mở đầu, kết luận và kiến nghị, nội dung luận án đƣợc trình bày trong 4 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan các nghiên cứu tính chất cơ lý và ứng dụng cho xử lý nền đất yếu. Chƣơng 2: Điều kiện địa kỹ thuật đồng bằng ven biển Quảng Nam - Đà Nẵng. Chƣơng 3: Nghiên cứu thành phần vật chất và tính chất cơ lý của đất yếu. Chƣơng 4: Cấu trúc nền đất yếu và phân tích lựa chọn thông số đất nền trong tính toán xử lý nền đất yếu.
4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ LÝ VÀ ỨNG DỤNG CHO XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 1.1 Tổng quan về nghiên cứu tính chất cơ lý nền đất yếu 1.1 Khái quát về đất yếu và nền đất yếu Trong tự nhiên, những loại đất yếu thƣờng gặp là đất loại sét (cát pha, sét pha và sét) trạng thái dẻo chảy đến chảy, cát bụi bão hòa nƣớc hoặc các loại đất ở dạng bùn, than bùn,.Tùy thuộc vào thành phần vật chất, phƣơng thức và điều kiện hình thành, vị trí trong không gian, điều kiện địa lý, khí hậu,.mà tồn tại những loại đất yếu khác nhau. Xét theo nguồn gốc, đất yếu có thể đƣợc hình thành trong điều kiện lục địa, vũng vịnh, đầm hồ ở khu vực vùng cửa sông, tam giác châu, vịnh biển hoặc nguồn gốc biển đƣợc hình thành ở khu vực nƣớc nông (<200 m), khu vực thềm lục địa (200 - 3000 m). Đất yếu đƣợc phân chia nhƣ sau: - Đất dính yếu hay còn gọi là đất loại sét yếu trạng thái dẻo chảy đến chảy, độ sệt IL > 0,75. Tên của loại sét yếu này đƣợc gọi theo chỉ số dẻo (PI) và bao gồm cát pha (PI <7), sét pha (PI =7 - 17 ) và đất sét (PI >17).
- Đất bùn hữu cơ, trong nghiên cứu đất xây dựng ngƣời ta thƣờng chia đất hữu cơ theo hàm lƣợng vật chất hữu cơ chứa trong đất yếu và đƣợc gọi tên nhƣ sau: nếu hàm lƣợng hữu cơ <10% đƣợc gọi là bùn hữu cơ, đất than bùn có hàm lƣợng hữu cơ từ 10% - 60% và than bùn có chứa hữu cơ > 60% [1]. Tuy vậy, theo 22TCN262-2000 thì đất than bùn, than bùn đƣợc gộp lại và thƣờng gọi là than bùn với hàm lƣợng hữu cơ từ 20 - 80%, bùn hữu cơ nếu hàm lƣợng hữu cơ < 20%. Ngoài ra, còn gọi tên đất theo mức độ chứa hàm lƣợng hữu cơ: đất chứa ít hữu cơ (2 - 5%), đất chứa hàm lƣợng hữu cơ trung bình (5 - 10%), đất chứa nhiều hữu cơ (10 - 15%) và đất chứa rất nhiều hữu cơ (15 - 20%). Có các loại bùn hữu cơ nhƣ: bùn cát pha (PI< 7; e0= 0,9 - 1,0), bùn sét pha (PI = 7 - 17; e0 = 1,0 - 1,5) và bùn sét (PI >17; e0 >1,5) [2].
Trong các tiêu chuẩn Anh (BS), Mỹ (ASTM) thì than bùn và các loại đất chứa hữu cơ khác có giới hạn chảy và giới hạn dẻo rất cao, chúng đều nằm dƣới đƣờng A trên biểu đồ dẻo và khi gọi tên đất đều phải kèm theo chữ Pt hoặc O nhƣ trên hình 1 phụ lục. 5 - Cát bụi bão hòa nƣớc thuộc loại đất rời hay đất loại cát. Tên gọi loại đất này phải thoả mãn điều kiện: nhóm hạt có đƣờng kính <2 mm chiếm > 50% và nhóm hạt có đƣờng kính >0,1 mm phải <75% [1]. Các công trình nghiên cứu về đất yếu đƣợc đề cập rất nhiều trong các Hội nghị quốc tế về “Cơ học đất, nền và móng” ở trên thế giới: Cambridge (1936), Rotterdam (1948), Paris (1961), Tallin (1965), Riga (1972).
