Luận án tiến sĩ nghiên cứu tính chất xây dựng của đất loại sét yếu holocen vùng đồng bằng quảng trị thừa thiên huế

Luận án tiến sĩ nghiên cứu tính chất xây dựng của đất loại sét yếu Holocen tại vùng đồng bằng Quảng Trị - Thừa Thiên Huế, ứng dụng trong công trình địa kỹ thuật.

• Tác giả: Hoàng Thị Sinh Hương
• Người hướng dẫn: TS. Trần Hữu Tuyên
• Trường học: Đại học Huế - Trường Đại học Khoa học
• Chuyên ngành: Địa chất học
• Đề tài: Nghiên cứu tính chất xây dựng của đất loại sét yếu Holocen vùng đồng bằng Quảng Trị - Thừa Thiên Huế
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Huế

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỤC LỤC
• 1.1. DANH MỤC BIỂU BẢNG
• 1.2. DANH MỤC HÌNH VẼ
• 1.3. DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• 1.4. DANH MỤC PHỤ LỤC
• 2. MỞ ĐẦU
• 2.1. Tính cấp thiết, ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài luận án
• 2.2. Mục tiêu của đề tài luận án
• 2.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 2.4. Nhiệm vụ của đề tài luận án
• 2.5. Nội dung nghiên cứu
• 2.6. Phương pháp nghiên cứu của đề tài luận án
• 3. TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU LÀM NỀN CÔNG TRÌNH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH XÂY DỰNG CỦA ĐẤT
• 3.1. Đất yếu, cấu trúc nền đất yếu
• 3.2. Cấu trúc nền đất yếu
• 3.3. Sơ lược các phương pháp nghiên cứu đất yếu
• 3.4. Đặc điểm tính xây dựng của đất
• 3.5. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước
• 3.5.1. Trên thế giới
• 4. ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÙNG NGHIÊN CỨU
• 4.1. Vị trí, giới hạn phạm vi vùng nghiên cứu
• 4.2. Đặc điểm địa hình - địa mạo
• 4.3. Đặc điểm khí hậu
• 4.4. Đặc điểm mạng thủy văn, hải văn
• 4.4.1. Đặc điểm mạng thủy văn
• 4.4.2. Đặc điểm địa chất Đệ tứ
• 4.4.2.1. Pleistocen thượng, phần trên (Q 13)
• 4.4.2.2. Holocen hạ-trung (Q21-2)
• 4.4.2.3. Holocen trung-thượng (Q22-3)
• 4.4.2.4. Holocen thượng (Q23)
• 4.4.3. Địa chất thủy văn
• 5. ĐẶC TÍNH XÂY DỰNG CỦA CÁC ĐẤT LOẠI SÉT YẾU HOLOCEN VÙNG ĐỒNG BẰNG QUẢNG TRỊ - THỪA THIÊN HUẾ
• 5.1. Đặc điểm phân bố các đất loại sét yếu Holocen
• 5.2. Đặc điểm thành vật chất (khoáng vật, hóa học, hữu cơ) của đất
• 5.3. Phương pháp lựa chọn mẫu và thí nghiệm
• 5.4. Phương pháp và kết quả nghiên cứu
• 5.4.1. Các đặc trưng vật lý của đất
• 5.4.2. Các đặc trưng cơ học của đất
• 5.4.2.1. Sức kháng cắt
• 5.4.2.2. Tính biến dạng lún của đất
• 5.4.2.3. Nghiên cứu bổ sung các đặc trưng cơ học động của đất
• 5.4.3. Thiết bị thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu
• 5.4.4. Kết quả thí nghiệm cắt trượt động
• 5.4.5. Nghiên cứu tính nén lún của đất bùn á sét hệ tầng Phú Bài khi chịu cắt trượt động chu kỳ không thoát nước
• 6. NGHIÊN CỨU, KHAI THÁC SỬ DỤNG HỢP LÝ CÁC ĐẤT LOẠI SÉT YẾU HOLOCEN
• 6.1. Phân chia các kiểu cấu trúc nền đất yếu Holocen đặc trưng và kiến nghị sử dụng đất làm nền cho các công trình xây dựng
• 6.2. Phân chia các kiểu cấu trúc nền đặc trưng vùng nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu
• 6.3. Kiến nghị bổ sung các phương pháp nghiên cứu đất yếu vùng nghiên cứu
• 6.4. Các nghiên cứu hiện trường
• 6.5. Công tác thí nghiệm trong phòng
• 7. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 7.1. Các kết quả đạt được của luận án
• 7.2. Những tồn tại và hướng nghiên cứu tiếp theo
• CÁC CÔNG BỐ TRÊN TẠP CHÍ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tính cấp thiết và ý nghĩa của nghiên cứu

