Giới thiệu
Cuốn sách “Địa kỹ thuật và xử lý nền đất yếu” được biên soạn bởi TS Phạm Văn Long sẽ được xuất bản vào cuối năm 2022. Nội dung chính cuốn sách nhằm cung cấp và bổ sung các cơ sở lý thuyết, nguyên lý căn bản, tương quan thực nghiệm, và kinh nghiệm thực tiễn trong cơ học đất và địa kỹ thuật để có thể góp phần giúp các kỹ sư có liên quan áp dụng trong khảo sát đất nền, thí nghiệm, nghiên cứu, và tính toán thiết kế nền móng, công trình đất và xử lý nền đất yếu được hơp lý hơn. Sách dày 360 trang, 10 chương, với các nội dung chính như sau:
• Chương 1, giới thiệu tóm tắt về nguồn gốc và thành tạo của đất, các nhóm đá và các nhóm đất chính như đất tàn tích, trầm tích, phong tích, băng tích, và các loại đất đặc biệt.
• Khảo sát địa kỹ thuật được trình bày trong Chương 2, gồm nhiệm vụ khảo sát, khảo sát chi tiết bằng các phương pháp khoan lấy mẫu, thăm dò bằng các phương pháp địa vật lý, và các thí nghiệm hiện trường thông dụng. Phân tích kết quả thí nghiệm và các tương quan thực nghiệm để xác định một số đặc trưng kỹ thuật của đất từ thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT), cắt cánh (VST), xuyên tĩnh (CPT) và (CPTu) được trình bày với các trường hợp thực tế ở đồng bằng Nam bộ.
• Các đặc trưng cơ bản của đất và phân loại đất được trình bày trong Chương 3, bao gồm cỡ hạt và thành phần hạt, quan hệ giữa các tính chất vật lý, các giới hạn Atterberg và trạng thái của đất hạt mịn, độ chặt và tính thấm của đất hạt thô, phân loại đất theo USCS và theo ASSHTO, và các đặc trưng kỹ thuật của đất đầm nén.
• Chương 4 trình bày về ứng suất và biến dạng đàn hồi, các trạng thái ứng suất và biến dạng, phân bố ứng suất trong đất, và ứng suất hữu hiệu. Nguyên lý của ứng suất hữu hiệu, tính toán áp lực nước lỗ rỗng, ứng suất tổng và ứng suất hữu hiệu kể cả trong các trường hợp đặc biệt như áp lực lỗ rỗng trong đất chưa bão hòa và áp lực nước lỗ rỗng trong điều kiện đang bị lún nền do khai thác nước ngầm.
• Điều kiện thoát nước lỗ rỗng, tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb và sức kháng cắt của đất, các thí nghiệm xác định sức kháng cắt của đất, các yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng cắt, lựa chọn thông số và mô hình tính toán sức kháng cắt của đất được trình bày trong Chương 5. Các thông số kháng cắt đỉnh và tới hạn, thoát nước và không thoát nước, và sức kháng cắt của đất chưa bão hòa cũng được phân tích. Các phương pháp tính toán sức kháng cắt theo ứng suất hữu hiệu (effective stress analysis, ESA); theo ứng suất tổng (total stress analysis, TSA); theo sức kháng cắt không thoát nước (undrained strength analysis, USA); và theo sức kháng cắt cố kết-không thoát nước (consolidated-undrained strength analysis, CUA) tương thích với mô hình ứng xử của đất đã được thảo luận chi tiết.
• Chương 6 trình bày về cố kết và lún bao gồm lý thuyết cố kết 1 chiều, thí nghiệm và hiệu chỉnh kết quả thí nghiệm nén cố kết, đánh giá và lựa chọn các thông số nén lún và cố kết, và các phương pháp tính toán lún. Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm nén cố kết, đặc biệt là chất lượng của mẫu thí nghiệm, và các tương quan thực nghiệm về các thông số biến dạng của đất đã được phân tích chi tiết. Lún tức thời, lún cố kết, và lún thứ cấp đã được trình bày kể cả phương pháp tính lún cố kết của công trình trên nền đất yếu có xét đến ảnh hưởng của khai thác nước ngầm.
