Mở đầu Nền đường đắp là một trong những công trình xây dựng lâu đời và thường gặp nhất. Từ hàng chục năm nay đất nước ta đã xây dựng một hệ thống đường giao thông hoàn chỉnh trên cả nước mà một bộ phận đáng kể là đắp trên nền đất yếu. Công cuộc xây dựng và phát triển kinh tế - xã hội của ta đã tăng khối lượng các công trình xây dựng trên nền đất yếu một cách đáng kể trong phạm vi cả nước, nhất là các tỉnh ven biển và ở đồng bằng Nam bộ. Trước đây người ta thường xây dựng nền đắp đi qua các vùng đất có địa chất tốt để giảm bớt những vấn đề kỹ thuật phải xử lý và hạ giá thành xây dựng.
Tuy nhiên sự nghiệp xây dựng và phát triển kinh tế - xã hội hiện nay đã đặt ra việc chinh phục và sử dụng các vùng đất yếu mà trước hết là việc xây dựng mạng lưới các tuyến đường giao thông, cầu cống…trên nền đất yếu. Những vấn đề liên quan đến sự ổn định của nền đắp là những điều cần được quan tâm trước tiên. Do thiếu sót các công tác khảo sát thiết kế hoặc thi công mà nền đường thường bị hư hỏng vì mất ổn định trong và sau khi xây dựng công trình. Hiện tượng lún sụt và sụt trượt tại gói thầu số 7 và số 9 trong quá trình thi công của dự án đường cao tốc TP.HCM - Trung Lương mà nguyên nhân chính là tất cả các gói thầu đều không thực hiện khoan khảo sát trong bước thiết kế bản vẽ thi công, mới đây là hiện tượng mất ổn định tổng thể nền mặt đường trên tuyến đường cao tốc Hà Nội - Lào Cai mà nguyên nhân ban đầu cũng được xác định là đoạn tuyến đi qua khu vực có địa chất mềm yếu… là những điển hình để rút kinh nghiệm.
Việc xử lý hậu quả do những hư hỏng nền đắp mất ổn định thường rất phức tạp và tốn kém, chưa kể là có khi những hư hỏng này còn có thể gây ra những tai họa đáng tiếc. Ta thường gặp các vấn đề liên quan đến lún (với các mức độ khác nhau) cho tất cả các nền đắp xây dựng trên nền đất yếu, do ứng suất của nền đắp tác dụng lên đất yếu đủ để gây ra biến dạng lớn. Cho nên trong xây dựng cầu đường cần đặc biệt chú ý đến vấn đề lún (đặc biệt là những đoạn chuyển tiếp đoạn đường vào cầu), vì đây là nguyên nhân làm cho nhiều công trình cầu 4 đường bị hư hỏng phải xử lý rất tốn kém hoặc nhiều khi không xử lý được. Hiện tượng lún kéo dài của nền đường đoạn Cầu Giẽ - Ninh Bình, đoạn Cái Bè - Cai Lậy (Tiền Giang) trên QL 1A… làm hư hỏng rất nhanh hàng vạn m2 mặt đường xây dựng trên đó.
Đất yếu và khái niệm về đất yếu [7], [12] Nền đất yếu (Compessible soil) là nền nằm dưới đất đắp, là loại sét có trạng thái từ dẻo mềm đến nhão, có tính chịu nén lớn và tuỳ theo hàm lượng vật chất hữu cơ được gọi là bùn (soft organic soil) hoặc than bùn (peat). Khi đất đắp nằm trên nền đất yếu thì độ ổn định và mức độ biến dạng của chúng không chỉ phụ thuộc vào chất lượng đất đắp mà chủ yếu phụ thuộc vào nền đất yếu. Nghiên cứu xử lý nền đất yếu là nghiên cứu bản chất trạng thái hoạt động của chúng, đánh giá độ ổn định, biến dạng và đề ra các giải pháp xử lý, gia cố để công trình đắp trên nền đất yếu được an toàn, đạt được yêu cầu kinh tế kỹ thuật cho thiết kế, thi công và khai thác sử dụng. Đất yếu thường là đất sét có lẫn nhiều hữu cơ, khả năng chịu tải nhỏ (0.0 KG/cm2), có tính nén lún lớn (a > 0.1 cm2/KG) và hệ số rỗng lớn (e > 1), mô đun biến dạng thấp (E0 < 50 KG/cm2), trị số sức chống cắt không đáng kể và hầu như bão hoà nước (độ bão hòa nước G > 0.
