Biến dạng lún của đất dính nhiễm mặn vùng đồng bằng sông Hồng

BIẾN DẠNG LÖN CỦA ĐẤT DÍNH NHIỄM MẶN<br /> VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG<br /> <br /> NGUYỄN NGỌC TRỰC*,**,<br /> TRẦN MẠNH LIỂU*, ĐỖ MINH ĐỨC*<br /> <br /> <br /> Settlement deformation of salt-affected sois in the Red River delta<br /> Abstract: Sea level rise related to global warming leads to the plain areas<br /> along the coast to be saline intrusion. When the ground is saline, the<br /> engineering properties of soil would be changed. This results in changing<br /> of settlement deformation of the constructions. The Red River delta is one<br /> of two delta plains in Vietnam that is severely impacted by the risk of<br /> seawater intrusion. Investigation of the settlement deformation of soft<br /> clayey soils in saline conditions in the Red River delta by Finite Element<br /> Method with different constitutive models through Plaxis program was<br /> conducted. Modeling results pointed out that after intruding with the<br /> solutions of different salt concentrations, settlement deformation of the<br /> soils increases significantly. The higher salt concentration of solution is,<br /> the higher deformations received.<br /> <br /> 1. GIỚI THIỆU * trình dân dụng... [1, 2]. Việc nghiên cứu về sự<br /> Trái đất nóng lên làm gia tăng mực nƣớc biển thay đổi các tính chất kỹ thuật của đất nền bị<br /> toàn cầu, đặc biệt là đối với các vùng gần xích nhiễm mặn trong nghiên cứu này đƣợc xem xét<br /> đạo. Theo báo cáo đánh giá của Trung tâm Dự dƣới khía cạnh thuộc tính biến dạng lún.<br /> báo Khí tƣợng Thủy văn Việt Nam, tốc độ tăng<br /> lên của mực nƣớc biển vùng ven biển Việt Nam<br /> là 2,9 mm / năm giai đoạn 1993 - 2010. Trong<br /> đó tốc độ dâng cao mực nƣớc ở phía Đông có<br /> xu hƣớng nhanh hơn so với ở phía Tây. Ở Việt<br /> Nam, vào cuối thế kỷ 21, lƣợng nƣớc biển có<br /> thể dâng trung bình là khoảng 78 - 95cm<br /> (MONRE, 2012).<br /> Khi mực nƣớc biển dâng cao, những vùng<br /> đất thấp ven biển sẽ dần bị xâm nhập mặn. Quá<br /> trình này sẽ dẫn đến các tính chất địa kỹ thuật<br /> của đất nền bị thay đổi đáng kể. Hệ quả là nó sẽ<br /> ảnh hƣởng đến nền móng các công trình ven<br /> biển nhƣ nền đƣờng giao thông, đê biển, công<br /> <br /> *<br /> Bộ môn Bộ môn Địa kỹ thuật, Khoa Địa chất, Trường<br /> Đại học Khoa học Tự nhiên<br /> **<br /> Trung tâm Nghiên cứu Đô thị, Đại học Quốc gia Hà Nội Hình 1 Vị trí lấy mẫu nguyên dạng ở<br /> ĐT: 0904964168 đồng bằng Sông Hồng<br /> E-mail: trucgvs@gmail.com<br /> <br /> <br /> 42 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018<br />  Để thực hiện các nghiên cứu thử nghiệm, nƣớc lỗ rỗng, mẫu đất sau khi bão hòa mặn<br /> mẫu đất nguyên trạng đƣợc lựa chọn phải đảm đƣợc thí nghiệm với thiết bị cố kết một trục.