• Khái niệm cơ bản về áp lực ngang của đất, lý thuyết áp lực đất Rankine, lý thuyết áp lực đất Coulomb, và áp lực đất do đầm nén được trình bày trong Chương 7. Lựa chọn các thông số kháng cắt của đất để tính toán áp lực đất lên tường chắn đất theo các phương pháp ESA, TSA, USA, và CUA tương thích với điều kiện địa chất và đặc điểm của công trình cũng đã được lưu ý.
• Tổng quát về cơ chế và nguyên nhân phá hoại mái dốc, ổn định trượt phẳng của mái dốc vô hạn, tính ổn định theo phương pháp cân bằng giới hạn (LEM) cố thể và chia lát, ổn định mái dốc có cốt gia cường và/hoặc có cọc chống trượt, mái dốc đắp trên nền đất yếu, và mái dốc của đập đất hồ chứa được trình bày trong Chương 8. Các thông số kháng cắt của đất dùng trong tính toán hệ số an toàn FS theo các phương pháp ESA, TSA, USA, CUA. Tính toán FS theo LEM và FEM cũng đã được phân tích kỹ để có thể lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp với điều kiện địa chất và đặc điểm của công trình.
• Chương 9 trình bày về nền đất yếu và các phương pháp gia cường nền đất yếu bao gồm các đặc điểm của nền đất yếu, các vấn đề có thể phát sinh khi xây dựng trên nền đất yếu, và các phương pháp xử lý nền đất yếu. Các phương pháp gia cường nền đất yếu hạt mịn như cọc cát đầm nén (SCP), cọc xi măng đất (DCM), và cọc tiết diện nhỏ (MCP) được trình bày chi tiết trong chương này.
• Cố kết nền đất yếu bằng bấc thấm thoát nước đứng (PVD) được trình bày trong Chương 10 bao gồm các nội dung về đặc điểm của PVD, các công nghệ gia tải trước với PVD, tính toán cố kết, tính toán lún, tính toán ổn định, lựa chọn thông số tính toán, và quan trắc đánh giá xử lý nền. Trường hợp thực tế về xử lý nền với PVD đến độ sâu 35 m trên diện tích gần 40 ha bằng phương pháp đắp gia tải có và không có kết hợp bơm hút chân không tại công trình cảng CMIT ở Bà Rịa – Vũng Tàu đã được trình bày với các nội dung chính như: yêu cầu thiết kế; trình tự thi công; kết quả quan trắc; và tính toán phân tích ngược các thông số về nén lún (Cc), cố kết (ch), vùng xáo động xung quanh bấc thấm (ds /dm , kh /ks ), hệ số ổn định FS trong quá trình đắp gia tải, và độ lún dư trong thời kỳ vận hành.
Các nội dung được trình bày với đầy đủ hình ảnh và đồ thị minh họa. Các ví dụ tính toán và các trường hợp thực tế tiêu biểu cũng đã được thể hiện để làm rõ những vấn đề cần thiết. Các tương quan thực nghiệm về các đặc trưng kỹ thuật của đất, đặc biệt là khả năng áp dụng cho đất nền ở đồng bằng Nam bộ, đã được phân tích và kiểm chứng. Các trường hợp thực tế tiêu biểu và một số tương quan thực nghiệm đã được kiểm chứng là phù hợp với đất nền ở đồng bằng Nam bộ được trích dẫn sau đây.
