CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ BẰNG TRỤ ĐẤT TRỘN XI MĂNG (CDM) 1. Tổng quan về đất yếu 1. Nguồn gốc địa chất [1], [2] Đất mềm yếu là những đất có khả năng chịu tải nhỏ (vào khoảng 0,5÷1,0 kG/cm2), có tính nén lún lớn và nếu không áp dụng các biện pháp xử lý thì việc xây dựng công trình trên những đất đó hoặc khó hoặc không thể thực hiện được. Đất yếu hầu như hoàn toàn bão hòa nước, có hệ số rỗng lớn (thường e > 1), hệ số nén lún lớn, môđun tổng biến dạng bé (nói chung Eo 50kG/cm2) và trị số sức chống cắt không đáng kể.
Một số đặc trưng cơ lý của đất yếu: - Khả năng chịu tải: 0,5 ÷ 1,0 kG/cm2 - Môđun tổng biến dạng: Eo ≤ 50kG/cm2 - Hệ số rỗng: e > 1,0 - Hệ số nén tương đối: ao > 0,05 ÷ 0,1 cm2/kG - Góc nội ma sát: ϕ = 5 ÷ 10o, lực dính: c = 0,05 ÷ 0,1 kG/cm2 Xét theo nguồn gốc thì đất yếu có thể được thành tạo trong điều kiện lục địa, vũng, vịnh hoặc biển. Nguồn gốc lục địa có thể là tàn tích, sườn tích, bồi tích do gió, nước, do lũ bùn đá, do con người gây ra. Nguồn gốc vũng, vịnh có thể là cửa sông, tam giác châu hoặc vịnh biển. Đất yếu có nguồn gốc biển được thành tạo ở khu vực nước nông (không quá 200m), khu vực thềm lục địa (200 ÷ 300m) hoặc khu vực biển sâu (trên 3000m).
Tùy theo thành phần vật chất, phương pháp và điều kiện hình thành, vị trí trong không gian, điều kiện vật lý và khí hậu,… mà tồn tại các loại đất yếu khác nhau như đất sét mềm, cát hạt mịn, than bùn, các loại trầm tích bị mùn hóa, than bùn hóa,… Trong thực tế xây dựng thường gặp nhất là đất sét yếu bão hòa nước. Loại đất này có những tính chất đặc biệt, đồng thời cũng có các tính chất tiêu biểu cho các loại đất yếu nói chung. Vì vậy dưới đây sẽ giới thiệu kỹ về loại đất này. Nguồn gốc địa chất của đất sét yếu thuộc thời cận đại, vì chúng mới hình thành vào khoảng 20.
-5- Các hạt tạo thành đất sét được phong hóa từ đá mẹ, có tính chất thay đổi theo tính chất của đá mẹ, điều kiện khí hậu, sự vận chuyển và trầm lắng. Sau sự vận chuyển của sông ngòi, việc hình thành các hạt sét chỉ có thể xảy ra trong các môi trường trầm tích yên tĩnh. Tùy theo môi trường trầm tích khác nhau mà có thể có các loại vỉa đất sét khác nhau: - Đất sét biển: Các vỉa này thường hình thành trong thời kỳ từ 12.000 năm trước Công nguyên với tốc độ trầm tích cao. Bảng 1-1 giới thiệu tốc độ trầm tích của một số vỉa sét ở các bờ biển một số nước vùng Đông Nam Á [1] Bảng 1-1.
Tốc độ trầm tích của một số vỉa sét vùng Đông Nam Á Bờ biển Tốc độ trầm tích (cm/1000 năm) Bờ biển Chao Phraya (Thái Lan) 200 ÷ 300 Bờ biển Tây Malaixia 100 Bờ biển Bắc Bornéo 90 Bờ biển Inđônêxia 120 ÷ 300 - Đất sét châu thổ: Châu thổ (tam giác châu) các sông lớn là môi trường trầm tích rất hoạt động, đồng bộ và đã hình thành nhiều vỉa đất sét lớn. Tổng hợp các quá trình vận chuyển phù sa trong các điều kiện địa hình khác nhau với sự giao lưu của nước sông và nước biển có thể dẫn đến một tỷ lệ bồi lắng rất cao. Ví dụ châu thổ sông Chao Phraya (Thái Lan) tỷ lệ này đạt đến 2,5 ÷ 3,0 cm/năm. - Đất sét bờ biển và bãi lầy: Tùy theo điều kiện địa phương, địa hình,… các vỉa sét này khi thì mang tính chất của vỉa sét vùng châu thổ, khi thì mang tính chất của vỉa sét biển.
