Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu một số đặc trưng biến dạng của đất loại sét yếu ven biển đồng bằng sông Hồng và áp dụng tính lún cho một số công trình đất đắp" do nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Bích Hạnh thực hiện tại Viện Khoa học công nghệ xây dựng (Bộ Xây dựng), thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Địa chất (mã số: 9 52 05 01), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Đoàn Thế Tường và PGS. Đỗ Minh Toàn.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Dải ven biển đồng bằng sông Hồng (từ Hải Phòng đến Ninh Bình) là vùng đồng bằng trẻ mới hình thành, nơi phân bố rộng rãi các lớp đất loại sét yếu nằm ngay trên bề mặt với bề dày lớn và cấu trúc địa chất phức tạp. Khu vực này tập trung dân cư đông đúc, hệ thống đô thị, khu công nghiệp, kho bãi cảng và mạng lưới đê biển, đường giao thông phát triển mạnh mẽ. Đồng thời, khu vực chịu tác động trực tiếp của biến đổi khí hậu và nước biển dâng (dự báo trong 100 năm tới mực nước biển có thể dâng cao đến 0,8 m tại Hải Hậu – Nam Định). Khi xây dựng các công trình đất đắp (đường đắp, đê, nền kho bãi) trên nền đất sét yếu, hiện tượng biến dạng lún lớn và lún kéo dài theo thời gian là thách thức kỹ thuật trọng yếu.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định xuất phát từ thực tế:

  • Việc tính toán dự báo độ lún và thời gian ổn định lún phụ thuộc vào các thông số cố kết ($C_c$, $c_v$, $p_c$, $c_h$), tuy nhiên các thông số này không chỉ phụ thuộc vào bản chất của đất mà còn chịu ảnh hưởng của sơ đồ thí nghiệm và kích thước mẫu thí nghiệm trong phòng (đường kính $\Phi$, chiều cao $H$).
  • Các nghiên cứu trước đây về đất yếu ven biển đồng bằng sông Hồng còn mang tính chất khái quát; nguồn số liệu từ các đơn vị sản xuất phân tán và chưa đồng bộ về độ tin cậy; công tác tính toán dự báo lún chưa có sự thống nhất về lựa chọn mô hình cấu trúc nền và thông số đầu vào, dẫn đến sai lệch giữa tính toán và thực tế.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận án bao gồm:

  1. Làm sáng tỏ tính chất xây dựng của một số đất loại sét yếu phân bố ở khu vực ven biển đồng bằng sông Hồng;
  2. Làm sáng tỏ sự khác biệt về các đặc trưng cố kết của đất yếu khi thí nghiệm trên các mẫu có kích thước khác nhau và bước đầu kiến nghị sử dụng trong tính toán lún cho các công trình đất đắp.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định:

  • Nhiệm vụ 1: Làm sáng tỏ các đặc tính xây dựng của một số loại đất yếu đặc trưng phân bố ở ven biển đồng bằng sông Hồng;
  • Nhiệm vụ 2: Xác định các đặc trưng cố kết của đất nghiên cứu trên các mẫu có kích thước khác nhau và sơ đồ thí nghiệm khác nhau (cố kết thẳng đứng, cố kết hướng tâm);
  • Nhiệm vụ 3: Tính toán dự báo độ lún của các công trình đắp có quy mô khác nhau trên các dạng cấu trúc nền điển hình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Đất loại sét yếu phổ biến ($amQ_2^3tb$) và các đặc trưng cố kết ($C_c$, $c_v$, $p_c$, $c_h$) phục vụ tính toán dự báo lún cho công trình đất đắp.
  • Phạm vi không gian: Khu vực dải ven biển đồng bằng sông Hồng, thuộc địa bàn các tỉnh từ Hải Phòng, Thái Bình, Nam Định đến Ninh Bình.
  • Phạm vi đối tượng địa tầng: Các thành tạo trầm tích Đệ tứ trẻ, trọng tâm là tầng sét yếu nguồn gốc hỗn hợp sông – biển thuộc hệ tầng Thái Bình ($amQ_2^3tb$).