Khi xây dựng công trình trên đất yếu mà thiếu các biện pháp xử lý thích đáng và hợp lý thì sẽ phát sinh biến dạng thậm chí gây hư hỏng công trình. Nghiên cứu xử lý đất yếu có mục đích cuối cùng là làm tăng độ bền của đất, làm giảm tổng độ lún và độ lún lệch, rút ngắn thời gian thi công và giảm chi phí đầu tư xây dựng. Phân biệt nền đất yếu [7], [12] Cách phân biệt nền đất yếu ở trong nước cũng như ở nước ngoài đều có các tiêu chuẩn cụ thể để phân loại nền đất yếu. Theo nguyên nhân hình thành: loại đất yếu có nguồn gốc khoáng vật hoặc nguồn gốc hữu cơ.
- Loại có nguồn gốc khoáng vật: thường là sét hoặc á sét trầm tích trong nước ở ven biển, vùng vịnh, đầm hồ, thung lũng. 5 - Loại có nguồn gốc hữu cơ: hình thành từ đầm lầy, nơi nước tích đọng thường xuyên, mực nước ngầm cao, tại đây các loại thực vật phát triển, thối rữa phân huỷ tạo ra các vật lắng hữu cơ lẫn với trầm tích khoáng vật. Phân biệt theo chỉ tiêu cơ lý (trạng thái tự nhiên): - Thông thường phân biệt theo trạng thái tự nhiên và tính chất cơ lý của chúng như hàm lượng nước tự nhiên, tỷ lệ lỗ rỗng, hệ số co ngót, độ bão hoà, góc nội ma sát (chịu cắt nhanh) cường độ chịu cắt. Phân biệt đất yếu loại sét hoặc á sét, đầm lầy hoặc than bùn (theo độ sệt).
Phân loại đất yếu [7], [12] Nói chung các dạng đất yếu thường có những đặc điểm sau: - Thường là loại đất sét có lẫn hữu cơ hoặc nhiều hoặc ít. - Hàm lượng nước cao và trọng lượng thể tích nhỏ. - Độ thấm nước rất nhỏ. - Cường độ chống cắt nhỏ và khả năng nén lún lớn.
Ở Việt Nam thường gặp các loại đất sét mềm, bùn và than bùn. Ngoài ra ở một số vùng còn gặp loại đất có ở nhiều tính chất của loại đất lún sập như đất Badan ở Tây Nguyên và thỉnh thoảng còn gặp các vỉa cát chảy là những loại đất yếu có những đặc điểm riêng biệt. Đất sét mềm Theo quan điểm địa kỹ thuật thì không có sự phân biệt rõ ràng giữa đất sét mềm và bùn. Tuy nhiên ở đây ta hiểu đất sét mềm là loại đất sét hoặc á sét tương đối chặt, bão hoà và có cường độ cao hơn so với bùn.
Đất sét mềm có những đặc điểm riêng biệt nhưng cũng có nhiều tính chất chung của các đất đá thuộc loại sét, đó là sản phẩm ở giai đoạn đầu của quá trình hình thành đất đá loại sét. Đất sét gồm chủ yếu là các hạt nhỏ như thạch anh, fenspat (phần phân tán thô) và các khoáng vật sét (phần phân tán mịn). Các khoáng vật sét này là các silicat alumin có chứa các ion Mg, K, Ca, Na và Fe. chia thành ba loại chính là ilit, kaolinit, môn-mônrilônit.
