Tổng quan nghiên cứu

Khu vực miền Đông Nam Bộ và Tây Nguyên sở hữu tầng vỏ phong hóa dày từ 20m đến 30m, nơi quá trình phong hóa nhiệt đới ẩm diễn ra mạnh mẽ trên nền đá bazan cổ và trầm tích lục nguyên. Theo các kết quả khảo sát địa kỹ thuật thực tế, có tới 86,3% các điểm kiểm tra tại khu vực Thủ Đức và lân cận đáp ứng các tiêu chuẩn phân loại đất lún ướt nguy hiểm. Do mực nước ngầm thường nằm sâu dưới mặt đất tự nhiên, các lớp đất loại sét tầng mặt thường duy trì ở trạng thái độ bão hòa thấp dưới 60% và có tính háo nước cao.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm xuất phát từ rủi ro các công trình xây dựng bị lún lệch, nứt vỡ hoặc trượt lở móng khi nền đất tiếp xúc với nguồn nước mưa hoặc nước sinh hoạt rò rỉ. Mục tiêu cụ thể của luận văn là xác định sự suy giảm các đặc trưng cơ lý, biến dạng và độ bền của đất loại sét khi chuyển từ trạng thái tự nhiên sang trạng thái bão hòa nước hoàn toàn. Phạm vi thực nghiệm tập trung vào 15 vị trí lấy mẫu đại diện ở độ sâu từ 0,4m đến 1,9m tại thành phố Hồ Chí Minh, Bình Dương và Đồng Nai, hoàn thành trong giai đoạn 11 tháng nghiên cứu chuyên sâu.

Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc cảnh báo kỹ thuật xây dựng hạ tầng: khi đất bị tẩm ướt, mô đun biến dạng giảm từ 41,2% đến 71,9% và sức chịu tải của nền đất giảm trên 50%, giúp các kỹ sư công trình chủ động điều chỉnh giải pháp thiết kế móng nông, ngăn ngừa sự cố lún sập đột ngột.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn vận dụng lý thuyết cơ học đất không bão hòa và mô hình phá hoại cấu trúc của Casagrande kết hợp với mô hình cơ chế liên kết hạt của Barden và Mitchell. Cấu trúc đất lún ướt được hình thành bởi khung hạt thô liên kết qua các cầu nối sét - bụi và lực mao dẫn âm. Khi độ ẩm tăng cao, áp lực nước lỗ rỗng âm triệt tiêu làm các mối nối liên kết bị hòa tan hoặc trôi dạt, dẫn đến hiện tượng sụp đổ kết cấu rỗng.

Nghiên cứu áp dụng 3 khái niệm và chỉ số định lượng cốt lõi:

  • Hệ số lún ướt tương đối ($a_m$): Biểu thị tỷ lệ biến thiên thể tích lỗ rỗng dưới tải trọng khi bị tẩm ướt theo công thức $a_m = \frac{\Delta e}{1 + e_0}$, trong đó giá trị $a_m \ge 0,01$ là ngưỡng xác định đất có tính lún ướt theo TCVN 9362:2012 và tiêu chuẩn xây dựng SNiP II-15-74.
  • Áp lực lún ướt ban đầu ($P_a$): Giá trị ứng suất nhỏ nhất gây ra độ lún ướt tương đối $a_m = 0,01$ khi ngập nước hoàn toàn.
  • Độ rỗng đại ($e_m$): Phần rỗng cấu trúc không bền vững quy định mức độ nguy hiểm của nền đất khi chịu tải.

Hệ thống phân loại đất lún ướt trong luận văn được đối chiếu toàn diện qua các mô hình lý thuyết của Denisov, Priklonski, Gibbs & Bara, Feda và Holtz & Hilf.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ 15 mẫu đất nguyên dạng tại 3 vùng địa chất trọng điểm phía Nam: khu vực Thủ Đức (TP.HCM) với 6 mẫu, Dĩ An và Thuận An (Bình Dương) với 5 mẫu, và Long Thành - Dầu Giây (Đồng Nai) với 4 mẫu. Phương pháp chọn mẫu áp dụng là đào hố thủ công ở tầng mặt độ sâu 0,4m đến 1,9m bằng dao vòng chuyên dụng nhằm bảo toàn 100% cấu trúc hạt và độ ẩm tự nhiên, loại bỏ các xáo động cơ học do thiết bị khoan tạo ra.

Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm được lựa chọn nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn quốc gia:

  • Thí nghiệm nén lún Oedometer: Thực hiện song song phương pháp 1 đường cong và 2 đường cong nén với 6 cấp áp lực từ 25 kPa đến 800 kPa nhằm bóc tách chính xác độ lún thuần túy và độ lún sập do nước.
  • Thí nghiệm cắt trực tiếp: Tiến hành theo tiêu chuẩn TCVN 4199:1995 trên 2 trạng thái mẫu tự nhiên và mẫu ngâm bão hòa từ 6 đến 12 giờ dưới 3 cấp áp lực pháp tuyến để đánh giá độ suy giảm lực dính ($c$) và góc ma sát trong ($\varphi$).

Toàn bộ quá trình thực nghiệm được triển khai từ tháng 01/2014 đến tháng 12/2014 tại Trung tâm Nghiên cứu và Ứng dụng Địa chất thuộc Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả thực nghiệm trên 15 bộ mẫu đất sét pha và cát pha đã lượng hóa rõ nét sự thay đổi đặc trưng cơ lý của đất khi bị bão hòa:

  1. Áp lực lún ướt ban đầu xuất hiện ở ngưỡng tải rất thấp: Đa phần các mẫu đất có giá trị áp lực lún ướt ban đầu $P_a < 100\text{ kPa}$, cá biệt nhiều mẫu chỉ cần áp lực $25 - 50\text{ kPa}$ đã bắt đầu lún ướt. Điều này chỉ ra nền đất sẽ lún sập ngay dưới tải trọng bản thân của lớp đắp hoặc các móng công trình tải trọng nhỏ.
  2. Suy giảm mạnh mẽ mô đun biến dạng: Tại cấp áp lực tiêu chuẩn $100 - 200\text{ kPa}$, mô đun tổng biến dạng ($E$) của đất ở trạng thái bão hòa giảm trung bình 41,2% so với trạng thái tự nhiên. Đối với đất tàn tích chứa nhiều bột sét, mô đun biến dạng sụt giảm tới 68% - 71,9% (từ mức $40 - 64\text{ kG/cm}^2$ xuống chỉ còn $6,3 - 37,8\text{ kG/cm}^2$).
  3. Áp lực tiền cố kết ($p_c$) sụt giảm: Giá trị $p_c$ sau khi ngâm ướt giảm bình quân 39%, khiến khoảng ứng suất đàn hồi của nền đất bị thu hẹp đáng kể, làm gia tăng nhanh chóng độ lún dẻo không hồi phục.
  4. Độ bền chống cắt bị phá hủy nghiêm trọng: Lực dính kết ($c$) sụt giảm mạnh nhất trong các chỉ tiêu cơ học, dao động giảm từ 68,6% đến 96,8% (giá trị suy giảm bình quân đạt 86%). Góc ma sát trong ($\varphi$) giảm từ 6,9% đến 28,6% (bình quân giảm 18,2%), làm sức chịu tải tiêu chuẩn của nền móng giảm hơn 50% (từ $34 - 39\text{ T/m}^2$ xuống còn $16,75\text{ T/m}^2$).

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi của sự suy giảm tính chất cơ lý nằm ở sự triệt tiêu lực dính kết kiến trúc. Trong trạng thái khô ($S_r < 60%$), các ion hòa tan và màng nước liên kết mỏng tạo nên lực dính biểu kiến cao giúp đất chịu tải tốt. Khi nước thâm nhập hoàn toàn ($S_r = 100%$), màng nước dày lên làm vô hiệu hóa lực mao dẫn và rửa trôi các liên kết sét - carbonat.

Dữ liệu thực nghiệm khi biểu diễn qua biểu đồ đường cong nén lún hai nhánh $e - P$ thể hiện sự phân tách rất lớn giữa nhánh tự nhiên và nhánh bão hòa. Biểu đồ quan hệ giữa hệ số lún ướt tương đối ($a_m$) và hàm lượng hạt sét chỉ ra một quy luật rõ rệt: đất có hàm lượng hạt sét trong khoảng 18% đến 27% xuất hiện tính lún ướt mạnh nhất. Khi hàm lượng hạt sét dưới 17%, lực dính không đủ lớn để tạo khung xốp; ngược lại, khi hàm lượng hạt sét vượt quá 28%, đất tự lèn chặt và duy trì độ ẩm tự nhiên cao nên hệ số lún ướt giảm xuống.