Tuy nhiên, khái niệm về đất yếu cho đến nay vẫn chƣa có sự thống nhất cao.Lomtadze xếp đất yếu vào nhóm đất có thành phần, trạng thái và tính chất đặc biệt [3]. Bên cạnh đó, Lareal Pierre quan niệm đất yếu là đất có khả năng chịu tải thấp (50 -100 kPa), tính nén lún lớn, hầu nhƣ bão hòa nƣớc, hệ số rỗng lớn (e0 >1), môđun biến dạng thấp (Eo< 5000 kPa), sức kháng cắt nhỏ [4]. Theo quan điểm xây dựng của một số nƣớc, đất yếu đƣợc xác định theo tiêu chuẩn về sức kháng cắt không thoát nƣớc Su và chỉ số xuyên tiêu chuẩn N30 (đất rất yếu khi Su ≤ 12,5 kPa hoặc N30 ≤ 2 và đất yếu khi Su ≤ 25 kPa hoặc N30 ≤ 4) [5], [6], [7]. Theo TCVN 9355-2012 đất yếu là loại đất cần phải tiến hành xử lý mới có thể làm nền móng cho công trình.
Các loại đất yếu thƣờng gặp là bùn, đất loại sét ở trạng thái dẻo chảy đến chảy. Những loại đất này thƣờng có độ sệt lớn (IL >0,75), hệ số rỗng lớn (e0 >1), góc ma sát trong nhỏ ( <100), cƣờng độ lực dính đơn vị theo kết quả cắt nhanh không thoát nƣớc c < 15 kPa, sức kháng cắt không thoát nƣớc theo VST Su < 35 kPa, có sức chống mũi xuyên qc < 10 kPa và chỉ số SPT là N30 < 5 [8]. Nền đất là đất yếu nếu ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của đất gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn, cƣờng độ lực dính đơn vị c theo kết quả cắt nhanh không thoát nƣớc c ≤15 kPa, φ = 00 - 100 hoặc sức kháng cắt không thoát nƣớc theo VST Su ≤ 35 kPa [8]. Có thể nhận thấy trên thế giới và trong nƣớc, khái niệm về đất yếu và nền đất yếu cho đến nay vẫn chƣa rõ ràng và nhất quán, bởi lẽ đất có thể xem là “tốt” đối với CTXD này nhƣng lại “yếu” với CTXD khác.
Trên quan điểm xem xét mối quan hệ tƣơng tác giữa tính chất, quy mô tải trọng công trình và sức chịu tải của nền đất, tác giả cho rằng: Đất yếu là đất có khả năng chịu tải thấp (<50 kPa), độ bền kháng cắt thấp (c<10 kPa, φ<80), khả năng biến dạng được đặc trưng bằng hệ số nén lún lớn (a≥ 10 kPa-1) và môđun tổng biến dạng nhỏ (E0≤5000 kPa), không phù hợp làm nền cho công trình.2 Nghiên cứu, sử dụng nền đất yếu trên thế giới Khi nghiên cứu đất yếu, việc đảm bảo đƣợc độ nguyên trạng của mẫu đất ở trong phòng là quan trọng nhất và vấn đề này đƣợc nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu. TCCL của mẫu đất trƣớc và sau khi phá hủy kết cấu tự nhiên có sự khác biệt nhau rất lớn, điều này đƣợc thể hiện rõ trên các đồ thị nén lún, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng, sức kháng cắt và hệ số cố kết thấm của đất. Thông qua các kết quả quan trắc hiện trƣờng, các biểu đồ quan hệ giữa độ lún và thời gian, sự thay đổi ALNLR và dịch chuyển ngang theo thời gian, Zhang đã đƣa ra các nhận định tƣơng tự nhƣ đã đề cập ở trên. Khi bị phá hủy kết cấu tự nhiên thì tính chất cơ học của đất loại sét yếu rất khó khôi phục.