<br /> bảo yêu cầu là trầm tích trẻ nhạy cảm với nƣớc 2. CHUẨN BỊ MẪU ĐẤT<br /> biển dâng và chƣa bị nhiễm mặn. Với các tiêu Công tác hiện trƣờng nhằm thu thập mẫu đất<br /> chí này, nghiên cứu lựa chọn đất loại sét trạng nguyên dạng cũng nhƣ tiến hành một số thí<br /> thái dẻo mềm, thuộc hệ tầng Thái Bình. Mẫu đất nghiệm hiện trƣờng tại các hố khoan khảo sát.<br /> nguyên dạng đƣợc lấy tại các hố khoan khảo sát Đất đƣợc lựa chọn là sét và sét pha, trạng thái<br /> địa chất công trình khu vực Hà Nội, Ninh Bình, dẻo mềm, tƣơng đƣơng với sức kháng cắt không<br /> Nam Định và Hải Phòng (hình 1), độ sâu lấy thoát nƣớc dao động từ 25 - 50kPa. Tại khu vực<br /> mẫu không quá 10m. Mẫu đất đƣợc đƣa về Hà Nội, chín địa điểm nghiên cứu đều nằm trong<br /> phòng thí nghiệm và xử lý bão hòa với nƣớc và xung quanh khu vực nội thành của Hà Nội.<br /> biển nhân tạo. Để khảo sát mối liên hệ giữa biến Các khu vực khác ở đồng bằng Sông Hồng cũng<br /> dạng lún và độ mặn trong đất, hay độ mặn của đều là đất loại sét hệ tầng Thái Bình (bảng 1).<br /> Bảng 1: Vị trí lấy mẫu và đặc điểm cơ bản của chúng<br /> <br /> Vị trí khảo sát Độ sâu lấy mẫu (m) Mô tả<br /> Thái Thụy, Thái Bình 2,2 – 3,0 Sét xen lẫn hữu cơ<br /> Giao Thủy, Nam Định 2,0 – 2,8 Sét chứa xác sinh vật<br /> Kim Sơn, Ninh Bình 0,0 – 1,0 Sét bột, dẻo mềm<br /> Đình Vũ, Hải Phòng 4,0 – 4,8 Sét bùn, dẻo mềm-dẻo chảy<br /> Đông Hải, Hải Phòng 12,0–12,8 Sét, dẻo mềm<br /> Thủy Nguyên, Hải Phòng 6,0 – 6,8 Sét, dẻo mềm<br /> Khu vực Hà Nội 1,5 - 8,0 Sét, sét bột, dẻo mềm<br /> <br /> Để mô phỏng quá trình xâm nhập mặn mẫu xác định khả năng kháng cắt dƣ cũng đƣợc thực<br /> đất trong phòng thí nghiệm đƣợc làm bão hòa hiện nhằm xác định đặc trƣng kháng cắt của đất<br /> với nƣớc biển nhân tạo với bốn nồng độ muối là trong các trƣờng hợp nhiễm mặn khác nhau.<br /> Sa = 0,0g/L; 9,9g/L; 19,8g/L và 33,0g/L, tƣơng Trƣớc khi thực hiện các thí nghiệm cắt phẳng và<br /> đƣơng với Sa = 0%, 30%, 60% và 100% độ mặn nén lún, một số thí nghiệm xác định tính chất<br /> của nƣớc biển tự nhiên. Quá trình xâm nhập vật lý cơ bản cũng đã đƣợc tiến hành.<br /> mặn đƣợc thực hiện theo một chu trình khép kín 3. PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG LÚN CỦA<br /> gồm hai pha, bão hòa tự nhiên dựa trên nguyên ĐẤT NHIỄM MẶN THEO PHƢƠNG PHÁP<br /> lý mao dẫn, và bão hòa áp lực. Mỗi pha bão hòa PHẦN TỬ HỮU HẠN<br /> kéo dài trung bình 5 - 7 ngày để đảm bão mẫu 3.1 Số liệu đầu vào<br /> đất đƣợc bão hòa hoàn toàn bởi nƣớc mặn. Sau Để tiến hành nghiên cứu chi tiết về biến dạng<br /> khi bão hòa, mẫu đất đƣợc tiến hành thí nghiệm lún của đất nhiễm mặn, bài báo tính toán cho<br /> nén cố kết tại 4 buồng nén tƣơng ứng với 4 một nền đƣờng đắp giả