Luận án tiến sĩ Địa lí: Nghiên cứu tính chất cơ lý nền đất yếu đồng bằng ven biển Quảng Nam-Đà Nẵng phục vụ xây dựng đường giao thông

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:197

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu là nghiên cứu, xác định thành phần vật chất, tính chất cơ lý của đất yếu vùng đồng bằng ven biển Quảng Nam - Đà Nẵng, đặc biệt là đặc tính biến dạng, cố kết thấm, độ bền chống cắt và quan hệ tương quan của chúng phục vụ cho lựa chọn, tính toán, thiết kế các giải pháp xử lý nền được chính xác và phù hợp.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Địa lí: Nghiên cứu tính chất cơ lý nền đất yếu đồng bằng ven biển Quảng Nam-Đà Nẵng phục vụ xây dựng đường giao thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN THỊ NGỌC YẾN NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ LÝ NỀN ĐẤT YẾU ĐỒNG BẰNG VEN BIỂN QUẢNG NAM - ĐÀ NẴNG PHỤC VỤ XÂY DỰNG ĐƢỜNG GIAO THÔNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN THỊ NGỌC YẾN NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ LÝ NỀN ĐẤT YẾU ĐỒNG BẰNG VEN BIỂN QUẢNG NAM - ĐÀ NẴNG PHỤC VỤ XÂY DỰNG ĐƢỜNG GIAO THÔNG Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã số: 9580211 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. BÙI VĂN TRƢỜNG 2. NGND.GS.TSKH. NGUYỄN THANH HÀ NỘI, NĂM 2018
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dƣới bất kỳ thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Chữ ký Nguyễn Thị Ngọc Yến i
LỜI CÁM ƠN Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và trân trọng nhất đến PGS.TS Bùi Văn Trƣờng và NGND.GS.TSKH Nguyễn Thanh là hai Thầy hƣớng dẫn trực tiếp đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và động viên tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận án. Xin cảm ơn hai Thầy đã dành nhiều công sức, trí tuệ để tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn đến Ban Giám hiệu, khoa Công trình, phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học - Trƣờng Đại học Thủy lợi đã tạo điều kiện thuận lợi, hổ trợ tác giả trong suốt thời gian làm luận án. Đặc biệt tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các Thầy/Cô giáo bộ môn Địa kỹ thuật - Trƣờng Đại học Thủy lợi đã tạo điều kiện và đóng góp những ý kiến quý báu cho tác giả trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đến các anh chị em đang công tác tại các công ty Tƣ vấn Khảo sát xây dựng đóng trên địa bàn Quảng Nam - Đà Nẵng đã tạo điều kiện, giúp đỡ tác giả thu thập tài liệu, số liệu, lấy mẫu và thí nghiệm để phục vụ nghiên cứu luận án. Tác giả cũng gửi lời cảm ơn đến các Thầy/Cô giáo khoa Xây dựng Cầu đƣờng, phòng thí nghiệm Địa cơ khoa Xây dựng Cầu đƣờng, trƣờng ĐHBK Đà Nẵng, các Thầy/Cô giáo bộ môn Địa chất công trình - Địa chất thủy văn trƣờng Đại học Khoa học Huế, đã động viên, giúp đỡ tác giả trong quá trình thực hiện luận án. Đồng thời tác giả cũng gửi lời cảm ơn chân thành đến các nhà Khoa học đã đóng góp những ý kiến quý báu cho tác giả trong quá trình hoàn thiện luận án. Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, khuyến khích để tác giả hoàn thành luận án. ii
MỤC LỤC Trang DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ................................ viii CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN ......................................................... ix MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1 Tính cấp thiết ...........................................................................................................1 2 Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................1 3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................2 4 Nội dung nghiên cứu ...............................................................................................2 5 Phƣơng pháp nghiên cứu .........................................................................................2 6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................................3 7 Bố cục luận án .........................................................................................................4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ LÝ VÀ ỨNG DỤNG CHO XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU ...........................................................................5 1.1 Tổng quan về nghiên cứu tính chất cơ lý nền đất yếu .......................................5 1.2 Tình hình nghiên cứu, xử lý nền đất yếu ở ĐBVB Quảng Nam - Đà Nẵng ....17 1.3 Các thành tựu, tồn tại trong nghiên cứu xử lý nền đất yếu và những vấn đề luận án tiếp tục giải quyết ..........................................................................................19 1.4 Phƣơng pháp luận và cách tiếp cận ..................................................................21 1.5 Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................23 CHƢƠNG 2 ĐIỀU KIỆN ĐỊA KỸ THUẬT ĐỒNG BẰNG VEN BIỂN QUẢNG NAM – ĐÀ NẴNG........................................................................................................24 2.1 Quan điểm về điều kiện địa kỹ thuật ...............................................................24 2.2 Điều kiện địa kỹ thuật khu vực nghiên cứu .....................................................24 2.3 Đặc điểm đất yếu đồng bằng ven biển Quảng Nam - Đà Nẵng .......................48 2.4 Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................51 CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN VẬT CHẤT VÀ TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA ĐẤT YẾU ......................................................................................................53 3.1 Vị trí, địa điểm lấy mẫu nghiên cứu ................................................................53 3.2 Nghiên cứu thành phần vật chất đất yếu ..........................................................53 iii
3.3 Nghiên cứu tính chất cơ học của đất yếu .........................................................63 3.4 Kết luận chƣơng 3 ............................................................................................92 CHƢƠNG 4 CẤU TRÚC NỀN ĐẤT YẾU VÀ PHÂN TÍCH LỰA CHỌN THÔNG SỐ ĐẤT NỀN TRONG TÍNH TOÁN XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU ..................94 4.1 Các vấn đề chung .............................................................................................94 4.2 Đặc điểm các đơn vị cấu trúc nền đất yếu và giải pháp xử lý đất yếu .............97 nền đƣờng ..................................................................................................................97 4.3 Ứng dụng tính toán cho công trình thực tiễn .................................................102 4.4 Kết luận chƣơng 4 ..........................................................................................122 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................123 1 Các kết quả đạt đƣợc của luận án ......................................................................123 2 Những đóng góp mới của luận án .....................................................................123 3 Những tồn tại và hƣớng nghiên cứu tiếp theo ...................................................123 4 Kiến nghị ...........................................................................................................123 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................126 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................127 iv
