I. Khám phá tổng quan trầm tích Holocen tại bán đảo Đình Vũ
Bán đảo Đình Vũ, Hải Phòng là một khu vực kinh tế chiến lược với tốc độ phát triển hạ tầng nhanh chóng. Tuy nhiên, nền tảng địa chất của khu vực này đặt ra nhiều thách thức, đặc biệt là sự hiện diện của các lớp trầm tích Đệ Tứ có tuổi Holocen. Nghiên cứu của Vũ Thị Thanh Thủy (2017) trong luận văn thạc sĩ đã làm sáng tỏ mối quan hệ mật thiết giữa đặc điểm của các lớp trầm tích này và nguy cơ lún của các công trình. Việc hiểu rõ về địa chất công trình Hải Phòng tại khu vực này không chỉ là một yêu cầu khoa học mà còn mang tính cấp thiết cho việc quy hoạch và xây dựng bền vững. Các thành tạo trầm tích Holocen tại Đình Vũ có bề dày dao động từ 15,6 m đến 25,3 m, phân bố không đồng đều và có đặc tính cơ lý phức tạp. Chúng được hình thành trong các môi trường khác nhau, từ đầm lầy ven biển, vũng vịnh đến châu thổ, tạo nên một hệ tầng đất yếu với khả năng chịu tải kém và tính nén lún cao. Việc phân tích chi tiết các lớp đất này là bước đầu tiên và quan trọng nhất để dự báo các sự cố công trình, đặc biệt là hiện tượng lún không đều, gây thiệt hại nghiêm trọng về kinh tế và an toàn vận hành. Bài viết này sẽ phân tích sâu các phát hiện từ luận án tiến sĩ địa chất và các nghiên cứu liên quan, cung cấp một cái nhìn toàn diện về bản chất của nền đất yếu tại Đình Vũ, từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật phù hợp.
1.1. Bối cảnh địa chất công trình Hải Phòng và tầm quan trọng
Thành phố Hải Phòng nói chung và bán đảo Đình Vũ nói riêng nằm trên một nền địa chất trẻ, phức tạp, là nơi giao thoa của các hoạt động kiến tạo và bồi tụ ven biển. Các báo cáo khảo sát địa chất cho thấy khu vực này có lớp phủ trầm tích Kainozoi dày, trong đó các thành tạo Holocen đóng vai trò chi phối đến tính chất địa chất công trình. Các lớp đất này chủ yếu là bùn, sét, á sét có trạng thái từ dẻo chảy đến chảy, là nguyên nhân chính gây mất ổn định công trình. Với sự phát triển của các khu công nghiệp, cảng biển và bãi container, tải trọng tác động lên nền đất ngày càng lớn. Điều này đòi hỏi một sự hiểu biết sâu sắc về cấu trúc địa tầng và các đặc tính kỹ thuật của từng lớp đất để có thể đưa ra các giải pháp móng và xử lý nền phù hợp, đảm bảo an toàn và tuổi thọ cho công trình.
1.2. Sơ lược về địa tầng khu vực Đình Vũ và trầm tích Đệ Tứ
Theo các tài liệu nghiên cứu, địa tầng khu vực Đình Vũ bao gồm các hệ tầng từ Pleistocen đến Holocen. Ranh giới giữa Pleistocen và Holocen thường được xác định tại bề mặt của lớp sét bột loang lổ thuộc Hệ tầng Vĩnh Phúc. Phía trên là các lớp trầm tích Holocen được chia thành hai phân vị chính: Holocen sớm – giữa (Hệ tầng Hải Hưng) và Holocen giữa – muộn (Hệ tầng Thái Bình). Các trầm tích này được hình thành trong chu kỳ biển tiến Flandrian và giai đoạn biển lùi sau đó, tạo ra sự xen kẹp phức tạp của các tướng trầm tích khác nhau. Bề dày của trầm tích Holocen có xu hướng tăng dần về phía trung tâm bán đảo, phản ánh lịch sử sụt lún và bồi tụ của khu vực. Sự phân bố không đồng nhất này chính là yếu tố gây ra hiện tượng lún lệch và khó kiểm soát trong xây dựng.