Kết quả này hoàn toàn tương thích với các nghiên cứu trước đây của Huỳnh Ngọc Sang và Trà Thanh Phương tại khu vực Thủ Đức và Tây Nguyên, khẳng định sự suy giảm sức chống cắt và biến dạng khi bão hòa là đặc tính bản chất của đất phong hóa miền Đông Nam Bộ.

Đề xuất và khuyến nghị

Để đảm bảo an toàn tuyệt đối cho công trình xây dựng trên nền đất có đặc điểm lún ướt, tác giả đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể:

  1. Bắt buộc bổ sung quy trình thí nghiệm lún ướt trong khảo sát: Các đơn vị khảo sát địa chất khi khoan khảo sát tại Đông Nam Bộ và Tây Nguyên ở độ sâu $0 - 5\text{m}$ phải tiến hành thí nghiệm nén Oedometer 2 đường cong và cắt bão hòa theo TCVN 4199:1995. Mục tiêu là phát hiện 100% các lớp đất có hệ số lún ướt $a_m \ge 0,01$ trước khi lập bản vẽ thiết kế.
  2. Cải tạo nền đất tầng mặt bằng đệm cát hoặc đầm chặt: Tiến hành bóc bỏ lớp đất phong hóa mặt dày $1,0 - 1,5\text{m}$ và thay thế bằng tầng đệm cát đầm chặt hoặc thực hiện lu lèn đất tại chỗ đạt dung trọng khô $\gamma_d \ge 15,5\text{ kN/m}^3$ nhằm triệt tiêu độ rỗng đại, giảm hệ số rỗng ban đầu xuống dưới $0,55$.
  3. Thiết kế hệ thống tiêu thoát nước mặt nghiêm ngặt: Bố trí rãnh thu nước, sân lát bê tông chống thấm xung quanh chân công trình với chiều rộng tối thiểu $2,0 - 3,0\text{m}$, kiểm soát triệt để hiện tượng rò rỉ đường ống ngầm nhằm giữ độ bão hòa đất dưới ngưỡng $S_r = 60%$.
  4. Hiệu chỉnh sức chịu tải tính toán móng nông: Khi tính toán kích thước đáy móng, kỹ sư kết cấu cần áp dụng hệ số suy giảm sức chịu tải tối thiểu 50% hoặc sử dụng trực tiếp các chỉ tiêu cường độ bão hòa ($c_w, \varphi_w$) theo khuyến cáo của luận văn, nâng hệ số an toàn thiết kế nền móng từ 1,2 lên 2,0.

Chủ đầu tư và các đơn vị tư vấn thiết kế cần áp dụng đồng bộ các giải pháp này ngay từ giai đoạn lập dự án và thi công trong thời gian 3 đến 6 tháng đầu tiên của công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và số liệu thực nghiệm trong luận văn mang lại giá trị ứng dụng cao cho 4 nhóm đối tượng:

  • Kỹ sư thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật: Nắm vững thông số suy giảm mô đun biến dạng 41,2% và sức chịu tải trên 50% để lựa chọn giải pháp móng đơn, móng băng hay móng cọc phù hợp, tránh lún lệch công trình.
  • Kỹ sư và đơn vị khảo sát địa chất công trình: Tiếp cận quy trình thí nghiệm nén lún Oedometer 2 đường cong chuẩn mực để xây dựng đề cương khảo sát chính xác cho các dự án tại Bình Dương, Đồng Nai và TP.HCM.
  • Ban quản lý dự án và nhà thầu thi công hạ tầng: Có cơ sở khoa học để lập biện pháp thi công chống ngập úng hố móng, bảo vệ nền đất trong mùa mưa bão, hạn chế phát sinh chi phí xử lý sự cố.
  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Xây dựng: Sử dụng tài liệu như một nguồn tham khảo phong phú về cơ học đất không bão hòa, phương pháp chỉnh lý số liệu thí nghiệm cơ lý và mô hình hóa ứng xử nền đất phong hóa nhiệt đới.