Các luận điểm bảo vệ

  • Luận điểm 1: Đất yếu ở ven biển đồng bằng sông Hồng rất phổ biến và phức tạp về thành phần và phạm vi phân bố. Trong phạm vi nghiên cứu, phổ biến 3 kiểu cấu trúc nền đất yếu đặc trưng, trong đó kiểu cấu trúc nền II là phổ biến nhất và ảnh hưởng đáng kể đến biến dạng lún của nền dưới khối đắp.
  • Luận điểm 2: Kết quả nghiên cứu bước đầu về ảnh hưởng của kích thước mẫu đến các đặc trưng cố kết của đất yếu $amQ_2^3tb$ cho thấy: khi kích thước mẫu (chiều cao $H$ và đường kính $\Phi$) thay đổi thì chỉ số nén $C_c$, áp lực tiền cố kết $p_c$ và hệ số cố kết theo phương thẳng đứng $c_v$ ở tất cả khoảng áp lực nén đều thay đổi. Khi đường kính mẫu tăng thì $C_c$ giảm, $p_c$ và $c_v$ của đất tăng (giá trị $C_c$ giảm và $p_c$ tăng không nhiều). Khi chiều cao mẫu tăng thì $c_v$ giảm ở mọi cấp áp lực. Trong khoảng áp lực nén từ 1 đến 2 kG/cm², xác lập được mối quan hệ tương quan giữa $c_v$ và $H$.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

Tác giả đã hệ thống hóa các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm quốc tế về cơ học đất và cố kết:

  • Cơ sở lý thuyết cố kết: Terzaghi (1925, 1943) thiết lập lý thuyết cố kết thấm một chiều trên nền tảng định luật Darcy; Biot (1941) và Rendulic (1936) mở rộng bài toán cố kết sang không gian ba chiều; Cavalcanti và Telles (2003) phân tích cơ chế ứng suất hữu hiệu và sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng dư. Về cố kết hướng tâm quanh giếng cát và cống thẳng đứng, Barron (1948) đề xuất hai giả thuyết biến dạng tự do và biến dạng đều; Hansbo (1981) hoàn thiện lý thuyết biến dạng đều cho bấc thấm; các công trình của Indraratna và Redana (2000), Li và Rowe (2001), Hawlader và cộng sự (2002), Leo (2004), Walker và Indraratna (2006), Geng (2008) tiếp tục phát triển các giải pháp giải tích và số học cho hệ thống thoát nước thẳng đứng kết hợp hướng tâm.
  • Phương pháp thí nghiệm và đặc tính cơ học đất yếu: Bjerrum (1967) chỉ ra hiện tượng dỡ tải mẫu do phân bố lại nước; Hanzawa (1989) phân tích lịch sử ứng suất và phương pháp SHANSEP, giải thích trạng thái quá cố kết do từ biến và xi măng hóa; Larsson (1986) nghiên cứu cố kết và từ biến của đất yếu; Hiroyuki Tanaka (2002) phân tích tương quan giữa chỉ số nén $C_c$ và giới hạn chảy $W_L$; Seah và Juirnarongrit (2003, 2005) phát triển thiết bị nén nén tốc độ biến dạng không đổi có thoát nước hướng tâm (CRS-R).
  • Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước mẫu thí nghiệm: Wang Yao và cộng sự (2023) thí nghiệm nén cố kết trên đất hoàng thổ Tây An với các tỷ lệ $H/\Phi$ từ 0,32 đến 1,62 ($H$ từ 20 đến 100 mm, $\Phi = 61,8\text{ mm}$); Ronghua Hu, Ming Zhang và Jiaqi Wang (2023) nghiên cứu bùn nạo vét Thâm Quyến với chiều cao mẫu thay đổi 20, 30, 40 mm ($\Phi = 61,8\text{ mm}$); Soralump và cộng sự (2014) khảo sát mẫu đất sét mềm Bangkok với đường kính 35 mm và 60 mm ($H = 20\text{ mm}$); Al-Zuhairi (2016) tại Đại học Salford thí nghiệm mẫu sét cao lanh bão hòa với đường kính 100, 150, 250 mm và chiều cao từ 23 đến 200 mm.