II. Bí ẩn sau sự cố lún Đặc tính cơ lý của đất yếu Đình Vũ
Các sự cố lún nghiêm trọng tại các bãi container ở Đình Vũ không phải là ngẫu nhiên, mà là hệ quả trực tiếp từ đặc tính cơ lý của đất yếu. Các lớp trầm tích Holocen tại đây, đặc biệt là bùn sét yếu Holocen, có độ ẩm tự nhiên cao, hệ số rỗng lớn và chỉ số nén lún (Cc) đáng kể. Ở trạng thái tự nhiên, các lớp đất này thường ở trạng thái chảy hoặc dẻo chảy, với sức chịu tải cực kỳ thấp (R₀ < 1,0 kG/cm²) và mô đun biến dạng nhỏ (E₀ < 50,0 kG/cm²). Khi chịu tải trọng từ các công trình, đặc biệt là tải trọng động và thay đổi liên tục từ các chồng container, áp lực nước lỗ rỗng trong đất tăng lên, dẫn đến quá trình lún cố kết kéo dài. Sự phân bố của các thấu kính cát mỏng xen kẹp trong các lớp sét yếu càng làm phức tạp thêm vấn đề, tạo ra các đường thoát nước không đồng đều và gây ra hiện tượng lún lệch. Hiểu rõ bản chất này là chìa khóa để giải mã nguyên nhân gây ra các sự cố và tìm ra giải pháp phòng ngừa hiệu quả. Việc phân tích chi tiết các chỉ tiêu cơ lý từ các thí nghiệm hiện trường và trong phòng là cơ sở dữ liệu không thể thiếu để xây dựng các mô hình dự báo chính xác.
2.1. Nhận diện các lớp bùn sét yếu Holocen và thấu kính cát
Các lớp bùn sét yếu Holocen là đối tượng chính gây ra các vấn đề địa kỹ thuật tại Đình Vũ. Chúng có thành phần chủ yếu là sét và bột, độ ẩm có thể vượt quá giới hạn chảy (W > WL), khiến đất có độ sệt (LI) > 1. Theo tài liệu luận văn, các lớp này có lực dính (C) và góc ma sát trong (φ) rất thấp. Sự tồn tại của các thấu kính cát hoặc các lớp cát bột mỏng, dù chỉ dày vài centimet, lại đóng vai trò quan trọng trong quá trình cố kết. Chúng hoạt động như những lớp thoát nước tự nhiên, đẩy nhanh quá trình lún tại một số vị trí nhưng lại có thể gây ra hiện tượng lún không đều trên một diện tích rộng, dẫn đến nứt gãy kết cấu bề mặt bãi container.
2.2. Phân tích nguy cơ biến dạng nền móng và mất ổn định
Khi tải trọng công trình vượt quá sức chịu tải nền đất, nền móng sẽ bắt đầu quá trình biến dạng nền móng. Quá trình này không chỉ bao gồm lún thẳng đứng mà còn có thể bao gồm cả chuyển vị ngang, dẫn đến nguy cơ trượt lở cục bộ, đặc biệt là ở các khu vực gần mép kênh, rạch. Độ lún lớn và kéo dài không chỉ ảnh hưởng đến kết cấu bên trên mà còn phá vỡ hệ thống thoát nước, gây úng ngập và làm giảm tuổi thọ công trình. Việc đánh giá chính xác các nguy cơ này đòi hỏi phải thực hiện các phân tích ổn định mái dốc và tính toán độ lún tổng cộng cũng như lún theo thời gian, dựa trên các thông số cơ lý đất đáng tin cậy.
III. Hướng dẫn phân loại 6 tướng trầm tích Holocen ở Đình Vũ
Nghiên cứu của Vũ Thị Thanh Thủy (2017) đã xác định và phân loại thành công 06 tướng trầm tích Holocen đặc trưng tại bán đảo Đình Vũ, mỗi tướng có nguồn gốc và đặc tính địa kỹ thuật riêng biệt. Việc phân loại này dựa trên sự kết hợp giữa phân tích thành phần hạt, cổ sinh, địa hóa môi trường và cấu trúc trầm tích. Trong Holocen sớm – giữa (Q2¹⁻²), có 2 tướng là bùn đầm lầy ven biển và bùn estuary – vũng vịnh, hình thành trong giai đoạn biển tiến. Trong Holocen giữa – muộn (Q2²⁻³), có 4 tướng gồm bùn chân châu thổ, bùn cát tiền châu thổ, bùn cửa sông estuary và bùn cát đồng bằng châu thổ, đánh dấu quá trình lấn biển của châu thổ. Mỗi tướng trầm tích tương ứng với một tập hợp các đặc tính cơ lý của đất yếu khác nhau. Ví dụ, tướng bùn cửa sông estuary và bùn chân châu thổ thường có chỉ số nén lún cao nhất và sức chịu tải thấp nhất, là những lớp đất nguy hiểm nhất đối với xây dựng. Việc lập bản đồ phân bố các tướng trầm tích này giúp khoanh vùng các khu vực có điều kiện địa chất công trình bất lợi, từ đó đưa ra các cảnh báo sớm và định hướng cho công tác khảo sát chi tiết.