Sự phân bố và tính chất của các vùng đất yếu ở Việt Nam [1], [2] Các vùng đất mềm yếu ở Việt Nam chủ yếu là những tầng trầm tích mới được thành tạo trong kỷ thứ tư. Theo kết quả nghiên cứu địa chất và địa lý, tầng trầm tích này chủ yếu là trầm tích tam giác châu, thường gặp ở các vùng đồng bằng, trong đó hai đồng bằng lớn nhất là đồng bằng Bắc Bộ và đồng bằng Nam Bộ. Căn cứ vào nguồn gốc và điều kiện hình thành các đồng bằng, đồng thời dựa vào tài liệu thăm dò địa chất công trình, sơ bộ có thể nhận xét về đặc điểm chung của các tầng đất mềm yếu ở Việt Nam như sau: -6- 1. Đồng bằng Bắc Bộ [2] Đồng bằng Bắc Bộ chủ yếu là loại trầm tích tam giác châu cũ và tam giác châu mới của hai sông lớn là sông Hồng và sông Thái Bình và các chỉ lưu của chúng.
Miền đồng bằng này có diện tích rất rộng (khoảng 15.000 km2) và ít đồi núi sót. Vùng phù sa sông Hồng chiếm diện tích rộng nhất trong miền này. Theo tài liệu địa chất kiến tạo Việt Nam thì đồng bằng Bắc Bộ được hình thành trên một miền võng rộng lớn, đầu tiên chịu chế độ biển, rồi đến chế độ vũng hồ và trên đó là trầm tích kỷ thứ tư. Xét về mặt địa hình, địa mạo thì đây là miền đồng bằng thuộc loại hình bồi tụ.
Do các điều kiện địa chất, địa hình như vậy nên chiều dày tầng trầm tích kỷ thứ tư này rất dày, từ vài mét đến hơn 100m. Sơ đồ khu vực đất yếu ở đồng bằng Bắc Bộ xem hình 1-1a. Đồng bằng Thanh - Nghệ Tĩnh [1] Có những khu vực bồi tụ, mài mòn xen kẽ nhau. So với đồng bằng Bắc Bộ, tầng trầm tích kỷ thứ tư ở đây không dày lắm nhưng cũng rất đa dạng: có loại trầm tích Hình 1-1.
Các vùng đất yếu [1] bồi tụ tam giác châu, có loại trầm a) Đồng bằng Bắc Bộ; b) Đồng bằng Nam Bộ tích bồi tụ ven biển. Đồng bằng ven biển Trung Bộ [1] Là đồng bằng mài mòn bồi tụ điển hình. Trầm tích kỷ thứ tư ở đây thường thấy ở vùng thung lũng các sông và thường là loại phù sa bồi tích. Vùng duyên hải -7- thuộc loại trầm tích phát triển trên các đầm phá cạn dần: bồi tích trong điều kiện lắng đọng tĩnh.
Đồng bằng Nam Bộ [1] Có thể chia làm ba khu vực dựa vào chiều dày lớp đất yếu: a) Khu vực có lớp đất yếu dày từ 1 - 30m: bao gồm các vùng ven thành phố Hồ Chí Minh, thượng nguồn các sông Vàm Cỏ Tây, Vàm Cỏ Đông, phía tây Đồng Tháp Mười, rìa quanh vùng Bảy Núi cho tới vùng ven biển Hà Tiên, Rạch Giá, rìa đông bắc đồng bằng từ Vũng Tàu đến Biên Hòa. b) Khu vực có lớp đất yếu dày từ 5 - 30m: phân bố kế cận khu vực a) và chiếm đại bộ phận đồng bằng và khu trung tâm Đồng Tháp Mười. c) Khu vực có lớp đất yếu dày từ 15 - 300m: Chủ yếu thuộc lãnh thổ các tỉnh Vĩnh Long, Trà Vinh, Bến Tre tới vùng duyên hải các tỉnh Cà Mau, Bạc Liêu, Tiền Giang, Cần Thơ, Sóc Trăng. Nguồn gốc của các tầng đất yếu đều là loại trầm tích châu thổ (sông, bãi bồi, tam giác châu), trầm tích bờ, vũng, vịnh và đều thuộc vào trầm tích kỷ thứ tư.