Các hướng nghiên cứu tại Việt Nam

  • Phân chia cấu trúc nền và đặc tính địa chất công trình: Lê Trọng Thắng (1995) phân chia cấu trúc nền đất yếu khu vực Hà Nội; Nguyễn Viết Tình (2001) làm sáng tỏ nguồn gốc và đặc tính địa chất công trình của bùn sét hồ – đầm lầy phụ hệ tầng Hải Hưng dưới ở Hà Nội; Bùi Đức Hải (2003) nghiên cứu tính từ biến của đất yếu trầm tích Hải Hưng dưới; Lê Tiến Dũng và cộng sự (2015) nghiên cứu địa chất Đệ tứ ven biển Bắc Bộ; Nguyễn Văn Phóng và cộng sự (2015) nghiên cứu đặc tính xây dựng và cấu trúc nền đất yếu ven biển Bắc Bộ phục vụ ứng phó biến đổi khí hậu.
  • Nghiên cứu thông số cố kết ngang ($c_h$) và tỷ số $c_h/c_v$: Vương Văn Thành (1999), Nguyễn Đình Thứ (1999), Phạm Văn Long (2010) khẳng định vai trò quyết định của $c_h$ đối với khoảng cách thiết bị thoát nước thẳng đứng; Phạm Thị Nghĩa, Phạm Văn Tỵ và cộng sự (2005) xác định $c_h$ qua thí nghiệm CPTu cho đất yếu hệ tầng Hải Hưng ở đồng bằng Bắc Bộ (bùn sét hồ – đầm lầy có $c_h/c_v = 2,4 \div 3,5$; bùn sét pha sông – biển có $c_h/c_v = 1,5 \div 6,1$; bùn sét pha biển – đầm lầy có $c_h/c_v = 1,3 \div 7,6$); Nguyễn Thị Nụ và cộng sự (2009, 2014, 2020) thiết kế hộp nén kiểu Rowe theo chuẩn BS 1377: Part 6: 1990 và nghiên cứu tỷ số $c_h/c_v$ của đất loại sét yếu ven biển đồng bằng sông Cửu Long ($amQ_2^{2-3}$) đạt $1,64 \div 5,98$ (khi kẹp cát hữu cơ đạt $3,13 \div 5,19$); Bùi Trường Sơn và cộng sự (2020) nghiên cứu đặc điểm cố kết đất yếu ven biển Bắc Trung Bộ; Phú Truyền Nhật và Lê Vĩnh Ba (2020) nghiên cứu cỡ mẫu $H = 20, 30, 40\text{ mm}$ và $\Phi = 50,5; 61,8; 79,8\text{ mm}$; Võ Nhật Luân, Nguyễn Thị Nụ và Đỗ Minh Toàn (2021) phân tích 42 mẫu đất yếu tại TP. Hồ Chí Minh với $C_c = 0,156 \div 1,703$ và $c_v$ từ $0,052 \times 10^{-3}\text{ cm}^2/\text{s}$.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Mặc dù các nghiên cứu trong và ngoài nước đã ghi nhận sự phụ thuộc của thông số cố kết vào kích thước mẫu và sơ đồ thí nghiệm, song kết quả định lượng còn tồn tại những nhận định trái chiều và chưa được nghiên cứu hệ thống đối với tầng sét yếu đặc trưng $amQ_2^3tb$ vùng ven biển đồng bằng sông Hồng. Luận án tập trung giải quyết việc định lượng ảnh hưởng của kích thước mẫu dao vòng ($H$ và $\Phi$) đến $C_c$, $p_c$, $c_v$, xác định tỷ số $c_h/c_v$ bằng thí nghiệm cố kết hướng tâm, và phân loại 3 kiểu cấu trúc nền đặc trưng để áp dụng chuẩn hóa quy trình tính toán xử lý lún bằng bấc thấm (PVD) dưới nền công trình đắp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

  1. Lý thuyết cố kết thấm một chiều Terzaghi: Phương trình vi phân cố kết một chiều: $$\frac{\partial u}{\partial t} = c_v \frac{\partial^2 u}{\partial z^2}$$ Trong đó hệ số cố kết theo phương thẳng đứng: $$c_v = \frac{k(1+e)}{\gamma_w a}$$ Nhân tố thời gian không thứ nguyên: $$T_v = \frac{c_v \cdot t}{H^2}$$ Xác định $c_v$ qua đường cong cố kết theo thời gian bằng phương pháp Casagrande ($S - \log t$) và phương pháp Taylor ($S - \sqrt{t}$): $$c_v = \frac{0,197 \cdot (H_{50})^2}{t_{50}} \quad \text{(Casagrande)}$$ $$c_v = \frac{0,848 \cdot (H_{90})^2}{t_{90}} \quad \text{(Taylor)}$$

  2. Lý thuyết cố kết hướng tâm (Barron, Hansbo): Mô tả quá trình tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng và biến dạng của đất khi dòng thấm chảy ngang hướng tâm vào lõi thoát nước (giếng cát hoặc bấc thấm): $$c_h = \frac{T_{ri} \cdot \Phi^2}{t_{50}}$$ Trong đó $T_{ri}$ là nhân tố thời gian phụ thuộc tỷ số giữa đường kính mẫu $\Phi$ và đường kính lõi thoát nước $l$.