3.1. Đặc điểm tướng bùn đầm lầy ven biển và estuary vũng vịnh
Tướng bùn đầm lầy ven biển (mbQ2¹⁻²) nằm ở đáy mặt cắt Holocen, đặc trưng bởi màu xám đen, chứa nhiều vật chất hữu cơ và có môi trường thành tạo axít yếu. Tướng bùn estuary – vũng vịnh (mebQ2¹⁻²) phân bố rộng khắp, hình thành trong môi trường nước lợ - mặn, có màu xám xanh. Cả hai tướng này đều có hàm lượng sét và bột cao, tương ứng với đất loại sét ở trạng thái dẻo chảy. Chúng là những lớp đất có khả năng chịu nén lớn và là nguồn gốc chính gây ra độ lún cố kết ban đầu cho các công trình.
3.2. Phân tích tướng bùn chân châu thổ và tiền châu thổ
Tướng bùn chân châu thổ (ampdQ2²⁻³) có màu xám, xám nâu, đặc trưng cho môi trường năng lượng thủy động lực mạnh hơn. Đất thuộc tướng này thường ở trạng thái chảy, có mô đun biến dạng cực kỳ thấp (E ≈ 8,21 kG/cm²) và chỉ số SPT rất thấp (N = 0-2). Tướng bùn cát tiền châu thổ (amdfQ2²⁻³) có hàm lượng cát tăng lên, tương ứng với đất á sét, trạng thái chảy nhưng các chỉ tiêu cơ lý đã được cải thiện hơn một chút so với tướng bùn chân châu thổ. Sự chuyển tiếp giữa các tướng này tạo ra sự không đồng nhất về khả năng chịu tải của nền đất.
3.3. Nhận dạng tướng bùn cửa sông estuary và đồng bằng châu thổ
Tướng bùn cửa sông estuary (meQ2²⁻³) là một trong những tướng trầm tích trẻ nhất và yếu nhất, phân bố gần bề mặt dọc theo cửa sông Cấm. Nó có độ ẩm rất cao (trung bình 66,84%), hệ số rỗng lớn (ε₀ ≈ 1,82) và sức chịu tải quy ước cực thấp (R₀ ≈ 0,25 kG/cm²). Đây là lớp đất gây ra các hiện tượng lún tức thời và lún thứ cấp nghiêm trọng. Cuối cùng, tướng bùn cát đồng bằng châu thổ (amdpQ2²⁻³) lộ trên bề mặt ở một số khu vực, có thành phần hạt thô hơn, thể hiện điều kiện địa chất công trình tốt hơn một chút so với các tướng bùn sét khác.
IV. Top 3 phương pháp thí nghiệm nền đất yếu Holocen hiệu quả
Để đánh giá chính xác đặc tính của nền đất yếu Holocen tại Đình Vũ, việc áp dụng kết hợp các phương pháp thí nghiệm hiện trường và trong phòng là bắt buộc. Mỗi phương pháp cung cấp những thông tin giá trị khác nhau, giúp xây dựng một mô hình hóa địa kỹ thuật toàn diện. Nghiên cứu đã sử dụng ba phương pháp cốt lõi để xác định các chỉ tiêu cơ lý quan trọng. Thứ nhất, thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) cung cấp chỉ số N, một chỉ tiêu định tính về độ chặt của đất không dính và độ đặc của đất dính. Thứ hai, thí nghiệm cắt cánh hiện trường (VST) là phương pháp đặc biệt hiệu quả để xác định sức kháng cắt không thoát nước (Su) của các lớp bùn sét yếu, bão hòa nước. Thứ ba, thí nghiệm nén một trục (hay thí nghiệm nén cố kết) trong phòng thí nghiệm là phương pháp không thể thiếu để xác định các thông số biến dạng như chỉ số nén Cc, chỉ số nén giảm tải Cs, áp lực tiền cố kết Pc và hệ số cố kết Cv. Sự kết hợp thông tin từ ba thí nghiệm này cho phép các kỹ sư địa chất đánh giá một cách đáng tin cậy về sức chịu tải nền đất và dự báo quá trình lún cố kết theo thời gian, làm cơ sở cho việc thiết kế các giải pháp móng cọc và xử lý nền đất yếu.
