Tính toán ổn định vách hào bentonite trong đất ít dính

1
TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH VÁCH HÀO BENTONITE TRONG ĐẤT ÍT DÍNH 
Nguyễn Cảnh Thái 
Lương Thanh Hương 
Tóm tắt: 
Tường hào bentonite thường được sử dụng để xử lý chống thấm cho đập và nền. Khi đào hào 
trong dung dịch bentonite, vấn đề ổn định của vách hào cần đặc biệt được quan tâm. Bài báo 
đề cập đến các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định hào bentonite và phương pháp tính toán ổn định 
vách hào đang được sử dụng hiện nay. Các tác giả đã xây dựng các biểu đồ tra cứu ổn định 
vách hào trong các điều kiện khác nhau. Dựa trên các kết quả nghiên cứu, bài báo đưa ra một 
số khuyến cáo khi đào hào trong dung dịch bentonite để đảm bảo an toàn ổn định trong quá 
trình thi công. 
Keywords: ổn định, tường hào, dung dịch bentonite, chống thấm 
 1. GIỚI THIỆU CHUNG 
Trong những năm qua ở lĩnh vực xây 
dựng các công trình thuỷ đã có nhiều biện 
pháp chống thấm mới được ứng dụng mang 
lại hiệu quả kinh tế cao góp phần nâng cao 
chất lượng công trình đặc biệt là công nghệ 
chống thấm bằng tường hào bentonite. 
Tường hào được xây dựng bằng cách đào 
hào trong dung dịch bentonite. Ngay sau khi 
hào được đào xong, hào được nhanh chóng 
lấp đầy bằng vữa xi măng-bentonite hay hỗn 
hợp đất-bentonite. Để đảm bảo an toàn trong 
quá trình thi công, ổn định vách hào là một 
vấn đề được đặc biệt quan tâm. 
(a) Các hạt lấp vào lỗ rỗng; (b)Dung dịch xâm nhập; 
(c)Hình thành màng không thấm 
Hình 1. Quá trình hình thành màng 
bentonite ở vách hào 
Hình 1 mô tả sơ đồ nguyên lý làm việc 
của quá trình dung dịch bentonite xâm nhập 
vào vách hào. Dung dịch xâm nhập vào lỗ 
rỗng của đất trong vách hào do chênh lệch 
về áp lực giữa dung dịch vữa và nước ngầm. 
Trong quá trình này một số hạt bắt đầu 
chiếm chỗ ở các vị trí lỗ rỗng giữa các hạt 
đất trong vách hào (hình 1a). Quá trình xâm 
nhập tiếp tục dẫn đến có nhiều hạt hơn tích 
lũy trong lỗ rỗng của đất. Cho đến khi các 
hạt nhỏ này lấp đầy các lỗ rỗng của đất tạo 
nên một lớp màng đặc có hệ số thấm nhỏ. 
Màng này sẽ được tiếp tục phủ bởi một 
màng gồm các hạt bentonite gọi là màng 
bentonite (bentonite cake, hình 1c). 
Sự ổn định của các hào được chống đỡ 
bởi: (1) áp lực thủy tĩnh của vữa, (2) sự keo 
hóa của lớp vữa đã thâm nhập vào trong đất 
địa phương, và (3) các hiệu ứng ba chiều. 
Cơ chế quan trọng nhất mà dung dịch 
vữa bentonite chống đỡ vách hào là áp lực 
hông của vữa. Hiệu quả của sự chống đỡ này 
phụ thuộc vào sự hình thành lớp màng có hệ 
số thấm nhỏ ở vách hào để áp lực thủy tĩnh 
do dung dịch bentonite tạo ra có thể truyền 
hoàn toàn lên vách hào. Lớp vữa dính bám 
trên vách hào đồng thời ngăn ngừa sự dịch 
chuyển của các hạt riêng lẻ của đất tại vách 
hào tránh hiện tượng mất ổn định cục bộ. 