  3. Mô hình tính toán biến dạng nén lún: Chỉ số nén $C_c$, chỉ số nở $C_r$, mô đun nén thể tích $m_v$, mô đun tổng biến dạng $E_0$, áp lực tiền cố kết $p_c$ và chỉ số quá cố kết $OCR = p_c / \sigma'_0$. $$S = \frac{C_c}{1+e_0} H \log \left(\frac{\sigma'_0 + \Delta\sigma}{\sigma'_0}\right)$$

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và công cụ phân tích

  • Khảo sát địa chất và lấy mẫu: Khoan lấy mẫu nguyên trạng bằng ống mẫu thành mỏng tại các khu vực ven biển Hải Phòng, Thái Bình, Nam Định, Ninh Bình; kết hợp thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT).
  • Thí nghiệm trong phòng phân tích chỉ tiêu cơ lý, khoáng vật, hóa học:
    • Thành phần hạt, độ ẩm tự nhiên ($W$), khối lượng thể tích ($\gamma$), khối lượng riêng ($\Delta$), giới hạn Atterberg ($W_L, W_P, I_p, I_s$), hệ số rỗng ($e_0$), hàm lượng hữu cơ, độ muối hòa tan;
    • Phân tích khoáng vật bằng phương pháp soi mẫu hiển vi và phương pháp nhiễu xạ tia X (Rơn-ghen - XRD);
    • Phân tích thành phần hóa học ($SiO_2, Al_2O_3, Fe_2O_3, CaO, MgO...$).
  • Thí nghiệm nén cố kết biến thiên kích thước mẫu (cố kết thẳng đứng):
    • Chế tạo bộ dao vòng và khuôn nén chuyên dụng với các kích thước: đường kính $\Phi = 61,8\text{ mm}$ và $\Phi = 79,8\text{ mm}$; chiều cao $H = 20\text{ mm}, 30\text{ mm}, 40\text{ mm}$.
    • Thí nghiệm nén một trục không nở hông theo TCVN 4200:2012 trên cả mẫu đất chế bị đầm nén kiểm soát độ ẩm, dung trọng và mẫu đất nguyên trạng.
    • Các cấp áp lực gia tải: tăng dần từ $0,125\text{ kG/cm}^2$ đến các cấp tải tiếp theo gấp đôi cấp trước ($0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 4,0\text{ kG/cm}^2$).
  • Thí nghiệm nén cố kết hướng tâm xác định $c_h$:
    • Thiết bị hộp nén kiểu Rowe (đường kính $\Phi = 62\text{ mm}$, chiều cao $H = 30\text{ mm}$, lõi thấm cát nhỏ kích thước hạt $0,09 \div 0,3\text{ mm}$) chế tạo theo tiêu chuẩn BS 1377: Part 6: 1990;
    • Tham chiếu thiết bị nén tốc độ biến dạng không đổi CRS-R lõi đá thấm tại phòng thí nghiệm LAS-XD 442 (FECON).
  • Phương pháp tính toán kỹ thuật:
    • Kiểm toán ổn định trượt nền đường đắp theo phương pháp phân mảnh mặt trượt tròn (kết hợp quy đổi tải trọng xe chạy thành chiều cao đất đắp tương đương $h_x$);
    • Tính toán dự báo lún cố kết và thiết kế mạng lưới bấc thấm (PVD) theo sơ đồ biến dạng đều của Hansbo, xét đến các yếu tố xáo động ($F_s$), sức cản bấc thấm ($F_r$) và khoảng cách tim bấc ($F(n)$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về biến dạng lún của đất, tình hình nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam

Chương 1 tổng thuật các khái niệm cơ bản về biến dạng đàn hồi ($S_{đh}$), biến dạng dư ($S_d$) và bản chất cơ học của môi trường đất ba pha (rắn, lỏng, khí). Phân tích chi tiết các lý thuyết cố kết kinh điển của Terzaghi (1925, 1943), Biot (1941), Barron (1948), Hansbo (1981) cùng các quy trình thí nghiệm nén cố kết một trục không nở hông tiêu chuẩn (TCVN 4200:2012, BS 1377: Part 6: 1990).

Chương này làm rõ các nhóm yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến đặc trưng nén lún:

  1. Bản chất của đất (thành phần hạt mịn, khoáng vật sét nhóm Montmorillonit/Illit/Caolinit, trạng thái độ sệt, độ chặt, kết cấu nguyên trạng và lịch sử ứng suất);
  2. Tải trọng nén (cấp áp lực gia tải, tốc độ tăng tải);
  3. Phương pháp và thiết bị thí nghiệm (sơ đồ thoát nước thẳng đứng 1 chiều/2 chiều, thoát nước hướng tâm trong hộp nén Rowe và thiết bị CRS-R, hiệu ứng kích thước mẫu gồm đường kính $\Phi$ và chiều cao $H$).