Trường hợp thực tế
Một số trường hợp thực tế tiêu biểu ở đồng bằng Nam bộ bao gồm đồng bằng hạ lưu sông Sài Gòn – Đồng Nai (ĐBSĐN) và ở đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) gồm các đặc trưng cơ lý của đất nền từ thí nghiệm trong phòng và hiện trường ở ĐBSCL, hiệu chỉnh kết quả thí nghiệm nén cố kết của sét yếu ở ĐBSĐN, ổn định trượt sâu ở đê biển Tây, và xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm ở công trình cảng quốc tế Cái Mép (CMIT) được giới thiệu tóm tắt với các nội dung chính như:
(1) Các đặc trưng cơ lý của đất nền từ các thí nghiệm trong phòng và hiện trường ở ĐBSCL
Các đặc trưng cơ học và vật lý bao gồm dung trọng tự nhiên (gamma), áp lực tiền cố kết (pc), sức kháng cắt không thoát nước (su), từ thí nghiệm trong phòng và thí nghiệm hiện trường của đất nền dọc theo tuyến đê biển Tây ở ĐBSCL được so sánh ở Hình 1. Trong đó, dung trọng theo độ sâu từ thí nghiệm trong phòng và thí nghiệm xuyên tĩnh điện tử (CPTu) được thể hiện ở Hình 1a. Sức kháng cắt không thoát nước từ các thí nghiệm trong phòng bao gồm nén một trục (UC) và thí nghiệm Torvane được so sánh với các kết quả thí nghiệm hiện trường như cắt cánh (VST), xuyên tĩnh (CPTu), xuyên tiêu chuẩn (SPT) ở Hình 1b. Áp lực tiền cố kết theo độ sâu từ kết quả thí nghiệm CPTu được so sánh với kết quả thí nghiệm nén cố kết và với áp lực bản thân hữu hiệu (sigma’v0) theo chiều sâu trong Hình 1c.
(2) Hiệu chỉnh kết quả thí nghiệm nén cố kết của sét yếu ở ĐBSĐN
Trường hợp thực tế này trình bày ảnh hưởng của chất lượng mẫu đến các thông số biến dạng từ thí nghiệm nén cố kết. Tại khu công nghiệp Cái Mép thuộc huyện Tân Thành tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu, kết quả thí nghiệm nén cố kết mẫu đất trong lớp sét yếu trầm tích biển ở độ sâu 5m – 6 m tại 2 lỗ khoan gần nhau BH1 và HK01, do 2 đơn vị khác nhau thực hiện và được thể hiện ở Hình 2a và 2b. Cả 2 mẫu được lấy trong cùng một lớp đất yếu, cùng độ sâu từ 5-6 m, có hệ số rỗng ban đầu e0 chênh nhau không đáng kể, e0 = 2.612 của mẫu đất lấy tại BH1-UD2 và e0 = 2.697 tương ứng với mẫu đất lấy tại HK01-2. Kết quả thí nghiệm nén cố kết theo tiêu chuẩn ASTM-D2435 thể hiện trong Hình 2a và 2b cho thấy:
• Mẫu BH1-UD2 có chất lượng Mức D – rất kém, với Cc = 0.924, Cr = 0.306, Cc / Cr = 3.
• Mẫu HK01-2 có chất lượng Mức A – rất tốt, với Cc = 1.319, Cr = 0.158, Cc / Cr = 8.
Trong Chương 6 của cuốn sách trình bày chi tiết phương pháp hiệu chỉnh kết quả thí nghiệm nén cố kết và được tác giả lập trình trên Excel có tên OED-WS01. Hiệu chỉnh kết quả thí nghiệm của mẫu chất lượng kém BH1-UD2 thể hiện ở Hình 3, có được chỉ số nén Cc = 1.386, phù hợp với giá trị Cc = 1.319 từ kết quả thí nghiệm của mẫu thí nghiệm có chất lượng tốt HK01-2.