Thông thường trong thiết kế, lớp màng 
mỏng bentonite thường được giả thiết là đã 
được hình thành và vách hào sẽ ổn định nếu 
mức dung dịch trong nào được giữ cao hơn 
mực nước ngầm ở khu vực bên cạnh và dung 
trọng của dung dịch đủ lớn để tạo nên áp lực 
giữ cân bằng. 
hạt đất
hạt 
keo 
 Dung dịch Đất 
2
Các phương pháp phân tích ổn định đã 
được đề xuất dựa trên áp lực thủy tĩnh của 
vữa. Piaskowski và Kowalewski (1965) và 
Huder (1972) đã đề xuất các phương pháp 
đẳng ứng suất, trong đó áp lực của vữa phải 
bằng hoặc vượt quá áp lực hông chủ động 
của đất tại mọi điểm trong hào, nhưng 
Duguid và các cộng sự (1971) đã cho thấy 
rằng các phương pháp đẳng ứng suất đánh 
giá thấp sự ổn định tổng thể của hào. Nash 
và Jones (1963) đã phát triển phương pháp 
cân bằng lực, phương pháp này sau đó được 
tổng quát hóa bởi Morgenstern và Amir-
Tahmasseb (1968), để tính toán cho các mức 
khác nhau của vữa trong hào và mực nước 
ngầm trong đất. Morgenstern và Amir-
Tahmasseb cũng chỉ ra sự quan trọng của 
việc sử dụng trọng lượng riêng của vữa trong 
hào hơn là sử dụng trọng lượng riêng của 
vữa tươi. 
Sự dính bám của vữa lên vách hào tạo 
nên một lớp màng mỏng giúp ổn định các 
hạt đất riêng lẻ, nhưng bản thân lớp màng 
mỏng không có đủ cường độ để có thể tạo 
nên ảnh hưởng đáng kể tới sự ổn định tổng 
thể của hào. 
Theo Elson (1968) và Gill (1980), ảnh 
hưởng của sự xâm nhập và đông kết của vữa 
làm tăng cường độ của đất ở vách hào. Mặt 
khác, Muller-Kirchenbauer (1972) chỉ ra 
rằng sự xâm nhập của vữa làm giảm cường 
độ của đất ở vách hào. 
Đối với các hào dài được đào trong 
dung dịch bentonite, hiệu ứng 3 chiều không 
được xét đến như là nhân tố quan trọng; 
trong khi đó, đối với các khoang đào ngắn 
thì hiệu ứng 3 chiều có thể rất quan trọng, ví 
dụ như Piaskowski và Kowalewski (1965); 
Huder (1972); Washbourne (1984); Wong 
(1984); Tsai và Chang (1996); Oblozinski 
và các cộng sự (2001). 
Khi tính toán ổn định cần kiểm tra khả 
năng hình thành lớp màng mỏng, từ đó ứng 
với mỗi trường hợp sẽ xem xét việc tính toán 
ổn định tổng thể hay ổn định cục bộ của 
vách hào. Có thể xảy ra 3 trường hợp như 
sau: 
Trường hợp 1: Hình thành màng 
không thấm hoàn chỉnh tại vách hào, dung 
dịch vữa không thấm qua được, chênh lệch 
giữa áp lực của vữa trong hào và áp lực 
nước ngầm được truyền toàn bộ lên cốt đất. 
Trường hợp 2: Vữa trong hào thấm tự 
do với chiều sâu xâm nhập (không hình 
thành màng) chênh lệch áp lực p cân bằng 
với lực cắt dọc theo hang thấm.Tại nơi miền 
xâm nhập kết thúc, chênh lệch áp lực được 
cân bằng hoàn toàn bởi ứng suất theo 
phương ngang. 
Trường hợp 3: Hình thành màng 
không hoàn chỉnh, chênh lệch áp suất được 
truyền lên vách hào nằm giữa trường hợp 1 và 
trường hợp 2. 
 Trong nội dung bài báo này chúng tôi 
đề cập chủ yếu trường hợp hình thành lớp 
màng mỏng ở vách hào. 