Chương 1 cũng tổng kết bức tranh nghiên cứu trong nước và quốc tế, xác định các hạn chế về dữ liệu thực nghiệm quy mô mẫu đối với đất yếu ven biển đồng bằng sông Hồng, làm cơ sở khoa học cho các nội dung nghiên cứu ở các chương sau.

Chương 2: Đất yếu phân bố ven biển đồng bằng sông Hồng và các đặc điểm tính chất xây dựng của đất

Chương 2 trình bày bức tranh địa tầng Đệ tứ ($Q$) dải ven biển từ Hải Phòng đến Ninh Bình dựa trên tài liệu các lỗ khoan khảo sát (LK57BĐ, LK3NB, LK34NĐ, LK48NĐ...) và bản đồ địa chất công trình tỷ lệ 1/50.000:

  • Thống Pleistocen, phụ thống thượng, hệ tầng Vĩnh Phúc ($Q_1^3vp$): Gồm trầm tích sông – biển ($amQ_1^3vp$) và trầm tích biển ($mQ_1^3vp$), thành phần chủ yếu là sét, sét bột màu loang lổ, nâu đỏ, tím dẻo mịn, có kết vón laterit, là lớp chịu lực tốt nằm dưới.
  • Thống Holocen, phụ thống hạ – trung, hệ tầng Hải Hưng ($Q_2^{1-2}hh$):
    • Tập dưới ($Q_2^{1-2}hh_1$): Trầm tích sông – biển ($amQ_2^{1-2}hh_1$, dày trung bình 18,5 m), trầm tích biển – đầm lầy ($mbQ_2^{1-2}hh_1$, chứa nhiều mùn thực vật màu xám đen, dày trung bình 15 m), trầm tích biển ($mQ_2^{1-2}hh_1$, bột sét lẫn vỏ sò hến dày 3 đến 25 m);
    • Tập trên ($Q_2^{1-2}hh_3$): Trầm tích biển ($mQ_2^{1-2}hh_3$, sét xám xanh, nâu hồng dày trung bình 16,8 m).
  • Thống Holocen, phụ thống thượng, hệ tầng Thái Bình ($Q_2^3tb$):
    • Tập dưới ($Q_2^3tb_1$): $mQ_2^3tb_1$, $amQ_2^3tb_1$, $mbQ_2^3tb_1$ (dày 0,5 đến 12,5 m);
    • Tập giữa ($Q_2^3tb_2$): $mQ_2^3tb_2$, $amQ_2^3tb_2$;
    • Tập trên ($Q_2^3tb_3$): Các thành tạo trẻ nhất, gồm $mQ_2^3tb_3$, $amQ_2^3tb_3$ (sét bột, bột sét xám nâu phân bố phổ biến ở Kim Sơn, Ninh Bình, Hải Phòng, Nam Định), $ambQ_2^3tb_3$, $abQ_2^3tb_3$, $aQ_2^3tb_3$, $mvQ_2^3tb_3$.

Tác giả tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý, thành phần khoáng vật (chủ yếu là khoáng vật sét illit, caolinit, montmorillonit và khoáng vật phi sét thạch anh), thành phần hóa học, hàm lượng hữu cơ và muối hòa tan của lớp sét yếu $amQ_2^3tb$. Đồng thời, phân chia cấu trúc nền (CTN) đất yếu khu vực thành 3 kiểu đặc trưng:

  • Kiểu CTN I: Lớp đất tốt nằm trên bề mặt, bên dưới là lớp đất yếu;
  • Kiểu CTN II: Lớp đất yếu nằm trực tiếp ngay trên bề mặt với bề dày lớn (kiểu phổ biến nhất, gây biến dạng lún nghiêm trọng cho công trình đắp);
  • Kiểu CTN III: Nền đất có các lớp đất yếu và đất tốt xen kẹp phức tạp.

Chương 3: Nghiên cứu đặc trưng biến dạng lún của đất loại sét yếu $amQ_2^3tb$ có xét đến ảnh hưởng của kích thước mẫu

Chương 3 là nội dung thực nghiệm trọng tâm của luận án, thực hiện trên các mẫu đất sét yếu $amQ_2^3tb$ (cả đất chế bị kiểm soát đồng nhất và mẫu nguyên trạng):

