Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH ĐẤT LOẠI SÉT YẾU VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG. PHƯƠNG PHÁP LUẬN NGHIÊN CỨU Đất đá trong xây dựng được nghiên cứu với mục đích sử dụng làm nền, môi trường phân bố các công trình và vật liệu xây dựng. Khi đất đá không thỏa mãn được mục đích trên, phải có các giải pháp cải tạo và xử lý hoặc giải pháp công trình thì gọi là đất yếu. Trong luận án, tác giả đề cập theo quan điểm nghiên cứu đất đá với mục đích sử dụng làm nền và trong mối tương tác với công trình xây dựng.
Với quan điểm này “Đất yếu” là một khái niệm đã, đang và tiếp tục được các Nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Trong hầu hết các nghiên cứu đều cho rằng đất yếu là các loại đất đặc biệt, rất nhạy cảm với điều kiện môi trường và tác dụng của tải trọng công trình, có sức kháng cắt nhỏ, biến dạng lớn và khi xây dựng trên đó bắt buộc phải xử lý và cải tạo hoặc phải có giải pháp công trình đặc biệt. Trong tự nhiên gặp nhiều loại đất yếu có tuổi, nguồn gốc khác nhau (sông, đầm lầy, hồ, biển hoặc trầm tích hỗn hợp của chúng) và thành phần, trạng thái khác nhau (bùn sét, bùn sét pha, bùn cát pha, đất loại sét ở trạng thái dẻo chảy, chảy). Do đặc điểm về vị trí tồn tại mà chúng có thể có hoặc không chứa muối dễ hòa tan và các vật chất hữu cơ….
Đây thường là các thành tạo trẻ, chủ yếu hình thành trong kỷ Đệ tứ, ít gặp có tuổi cổ hơn, phân bố ở nơi có địa hình trũng thấp, ngập nước, cấu tạo khối hay phân lớp,. Đối tượng nghiên cứu là đất loại sét yếu amQ22-3 được sử dụng làm nền cho các công trình giao thông tại các tỉnh ven biển ĐBSCL. Đây là các đất loại sét yếu trạng thái dẻo chảy, chảy, có thể có chứa những thành phần vật chất đặc biệt như muối dễ hòa tan, phèn, hữu cơ và phải thực hiện xử lý ở các mức độ khác nhau. Tổng quan về nghiên cứu tính chất địa chất công trình đất loại sét yếu trên thế giới và ở Việt Nam Đáp ứng nhu cầu xây dựng, đất yếu đã và đang được nghiên cứu phục vụ cho nhiều lĩnh vực xây dựng khác nhau.
Do vậy, đất yếu từ lâu đã trở thành đối tượng đặc biệt được các nhà Khoa học trên thế giới và Việt Nam quan tâm nghiên cứu. 8 * Ngoài nước Khi nghiên cứu đất yếu trong phòng, quan trọng nhất là lấy các mẫu đất cần đảm bảo được tính nguyên trạng của chúng. Điều này được thể hiện trong một loạt các nghiên cứu của các tác giả trên thế giới. Sự thay đổi cấu trúc có ảnh hưởng sâu sắc tới việc xác định các đặc trưng cơ lý của đất (Li,1982; Burland,1990; Tan và nnk,1992; Feng,1992; Zhang,1995; Shen,1998) 103.
Theo số lượng lớn kết quả thí nghiệm trong phòng của Burland (1990), Shen(1998) đã chỉ ra: tính chất cơ lý của đất có sự khác biệt lớn giữa trước và sau khi phá hủy cấu trúc tự nhiên, thể hiện rõ trên các đồ thị nén lún, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng; sức kháng cắt, hệ số cố kết và hệ số thấm của đất. Các kết quả quan trắc ngoài hiện trường của Zhang (1995) cũng đưa ra nhận định tương tự qua các đồ thị quan hệ giữa độ lún và thời gian, sự thay đổi giá trị áp lực nước lỗ rỗng và dịch chuyển ngang theo thời gian. Feng (1992), Li (1982), Tan và nnk (1992) cũng đã nhận định: các tính chất cơ học của đất sét yếu rất khó khôi phục khi phá hủy cấu trúc tự nhiên. Hiện nay, có nhiều phương pháp để đánh giá tính nguyên dạng của mẫu như xác định độ hút dính của đất tại ứng suất hữu hiệu tự nhiên svo’ (Ladd, Lambe,1963; Poirier, 2005), theo biến dạng thể tích (Andresen và Kolstad,1979) hoặc tốc độ truyền sóng cắt (Shibuya và nnk, 2000; Landon và nnk, 2004)86, 125.