Nghiên cứu tính chất xây dựng của đất sét yếu Holocen tại đồng bằng Quảng Trị - Thừa Thiên Huế có ý nghĩa quan trọng trong bối cảnh phát triển kinh tế - xã hội bền vững. Vùng đồng bằng này có cấu trúc địa chất phức tạp, với nhiều loại đất yếu có đặc tính xây dựng biến đổi phức tạp. Việc hiểu rõ về tính chất xây dựng của các loại đất này sẽ giúp cải thiện chất lượng công trình xây dựng, giảm thiểu rủi ro và thiệt hại do sự cố công trình. Đặc biệt, nghiên cứu này sẽ cung cấp cơ sở dữ liệu cần thiết cho việc khai thác và sử dụng hợp lý tài nguyên đất, bảo vệ môi trường địa chất. Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần nâng cao nhận thức về đặc điểm phân bố, thành phần vật chất, và các đặc trưng cơ học của đất sét yếu Holocen, từ đó đưa ra các kiến nghị hợp lý cho việc sử dụng đất làm nền cho các công trình xây dựng.

II. Đặc điểm địa chất và điều kiện tự nhiên vùng nghiên cứu

Vùng đồng bằng Quảng Trị - Thừa Thiên Huế có vị trí địa lý đặc biệt, nằm sát ven biển Bắc Trung Bộ. Đặc điểm địa hình và địa mạo của vùng này đã tạo ra nhiều loại đất yếu, đặc biệt là đất sét yếu Holocen. Các yếu tố khí hậu, thủy văn và địa chất Đệ tứ đã ảnh hưởng đến sự hình thành và phát triển của các loại đất này. Đặc biệt, sự phân bố của các trầm tích trẻ trong vùng đã tạo ra các loại đất yếu với tính chất xây dựng phức tạp. Việc nghiên cứu các đặc điểm này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về đặc điểm phân bố của đất mà còn giúp đánh giá được tính chất cơ lý của chúng, từ đó đưa ra các giải pháp hợp lý cho việc khai thác và sử dụng đất trong xây dựng.

III. Đặc tính xây dựng của đất sét yếu Holocen

Đặc tính xây dựng của đất sét yếu Holocen tại vùng đồng bằng Quảng Trị - Thừa Thiên Huế được xác định qua nhiều yếu tố như thành phần khoáng vật, hàm lượng hữu cơ, và các đặc trưng vật lý. Các nghiên cứu cho thấy rằng đất sét yếu có khả năng chịu tải kém, dễ bị lún và biến dạng dưới tác động của tải trọng. Sức kháng cắt và tính biến dạng lún của đất cũng là những yếu tố quan trọng cần được xem xét. Việc nghiên cứu các đặc tính này sẽ giúp xác định được khả năng sử dụng đất làm nền cho các công trình xây dựng, đồng thời đưa ra các biện pháp gia cố nền đất yếu hiệu quả. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp thông tin quý giá cho các kỹ sư và nhà thiết kế trong việc lựa chọn phương pháp xây dựng phù hợp.

IV. Phương pháp nghiên cứu và kết quả

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong luận án bao gồm thu thập tài liệu, khảo sát thực địa, và thực nghiệm trong phòng. Các thí nghiệm được thực hiện nhằm xác định thành phần hạt, khoáng hóa, và các tính chất cơ lý của đất sét yếu. Kết quả cho thấy rằng đất sét yếu Holocen có sự biến đổi đáng kể về tính chất cơ lý theo chiều sâu và vị trí địa lý. Các số liệu thu thập được sẽ giúp xây dựng cơ sở dữ liệu về tính chất xây dựng của đất, từ đó đưa ra các kiến nghị về việc sử dụng đất trong xây dựng. Việc áp dụng các phương pháp nghiên cứu hiện đại sẽ giúp nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.