Kích thước mẫu thí nghiệm Đường kính $\Phi = 61,8\text{ mm}$ Đường kính $\Phi = 79,8\text{ mm}$
Chiều cao $H = 20\text{ mm}$ Thí nghiệm nén cố kết thẳng đứng Thí nghiệm nén cố kết thẳng đứng
Chiều cao $H = 30\text{ mm}$ Thí nghiệm nén cố kết thẳng đứng Thí nghiệm nén cố kết thẳng đứng
Chiều cao $H = 40\text{ mm}$ Thí nghiệm nén cố kết thẳng đứng Thí nghiệm nén cố kết thẳng đứng
Hộp nén Rowe ($\Phi = 62\text{ mm}, H = 30\text{ mm}$) Thí nghiệm cố kết hướng tâm Xác định $c_h$ và tỷ số $c_h/c_v$

Kết quả thực nghiệm xác định quy luật biến thiên của các thông số cố kết:

  1. Ảnh hưởng của đường kính mẫu ($\Phi$): Khi tăng đường kính mẫu từ 61,8 mm lên 79,8 mm (ở cùng chiều cao $H$), chỉ số nén $C_c$ có xu hướng giảm nhẹ, áp lực tiền cố kết $p_c$ tăng nhẹ, và hệ số cố kết thẳng đứng $c_v$ tăng ở các cấp áp lực nén. Sự thay đổi của $C_c$ và $p_c$ là không lớn, chịu tác động một phần bởi ma sát thành dao vòng và mức độ xáo động mẫu.
  2. Ảnh hưởng của chiều cao mẫu ($H$): Khi tăng chiều cao mẫu $H$ từ 20 mm lên 30 mm và 40 mm (ở cùng đường kính $\Phi$), hệ số cố kết thẳng đứng $c_v$ giảm rõ rệt ở tất cả các cấp áp lực nén $\sigma'$. Nguyên nhân là do chiều cao mẫu tăng làm tăng chiều dài đường thấm thoát nước, kéo dài thời gian đạt mức độ cố kết ($t_{50}, t_{90}$).
  3. Mối quan hệ tương quan giữa $c_v$ và $H$: Trong khoảng cấp áp lực nén từ 1 đến 2 kG/cm² (100 đến 200 kPa – khoảng ứng suất làm việc thực tế phổ biến của nền công trình đắp), tác giả thiết lập được mối tương quan định lượng giữa hệ số cố kết $c_v$ và chiều cao mẫu $H$.
  4. Đặc trưng cố kết hướng tâm: Kết quả thí nghiệm trên hộp nén kiểu Rowe cho thấy hệ số cố kết theo phương ngang $c_h$ luôn lớn hơn hệ số cố kết theo phương đứng $c_v$. Tác giả xác lập được tỷ số $c_h/c_v$ cho tầng sét yếu $amQ_2^3tb$, cung cấp số liệu thực nghiệm thay thế cho việc chọn dải giả định rộng $(2 \div 5)c_v$ trong tiêu chuẩn TCCS 41:2022.

Chương 4: Áp dụng tính toán xử lý nền đất yếu cho công trình đắp trên một số dạng cấu trúc nền đất yếu đặc trưng

Chương 4 áp dụng các kết quả nghiên cứu thực nghiệm vào bài toán kỹ thuật tính toán thiết kế công trình đắp trên 3 kiểu cấu trúc nền đất yếu điển hình ven biển đồng bằng sông Hồng:

  • Thiết lập thông số đầu vào và mô hình tính toán: Xác định tải trọng khối đắp, áp lực địa tầng hữu hiệu $\sigma'_0$, quy đổi tải trọng xe cộ tác dụng thành chiều cao đất đắp tương đương ($h_x$), xác định các chỉ tiêu cơ lý và thông số cố kết ($C_c, C_r, e_0, p_c, c_v, c_h$).
  • Kiểm toán trạng thái ban đầu (chưa xử lý nền):
    • Tính toán độ lún tổng cộng ($S$), dự báo tiến trình lún cố kết theo thời gian ($S_t$);
    • Kiểm toán hệ số ổn định trượt của khối đắp theo phương pháp phân mảnh mặt trượt tròn, xác định nguy cơ mất ổn định trượt sâu khi đắp nhanh trên nền sét yếu dạng CTN II.
  • Tính toán thiết kế xử lý nền bằng bấc thấm (PVD):
    • Lựa chọn thông số bấc thấm (chiều rộng $b$, chiều dày $a$, đường kính tương đương $d_e = 2(a+b)/\pi$, khả năng thoát nước $q_w$);
    • Bố trí lưới bấc thấm (khoảng cách cọc $D_{PVD}$, bán kính ảnh hưởng $r_e$, vùng xáo động $d_s/d_e$, hệ số giảm thấm do xáo động $k_h/k_s$);
    • Tính toán mức độ cố kết tổng hợp $U = 1 - (1 - U_v)(1 - U_h)$ theo thời gian;
    • So sánh hiệu quả gia tốc lún cố kết và nâng cao hệ số an toàn ổn định trượt của nền đắp sau khi xử lý bấc thấm trên từng kiểu cấu trúc nền, đặc biệt là kiểu CTN II.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Phân chia cấu trúc nền phục vụ xử lý nền đắp: Luận án đã hệ thống hóa và phân chia nền đất yếu khu vực ven biển đồng bằng sông Hồng thành 3 kiểu cấu trúc nền đặc trưng (CTN I, CTN II, CTN III), làm rõ vị trí và vai trò chi phối của kiểu CTN II đối với bài toán biến dạng lún nền đường đắp.
  2. Làm sáng tỏ hiệu ứng kích thước mẫu thí nghiệm: Luận án bước đầu chứng minh và định lượng được ảnh hưởng của kích thước mẫu dao vòng ($H$ và $\Phi$) đến các đặc trưng cố kết ($C_c, p_c, c_v$) của đất loại sét yếu $amQ_2^3tb$ ven biển đồng bằng sông Hồng. Làm rõ quy luật: tăng $\Phi$ làm tăng nhẹ $c_v$ và $p_c$, giảm nhẹ $C_c$; tăng $H$ làm giảm $c_v$ ở mọi cấp tải trọng. Xác lập mối quan hệ tương quan giữa $c_v$ và $H$ trong khoảng áp lực nén 1 đến 2 kG/cm².
  3. Xác định thông số cố kết hướng tâm: Bước đầu xác định thực nghiệm hệ số cố kết theo phương ngang $c_h$ và tỷ số $c_h/c_v$ của đất sét yếu $amQ_2^3tb$ từ thí nghiệm hộp nén hướng tâm kiểu Rowe.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất

  1. Cung cấp cơ sở khoa học để các phòng thí nghiệm địa kỹ thuật lựa chọn kích thước mẫu và dao vòng thí nghiệm phù hợp, tránh hiện tượng đơn giản hóa quy chuẩn lấy mẫu gây sai lệch thông số cố kết đầu vào.
  2. Đề xuất quy trình và thông số tính toán lún, gia tốc cố kết bằng bấc thấm (PVD) sát hợp với điều kiện địa chất công trình dải ven biển đồng bằng sông Hồng, giúp tối ưu hóa khoảng cách cắm bấc, thời gian chờ lún và chiều cao đắp bù lún cho các dự án hạ tầng giao thông, đê biển.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Đối tượng thực nghiệm chuyên sâu tập trung chủ yếu vào tầng đất loại sét yếu nguồn gốc hỗn hợp sông – biển ($amQ_2^3tb$) thuộc hệ tầng Thái Bình; các phân vị đất yếu có nguồn gốc và tuổi địa chất khác (như hệ tầng Hải Hưng) chưa được thí nghiệm biến thiên kích thước mẫu ở quy mô tương đương.
  • Thí nghiệm cố kết hướng tâm xác định $c_h$ mới được triển khai trên thiết bị hộp nén kiểu Rowe trong phòng; số lượng thí nghiệm đối chứng với thiết bị hiện đại CRS-R và đo đạc tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng CPTu tại hiện trường còn ở mức độ bước đầu.
  • Chưa khảo sát toàn diện biến thiên kích thước mẫu trên dải đường kính lớn hơn ($\Phi > 79,8\text{ mm}$) và chưa tích hợp mô hình hóa số phần tử hữu hạn 3D xét từ biến phi tuyến theo thời gian.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tiếp tục mở rộng nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của kích thước mẫu và sơ đồ thoát nước đối với các loại đất yếu thuộc hệ tầng Hải Hưng ($Q_2^{1-2}hh$) và các trầm tích đầm lầy chứa hữu cơ cao.
  • Tăng cường thí nghiệm hiện trường (CPTu, bàn nén hiện trường) đối chứng với thí nghiệm phòng để chuẩn hóa hệ số quy đổi kích thước mẫu sang quy mô khối đất thực tế.
  • Hoàn thiện mô hình toán học dự báo lún cố kết đa chiều có xét đến tính từ biến dẻo nhớt của khung đất sét yếu ven biển.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cho các đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Địa chất, Địa kỹ thuật Xây dựng, Địa chất Công trình: Tham khảo phương pháp luận nghiên cứu thực nghiệm kích thước mẫu dao vòng, kỹ thuật thí nghiệm cố kết hướng tâm bằng hộp nén Rowe theo BS 1377: Part 6: 1990, và dữ liệu địa chất công trình Đệ tứ dải ven biển đồng bằng sông Hồng.
  • Kỹ sư thiết kế, tư vấn địa kỹ thuật và đơn vị thí nghiệm công trình: Sử dụng các số liệu cơ lý, chỉ số $C_c, p_c$, hệ số $c_v, c_h$ và tỷ số $c_h/c_v$ của đất loại sét yếu $amQ_2^3tb$; áp dụng mô hình phân chia 3 kiểu cấu trúc nền để tính toán thiết kế xử lý nền đường đắp bằng bấc thấm PVD và kiểm toán ổn định trượt.
  • Cơ quan quản lý quy hoạch, xây dựng hạ tầng giao thông và đê điều tại các tỉnh Hải Phòng, Thái Bình, Nam Định, Ninh Bình: Tham khảo để lập giải pháp kỹ thuật nền móng công trình thích ứng với điều kiện địa chất yếu và hiện tượng nước biển dâng.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án nghiên cứu cụ thể loại đất yếu nào và phân bố ở đâu?