định nằm trên lớp đất<br /> nồng độ muối. Các cấp áp lực nén đƣợc thực loại sét trong các trƣờng hợp bão hòa với 4 nồng<br /> hiện bao gồm 25 kPa, 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa độ muối nhƣ đã đề cập ở trên. Việc tính toán<br /> và 400 kPa. Mỗi cấp áp lực đƣợc thực hiện đƣợc thực hiện cho tất cả các trƣờng hợp đất<br /> trong 24 giờ. Tƣơng tự, thí nghiệm cắt phẳng nền của các địa điểm nghiên cứu nhằm xác định<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 43<br /> độ lún theo thời gian ngoài hiện trƣờng. Cấu HD1). Các thông số địa kỹ thuật của các lớp đất<br /> trúc của nền đắp giả định và các thông số hình chịu nén đƣợc lấy từ thí nghiệm trong phòng,<br /> học đƣợc thể hiện trên hình 2: khối đắp cao 5m chúng đƣợc sử dụng làm bộ thông số đầu vào<br /> nằm trên nền đất cấu trúc 3 lớp. Lớp đất chịu cho phân tích mô hình (bảng 1). Ở đây, các ký<br /> nén lún nằm giữa dày 2,4m, đỉnh và đáy của nó hiệu λ* và κ* là các thông số chuẩn hóa của thí<br /> là cát hạt vừa. Nhƣ đã đề cập, việc nghiên cứu nghiệm nén đơn trục và nén lại sau dỡ tải.<br /> đƣợc thực hiện trên đất sét và sét pha chƣa bị<br /> nhiễm mặn thuộc hệ tầng Thái bình. Trong bài<br /> báo này, tác giả xem xét hai trƣờng hợp: 1) nền<br /> đất với lớp nén lún là sét dẻo mềm đƣợc lấy ở<br /> độ sâu 6m, tại trạm bơm Cự Khối, P. Thống<br /> Nhất, Q. Long Biên, Hà Nội (ký hiệu GL2) và<br /> 2) lớp nén lún là đất sét pha chứa hữu cơ, trạng<br /> thái dẻo mềm đƣợc lấy ở độ sâu 7m, tại cổng<br /> Hình 2. Sơ đồ cấu trúc nền đắp giả định<br /> khu đô thị Lideco, Hoài Đức, Hà Nội (ký hiệu<br /> Bảng 1. Các thông số địa kỹ thuật của các lớp đất nén lún (thông số đầu vào cho mô hình)<br /> Sét pha chứa hữu cơ (HD1) Đất sét ( GL2)<br /> Thông số Đơn vị<br /> Độ mặn (Sa, g/L) Độ mặn (Sa, g/L)<br /> Sa=0,0 Sa=9,9 Sa=19,8 Sa=33,0 Sa=0,0 Sa=9,9 Sa=19,8 Sa=33,0<br /> γ kN/m3 18,20 18,12 17,95 18,08 19,20 19,15 19,19 19,10<br /> e0 - 0,996 0,999 1,027 1,037 0,824 0,825 0,831 0,846<br /> φ độ 12,42 11,97 11,53 10,93 3,50 3,31 3,12 2,87<br /> c kPa 14,72 13,92 13,13 12,07 32,47 31,20 29,94 28,25<br /> Eoed kPa 3717 3515 3390 3234 4742 4495 4256 3992<br /> ν - 0,35 0,35 0,35 0,35 0,42 0,42 0,42 0,42<br /> Cc kPa-1 0,179 0,189 0,199 0,209 0,128 0,135 0,143 0,154<br /> λ* kPa-1 0,0390 0,0410 0,0427 0,0446 0,0305 0,0322 0,0340 0,0363<br /> κ* kPa-1 0,0099 0,0103 0,0107 0,0112 0,0076 0,0080 0,0085 0,0091<br /> k ×10-5 m/ng 5,79 5,31 5,20 4,99 1,01 0,950 0,959 0,942<br /> <br /> Ứng dụng mô hình số theo phƣơng pháp hình thành phần là Đàn hồi tuyến tính (Linear<br /> phần tử hữu hạn với sự hỗ trợ của phần mềm Elastic), Đàn - dẻo (Elastoplatic) theo Mohr-<br /> Plaxis để tính toán phân bố tải trọng của nền Coulomb, và mô hình Đất yếu (Soft Soil).