2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH ỔN ĐỊNH 
VÁCH HÀO 
2.1. Hào đào trong đất dính 
Lực duy trì sự ổn định chính của vách 
hào trong quá trình đào hào là lực thủy tĩnh 
được tác dụng lên vách hào. Với tường hào 
được đào trong đất sét đồng chất, phần hào 
đào ra chỉ duy trì vài ngày để đổ và đầm lấp 
vật liệu, hệ số an toàn ổn định là (Nash và 
Jones 1963): 
)(
4
S
u
H
C
F
 

 , (1) 
Trong đó: 
F: hệ số an toàn; 
Cu: lực dính không thoát nước của đất; 
H: Chiều sâu của hào; 
: trọng lượng riêng của đất; 
s: trọng lượng riêng của vữa bentonite. 
2.2. Hào đào trong đất không dính 
Với tường hào được đào trong đất 
không dính bão hòa nước với mực nước 
ngầm và mực vữa trong quá trình đào đều ở 
mặt đất tự nhiên (Nash và Jones 1963): 
'
5,0'
'
)'..(2
s
S tgF

 

 , (2) 
3
Trong đó: 
’: dung trọng đẩy nổi của đất; 
’s dung trọng của dung dịch bentonite. 
Fizl và các cộng sự (2004) dựa trên các 
phương pháp của Nash và Jones (1963); 
Morgenstern và Amir-Tahmasseb (1965) và 
Duguid cùng cộng sự (1971) thiết lập một 
công thức tính ổn định mới có xét đến khả 
năng có áp lực gia tải và hệ số an toàn được 
đánh giá trên cường độ của đất, đó là tg , 
thay cho đánh giá theo trọng lượng riêng của 
vữa. 
Công thức tính ổn định tổng thể vách 
hào do Fliz và các công sự (2004) xây dựng 
đơn giản, có độ chính xác cao tuy nhiên nó 
chỉ áp dụng được cho đất rời hoàn toàn 
(C=0). Trong thực tế hào được thi công ở 
nhiều khu vực có lực dính C 0. Sự hiện 
diện của lực dính C dù nhỏ có ảnh hưởng rất 
lớn đến ổn định của vách hào đặc biệt là khu 
vực gần mặt đất. 
2.3. Hào được đào trong đất ít dính 
Công thức tính ổn định dựa trên 
nguyên lý cân bằng giới hạn có xét đến ảnh 
hưởng của lực dính theo sơ đồ Hình 2. 
Hình 2. Sơ đồ tải trọng và mặt trượt 
- Mặt trượt tạo với phương thẳng đứng 
một góc với 
2
450 , (3) 
Với thường nằm trong phạm vi -5º đến 
5º. 
Các thành phần lực được xác định như 
sau : 
- S - Áp lực thủy tĩnh do dung dịch vữa 
tác động lên vách hào ; 
- W - Áp lực thủy tĩnh do nước ngầm 
tác động lên vách hào ; 
- Trọng lượng phần đất trong khối trượt 
nằm trên đường bão hòa được tính với dung 
trọng tự nhiên : 
G1 = 0,5(H
2tg – m2H2tg ).tn 
- Trọng lượng khối đất trượt nằm dưới 
đường bão hòa tính theo dung trọng đẩy nổi: 
G2 = 0,5m
2H2tg đn 
- Áp lực phân bố trên đỉnh hào : 
 Pz = q.H.tg 
- Tổng các lực theo phương thẳng đứng 
tác dụng lên mặt trượt : V = Pz + G1 + G2 
- Lực dính C trên bề mặt có tác dụng 
chống trượt, trong tính toán bỏ qua sự thay 
đổi của lực ở trên và dưới đường bão hòa: 
 cos
.
H
cC với c - lực dính đơn vị 
- Hệ số an toàn ổn định được xác định 
theo công thức : 
)()
)(
cos
(sin 
 

  
tg
tg
CV
WS
F 
 (4) 
Trong đó, m,n,  kí hiệu trên hình 2. 
3. THIẾT LẬP BẢNG TRA TÍNH ỔN 
ĐỊNH VÁCH HÀO 
Sử dụng phương pháp tính toán ổn định 
vách hào theo công thức (4) các tác giả đã 
tính toán nhiều tổ hợp khác nhau để xây 
dựng các biểu đồ phục vụ công tác tra cứu. 