4.1. Vai trò của thí nghiệm nén cố kết trong đánh giá lún
Thí nghiệm nén cố kết là thí nghiệm quan trọng nhất để dự báo độ lớn và tốc độ lún. Từ thí nghiệm này, các chỉ số Cc và Cs được xác định, cho phép tính toán độ lún cuối cùng của nền đất dưới tác động của tải trọng. Áp lực tiền cố kết (Pc) giúp xác định đất là cố kết bình thường hay quá cố kết, ảnh hưởng trực tiếp đến công thức tính lún. Hệ số cố kết (Cv) quyết định tốc độ lún, giúp dự báo độ lún sẽ đạt được bao nhiêu phần trăm sau một khoảng thời gian nhất định. Đây là những dữ liệu đầu vào không thể thay thế cho các bài toán phân tích biến dạng nền móng.
4.2. Ứng dụng thí nghiệm SPT và cắt cánh hiện trường VST
Tại hiện trường, thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) được thực hiện trong các lỗ khoan để cung cấp một cái nhìn tổng thể về sự thay đổi của các lớp đất theo chiều sâu. Mặc dù chỉ số N của đất yếu tại Đình Vũ rất thấp (thường từ 0 đến 5), nó vẫn hữu ích trong việc phân chia các lớp đất và nhận diện các lớp cát mỏng. Trong khi đó, thí nghiệm cắt cánh hiện trường (VST) lại cung cấp giá trị sức kháng cắt (Su) trực tiếp và đáng tin cậy hơn cho các lớp sét mềm. Giá trị Su này là thông số đầu vào quan trọng cho các bài toán phân tích ổn định và tính toán sức chịu tải của móng nông và móng cọc.
V. Kết quả Mối liên hệ trực tiếp giữa trầm tích và lún cố kết
Kết quả nghiên cứu của luận văn đã chứng minh một mối quan hệ nhân quả rõ ràng giữa đặc điểm tướng trầm tích Holocen và khả năng lún của các công trình tại Đình Vũ. Bằng cách tính toán và mô hình hóa địa kỹ thuật, nghiên cứu cho thấy độ lún tổng cộng của nền đất chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi bề dày và đặc tính của từng tướng trầm tích. Các khu vực có bề dày lớn của tướng bùn cửa sông estuary (meQ2²⁻³) và bùn chân châu thổ (ampdQ2²⁻³) cho thấy độ lún dự báo lớn nhất. Đây là những lớp đất có chỉ số nén (Cc) và hệ số rỗng (e₀) cao, khi chịu tải sẽ co lại đáng kể. Quá trình lún cố kết không chỉ phụ thuộc vào đặc tính của từng lớp mà còn bị chi phối bởi cấu trúc phân lớp của toàn bộ hệ tầng. Sự xen kẹp của các lớp có hệ số thấm khác nhau tạo ra các điều kiện thoát nước phức tạp, dẫn đến quá trình lún kéo dài nhiều năm. Công tác quan trắc lún thực tế tại các công trình hiện hữu đã xác nhận các kết quả dự báo từ mô hình, cho thấy tầm quan trọng của việc nghiên cứu trầm tích học trong việc giải quyết các bài toán địa chất công trình.
5.1. Đánh giá sức chịu tải nền đất qua từng lớp trầm tích
Phân tích cho thấy sức chịu tải nền đất thay đổi một cách có hệ thống qua các lớp trầm tích. Các tướng bùn sét yếu như bùn chân châu thổ và bùn cửa sông estuary có sức chịu tải tính toán (R₀) chỉ khoảng 0,25 - 0,36 kG/cm², không đủ để đỡ các công trình có tải trọng lớn nếu không có biện pháp xử lý. Ngược lại, các tướng có chứa nhiều cát hơn như bùn cát tiền châu thổ có sức chịu tải cao hơn một chút. Việc xác định sức chịu tải của từng lớp là cơ sở để quyết định chiều sâu đặt móng và lựa chọn loại móng phù hợp, đảm bảo ổn định công trình.