Câu hỏi thường gặp

Đất lún ướt là gì và tại sao lại gây nguy hiểm cho móng công trình?

Đất lún ướt là loại đất có kết cấu xốp và độ bão hòa tự nhiên thấp ($S_r < 60%$). Khi bị ngập nước dưới tải trọng công trình giữ nguyên, đất xảy ra hiện tượng biến dạng nén sập đột ngột do liên kết xi măng giữa các hạt bị phá hủy, làm móng bị lún nhanh chóng từ vài centimet đến hàng chục centimet, gây nứt vỡ kết cấu bên trên.

Tiêu chí nào giúp xác định đất có tính lún ướt trong phòng thí nghiệm?

Theo tiêu chuẩn xây dựng, chỉ tiêu định lượng chính xác nhất là hệ số lún ướt tương đối $a_m = \frac{\Delta e}{1 + e_0}$. Nếu dưới cấp tải trọng bất kỳ (ví dụ $100\text{ kPa}$ hoặc $200\text{ kPa}$) mẫu đất ngâm nước cho giá trị $a_m \ge 0,01$, lớp đất đó được xác định là đất lún ướt.

Vì sao lực dính kết ($c$) của đất giảm tới 86% sau khi bị tẩm ướt?

Lực dính kết ban đầu ở trạng thái khô chủ yếu tạo bởi sức căng bề mặt màng nước mao dẫn và chất kết dính sét mịn. Khi bão hòa nước hoàn toàn, các màng nước liên kết hòa tan, các hạt mịn bị phân tán khiến lực dính sụt giảm nghiêm trọng từ mức $0,20 - 1,20\text{ kG/cm}^2$ xuống chỉ còn $0,05 - 0,12\text{ kG/cm}^2$.

Phương pháp nén lún 1 đường cong và 2 đường cong khác nhau như thế nào?

Phương pháp 1 đường cong sử dụng một mẫu đất duy nhất, tăng tải đến áp lực chỉ định rồi mới châm nước quan trắc lún bổ sung. Phương pháp 2 đường cong dùng hai mẫu đất song song (một mẫu giữ độ ẩm tự nhiên, một mẫu ngâm bão hòa hoàn toàn), cho phép vẽ biểu đồ $e - P$ toàn diện ở tất cả các cấp áp lực từ $25\text{ kPa}$ đến $800\text{ kPa}$.

Giải pháp xử lý móng nào hiệu quả nhất khi gặp tầng đất sét lún ướt dày?

Đối với công trình thấp tầng, giải pháp tối ưu là thay lớp đất lún ướt bằng đệm cát đầm chặt kết hợp mương thoát nước mặt. Đối với công trình tải trọng lớn hoặc tầng đất lún ướt dày trên $3\text{m}$, giải pháp an toàn nhất là sử dụng móng cọc xuyên qua tầng đất phong hóa cắm vào tầng địa chất ổn định bên dưới.

Kết luận

  • Luận văn đã xác định đất loại sét phong hóa tại Thủ Đức, Bình Dương và Đồng Nai có tính lún sập rõ rệt với áp lực lún ướt ban đầu đa số nhỏ hơn $100\text{ kPa}$.
  • Khi bị tẩm ướt bão hòa, mô đun tổng biến dạng của đất giảm bình quân 41,2% và áp lực tiền cố kết $p_c$ giảm 39%.
  • Độ bền chống cắt bị suy thoái mạnh với lực dính kết $c$ giảm trung bình 86% và góc ma sát trong $\varphi$ giảm 18,2%, dẫn tới sức chịu tải của nền móng giảm hơn 50%.
  • Đóng góp quan trọng của công trình là cung cấp hệ thống số liệu định lượng chuẩn xác, hỗ trợ công tác lập quy chuẩn khảo sát và thiết kế nền móng theo TCVN 9362:2012.
  • Các đơn vị tư vấn và thi công cần triển khai ngay các giải pháp thoát nước bề mặt, đầm nén nền đất và hiệu chỉnh kích thước đáy móng để ngăn ngừa triệt để nguy cơ sự cố công trình.