Các tổ hợp tính toán được đề cập như sau: 
3.1. Các tổ hợp tính toán 
Dung dịch vữa: 
Mực nước 

S 
W 
P2 
P1 
4
- Chiều sâu hào lớn nhất 40m. - Đất đắp có 
dung trọng bão hòa sw =20 
3/kN m , dung 
trọng tự nhiên m =19 
3/kN m . 
Bảng 1. Các tổ hợp tính toán 
 Hs (m) 39, 39.5, 40 
Hw(m) 32, 34, 36, 38 
C (KN/m2) 0, 2, 4 
 (độ) 15, 20, 25, 30 
s (KN/m
3) 10.5, 11, 11.5, 12, 12.5 
3.2. Kết quả tính toán 
Kết quả tính toán được thể hiện theo 
các đồ thị biểu diễn hệ số ổn định vách hào 
ứng với các chiều sâu đào hào khác nhau, 
trong các trường hợp thay đổi cao trình 
bentonite trong hào, mực nước ngầm, lực 
dính C, góc ma sát trong , dung trọng 
bentonite. 
Các đồ thị ĐT 4.1 đến ĐT 4.9 thể hiện 
đường quan hệ giữa hệ số an toàn ổn định 
(trục x) và chiều sâu đào hào (trục y) khi 
bentonite dưới đỉnh hào 1m, nước ngầm 
dưới đỉnh hào 4m. 
Đồ thị ĐT 4.10 biểu diễn sự thay đổi hệ 
số an toàn theo chiều sâu đào hào khi cao 
trình dung dịch bentonite trong hào thay đổi. 
Đồ thị ĐT 4.11 biểu diễn sự thay đổi hệ 
số an toàn theo chiều sâu đào hào khi cao 
trình mực nước ngầm thay đổi. 
 Với hào có kích thước đã biết, chiều 
sâu bentonite và mực nước ngầm xác định, 
sẽ tra được hệ số an toàn ổn định K của vách 
hào tương ứng. 
3.3. Kiểm tra bằng phần mềm Geo-Slope 
 Tính toán với hào đào trong dung dịch 
bentonite có dung trọng =10,5 KN/m3, ở 
các chiều sâu khác nhau, đất đào hào có chỉ 
tiêu C=2 KN/m2, =30º. 
Tính toán cho các chiều sâu hào khác nhau 
H=5m, H=10m, H=20m. 
Kết quả tính toán so sánh từ biểu đồ đã lập 
và kết quả từ phần mềm Geo-Slope: 
Kết quả tính toán với phương pháp 
Mogenstern –Price với mặt trượt tối ưu trong 
phần mềm Geo Slope và tra biểu đồ Hình 
4.6 được thể hiện trong bảng 2. 
Mặt trượt trụ tròn Mặt trượt tối ưu 
Hình 3. Hệ số an toàn ổn định của các dạng mặt 
trượt 
Kết quả trong bảng 2 cho thấy: tất cả các 
trường hợp đều cho kết quả với sai số nhỏ. 
Bảng 2. So sánh hệ số an toàn ổn định 
Chiều 
sâu hào 
Hệ số an toàn F Sai số 
Biểu đồ Geo 
H=5m 1,2 1,195 0,4% 
H=10m 1,03 1,028 0,1% 
H=20m 0,75 0,746 0,5% 
Về hình dạng mặt trượt, mặt trượt tính theo 
phương pháp Mogenstern –Price có dạng 
cong hệ số an toàn ổn định K=1,091, khi tính 
toán tối ưu hóa mặt trượt, mặt trượt có dạng 
thẳng hệ số an toàn ổn định K=1,028. Góc 
nghiêng của mặt trượt so với phương đứng: 
 =33º (hình 3). 
So sánh với kết quả tính toán từ biểu đồ, với 
hào sâu 10m có các chỉ tiêu cơ lý đất đào 
như đang xét, biểu đồ hình 4.6 cho hệ số an 
toàn ổn định F=1,02. Mặt trượt trong đất ít 
dính được xác định theo công thức (4) với 
 =30º có góc nghiêng so với phương đứng 
 =31º 
Như vậy kết quả tính toán từ biểu đồ lập sẵn 
K=1,091 K=1,028 
5
và kiểm chứng từ phần mềm Geo-Slope với 
mặt cắt đang xét là phù hợp. 