(3) Phân tích ổn định trượt sâu ở đê biển Tây tỉnh Cà Mau
Đê có chiều rộng đỉnh Bđ = 7.5 m, chiều cao thân đê trung bình Hđ = 2.5 m, được đắp bằng đất đào kênh ven đê phía đồng. Vào mùa khô năm 2019-2020, do nắng hạn cực đoan, mực nước trong kênh bị hạ thấp do bốc hơi và do nhu cầu lấy nước tưới, trên đỉnh đê và trên cơ lưu không xuất hiện nhiều vết nứt sâu đến hơn 2 m. Vào ngày 18/2/2020 khi mực nước trong kênh bị hạ thấp đến đáy kênh thì đê bị phá hoại theo dạng trượt sâu về phía kênh ven đê như thể hiện ở Hình 4. Mặt cắt đê thiết kế, thi công, và hiện trạng thực tế sau khi phá hoại ở Hình 5.
Dùng phương pháp cân bằng giới hạn (LEM) và phần tử hữu hạn (FEM) để tính hệ số an toàn chống trượt sâu (FS) tại mặt cắt xuất hiện sự cố với số liệu khảo sát địa chất bổ sung và mặt cắt thi công thực tế ở hiện trường, cụ thể như sau:
• Tính hệ số an toàn FS theo phương pháp LEM bằng phần mềm Geoslope/W, với cung trượt tròn Bishop và sức kháng cắt của các lớp đất hạt mịn tính theo phương pháp sức kháng cắt không thoát nước (USA). Kết quả tính toán ở Hình 6 cho thấy FS = 0.98, phù hợp với thực tế phá hoại ở hiện trường.
Tính ổn định theo phương pháp FEM bằng phần mềm Plaxis, và tính hệ số an toàn FS theo phương pháp triết giảm phi-c. Tương ứng với 3 trường hợp về phương pháp tính sức kháng cắt của các lớp đất dính là: (1) theo phương pháp ứng suất hữu hiệu (ESA) với góc ma sát và lực dính hữu hiệu Φ’ và c’; (2) tính theo phương pháp sức kháng cắt cố kết-không thoát nước (CUA) dùng góc ma sát và lực dính Φcu và ccu; và (3) tính theo phương pháp sức kháng cắt không thoát nước (USA), với Φ = 0 và c = su tại thời điểm tính toán. Khi phân tích ổn định theo FEM, hệ số an toàn FS tính các phương pháp sức kháng cắt ESA, CUA, và USA tương ứng là 1.14, 1.007, và 1.012. Kết quả này cho thấy, hệ số FS tính theo ứng suất hữu hiệu ESA lớn hơn thực tế và vị trí cung trượt không phù hợp với thực tế (Hình 7a). Kết quả tính toán theo phương pháp cố kết-không thoát nước CUA có hệ số an toàn và phạm vi cung trượt phù hợp với thực tế (Hình 7b). Kết quả tính toán theo phương pháp USA gần giống với phương pháp CUA.
(4) Xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm (PVD) ở công trình cảng quốc tế Cái Mép (CMIT)
Cảng CMIT nằm trên bờ tả sông Thị Vải thuộc xã Phước Hòa, huyện Tân Thành, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu. Mặt đất tự nhiên tại vị trí dự án ở cao trình +2.5 m đến +3.5 m CD, thấp hơn mực nước đỉnh triều. Bờ sông Thị Vải có độ dốc bình quân 1V/10H, cao độ đáy sông khoảng -20 m CD. Mực nước triều dao động từ +2.5 m CD đến +4.5 m CD. Dự án có diện tích khoảng 40 ha (600 m x 660 m), nằm dọc theo bờ sông Thị Vải, được san lấp và xử lý nền đất yếu để xây dựng bãi chứa container. Cao độ thiết kế của mặt bãi hoàn thiện là +6.3 m CD với hoạt tải thiết kế phân bố đều trên mặt bãi q = 40 kPa.