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Bản đồ địa chất ĐBVB Quảng Nam - Đà Nẵng tỉ lệ 1/50.000 (thu nhỏ) .......28 Hình 2.2 Bản đồ địa kỹ thuật ĐBVB Quảng Nam - Đà Nẵng tỉ lệ 1/50.000 (thu nhỏ) 35 Hình 2.3 Lún và mất ổn định mái taluy nền đƣờng đắp trên đất yếu. ...........................42 Hình 2.4 Bản đồ phân bố đất yếu vùng ĐBVB Quảng Nam - Đà Nẵng tỉ lệ 1/50.000 (thu nhỏ) ................................................................................................................................50 Hình 3.1 Hàm lƣợng các khoáng vật trong đất yếu ĐBVB Quảng Nam - Đà Nẵng ....54 Hình 3.2 So sánh hàm lƣợng các khoáng vật sét trong đất yếu ĐBVB Quảng Nam - Đà Nẵng với ĐBSCL ..........................................................................................................56 Hình 3.3 Sự thay đổi hàm lƣợng hữu cơ theo chiều sâu của thành tạo mbQ22 .............57 Hình 3.4 Hàm lƣợng hữu cơ của một số thành tạo đất yếu ĐBVB Quảng Nam - Đà Nẵng và các khu vực khác .............................................................................................58 Hình 3.5 Thành phần hóa học của đất yếu ở ĐBVB Quảng Nam - Đà Nẵng ...............60 Hình 3.6 So sánh thành phần hóa học đất yếu ở Quảng Nam - Đà Nẵng với các khu vực khác .........................................................................................................................60 Hình 3.7 Hàm lƣợng các nhóm hạt của các thành tạo bùn sét pha ĐBVB Quảng Nam - Đà Nẵng và ĐBSCL ......................................................................................................62 Hình 3.8 Hàm lƣợng các nhóm hạt của các thành tạo bùn sét ĐBVB Quảng Nam - Đà Nẵng và các khu vực khác ở Việt Nam .........................................................................62 Hình 3.9 Thiết bị nén 1 trục không nở hông .................................................................64 Hình 3.10 Sơ đồ hộp nén không nở hông ......................................................................64 Hình 3.11 Cách xác định áp lực tiền cố kết ...................................................................65 Hình 3.12 Đồ thị đƣờng cong lún theo thời gian theo Casagrande ...............................65 Hình 3.13 Hệ số cố kết thấm đứng thay đổi theo cấp áp lực nén của mẫu bùn sét pha 69 Hình 3.14 Hệ số cố kết thấm đứng thay đổi theo cấp áp lực nén của mẫu bùn sét .......69 Hình 3.15 Quan hệ giữa Cv với các chỉ tiêu cơ lý của đất bùn sét pha ambQ23 ...........70 Hình 3.16 Công tác gia công mẫu (a, b, c) và tiến hành thí nghiệm nén cố kết ngang (d)...................................................................................................................................72 Hình 3.17 Các bƣớc phân tích lún theo Asaoka để xác định Ch....................................72 Hình 3.18 Hệ số cố kết thấm ngang theo các cấp áp lực nén khác nhau .......................75 Hình 3.19 Tỉ số Ch(tp)/Cv theo các cấp áp lực nén khác nhau ........................................75 Hình 3.20 Đồ thị Si=f(Si-1) tại mốc SP-07 đoạn Km12+480 dự án đƣờng cao tốc Đà Nẵng - Quảng Ngãi ........................................................................................................76 Hình 3.21 Đồ thị Si=f(Si-1) tại mốc SP-01 tại Km1+270 dự án đƣờng Nguyễn Tất Thành .............................................................................................................................76 Hình 3.22 Hệ số cố kết thấm theo phƣơng đứng và phƣơng ngang xác định theo các phƣơng pháp khác nhau .................................................................................................76 Hình 3.23 Mẫu trong buồng ba trục trƣớc khi thí nghiệm ............................................81 v
