nứt trong thời gian thi công. Chủ yếu là chịu ảnh hưởng của các nhân tố tổng hợp như độ ẩm của đất nền, địa hình địa mạo của hiện trường, điều kiện địa chất công trình và thủy văn, khí hậu, thi công, thậm chí cây cối.

- Gặp nước trương nở, mất nước co ngót làm cho khối tường bị nứt: Vết nứt làm cho khối tường có dạng chữ ngược, chữ xuôi, hình chữ “X” còn có nút ngang và nút xiên cục bộ. Do xuất hiện co giãn lặp đi lặp lại, khối tường có thể bị dồn ép vỡ hoặc lệch vị trí.

- Nhà bị phá hoại nứt trong điều kiện địa chất như nhau: Loại phá hoại này phần lớn là một tầng, hai tầng, nhà ba tầng tương đối ít, tương đối nhẹ. Nhà một tầng, đặc biệt là nứt phá hoại của nhà một tầng dân dụng là phổ biến nhất, tỷ lệ hư hỏng chiếm 85% tổng số công trình một tầng; tỷ lệ hư hỏng khoảng 5-10%. Do hình thức của móng khác nhau, nứt của nhà cũng khác nhau, hư hỏng của móng bằng nhiều hơn hư hỏng của móng độc lập.

Nhà kết cấu khung, dàn, mức độ và tỷ lệ hư hỏng nứt biến dạng đều thấp hơn kết cấu gạch bê tông. Nhà có dạng hình khối phức tạp, do mặt tiếp xúc không khí lớn dễ hút nước, mất nước, chịu ảnh hưởng của khí hậu lớn, phá hoại nứt biến dạng nghiêm trọng hơn so với loại có dạng đơn giản. Nhà ở chỗ có vết nứt của đất đi qua, nhất định sẽ bị nứt.

- Hư hỏng ở chỗ tiếp giáp tường trong và ngoài;

- Nền trong nhà nứt, đặc biệt là nền của nhà không có mái hoặc kiểu hành lang ngoài dễ xuất hiện vết nứt dọc.

- Dựa vào mức độ phá hoại nứt biến dạng của công trình trên nền đất trương nở và mức độ biến dạng lớn nhất, mức độ phá hoại nứt biến dạng của công trình có thể chia thành bốn cấp. (Bảng 1)

(Bảng 1: Phân loại mức phá hoại biến dạng của công trình)

3. Kết luận

Xây dựng công trình gây ra sự thay đổi trạng thái ứng suất - biến dạng tự nhiên của khối đất, vì đó dẫn đến xuất hiện trường biến dạng tắt dần trong khối đất xung quanh móng công trình, quá trình đó diễn ra liên tục không dứt.

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cường độ biến dạng khối đất và mặt đất, trong số đó có đặc điểm công nghệ xây dựng và điều kiện địa chất công trình.

Biến dạng lún mặt đất khi thi công xây dựng công trình gây ra ảnh hưởng có hại đối với điều kiện bề mặt, mà kéo theo nó là sự hư hỏng có thể của các ngôi nhà và công trình phân bố gần kề. Mức độ hư hỏng của các ngôi nhà và công trình phụ thuộc cơ bản vào tình trạng kết cấu của chính bản thân các ngôi nhà và giá trị của các thông số của vùng biến dạng mặt đất. Sự cố biến dạng nền ảnh hưởng trực tiếp tới công trình như: Gây nguy hiểm cho công trình, thậm chí có thể dẫn tới phá hủy công trình; làm giảm tuổi thọ công trình; gây tâm lý bất ổn của người sử dụng; làm mỹ quan của công trình; mất thời gian, tiền của để xử lý.