4. KẾT LUẬN 
 Trên cơ sở nghiên cứu tính toán có thể 
rút ra một số kết luận sau: 
- Cao độ của bề mặt vữa và mực nước 
ngầm có ảnh hưởng lớn đến sự ổn định. 
Hình ĐT 4.11 biểu diễn các giá trị ổn định 
của tường hào ứng với các mực nước ngầm 
khác nhau. Có thể thấy trên đồ thị 4.11 rằng, 
trong trường hợp mặt vữa ngang với đỉnh 
hào, mực nước ngầm càng cao thì hệ số an 
toàn càng giảm. Tại chiều sâu hào 15m khi 
mực nước ngầm chỉ tăng 2m (từ 36m lên 
38m) vách hào từ ổn định sẽ bị mất ổn định. 
- Đồ thị 4.10 thể hiện ảnh hưởng mực 
dung dịch bentonite đến ổn định vách hào. 
Tại chiều sâu hào 20m khi mực dung dịch hạ 
xuống 1 m vách hào sẽ bị mất ổn định. 
- Trong việc đánh giá rủi ro mất ổn 
định của đỉnh hào, điều đáng lưu ý là lượng 
nhỏ của lực dính, áp suất mao dẫn, hoặc rễ 
cây thực vật có thể làm tăng sự ổn định của 
nêm phá hoại nông và như thế hậu quả của 
phá hoại nông có thể không nghiêm trọng 
bằng hậu quả của sự sụp đổ của toàn bộ hào. 
Tuy nhiên, đồ thị 4.10 cho thấy cần phải lưu 
ý tới khả năng của cả hai dạng mặt phá hoại 
nông và sâu. 
- Áp lực gia tải cũng có thể gây ảnh hưởng 
có hại lớn tương tự như ảnh hưởng của sự 
sụt giảm mực vữa: Sự ổn định tại đỉnh hào bị 
giảm đáng kể và sự ổn định của toàn bộ hào 
cũng bị giảm đi. 
- Khi đào hào trong nền đất hạt rời (cát thô, 
cuội sỏi) cần đặc biệt lưu ý khả năng mất 
vữa. Khi mực vữa bị hạ thấp sẽ xảy ra khả 
năng mất ổn định như thể hiện trong đồ thị 
4.10. 
 Để nâng cao ổn định vách hào có các 
giải pháp sau: 
- Giữ mực vữa cao nhất có thể trong hào. 
Trong các trường hợp mặt đất dốc hoặc mực 
nước ngầm cao, có thể yêu cầu xây dựng các 
bờ đất dọc theo mép hào. 
- Tăng trọng lượng riêng của vữa. Điều này 
có thể thực hiện bằng cách tăng nồng độ 
bentonite để có nhiều hạt cát mịn và cát bụi 
từ quá trình đào xâm nhập vào vào trong 
dung dịch vữa; bằng cách trộn các hạt cát 
mịn và cát bụi hoặc các phụ gia khác vào 
trong vữa trước khi đưa chúng vào trong 
hào; hoặc bằng cách kết hợp các phương 
pháp trên. 
- Giảm cao độ mực nước ngầm. 
- Tránh đặt các tải trọng trên mặt đất cạnh 
vách hào. 
Tài liệu tham khảo 
1. Duguid, D. R., Forbes, D. J., Gordon, J. L., 
and Simmons, O. K. (1971).‘The slurry trench 
cutoff for Duncan Dam.’’ Can. Geotech. J., 8(1), 
94–108. 
2. Elson WK. (1968). An Experimental 
Investigation of the Stability of Slurry trenches. 
Geotechnique 18(1):37±49. 
3. Gill, S. A. (1980). ‘‘Application of slurry 
walls in civil engineering.’’ J.Constr. Div., Am. 