Đơn giản và hay sử dụng nhất là phương pháp đánh giá của Andresen và Kolstad (1979). Chỉ tiêu chất lượng mẫu SQD được xác định bằng độ biến dạng khi nén cố kết hoặc độ biến dạng thể tích khi cố kết đẳng hướng trên máy nén ba trục tại ứng suất hữu hiệu tự nhiên. Các mẫu đất có biến dạng thể tích 4% đảm bảo được tính nguyên dạng. Đánh giá chất lượng mẫu nguyên dạng (Andresen, Kolstad 1979) 125 e e Chỉ tiêu đánh giá chất lượng mẫu, SQD Biến dạng thể tích, , % ( = 0 1 ) 1 e1 The specimen quality designation <1 A (hoàn hảo, very good to excellent) 1-2 B (tốt, Good) 2-4 C (khá tốt, Fair) 4-8 D (phá hoại, Poor) >8 E (xấu, Very poor) Ghi chú: e0- hệ số rỗng ban đầu của đất; e1- hệ số rỗng ở cấp áp lực tương ứng với ứng suất hữu hiệu ngoài hiện trường 9 Đối với đất yếu, cần sử dụng các phương pháp thí nghiệm thích hợp.
Nagaraj và nnk (2001)110 đã đề cập phương pháp nghiên cứu thành phần vật chất, đặc điểm cố kết và sức kháng cắt của đất yếu. František Havel (2004)88 đã nghiên cứu đặc điểm từ biến của đất yếu bằng thí nghiệm nén cố kết, nén ba trục đồng thời mô hình hóa trên phần mềm Plaxis 8. Đây là những chỉ dẫn quan trọng đảm bảo cung cấp các chỉ tiêu cơ lý của đất yếu chính xác phục vụ xây dựng công trình. Thành phần vật chất đóng vai trò quyết định tới các tính chất cơ lý của đất cũng như xử lý nền bằng chất kết dính vô cơ và được nhiều nhà nghiên cứu đề cập.
Ohtsubo và nnk (2005)112 đã khẳng định vai trò quan trọng của điều kiện tồn tại tới thành phần vật chất và tính chất cơ lý của đất yếu. Tại Singapore, đất sét có khoáng vật chiếm ưu thế là kaolinit, độ nhạy trung bình và thấp; thì ở Pusan, đất sét có khoáng vật chính là kaonilit, vermiculit, illit và có độ nhạy trung bình; còn ở Nhật Bản thì khoáng vật sét chiếm chủ đạo là smectit, đất có độ nhạy cao. Mặc dù, các tác giả mới chỉ đề cập đến đặc điểm khoáng vật và độ dẻo của một loại đất, nhưng đã làm sáng tỏ, tuy đất yếu có cùng nguồn gốc biển, nhưng điều kiện lắng đọng trầm tích và chịu tác động của các yếu tố môi trường tồn tại không giống nhau thì thành phần khoáng vật và độ nhạy là khác nhau. Thành phần đặc biệt của đất yếu như độ nhiễm mặn đã được V.quan tâm nghiên cứu.
Các vấn đề được đề cập đó là ảnh hưởng của độ mặn đến giới hạn chảy, chỉ số dẻo và sức kháng cắt của đất. Những đóng góp quan trọng được chỉ ra là các đặc trưng trên của đất thay đổi rất phức tạp tùy thuộc vào hàm lượng muối, loại muối và là tiền đề quan trọng cho nghiên cứu đất nhiễm mặn ở nước ta. Đất nhiễm phèn và các tính chất cơ học của đất cũng được nhiều tác giả đề cập như Larsson (2007); Pusch (1973); Eriksson (2000); Westerberg (2005); Eriksson (1992); Andersson (2012)…97, 98, 109, 126, 127. Các tác giả đề cập loại đất bị nhiễm phèn có độ pH < 5,5; hàm lượng SO3>0,5% cùng quan điểm với các nhà thổ nhưỡng học 39 và những thành phần đặc biệt này có ảnh hưởng sâu sắc tới tính chất cơ lý của đất.