Hình 3.24 Mẫu bị phá hủy sau khi kết thúc thí nghệm .................................................81 Hình 3.25 Quan hệ giữa cƣờng độ lực dính đơn vị cuu với chỉ tiêu vật lý và trạng thái của đất yếu .....................................................................................................................85 Hình 3.26 Sự thay đổi Su, Su /  v 0 (VST) theo độ sâu Z của bùn sét pha mbQ22 .......85 ' Hình 3.27 Cƣờng độ lực dính đơn vị không cố kết - không thoát nƣớc các thành tạo đất yếu ĐBVB Quảng Nam- Đà Nẵng và các khu vực khác ở Việt Nam ....................87 Hình 3.28 Mối quan hệ giữa c’,  ' với chỉ số dẻo PI và hàm lƣợng hạt sét của bùn sét pha ambQ23 ....................................................................................................................89 Hình 3.29 Cƣờng độ lực dính đơn vị cố kết - không thoát nƣớc đất yếu ĐBVB Quảng Nam - Đà Nẵng và các khu vực khác ở Việt Nam .......................................................90 Hình 4.1 Sơ đồ phân chia các cấp cấu trúc nền ĐBVB Quảng Nam - Đà Nẵng...........98 Hình 4.2 Bản đồ cấu trúc nền ĐBVB Quảng Nam- Đà Nẵng tỉ lệ 1/50.000 (thu nhỏ) 99 Hình 4.3 Phân tích lún trƣớc khi xử lý bằng phần mềm Plaxis 8.5 tại MC1 ..............108 Hình 4.4 Sơ đồ xác định chiều cao đắp bù lún ............................................................115 Hình 4.5 Mô hình tính toán xử lý bấc thấm bằng phần mềm Plaxis 8.5 tại MC1 .......117 Hình 4.6 Mô hình tính toán giếng cát bằng phần mềm Plaxis 8.5 tại MC1 ................118 vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Đặc điểm các tầng chứa nƣớc ở vùng ĐBVB Quảng Nam - Đà Nẵng ..........31 Bảng 2.2 Giá trị trung bình chỉ tiêu cơ lý nhóm đá cứng và nửa cứng ........................36 Bảng 2.3 Giá trị trung bình thành phần hạt và các chỉ tiêu cơ lý nhóm đất rời ............37 Bảng 2.4 Giá trị trung bình thành phần hạt và các chỉ tiêu cơ lý nhóm đất dính ..........38 Bảng 2.5 Giá trị trung bình thành phần hạt và các chỉ tiêu cơ lý nhóm đất yếu ...........39 Bảng 2.6 Quy mô và tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế đƣờng ..............................................47 Bảng 2.7 Đặc điểm phân bố các thành tạo đất yếu khu vực nghiên cứu .......................49 Bảng 3.1 Kết quả xác định thành phần khoáng vật của đất yếu ....................................54 Bảng 3.2 Hàm lƣợng vật chất hữu cơ trong đất yếu nghiên cứu ...................................57 Bảng 3.3 Kết quả xác định thành phần hóa học của đất yếu .........................................59 Bảng 3.4 Thành phần các nhóm hạt của đất yếu ...........................................................61 Bảng 3.5 Tổng hợp kết quả thí nghiệm nén cố kết thấm theo phƣơng thẳng đứng của các thành tạo đất yếu .............................................................................................................66 Bảng 3.6 Hàm tƣơng quan dự báo Cc từ W, LL, e0 trên thế giới và Việt Nam .............68 Bảng 3.7 Hàm tƣơng quan dự báo Cc từ e0, W, LL của đất yếu nghiên cứu ................68 Bảng 3.8 Kết quả xác định Ch(tp) và m=Ch(tp)/Cv trong phòng của đất yếu ....................74 Bảng 3.9 Kết quả xác định Ch từ bài toán phân tích ngƣợc quan trắc lún tại hiện trƣờng .......................................................................................................................................77 Bảng 3.10 Kết quả tính toán hệ số cố kết thấm ngang và hệ số tỉ lệ m=Ch/Cv theo các phƣơng pháp khác nhau .................................................................................................79 