Soc. Civ. Eng., 106(2), 155–167. 
4. Huder, J. (1972). ‘‘Stability of bentonite 
trenches with some experience in swiss 
practice.’’ Proc., 5th European Conf. on Soil 
Mechanics and Foundation Engineering, Madrid, 
Spain, 1, 517–522. 
5. George M. Filz,; Tiffany Adams and Richard 
R. Davidson (2004) Stability of long trenches in 
sand supported by bentonite water slurry. ASCE. 
6. Morgenstern, N. and Amir-Tahmasseb, I. 
(1965). “The stability of a slurry trench in 
cohesionless soils.” Geotechnique, Vol. XV, No. 
4, Dec., 387-395. 
7. Muller-Kirchenbauer, H. (1972) ‘‘Stability of 
slurry trenches.’’ Proc., 5th European Conf. on 
Soil Mechanics and Foundation Engineering, 
Sociedad Espan˜ola de Meca´nica del Suelo y 
Cimentaciones, Madrid, Spain, 1, 543–553. 
8. Nash, J. K. T. L., and Jones, G. K. (1963). 
‘‘The support of trenches using fluid mud.’’ 
Proc., Symp. on Grouts and Drilling Muds in 
Engineering Practice, Butterworths, London, 
177–180. 
9. Oblozinsky, P., et al. (2001). ‘‘A design 
method for slurry trench wall stability in sandy 
ground based on the elasto-plastic FEM.’’ 
Comput. Geotech., 28, 145–159. 
10. Piaskowski A, Kowalewski Z. Application of 
6
thixotropic clay suspension for stability of 
vertical sides of deep trenches without strutting. 
In: Proc. of 6th International Conference on Soil 
Mechanics and Foundation Engineering, vol. 2, 
Montreal, 1965. p. 526±9. 
11. Tsai J-S, Chang J-C.(1996). Three-
dimensional stability analysis for slurry-filled 
trench wall in cohesionless soil. Can Geotech J 
33:798±806 
12. Washbourne J. (1984). The tree dimensional 
stability analysis of diaphragm wall excavation. 
Ground Engineering;17(4):24±9 
13. Wong, G. C. Y. (1984), “Stability analysis of 
slurry trenches.” J. Geotech. Engrg, Vol. 110, 
No. 11, ASCE, 1577-1590. 
H4.1.Hs =H-1, Hw =H-4, c =0, =20 H4.2.Hs =H-1, Hw =H-4, c =0, =25 H 4.3.Hs =H-1, Hw =H-4, c =0, =30 
H4.4.Hs =H-1, Hw =H-4, c =2, =20 H4.5.Hs =H-1, Hw =H-4, c =2, =25 H 4.6.Hs =H-1, Hw =H-4, c =2, =30 
H4.7.Hs =H-1, Hw =H-4, c =5, =20 H4.8.Hs =H-1, Hw =H-4, c =5, =25 H 4.9.Hs =H-1, Hw =H-4, c =5, =30 
H(m
) 
7
ĐT 4.10. Mực nước ngầm 34m, đất đào hào có =25, 
C=0KN/m2 
(1) H bentonite = 39 – (2)H bentonite = 39,5 
 (3) H bentonite = 40 
ĐT 4.11. Mực vữa ngang đỉnh hào, đất đào hào có =25, 
C=0KN/m2 
(1)H nước ngầm =38 ; (2) H nước ngầm =36 
(3)H nước ngầm =34 ; (4) H nước ngầm =32 
Abstract 
STABILITY OF SLURRY SUPPORTED TRENCHES IN LOW COHESION SOILS 
Soil-bentonite slurry trench is often used as an antiseepage structure for embankment dams and 
foundations. The stability of slurry trech during construction should be paid attention. The paper 
discussed the factors affecting the stability of slurry trench and stability analysis methods being used 
today. The stability charts under different conditions are drawn. Based on the research results, the 
paper gives some recommendations to ensure the stability safety of bentonite slurry trench during 
construction period. 
Key words: stability, trench, bentonite slurry, antiseepage 
Hình 4. Các đồ thị xác định hệ số an toàn ổn định của vách hào