CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỊA KỸ THUẬT 1. Một số khái niệm và nội dung nghiên cứu Địa kỹ thuật Hoạt động xây dựng luôn có tác động tới môi trường địa chất, làm biến đổi môi trường địa chất, thường là theo hướng bất lợi. Do vậy, hoạt động xây dựng nói chung luôn đòi hỏi phải nghiên cứu MTĐC và giải pháp kỹ thuật công trình nhằm đảm bảo mục tiêu đặt ra ban đầu.
Xa xưa, khi nền kinh tế còn kém phát triển, lĩnh vực xây dựng còn ít phát triển, mục tiêu đặt ra thường chỉ chú trọng tới công trình. Hoạt động nghiên cứu MTĐC có nhiệm vụ chủ yếu là cung cấp thông tin cần thiết cho hoạt động xây dựng. Sự phát triển kinh tế - xã hội đã kéo theo các yêu cầu về chất lượng, phát triển bền vững và bảo vệ môi trường, trong đó có MTĐC. Điều này đặt ra những yêu cầu và mục tiêu cao hơn, do đó phải nghiên cứu MTĐC và giải pháp kỹ thuật công trình một cách hệ thống.
Tính hệ thống càng quan trọng khi nghiên cứu khu vực do sự đa dạng của hoạt động xây dựng và có sự tác động tương hỗ giữa các loại hình xây dựng với MTĐC. Do mục tiêu, trọng tâm nghiên cứu có khác nhau nên quá trình phát triển của lĩnh vực này đã xuất hiện những khái niệm, quan niệm ở những không gian và thời gian khác nhau. Để có khái niệm đầy đủ, phải dựa trên lý thuyết hệ thống. Tiếp cận hệ thống là vận dụng cơ sở khoa học của phép biện chứng về sự thống nhất vật chất của thế giới, về các tương tác và mối liên hệ chung của các vật thể như phương thức phát triển vào biện luận, nghiên cứu, phân tích các đối tượng.
Tất cả các vật chất tự nhiên thực tại mà chúng ta tiếp cận được tạo thành một hệ thống, chúng có mối liên hệ tổng quát và tác động lẫn nhau (tương tác). Tương tác tạo ra vận động tiến hóa của sự vật. Tiếp cận hệ thống xem đối tượng nghiên cứu là một hệ thống, phân tích cấu trúc đẳng cấp các hợp phần của hệ thống, mối liên hệ, tương tác giữa chúng và giữa hệ thống với môi trường bên ngoài, từ đó xác định sự vận động và phát triển của hệ thống [36]. Khi nghiên cứu MTĐC phục vụ mục đích xây dựng công trình, không thể bỏ qua các mối quan hệ tương tác giữa môi trường địa chất với môi trường sống của con người và ngược lại.
Vấn đề này đã sớm được các nhà khoa học Nga quan tâm.K [1], người tiên phong trong vấn đề này đã xây dựng học thuyết về “Địa hệ tự nhiên - kỹ thuật”. Ở Việt Nam, Phạm Văn Tỵ [36] đã đưa ra khái niệm “Địa hệ tự nhiên - kỹ thuật”. Trong cuốn “Cơ sở phương pháp luận địa chất công trình”, Ông quan niệm: Hệ thống tự nhiên kỹ thuật là hệ thống mà hợp phần tương tác của nó là các đối tượng tự nhiên và nhân tạo, trong trường hợp hợp phần tự nhiên là môi trường địa chất thì hệ thống đó được gọi là “Địa hệ tự nhiên - kỹ thuật” [36]. Nói cách khác, Địa hệ tự nhiên - kỹ thuật có hợp phần tương tác là môi trường địa chất (môi trường đất đá) và các đối tượng nhân tạo (Hệ thống kỹ thuật) [36].