V. Kiến nghị và ứng dụng thực tiễn

Dựa trên kết quả nghiên cứu, các kiến nghị được đưa ra nhằm khai thác và sử dụng hợp lý đất sét yếu Holocen trong xây dựng. Việc phân chia các kiểu cấu trúc nền đất yếu và đề xuất các giải pháp gia cố nền đất là rất cần thiết để đảm bảo an toàn cho các công trình xây dựng. Ngoài ra, nghiên cứu cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc bảo vệ môi trường địa chất trong quá trình khai thác và sử dụng tài nguyên đất. Kết quả nghiên cứu không chỉ có giá trị trong lĩnh vực xây dựng mà còn có thể áp dụng trong các nghiên cứu địa chất khác, góp phần nâng cao nhận thức về tính chất xây dựng của đất tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU LÀM NỀN CÔNG TRÌNH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH XÂY DỰNG CỦA ĐẤT 1. Đất yếu, cấu trúc nền đất yếu 1. Đất yếu Đất yếu gồm các loại đất, nhìn chung không thuận lợi cho việc sử dụng chúng trong xây dựng (làm nền, môi trường bố trí các công trình xây dựng và vật liệu xây dựng), thường rất nhạy cảm với điều kiện môi trường và tác dụng của tải trọng công trình. Nghiên cứu về đất yếu hiện nay vẫn có nhiều quan điểm khác nhau, trong đó phổ biến nhất là hai quan điểm [47]: - Quan điểm thứ nhất: “Đất yếu” là các loại đất có sức kháng cắt nhỏ, biến dạng lớn và khi xây dựng công trình trên đó bắt buộc phải xử lý hoặc có các giải pháp kết cấu công trình đặc biệt.

Điều này thể hiện rõ qua các tiêu chuẩn xây dựng đã ban hành ở nước ta như: TCVN 9355:2012, tiêu chuẩn 22TCN 262:2000 [41], [43]. Theo quan điểm này, thuộc vào đất yếu bao gồm: bùn các loại, đất loại sét (sét, á sét, á cát) ở trạng thái chảy hoặc dẻo chảy. Những loại đất này thường có độ sệt lớn (Is > 1 hoặc xấp xỉ 1), hệ số rỗng tự nhiên lớn (thường e0 > 1), góc ma sát trong φ < 10°, lực dính kết không thoát nước C < 0,15 kg/cm2, lực dính kết theo kết quả cắt cánh tại hiện trường Su < 0,35 kg/cm2, sức kháng mũi (xuyên tĩnh) qc < 10 kg/cm2 và giá trị xuyên tiêu chuẩn SPT là N30 < 5. Trong thực tế ĐCCT, quan điểm này thường được sử dụng khi lập các bản đồ chuyên môn, phục vụ quy hoạch và khai thác lãnh thổ.

- Quan điểm thứ hai: “Đất yếu” phụ thuộc vào mối tương quan giữa khả năng chịu lực của nền đất với tải trọng công trình truyền xuống. Vì thế, cùng một loại đất nền, đối với công trình này đất không có khả năng chịu tải thì gọi là đất nền yếu; với công trình khác đất nền đáp ứng được khả năng chịu tải thì đất lại không phải là đất yếu. Trong thực tế ĐCCT, quan điểm này thường được sử dụng khi nghiên cứu cho một đối tượng xây dựng cụ thể. 7 Theo tác giả luận án: đất yếu là loại đất có khả năng chịu tải trọng công trình rất thấp và có các tính chất cơ lý đặc trưng như: khối lượng đơn vị thể tích tự nhiên nhỏ γw, ≤ 1,7 g/cm3, hệ số rỗng lớn e ≥ 1, độ ẩm cao W ≥ 40%, độ bão hòa nước SR, ≥ 80 %, sức chịu tải bé: R = (50-100) kPa, mô đun tổng biến dạng thấp E0 ≤ 5000 kPa, hệ số nén lớn a ≥ 10 kPa-1, góc ma sát trong bé : φ ≤ 100, lực dính nhỏ: c ≤ 10 kPa.