Các dạng trầm tích thường gặp là các loại bùn, đất dính có trạng thái từ dẻo mềm đến chảy và cát nhỏ bão hòa. Ngoài ra còn gặp các loại đất lầy, đất mặn sú vẹt ở ven biển, than bùn ở miền rừng ngập mặn,… Về đặc điểm cấu tạo thì các vỉa đất yếu thường gồm nhiều lớp đất tạo thành và không đồng nhất. Ở miền đồng bằng, cấu tạo của vỉa đất yếu khá phức tạp. Các lớp đất yếu thường nằm xen kẽ nhau hoặc xen kẽ giữa các lớp có khả năng chịu lực tốt hơn.
Số lượng các lớp đất yếu trong vỉa đất ít nhất là ba lớp, chiều dày vỉa đất rất lớn, tới 40m hoặc lớn hơn. Ở các vùng đồng bằng ven biển và các vùng đồng bằng có nhiều đồi núi sót thì cấu tạo các vỉa đất yếu đơn giản hơn, số lượng các lớp đất yếu thường không quá ba lớp. Các loại đất yếu thường gặp và đặc điểm của chúng [1] Các loại đất yếu thường gặp có những đặc điểm sau: - Thường là đất sét có lẫn hữu cơ (nhiều hoặc ít); - Hàm lượng nước cao và trọng lượng thể tích nhỏ; - Độ thấm nước rất nhỏ; - Cường độ chống cắt nhỏ và khả năng nén lún lớn. -8- Ở Việt Nam thường gặp các loại đất sét mềm, bùn và than bùn.
Ngoài ra ở một số vùng còn gặp loại đất có ít nhiều tính chất của loại đất lún sập như đất bazan ở Tây Nguyên và thỉnh thoảng còn gặp các vỉa cát chảy là những loại đất yếu có những đặc điểm riêng biệt. Đất sét mềm Theo quan điểm địa kỹ thuật thì không có sự phân biệt rõ ràng giữa đất sét mềm và bùn. Tuy nhiên ở đây ta hiểu đất sét mềm là các loại đất sét hoặc sét pha tương đối chặt, bão hòa nước và có cường độ cao hơn so với bùn. Sét mềm có những đặc điểm riêng biệt nhưng cũng có nhiều tính chất chung của các đất đá thuộc loại sét, đó là sản phẩm của giai đoạn đầu của quá trình hình thành đất đá loại sét.
Đất sét gồm chủ yếu là các hạt nhỏ như thạch anh, fenspat (phần phân tán thô) và các khoáng vật sét (phần phân tán mịn). Các khoáng vật sét này là các silicat alumin có thể chứa các ion Mg, K, Ca, Na, và Fe… chia thành ba loại chính là ilit, kaolinit và mônmôrilônit. Đây là những khoáng vật làm cho đất sét có đặc tính riêng của nó. Ilit là một khoáng vật đại biểu của nhóm hiđrômica.
Nhóm này được thành tạo chủ yếu ở môi trường kiềm (pH tới 9,5), trung tính và axit yếu luôn chứa nhiều kali trong dung dịch. Về cấu tạo màng tinh thể, ilit chiếm vị trí trung gian giữa kaolinit và mônmôrilônit. Kaolinit được thành tạo do phong hóa đá phún xuất, đá biến chất và đá trầm tích trong điều kiện khí hậu khác nhau nhưng nhất thiết phải ẩm. Đặc điểm của mạng tinh thể kaolinit là tương đối bền, ổn định.
Mônmôrilônit phổ biến nhất là loại chứa ôxit nhôm, cấu tạo mạng tinh thể gần giống như kaolinit nhưng kém bền vững, nước dễ xuyên vào gây trương nở mạnh. Mônmôrilônit được thành tạo chủ yếu trong quá trình phong hóa đá phún xuất trong điều kiện môi trường kiềm (pH = 7 ÷ 8,5), khí hậu khô, ôn hòa và ẩm. Mônmôrilônit cũng có thể phát sinh ở biển trong điều kiện môi trường kiềm.