Ở đây, “Môi trường địa chất” là phần trên của thạch quyển, nằm trong vùng tương tác với các hoạt động kinh tế-công trình của con người, chi phối và điều tiết các hoạt động đó được gọi là môi trường địa chất (MTĐC). Theo Trần Mạnh Liểu [45], Địa chất công trình truyền thống mới chỉ xem xét ảnh hưởng của MTĐC đến ổn định của công trình và hệ thống kỹ thuật hạ tầng (và mở rộng ra là các hoạt động kinh tế, xây dựng của con người - gọi tắt là hệ thống kỹ thuật), mà chưa xét đến chiều tác động ngược lại từ hệ thống kỹ thuật đến nền địa chất, làm xuất hiện các vấn đề môi trường. Ví dụ: các khu vực có nền địa chất là các trầm tích bở rời - cát, cuội, sỏi được xem như thuận lợi nhất cho xây dựng các công trình bề mặt, nhưng hiện nay xét từ góc độ môi trường sống, xây dựng trên các khu vực đó sẽ dẫn đến tình trạng nhiễm bẩn nước ngầm nhanh chóng. Kế thừa sự phát triển nghiên cứu trong lĩnh vực Địa chất công trình và thiết kế nền móng công trình, đến nay Địa kỹ thuật đang phát triển lên một tầm cao mới.
Để hiểu rõ hơn về khái niệm và nội hàm của nó, có thể sử dụng cách tiếp cận hệ thống và lý thuyết hệ thống nói trên. Theo lý thuyết hệ thống, có thể hiểu khái niệm “Địa kỹ thuật” là tập con của Địa hệ tự nhiên - kỹ thuật (Hình 1.1a), trong đó hệ thống kỹ thuật là các giải pháp kỹ thuật công nghệ tác động vào MTĐC nhằm đáp ứng được các yêu cầu của hoạt động xây dựng, khai thác kinh tế lãnh thổ (Hình 1. Khái niệm “Địa kỹ thuật xây dựng” trong thực tế tương ứng với trường hợp hệ thống kỹ thuật chỉ xét tới các hoạt động xây dựng công trình, được gọi là hệ thống kỹ thuật công trình (Hình 1. 9 Hiện nay, trong nghiên cứu địa kỹ thuật nói chung có hai hướng chuyên sâu là Địa kỹ thuật môi trường và Địa kỹ thuật xây dựng (hay Địa kỹ thuật công trình - Geotechnical engineering).
a) Sơ đồ hệ thống Địa b) Sơ đồ hệ thống địa - kỹ c) Sơ đồ hệ thống địa-kỹ hệ tự nhiên - kỹ thuật thuật thuật xây dựng Hình 1. Sơ đồ từ hệ thống Địa hệ tự nhiên- kỹ thuật, đến hệ thống địa - kỹ xây dựng - Địa kỹ thuật môi trường nghiên cứu hệ thống tương tác giữa các yếu tố của MTĐC với hoạt động kinh tế khai thác lãnh thổ và ảnh hưởng do hoạt động xây dựng, dưới sự tác động tương hỗ của môi trường xung quanh làm biến đổi MTĐC, tác động đến sự phát triển bền vững con người và công trình. Cụ thể: như đất nhiễm bẩn, tàng trữ chất phế thải và ngăn chặn rò rỉ có hại cho cân bằng sinh thái cũng như phế thải phóng xạ… nhằm khai thác hợp lý lãnh thổ và các giải pháp bảo vệ bền vững môi trường địa chất. - Địa kỹ thuật xây dựng (ĐKTXD) nghiên cứu hệ thống MTĐC và các hoạt xây dựng công trình cũng như tác động tương hỗ giữa chúng (Hình 1.