Đây là những khoáng vật làm cho đất sét có đặc tính riêng của nó. Ilit là khoáng vật đại biểu của nhóm hi-dromica - hidromica được thành tạo chủ yếu là ở môi trường kiềm (độ PH tới 9.5), trung tính và axit yếu, luôn chứa khá 6 nhiều kali trong dung dịch. Về cấu tạo màng tinh thể, ilit chiếm vị trí trung gian giữa kaolinit và môn-mônrilônit. Kaolinit được thành tạo do phong hoá đá phún xuất, đá biến chất và đá trầm tích trong điều kiện khí hậu khác nhau nhưng nhất thiết phải ẩm.
Đặc điểm của mạng tinh thể kaolinit là tương đối bền, ổn định. Môn-mônrilônit được thành tạo chủ yếu trong quá trình phong hoá đá phún xuất và điều kiện môi trường kiềm (độ PH = 7 - 8.5), khí hậu khô, ôn hoà và ẩm. Các hạt sét và hoạt tính của chúng với nước trong đất làm cho đất sét mang những tính chất mà những loại đất khác không có: tính dẻo và sự tồn tại của gradien ban đầu, khả năng hấp thu, tính chất lưu biến. từ đó mà đất sét có những đặc điểm riêng về cường độ, tính biến dạng.
Một trong những đặc điểm quan trọng của đất yếu mềm là tính dẻo. Nhân tố chủ yếu chi phối độ dẻo là thành phần khoáng vật của nhóm hạt kích thước nhỏ hơn 0.002 mm và hoạt tính của chúng đối với nước. Một trong những tính chất quan trọng nữa của đất sét là độ bền cấu trúc (hay cường độ kết cấu σc) của chúng. Nếu tải trọng truyền lên đất nhỏ hơn trị số σc thì biến dạng rất nhỏ, có thể bỏ qua, còn vượt quá σc thì đường cong quan hệ giữa hệ số rỗng và áp lực bắt đầu có độ dốc.
Tính lưu biến cũng là tính chất quan trọng của đất sét yếu. Đất sét yếu là môi trường dẻo nhất. Chúng có tính từ biến và có khả năng thay đổi độ bền khi chịu tác dụng lâu dài của tải trọng. Khả năng đó gọi là tính lưu biến.
Ngoài sự từ biến, trong tính chất lưu biến của đất sét còn có biểu hiện giảm dần ứng suất trong đất khi biến dạng không đổi, gọi là sự chùng ứng suất. Bùn Theo quan điểm địa chất thì bùn là các lớp đất mới được tạo thành trong môi trường nước ngọt hoặc môi trường biển, gồm các hạt rất mịn, bản chất khoáng vật thay đổi và thường có kết cấu tổ ong. Tỷ lệ phần trăm các chất hữu cơ nói chung dưới 10%. Bùn được thành tạo chủ yếu do sự bồi lắng tại các đáy biển, vũng, vịnh, hồ hoặc các bãi bồi cửa sông, nhất là các cửa sông chịu ảnh hưởng của thuỷ triều.
Bùn luôn no nước và rất yếu về mặt chịu lực. Cường độ của bùn rất nhỏ, biến dạng rất lớn (bùn có đặc tính là nén chặt 7 không hạn chế kèm theo sự thoát nước tự do), modun biến dạng chỉ vào khoảng 1 - 5 KG/cm2 (với bùn sét) và từ 10 - 15 KG/cm2 (với bùn á sét, á cát), hệ số nén lún thì có thể đạt tới 2 - 3 cm2/KG. Như vậy bùn là những trầm tích nén chưa chặt và dễ bị thay đổi kết cấu tự nhiên, do đó việc xây dựng trên bùn chỉ có thể thực hiện được sau khi áp dụng các biện pháp xử lý đặc biệt. Than bùn Than bùn là đất yếu nguồn gốc hữu cơ, được thành tạo do kết quả phân huỷ các di tích hữu cơ (chủ yếu là thực vật) tại các đầm lầy.
Than bùn có dung trọng khô rất thấp (3 - 9 KN/m3), hàm lượng hữu cơ chiếm 20 - 80%, thường có màu đen hoặc nâu sẫm, cấu trúc không mịn, còn thấy tàn dư thực vật. Trong điều kiện tự nhiên, than bùn có độ ẩm cao, trung bình từ 85 - 95% và có thể đạt hàng trăm phần trăm.