Nền đất yếu được xử lý bằng PVD đến hết chiều sâu lớp đất yếu. Phần diện tích có chiều rộng 57 m nằm dọc theo bờ sông Thị Vải được đắp gia tải kết hợp cố kết chân không (Vacuum Consolidation Area, VCA), phần diện tích còn lại bên trong được gia tải bằng đất đắp truyền thống (Surcharge Preloading Area, SPA). Mặt cắt ngang tiêu biểu cùng với bố trí thiết bị quan trắc được thể hiện ở Hình 8. Trong đó, vùng cố kết chân không VCA bố trí bấc thấm khoảng cách 1 m và chiều sâu cắm bấc trung bình 35 m, vùng gia tải truyền thống SPA bố trí bấc thấm cách khoảng 1.2 m và chiều sâu cắm bấc trung bình 34 m. Các thiết bị quan trắc bao gồm ống đo chuyển vị ngang IC (inclinometer), bàn đo lún mặt SP (surface settlement plate), nhện từ đo lún sâu EX (extensometer), áp kế đo áp lực nước lỗ rỗng PP (piezometer). Kết quả đo lún trong quá trình gia tải (Hình 9) cho thấy, độ lún ở thời điểm dỡ tải vào khoảng 3.7 m đến 4.1 m đối với khu SPA, và khoảng 3.9 m đến 4.4 m đối với vùng VCA.
Từ kết quả qua trắc đã phân tích ngược được hệ số an toàn chống trượt FS trong quá trình đắp gia tải và các thông số về biến dạng cũng như cố kết của đất nền bao gồm chỉ số nén (Cc), hệ số cố kết (ch), tỷ số vùng xáo động (ds/dm), và tỷ số thấm trong vùng xáo động (Rs = ks/kh). Kết quả tính ngược hệ số cố kết của lớp sét yếu thể hiện ở Hình 10. Từ thông số biến dạng và cố kết có được theo kết quả phân tích ngược vừa nêu, tính được độ lún trong quá trình gia tải cho bài toán cố kết 1 chiều với tải trọng gia tải tăng dần từng cấp. Hình 11 cho thấy độ lún tính ngược phù hợp với kết quả thực đo.
Tương quan thực nghiệm
Các tương quan thực nghiệm giữa các đặc trưng kỹ thuật của đất từ thí nghiệm trong phòng, khảo sát hiện trường, và từ số liệu thực đo của các công trình thực tế được trình bày và phân tích trong cuốn sách. Một số tương quan về các đặc trưng kháng cắt và biến dạng của đất đã được kiểm chứng, phù hợp với đất nền ở đồng bằng Nam bộ và được giới thiệu tóm tắt như sau.
(1) Các đặc trưng về sức kháng cắt
Sức kháng cắt không thoát nước (su) của đất hạt mịn dùng trong tính toán ổn định và khả năng chịu tải có thể tính theo chỉ số dẻo (PI), và theo sức kháng cắt suv từ thí nghiệm cắt cánh hiện trường hoặc theo sức kháng tổng (qt) từ thí nghiệm CPTu như sau:
Góc ma sát trong của đất theo ứng suất tổng (Φcu) và góc ma sát hữu hiệu (Φ’cu) theo độ ẩm tự nhiên ω(%) của sét trầm tích biển ở đồng bằng Nam bộ từ thí nghiệm 3 trục theo sơ đồ cố kết-không thoát nước (CU) được thể hiện ở Hình 12 và trong các biểu thức sau:
(2) Các đặc trưng về nén lún và cố kết
Chỉ số nén (Cc) theo độ ẩm tự nhiên ω (%) của của đất hạt mịn trầm tích biển ở đồng bằng Nam bộ từ thí nghiệm nén cố kết và từ phân tích ngược số liệu đo lún ở các công trình thực tế được thể hiện ở Hình 13 và các biểu thức sau:
Chỉ số nén lại (Cr) , hệ số nén thứ cấp (Cα) có thể ước tính từ chỉ số nén (Cc) như sau:
Áp lực tiền cố kết (pc) theo ứng suất bản thân hữu hiệu (σ’v0) của sét yếu trầm tích biển:
Hệ số cố kết ở hiện trường cv(field) theo hệ số cố kết từ thí nghiệm nén cố kết trong phòng cv(oed):
Phạm Văn Long
Chi hội CHĐ & ĐKTCT Miền Nam (VSSMGE-S)
E-mail: [email protected]