Luận án tập trung nghiên cứu đất loại sét yếu nguồn gốc hỗn hợp sông – biển thuộc phân vị địa tầng $amQ_2^3tb$ (thống Holocen, phụ thống thượng, hệ tầng Thái Bình), phân bố phổ biến ở dải ven biển đồng bằng sông Hồng thuộc địa bàn các tỉnh Hải Phòng, Thái Bình, Nam Định và Ninh Bình.

2. Kích thước mẫu thí nghiệm dao vòng ảnh hưởng như thế nào đến hệ số cố kết $c_v$ và chỉ số nén $C_c$?

Kết quả thực nghiệm cho thấy:

  • Khi tăng chiều cao mẫu $H$ (từ 20 mm lên 30 mm và 40 mm), hệ số cố kết thẳng đứng $c_v$ giảm ở tất cả các cấp áp lực nén do chiều dài đường thấm thoát nước tăng lên;
  • Khi tăng đường kính mẫu $\Phi$ (từ 61,8 mm lên 79,8 mm), chỉ số nén $C_c$ giảm nhẹ, trong khi áp lực tiền cố kết $p_c$ và hệ số $c_v$ tăng nhẹ (mức biến động của $C_c$ và $p_c$ là không lớn).

3. Ba kiểu cấu trúc nền (CTN) đất yếu được luận án phân chia gồm những dạng nào?

Tác giả phân chia nền đất yếu ven biển đồng bằng sông Hồng thành 3 kiểu:

  • Kiểu CTN I: Lớp đất tốt nằm trên bề mặt, bên dưới là lớp đất yếu;
  • Kiểu CTN II: Lớp đất yếu nằm trực tiếp ngay trên bề mặt với bề dày lớn (kiểu phổ biến nhất, gây lún lớn và lún kéo dài cho công trình đắp);
  • Kiểu CTN III: Nền đất có cấu tạo xen kẹp giữa các lớp đất tốt và các lớp đất yếu.

4. Luận án xác định hệ số cố kết ngang $c_h$ bằng phương pháp nào và tỷ số $c_h/c_v$ có ý nghĩa gì?

Hệ số cố kết ngang $c_h$ được xác định thông qua thí nghiệm nén cố kết hướng tâm bằng thiết bị hộp nén kiểu Rowe ($\Phi = 62\text{ mm}, H = 30\text{ mm}$, lõi cát hạt nhỏ $0,09 \div 0,3\text{ mm}$) chế tạo theo tiêu chuẩn BS 1377: Part 6: 1990. Tỷ số $c_h/c_v$ xác định từ thực nghiệm giúp thay thế việc lựa chọn khoảng giá trị ước tính rộng $(2 \div 5)c_v$ theo tiêu chuẩn TCCS 41:2022, phục vụ tính toán chính xác khoảng cách cắm bấc thấm (PVD) và thời gian cố kết của nền đắp.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Thị Bích Hạnh đã giải quyết một vấn đề khoa học và thực tiễn cấp thiết trong kỹ thuật địa chất công trình ven biển đồng bằng sông Hồng. Bằng phương pháp thực nghiệm trong phòng có cải biến kích thước mẫu và áp dụng thí nghiệm nén hướng tâm, luận án đã làm sáng tỏ quy luật ảnh hưởng của chiều cao và đường kính mẫu đến các thông số cố kết ($C_c, p_c, c_v, c_h$) của tầng sét yếu $amQ_2^3tb$. Kết quả phân loại 3 kiểu cấu trúc nền và quy trình tính toán xử lý lún bằng bấc thấm PVD cung cấp luận cứ kỹ thuật phục vụ thiết kế, thi công các công trình đất đắp trong khu vực nghiên cứu.