<br /> đắp (hình 3). Phân tích cố kết cặp đôi theo lý Trong nghiên cứu này, các tác giả chỉ tập<br /> thuyết tuyến tính của Biot M.A. (1941, 1956) trung phân tích cố kết sơ cấp theo thời gian, đặc<br /> [3,4] đã đƣợc tiến hành nhằm thu đƣợc kết quả biệt là thời gian kết thúc cố kết đó. Nghiên cứu<br /> về mối quan hệ độ nén lún theo thời gian của cố gắng tìm ra câu trả lời nƣớc mặn ảnh hƣởng<br /> nền đắp. Theo đó, bài báo đã tính toán biến nhƣ thế nào đến quá trình biến dạng lún của nền<br /> dạng lún cho các lớp đất chịu nén với ba mô đất yếu ở đồng bằng sông Hồng.<br /> <br /> 44 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018<br />  Hình 3. Sơ đồ mô hình tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn:<br /> (a) lưới phần tử hữu hạn; (b) Sơ đồ biến dạng điển hình 3.2 Phân tích độ lún - thời gian<br /> với mô hình 2D theo Mohr-Coulomb và Hooke<br /> <br /> Kết quả phân tích mô hình đƣợc thể hiện trực quan độ lún (cm) - thời gian (ngày) của mỗi địa<br /> quan dƣới dạng hình ảnh và số liệu dạng bảng. điểm nghiên cứu. Đó là giá trị cực đại của độ<br /> Hình 4 là kết quả về phân tích nén lún theo mô lún trên mặt cắt ngang nền đắp. Việc tính toán<br /> hình Đàn - dẻo và Đàn hồi tuyến tính mô hình hóa đƣợc thực hiện cho tất cả các nền<br /> (Elastoplastic và Elastic) cho trƣờng hợp lớp đất giả định nhiễm mặn với các nồng độ muối<br /> chịu nén dày 2,4m; tuy nhiên, tác giả chỉ đƣa thực hiện trong phòng thí nghiệm, tức là Sa =<br /> hình ảnh minh họa phân tích với nồng độ mặn 0%, 30%, 60% và 100%. Kết quả phân tích chi<br /> Sa = 0% và 100%. Trên hình cũng có các thông tiết theo các mô hình với 4 trƣờng hợp độ mặn<br /> tin chi tiết về nền đắp trên đất yếu với tƣơng nền đất đƣợc thể hiện trên bảng 2.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Kết quả dạng hình ảnh về phân tích biến dạng lún theo thời gian<br /> với chiều dày lớp nén lún h = 2,4m<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 45<br />  3.3 Phân tích theo mô hình đất yếu phá hủy tuân theo các tiêu chuẩn Mohr-Coulomb.<br /> Mô hình đất yếu (Soft Soil model) đƣợc phát Nghiên cứu thực hiện lời giải 2D với mô hình Đất<br /> triển tích hợp trong chƣơng trình Plaxis. Nó có yếu để phân tích so sánh với lời giải truyền thống<br /> thể áp dụng đƣợc cho đất cố kết thƣờng có tính theo Đàn hồi Tuyến tính và Đàn dẻo.<br /> nén lún cao (Eoed = 1 ÷ 4 MPa) [5]. Mô hình đất Quá trình phân tích đã thu đƣợc kết quả nhƣ<br /> yếu dựa vào số liệu thí nghiệm trong phòng theo trên bảng 2. Ở đây, nghiên cứu cũng đƣa ra tỉ lệ<br /> Janbu [6]. Các đặc điểm chính của mô hình này phần trăm biến đổi về độ lún và thời gian kết thúc<br /> là: ứng suất phụ thuộc vào độ cứng của đất; có sự cố kết sơ cấp, thể hiện bởi ∆S (%) và ∆t 100 (%).