Do đó, khi xây dựng công trình trên đó bắt buộc phải xử lý và cải tạo hoặc phải có giải pháp công trình đặc biệt. Cấu trúc nền đất yếu +) Khái niệm về đất nền, nền đất - Đất nền: là đất được nghiên cứu và sử dụng làm nền cho các công trình xây dựng. - Nền đất: nền là đất (mềm dính, mềm rời) nằm trong phạm vi ảnh hưởng của công trình xây dựng. +) Cấu trúc nền đất yếu Trong phạm vi nền công trình - phạm vi đới hoạt động nén ép - có mặt một hoặc nhiều lớp "đất yếu" ảnh hưởng đến sự ổn định của công trình (có nguy cơ gây biến dạng lớn và mất ổn định công trình) được gọi là “Nền đất yếu” [47].

Khi công trình xây dựng trên nền đất đá sẽ xảy ra tương tác giữa công trình xây dựng và nền đất. Hình dạng, quy mô, kết cấu công trình, đặc điểm đất đá làm nền và các giải pháp nền móng sẽ quyết định đến phạm vi của vùng tương tác giữa công trình và nền, cũng như các quá trình cơ - lý, hóa - lý diễn ra trong chúng. Mặt khác, giữa công trình, nền, môi trường địa chất lại có quan hệ mật thiết và tác động qua lại lẫn nhau theo cả thời gian và không gian. Khái niệm “Cấu trúc nền” không chỉ phản ánh những đặc điểm cấu trúc địa chất tồn tại một cách khách quan trong phạm vi ảnh hưởng của công trình mà còn phản ánh các đặc điểm ĐCCT khác của đất đá trong mối quan hệ biến đổi cả về thời gian và không gian của chúng.

Như vậy, CTN phản ánh đầy đủ mối quan hệ địa tầng với các thành tạo đất đá; kết quả tương tác giữa các yếu tố công trình - CTN và môi trường địa chất, mỗi lớp đất đá đóng vai trò nhất định trong nền và được đặc trưng bởi thành phần, kiến trúc, 8 cấu tạo, trạng thái và tính chất riêng biệt. Tổ hợp các đất nền hình thành nên một kiểu cấu trúc nền. Về mặt không gian, CTN công trình được giới hạn bởi phạm vi ảnh hưởng của công trình chủ yếu theo chiều sâu. Nếu chiều sâu nghiên cứu khác nhau, việc phân chia CTN không thống nhất được.

Vì vậy, tùy theo từng vùng nghiên cứu, tùy mục đích, nhiệm vụ nghiên cứu, tùy số lượng và chiều sâu công trình thăm dò đã có, xác lập chiều sâu cần đạt đến để phân chia các kiểu CTN khác nhau. Trên cơ sở đó, CTN đất yếu được hiểu là CTN có liên quan trực tiếp với các thành tạo đất yếu, nó có ý nghĩa quan trọng đến sự mất ổn định của công trình. Các lớp đất khác có khả năng chịu lực cao hơn thường là vị trí lựa chọn tựa cọc hay là giới hạn xử lý nền công trình. Ngoài ra, biến đổi môi trường cũng có ảnh hưởng đến sự làm việc của nền đất cần được xem xét.

Khái niệm “cấu trúc nền” mang ý nghĩa bao gồm cả nội dung về địa tầng và cấu tạo địa chất. CTN là cơ sở địa chất để giúp các nhà thiết kế lựa chọn được giải pháp nền móng hợp lý. Do đó, khi nghiên cứu CTN đất yếu cần phải xác định được phạm vi nghiên cứu, đặc điểm cấu trúc địa chất, sự phân bố không gian của các lớp đất đá và đặc trưng về TCXD của chúng, các yếu tố ĐCTV và môi trường xung quanh có ảnh hưởng đến sự ổn định của công trình. Như vậy, cấu trúc nền đất yếu là trong phạm vi nền đất, địa tầng có phân bố một hoặc nhiều lớp đất yếu, cần phải có giải pháp nền móng và công trình thích hợp.