10 Các đặc trưng cơ học (sức kháng cắt, cố kết…) của đất yếu được nhiều tác giả đi sâu nghiên cứu. Bjerrum (1967)83 đã chỉ ra: khi lấy mẫu, đất sẽ bị dỡ tải do sự phân bố lại nước trong ống mẫu, khi thí nghiệm cần thiết lập lại điều kiện hiện trường. Hanzawa (1989)90 đã đề cập đến các tính chất cơ học của đất yếu liên quan đến lịch sử tồn tại, đã phân tích những ưu nhược điểm của phương pháp Bjerrum’s, SHANSEP để xác định các thông số kháng cắt. Tác giả đã giải thích đất yếu bị quá cố kết (OCR>1) do ảnh hưởng bởi quá trình nén thứ sinh, xi măng hóa trong thời gian tồn tại.
Kết quả nghiên cứu là nhận định quan trọng minh chứng cho ảnh hưởng của các quá trình địa chất đến quá trình cố kết của đất. Larsson (1986)104 đã phân tích và chỉ ra những đặc điểm cố kết của đất yếu bằng thí nghiệm trong phòng cũng như quan trắc ngoài hiện trường tại nhiều dự án thí nghiệm khác nhau. Tác giả đã nghiên cứu hệ thống đặc điểm và các thông số đặc trưng cho cố kết thấm, khẳng định đất có tính từ biến, chỉ ra các yếu tố ảnh hưởng. Đây là những định hướng quan trọng nghiên cứu cố kết của đất yếu.
Hiroyuki Tanaka (2002)122 đã đưa ra một số nhận định giá trị như chỉ số nén Cc có quan hệ chặt chẽ với giới hạn chảy WL; sức kháng cắt hữu hiệu không phụ thuộc vào chỉ số dẻo mà tính bất đẳng hướng của sức kháng cắt (Sue/Suc - tỷ số sức kháng cắt ở giai đoạn nở ra và nén lại xác định từ thí nghiệm đường ứng suất) mới có quan hệ chặt chẽ với chỉ số dẻo; hệ số Bjerrum để hiệu chỉnh sức kháng cắt có độ chính xác thấp. Kết quả nghiên cứu là những đánh giá quan trọng nhằm định hướng cho công tác nghiên cứu đất yếu. Hệ số cố kết theo phương ngang (ch), hệ số thấm theo phương ngang (kh) quyết định đến việc xử lý nền đất yếu, do đó được nhiều nhà Khoa học đi sâu nghiên cứu. Đã có các nghiên cứu về thiết bị thấm ngang của P.W Rowe (1966)54; Tavenas (1983)112; Seah và nnk (2004)115, 116 và các phương pháp xác định ở trong phòng và ngoài trời khác nhau 81.
Nghiên cứu thành phần vật chất của đất yếu phục vụ xử lý nền bằng chất kết dính vô cơ ngày càng được hoàn thiện thể hiện trong các tài liệu của Kuno (1889), 11 Anon (1990), Mitchell (1981), Balasubramaniam (1988), Bell (1990), Bergado (1996) 80, 82, 112.Các vấn đề đã được đề cập bao gồm: - Đặc điểm gia cố của các loại đất có thành phần hạt, khoáng vật khác nhau; - Loại và liều lượng chất kết dính cần để gia cố; - Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hình thành độ bền của hỗn hợp gia cố; Mitchell(1981)112 đã có những nhận định quan trọng: cường độ kháng nén nở hông qu của hỗn hợp đất hạt thô gia cố xi măng lớn hơn so với các đất bụi, sét được gia cố; lực dính kết c, góc ma sát trong j của hỗn hợp gia cố tăng khi hàm lượng xi măng tăng và kéo dài thời gian bảo dưỡng. Bell (1990)80 đã xác định được ảnh hưởng của các khoáng vật đến khả năng cải tạo đất bằng phương pháp trộn vôi và đưa ra hàm lượng vôi tối ưu cho đất sét kaolinit, montmorilonit.