<br /> khác nhau giữa tải trọng sơ cấp với dỡ tải - tái Kết quả cho thấy, các giá trị này gia tăng dần<br /> nén, ứng suất tiền cố kết đƣợc lƣu giữ; thuộc tính theo độ mặn của dung dịch nƣớc lỗ rỗng (S a).<br /> <br /> Bảng 2. Độ lún cực đại (S, cm) và thời gian kết thúc nén sơ cấp<br /> của nền đất nhiễm mặn theo các mô hình Đàn hồi, Đàn-Dẻo và mô hình Đất yếu<br /> <br /> <br /> Độ mặn HD1 GL2<br /> (Sa, S<br /> g/L) t100(ngày) ∆ t100% S (cm) ∆S% t100(ngày) ∆ t100% ∆S%<br /> (cm)<br /> <br /> Mô hình Đàn hồi Tuyến tính<br /> <br /> 0,0 167 7,10 815 6,31<br /> <br /> 9,9 207 23,95 7,52 5,92 946 16,07 6,63 5,07<br /> <br /> 19,8 209 25,15 7,79 9,72 985 20,86 6,99 10,78<br /> <br /> 33,0 228 36,53 8,16 14,93 1039 27,48 7,50 18,86<br /> <br /> Mô hình Đàn dẻo<br /> <br /> 0 175 7,44 827 6,31<br /> <br /> 30 196 12,00 8,31 11,69 913 10,40 6,64 5,23<br /> <br /> 60 227 29,71 9,15 22,98 914 10,52 6,98 10,62<br /> <br /> 100 282 61,14 11,72 57,53 1044 26,24 7,45 18,07<br /> <br /> Mô hình Đất yếu<br /> <br /> 0 327 15,40 1187 13,36<br /> <br /> 30 339 3,67 17,62 14,42 1350 13,73 14,41 7,86<br /> <br /> 60 351 7,34 18,66 21,17 1368 15,25 15,38 15,12<br /> <br /> 100 369 12,84 23,42 52,08 1465 23,42 16,74 25,30<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 46 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018<br />  Hình 5. Đường cong độ lún theo thời gian của nền đắp tại khu vực nghiên cứu HD1 và GL2<br /> <br /> 4. THẢO LUẬN muối trong đất càng cao, chuyển vị thẳng đứng<br /> Kết quả phân tích theo mô hình 2D Đàn hồi của nền đất càng lớn. Khi độ mặn tăng từ 0 lên<br /> tuyến tính, Đàn dẻo và Đất yếu với chƣơng trình 30% độ mặn nƣớc biển, tỉ lệ gia tăng độ lún ∆S<br /> Plaxis ở các hình ảnh trên đƣợc thể hiện trong dao động từ 5,07 đến 14,42%; khi độ mặn nƣớc<br /> bảng 2. Nhìn chung, các kết quả này phù hợp lỗ rỗng tƣơng đƣơng nƣớc biển (Sa = 100%), tỉ<br /> với mỗi loại đất đƣợc nghiên cứu. Từ các kết lệ gia tăng độ lún ∆S đạt 8,16-57,53%.<br /> quả thu đƣợc, có thể nhận thấy sự khác nhau - Thời gian kết thúc cố kết sơ cấp cũng tỉ lệ<br /> đáng kể về cƣờng độ lún và thời gian kết thúc thuận với nồng độ muối. Do các thông số đầu<br /> nén lún sơ cấp (t100) giữa các nền đất nhiễm vào của mô hình thay đổi tƣơng ứng với nồng<br /> mặn. Cụ thể: độ muối trong đất nên các kết quả về thời gian<br /> - Chuyển vị thẳng đứng của nền đắp tỉ lệ cố kết thu đƣợc nhƣ trên là phù hợp.<br /> thuận với độ mặn của nƣớc lỗ rỗng. Nồng độ - Kết quả thu đƣợc giữa các mô hình 2D Đàn<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 47<br /> hồi Tuyến tính, Đàn dẻo và Đất yếu có sự khác mềm ở đồng bằng Sông Hồng có ứng xử tiêu<br /> nhau đáng kể. Nền đất giả định với sét dẻo mềm cực khi bị nhiễm mặn, đất bị biến dạng nhiều<br /> nhƣ tại GL2 có cƣờng độ chuyển vị thẳng đứng hơn, thời gian kết thúc cố kết kéo dài hơn, và<br /> giữa hai mô hình 2D Đàn hồi Tuyến tính và Đàn nền đất trở nên yếu hơn. Trong nghiên cứu này,<br /> dẻo hầu nhƣ giống nhau, trong khi đó với nền sự thay đổi của đất sét thể hiện ít hơn so với đất<br /> đất giả định là sét pha nhƣ HD1 cƣờng độ sét pha.