Sơ đồ hệ thống Địa kỹ thuật xây dựng 10 Có thể hiểu khái quát Địa kỹ thuật xây dựng là chuyên môn bao hàm ba chức năng gắn bó hữu cơ với nhau, đó là: - Chức năng khảo sát thu thập thông tin về các đặc điểm, tính chất của MTĐC, hệ thống kỹ thuật công trình (quy mô, loại, mật độ xây dựng công trình, công nghệ thi công hiện có…) và đặc điểm môi trường xung quanh có ảnh hưởng đến hoạt động xây dựng công trình, thông qua việc sử dụng các phương pháp, các kỹ thuật về khảo sát-thăm dò - thí nghiệm, trên nền kiến thức địa chất công trình; - Chức năng phân tích, sử dụng thông tin là chức năng xử lý, phân tích, sử dụng thông tin, bao gồm luận chứng, lựa chọn và thiết kế giải pháp nền móng, biện pháp thi công thích hợp, trên cơ sở kiến thức cơ đất - nền móng; - Chức năng xây dựng, quản lý thông tin: thu thập, hệ thống hóa, chuẩn hóa theo mục đích chuyên môn, đồng thời số hóa, lưu trữ và quản lý thông tin địa kỹ thuật nhằm khai thác tối đa nguồn tài nguyên thông tin. Đây là chức năng có tính thời đại, được thúc đẩy mạnh trong thời kỳ công nghiệp 4. Như vậy ĐKTXD được hiểu là một ngành khoa học thuộc lĩnh vực xây dựng, sử dụng kiến thức, nguyên lý và phương pháp của toán học, vật lý, địa chất công trình, cơ học đất - đá, thủy- động lực, dao động, công nghệ xây dựng… để nghiên cứu tương tác giữa công trình với môi trường địa chất và môi trường xung quanh, nhằm bảo vệ, khai thác hợp lý môi trường địa chất, phục vụ ổn định bền vững công trình xây dựng. - Đối tượng nghiên cứu của ĐKTXD là hệ thống tương tác giữa môi trường địa chất và hệ thống kỹ thuật công trình.
- Nội dung nghiên cứu của ĐKTXD: ngoài nghiên cứu môi trường địa chất phục vụ xây dựng giống như ĐCCT, nó còn nghiên cứu các đặc điểm hệ thống kỹ thuật công trình và môi trường xung quanh của hệ thống kỹ thuật công trình đó; nghiên cứu các phương pháp tính toán, dự báo các vấn đề ĐKT và thiết kế các giải pháp phòng chống hợp lý đảm bảo ổn định lâu dài cho công trình xây dựng và các công trình lân cận. - Các phương pháp nghiên cứu ĐKT chủ yếu sử dụng bao gồm: phương pháp tính toán; phương pháp thực địa; phương pháp địa vật lý; phương pháp thực nghiệm; phương pháp quan trắc,… 11 Để nghiên cứu mối quan hệ, tương tác giữa MTĐC với công trình xây dựng, cần phải làm sáng tỏ điều kiện mối tương tác giữa chúng. Điều kiện, ở đây được hiểu là tình trạng, trạng thái, hoàn cảnh hay các yếu tố có ảnh hưởng có ý nghĩa đến tính toán, thiết kế, thi công xây dựng, nhằm đảm bảo ổn định lâu dài của công trình, bảo vệ môi trường địa chất và công công trình lân cận… Gọi chung là Điều kiện địa kỹ thuật. Do đó điều kiện địa kỹ thuật được hiểu như sau: Điều kiện địa kỹ thuật: là tổng hợp các hoàn cảnh tự nhiên (đặc điểm tự nhiên) và hệ thống kỹ thuật công trình (đã và sẽ xây dựng) trong mối tương tác với nhau cùng với môi trường xung quanh có ý nghĩa đối với thiết kế, xây dựng, sử dụng công trình bền vững.
Như vậy, điều kiện ĐKT được hiểu là tổ hợp các yếu tố về cấu trúc và tính chất của môi trường địa chất (trong đới tương tác) của hệ thống tương tác giữa MTĐC và hệ thống kỹ thuật công trình quyết định đến sự bền vững của hệ thống đó. - Nội dung nghiên cứu điều kiện ĐKT bao gồm các yếu tố: 1 - Đặc điểm đất đá nền bao gồm: đặc điểm cấu trúc địa chất đất đá nền; đặc trưng về tính chất xây dựng của đất đá (sự phân bố trong không gian các đơn nguyên ĐCCT và các đặc trưng cơ lý của chúng); điều kiện tự nhiên ảnh hưởng đến MTĐC và khai thác MTĐC phục vụ xây dựng, bao gồm: vị trí địa lý, khí hậu, địa hình, địa mạo, thuỷ văn và địa chất thủy văn; tân kiến tạo và kiến tạo trẻ, các hiện tượng địa chất động lực công trình; khả năng sử dụng đất đá tại chỗ làm vật liệu xây dựng.