Để đánh giá độ nguyên trạng của mẫu có thể sử dụng nhiều phƣơng pháp khác nhau nhƣ: dựa vào độ hút dính của đất tại ứng suất hữu hiệu tự nhiên v' 0 , tốc độ truyền sóng cắt. Dựa vào độ biến dạng khi nén cố kết hoặc độ biến dạng thể tích khi cố kết đẳng hƣớng trên máy nén ba trục ở trạng thái ứng suất hữu hiệu tự nhiên, Andresen và nnk chỉ ra rằng các mẫu có độ biến dạng thể tích 4% đƣợc xem là đảm e e1 bảo tính nguyên trạng (với 0 , %), đây là phƣơng pháp đơn giản và thƣờng sử 1 e1 dụng nhiều nhất để đánh giá chất lƣợng mẫu (chất lƣợng mẫu: rất tốt 1% ; tốt 1 2% ; khá tốt 2 4% ; mẫu bị phá hoại 4 8% và mẫu xấu 8% ) [6]. Nhằm cung cấp đầy đủ và chính xác các chỉ tiêu cơ lý của đất yếu phục vụ xây dựng đƣờng giao thông, cần phải sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu thích hợp nhƣ phƣơng pháp nghiên cứu thành phần vật chất, đặc điểm sức kháng cắt và cố kết của đất yếu đƣợc đề cập bởi Nagaraj. TPVC là yếu tố đóng vai trò quyết định đến TCCL của đất yếu.
Các nghiên cứu về TPVC, trong đó nghiên cứu về TPKV của Ohtsubo và nnk đã khẳng định điều kiện tồn tại của đất yếu có vai trò quan trọng quyết định tới TPVC và TCCL của đất yếu [10]. Đất loại sét yếu ở Nhật Bản có TPKV chủ yếu là Smectit với độ nhạy cao, đất sét ở Singapore có khoáng vật sét chiếm ƣu thế là Kaolinit với độ nhạy trung bình và thấp, đất loại sét ở Pusan có khoáng vật chính là Vermiculit, Illit và có độ nhạy trung bình [6], [10]. Ngoài ra, các tác giả nhƣ V.Petrukhin cũng đã chú trọng 7 đến việc nghiên cứu ảnh hƣởng của độ nhiễm mặn đến giới hạn chảy, chỉ số dẻo và sức kháng cắt của đất. Các nghiên cứu này đƣợc xem nhƣ là cơ sở cho những nghiên cứu về sau đối với đất nhiễm mặn ở nƣớc ta.
Đất nhiễm phèn và các tính chất cơ học của đất cũng đƣợc nhiều tác giả đề cập [6]. Trong tự nhiên, TCXD của đất đá không chỉ phụ thuộc vào TPVC mà còn phụ thuộc vào đặc điểm kiến trúc của nó (E. Bên cạnh đó, cấu tạo tự nhiên của đất cũng có ý nghĩa quan trọng, quyết định đến TCXD của đất. Mặt khác, các tính chất cơ học của đất yếu cũng đƣợc nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu một cách chuyên sâu.
Thật vậy, từ những năm 20 của thế kỷ trƣớc, đặc tính cố kết của mẫu đất bão hòa nƣớc đã đƣợc nghiên cứu bởi K. Terzaghi dựa trên mô hình thí nghiệm nén một trục và lý thuyết này dần đƣợc hoàn thiện bởi nhiều nhà khoa học trên thế giới [6]. Trên thực tế, các bài toán cố kết một trục của K.Terzaghi vẫn là mô hình chính để tính toán các đặc tính cố kết của đất [5], [11], [12]. Theo lý thuyết của K.
Terzaghi và nnk (1925-1948), quá trình cố kết thấm xảy ra khi áp lực ngoài tác dụng vào đất hoặc do trọng lƣợng của các lớp nằm trên, khi đó đất đƣợc nén chặt và nƣớc lỗ rỗng thoát ra ngoài. Lần đầu tiên K. Nghiên cứu đặc tính cố kết của đất nói chung và đất yếu chứa hữu cơ nói riêng đã đƣợc tiến hành từ lâu trên thế giới.