5.2. Mô hình hóa địa kỹ thuật và dự báo độ lún công trình
Dựa trên số liệu từ các lỗ khoan và thí nghiệm, các mô hình địa kỹ thuật đã được xây dựng để dự báo độ lún. Các mô hình này tính toán ứng suất gia tăng trong nền đất do tải trọng công trình và sử dụng các thông số nén lún (Cc, Cs, Pc) để tính toán độ lún tổng cộng. Kết quả tính toán cho các bãi container điển hình cho thấy độ lún có thể lên tới hàng chục centimet, thậm chí cả mét nếu không được xử lý nền đất yếu đúng cách. Các mô hình này là công cụ mạnh mẽ giúp các nhà thiết kế lượng hóa rủi ro và tối ưu hóa giải pháp kỹ thuật trước khi thi công.
VI. Bí quyết xử lý nền đất yếu và giải pháp móng cọc hiệu quả
Từ việc làm rõ bản chất của nền đất yếu Holocen tại Đình Vũ, luận văn đã đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu và kiểm soát hiện tượng lún. Không có một giải pháp duy nhất nào là hoàn hảo; việc lựa chọn phương án tối ưu phụ thuộc vào đặc điểm công trình, điều kiện địa chất cụ thể và yếu tố kinh tế. Các giải pháp chung cho xử lý nền đất yếu bao gồm các phương pháp cơ học (gia tải trước, đệm cát, bấc thấm) và các phương pháp gia cố (cọc xi măng đất, cọc cát). Đối với các công trình chịu tải trọng lớn và yêu cầu kiểm soát lún nghiêm ngặt như bãi container, giải pháp móng cọc thường được ưu tiên. Móng cọc giúp truyền tải trọng của công trình xuống các lớp đất tốt và ổn định hơn ở sâu bên dưới, vượt qua các lớp bùn sét yếu. Việc thiết kế móng cọc đòi hỏi phải tính toán chính xác sức chịu tải của cọc và nhóm cọc, đồng thời xem xét đến hiện tượng ma sát âm có thể xảy ra do quá trình lún của các lớp đất yếu xung quanh. Sự kết hợp giữa xử lý nền và thiết kế móng phù hợp là chìa khóa để đảm bảo sự ổn định công trình lâu dài trên nền đất phức tạp của Đình Vũ.
6.1. Tổng quan các phương án xử lý nền đất yếu phổ biến
Các phương pháp xử lý nền đất yếu có thể được chia thành hai nhóm chính. Nhóm thứ nhất là cải thiện tính chất cơ lý của đất tại chỗ, bao gồm: gia tải trước kết hợp bấc thấm để đẩy nhanh quá trình cố kết và tăng sức chịu tải; cọc cát đầm chặt để tăng độ chặt và cải thiện khả năng thoát nước; cọc xi măng đất để tạo thành các trụ đất gia cố. Nhóm thứ hai là thay thế hoặc loại bỏ đất yếu. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, cần được cân nhắc kỹ lưỡng cho từng dự án cụ thể.
6.2. Đề xuất giải pháp móng cọc cho các công trình tại Đình Vũ
Đối với các công trình tại Đình Vũ, đặc biệt là các cảng và bãi container, giải pháp móng cọc đóng vai trò quyết định. Các loại cọc như cọc bê tông cốt thép dự ứng lực (PC, PHC) thường được sử dụng do khả năng chịu tải cao và thi công nhanh. Chiều dài cọc cần được thiết kế để mũi cọc ngàm vào lớp đất tốt bên dưới tầng trầm tích Holocen, thường là lớp sét loang lổ hoặc cát chặt thuộc hệ tầng Pleistocen. Việc tính toán và thi công móng cọc cần tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn kỹ thuật để tránh các rủi ro như cọc bị gãy, lún lệch nhóm cọc, và đảm bảo công trình hoạt động an toàn trong suốt vòng đời thiết kế.