Sơ lược các phương pháp nghiên cứu đất yếu Để nghiên cứu đất đá yếu trong xây dựng, ngoài công tác thí nghiệm hiện trường còn sử dụng các công tác thí nghiệm trong phòng. Công tác thí nghiệm hiện trường phổ biến trong nghiên cứu đất yếu bao gồm các thí nghiệm: xuyên tiêu chuẩn SPT, cắt cánh hiện trường VST, xuyên tĩnh CPT, xuyên tĩnh có đo áp lực nước lỗ rỗng CPTu, nén hông trong hố khoan (ít sử dụng) [47]. - Thí nghiệm SPT: để cùng với công tác khoan phân chia địa tầng, đánh giá độ chặt của đất rời, có thể sử dụng số liệu trong thiết kế. Số lượng điểm thí nghiệm được quy định theo tiêu chuẩn, thông thường cứ 1-3m thí nghiệm 1 lần và được tiến hành 9 đồng thời cùng công tác khoan thăm dò, thực hiện trong các lớp đất rời (cát, cuội, sỏi), đất dính từ dẻo chảy đến cứng.

- Thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT, CPTu): để phân chia địa tầng, tính toán áp lực địa tầng có hiệu, tiết kiệm chi phí khảo sát. - Thí nghiệm cắt cánh hiện trường VST: để xác định sức kháng cắt không thoát nước (Su) phục vụ kiểm toán ổn định nền đường, tính toán chiều cao đắp theo giai đoạn,. Cắt cánh được thực hiện trong các lớp đất dính yếu, khó hoặc không lấy được mẫu nguyên trạng. Ở giai đoạn thiết kế bản vẽ thi công bắt buộc phải có kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường.

Số lượng điểm thí nghiệm phải đủ độ tin cậy trong tính toán. - Thí nghiệm nén hông trong hố khoan cũng được yêu cầu nhằm cung cấp số liệu về biến dạng để tính toán biến dạng lún của nền đường. - Mặt khác, cùng với khoan thăm dò, thí nghiệm hiện trường, khi nghiên cứu đất đá yếu cần xác định các đặc trưng cơ lý của đất bằng công tác thí nghiệm trong phòng. Ngoài chỉ tiêu cơ lý đặc trưng, tùy thuộc vào giải pháp xử lý nền đất yếu mà xác định bổ sung các chỉ tiêu cơ lý sử dụng trong tính toán phù hợp.

Chủ yếu thí nghiệm trong phòng của đất đá yếu cần xác định các chỉ tiêu sau: - Sức kháng cắt: cần lưu ý đến lực dính và góc ma sát trong không thoát nước (Cu và u): xác định các thông số kháng cắt bằng thí nghiệm cắt phẳng, nén ba trục UU, CU, nén đơn trục qu. - Các đặc trưng về biến dạng lún: áp lực tiền cố kết Pc, hệ số lún Cc, hệ số cố kết theo các phương thẳng đứng Cv và ngang Ch, hệ số nén lún av, hệ số nở Cs. Để xác định các đặc trưng trên tiến hành thí nghiệm: nén cố kết một trục không nở hông, nén cố kết hướng tâm xác định Ch (bắt buộc ở giai đoạn thiết kế bản vẽ thi công). - Xác định thành phần khoáng vật, hoá học, hàm lượng hữu cơ, hàm lượng muối, độ nhiễm phèn, nhiễm mặn đối với công tác khảo sát để thiết kế phụt dung dịch vôi - xi măng hoặc chất kết dính vô cơ.

Mặt khác, khi thiết kế xử lý nền bằng cọc cát thông thường, các thí nghiệm xác định giới hạn chảy, dẻo và thí nghiệm nén lún phải thực hiện theo TCVN cũ (TCVN 4197:2012, TCVN 4200:2012). Trong thiết kế xử lý nền bằng bấc thấm, các thí nghiệm tuân thủ theo các tiêu chuần của Việt Nam, Mỹ, Anh hoặc tương đương. 10 Ngoài ra, nghiên cứu tính chất động học đất nền nhằm bổ sung các chỉ tiêu động học về áp lực nước lỗ rỗng, độ lún sau cắt trượt khi chịu tải trọng động của các lớp đất yếu cũng là một phương pháp nghiên cứu quan trọng trong địa kỹ thuật hiện nay. Đặc điểm tính xây dựng của đất Tính chất xây dựng (TCXD) của đất đá là tất cả những tính chất của đất được nghiên cứu xác định để phục vụ cho xây dựng.

Khi đất có những tính chất đặc biệt (ở các đất: than bùn, đất than bùn hóa, đất chứa muối, …) thì dùng khái niệm “Đặc tính xây dựng).