<br /> chuyển vị có sự thay đổi đáng kể (∆SElastic = 5,9-<br /> 14,9%, ∆SElastoplastic = 11,7-57,5%). Chuyển vị TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> thẳng đứng theo mô hình Soft Soil có giá trị lớn<br /> hơn hẳn so với theo mô hình Elastic và [1] Truc N.N., Granie R.J. (2008). Global<br /> Elastoplastic. Warming - Related Sea Level Rise and The<br /> - Thời gian kết thúc cố kết sơ cấp đƣợc phân Change of Some Mechanical Characteristics<br /> tích theo mô hình Soft Soil cho tất cả các loại of Soil Foundation Due to Salty Intrusion,<br /> đất nghiên cứu là dài hơn so với theo mô hình Case Study Thai Binh Formation Sediment in<br /> Đàn hồi Tuyến tính và Đàn dẻo. Giá trị thời gian The RRD, Vietnam. Proc. of Int. Sym. on<br /> kết thúc cố kết sơ cấp t 100 cũng gia tăng tỉ lệ với Climate Change and the Sustainability, Hanoi,<br /> độ mặn trong đất. Điều này chứng tỏ rằng xâm pp. 131-140.<br /> nhập mặn làm các lớp đất dính dẻo mềm ở đồng [2] Truc N.N., et al. (2007). The Issue of Sea<br /> bằng Sông Hồng trở nên “yếu” hơn. Level Rise Due to Global Warming and Its<br /> 5. KẾT LUẬN Impacts on The Coastal Zone of Vietnam. Proc.<br /> Nghiên cứu này cho thấy rằng quá trình xâm of Int. Sym. on Hanoi Geoengineering, Hanoi,<br /> nhập mặn liên quan đến biến đổi khí hậu và pp. 124-130.<br /> nƣớc biển dâng tại những vùng đồng bằng ven [3] Biot, M. A. 1956. General solutions of<br /> biển dẫn đến những thay đổi quan trọng về các equations of elasticity and consolidation for<br /> tính chất địa kỹ thuật của đất, cụ thể là độ biến a porous material. Journal Applied<br /> dạng lún của nền đất. Kết quả phân tích mô hình Mechanics, 23.<br /> hóa theo 2D Đàn hồi Tuyến tính, Đàn dẻo và mô [4] Biot, M. A. 1941. General theory of three<br /> hình Đất yếu cho thấy biến dạng lún theo thời dimensional consolidation. Journal of Applied<br /> gian của nền đất gia tăng tỉ lệ với độ mặn của Physics, 12.<br /> nƣớc lỗ rỗng trong đất. Bên cạnh đó, thời gian [5] Plaxis. (2012). Material Models Manual.<br /> kết thúc cố kết so cấp tính toán theo các mô [6] Janbu, N. (1985). Soil Models in<br /> hình cũng gia tăng tỉ lệ với độ mặn của dung Offshore Engineering. 25th Rankine Lecture.<br /> dịch bão hòa. Về cơ bản, đất dính trạng thái dẻo Géotechnique, 35.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Người phản biện: PGS,TS ĐỖ MINH TOÀN<br /> <br /> <br /> 48 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018<br />