Bảng 3.11 Hệ số tỉ lệ m=Ch/Cv của một số loại đất yếu ở Việt Nam và thế giới ..........80 Bảng 3.12 Các thông số sức kháng cắt không thoát nƣớc của đất yếu .........................83 Bảng 3.13 Kết quả thí nghiệm các thông số sức kháng cắt của đất yếu theo sơ đồ CU88 Bảng 3.14 Kiến nghị các đặc trƣng cơ lý sử dụng trong tính toán thiết kế xử lý nền đất yếu bằng thiết bị tiêu thoát nƣớc thẳng đứng ................................................................91 Bảng 4.1 Lựa chọn mặt cắt tính toán đặc trƣng dự án đƣờng Nguyễn Tất Thành ......104 Bảng 4.2 Lựa chọn mặt cắt tính toán dự án đƣờng Cao tốc Đà Nẵng - Quảng Ngãi ..105 Bảng 4.3 Tổng hợp các kết quả phân tích lún của nền khi chƣa xử lý ........................109 Bảng 4.4 Kết quả phân tích độ lún theo chiều cao đắp ...............................................109 Bảng 4.5 Bảng tổng hợp các kết quả tính toán hệ số ổn định .....................................110 Bảng 4.6 Tổng hợp các thông số của nền đƣờng thiết kế............................................115 Bảng 4.7 Kết quả tính toán xử lý bằng bấc thấm ........................................................117 Bảng 4.8 Kết quả tính toán xử lý bằng giếng cát ........................................................119 Bảng 4.9 Kết quả tính toán theo hồ sơ thiết kế kỹ thuật và thực tế quan trắc .............120 Bảng 4.10 So sánh kết quả tính toán theo các phƣơng pháp khác nhau ......................121 vii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ 1. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ALNLR : Áp lực nƣớc lỗ rỗng CTN : Cấu trúc nền CKD : Chất kết dính CKDVC : Chất kết dính vô cơ CU : Cố kết - không thoát nƣớc ĐBBB : Đồng bằng Bắc Bộ ĐBVB : Đồng bằng ven biển ĐBSCL : Đồng bằng sông Cửu Long ĐCCT - ĐKT : Địa chất công trình - Địa kỹ thuật ĐN-QN : Đà Nẵng - Quảng Ngãi ĐT : Đƣờng tỉnh ĐH : Đƣờng huyện ĐHBK : Đại học Bách Khoa GPXL : Giải pháp xử lý HSTK : Hồ sơ thiết kế KCN : Khu công nghiệp TLĐVTT : Trọng lƣợng đơn vị thể tích KSXD : Khảo sát xây dựng MKN : Mất khi nung MC1 : Mặt cắt 1 MTĐC : Môi trƣờng địa chất NGI : Viện Địa kỹ thuật Nauy QL1A : Quốc lộ 1A QL14B : Quốc lộ 14B QL14G : Quốc lộ 14G PTHT : Phân tích hệ thống PVD : Bấc thấm SD : Giếng cát TCCL : Tính chất cơ lý TCN : Tầng chứa nƣớc TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TCXD : Tính chất xây dựng TNHT : Thí nghiệm hiện trƣờng TNHH MTV : Trách nhiệm hữu hạn một thành viên TN-KT : Tự nhiên – kỹ thuật TPVC : Thành phần vật chất TPHH : Thành phần hóa học TPKV : Thành phần khoáng vật UU : Không cố kết - không thoát nƣớc 2. GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ viii
CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Đơn vị Tên gọi a kPa-1 Hệ số nén lún Cc - Chỉ số nén Cs - Chỉ số nở c kPa Cƣờng độ lực dính đơn vị Cv cm /s, m2/năm 2 Hệ số cố kết thấm theo phƣơng đứng Ch cm2/s, m2/năm Hệ số cố kết thấm theo phƣơng ngang Ch(ap) cm2/s, m2/năm Hệ số cố kết thấm theo phƣơng ngang tƣơng đƣơng C - Hệ số nén thứ cấp Tỉ số giữa đƣờng kính vùng xáo động và đƣờng kính ds/dw - tƣơng đƣơng của thiết bị tiêu thoát nƣớc thẳng đứng dw m, cm Đƣờng kính tƣơng đƣơng của bấc thấm e0 − Hệ số rỗng tự nhiên E0 kPa Mô đun biến dạng của đất f - Hệ số kiên cố G (Sr) % Độ bão hoà HTK m Chiều cao nền đắp thiết kế HTT m Chiều cao nền đắp tính toán IL - Độ sệt kv cm/s, m/ngày Hệ số thấm theo phƣơng đứng kh cm/s, m/ngày Hệ số thấm theo phƣơng ngang kd - Hệ số tự nén chặt Tỉ số giữa hệ số thấm theo phƣơng ngang của vùng đất kh/ks - nguyên trạng và vùng đất xáo động Km - Hệ số hoá mềm L m, cm Khoảng cách bố trí giếng cát hoặc bấc thấm LL % Giới hạn chảy m - Hệ số tỉ lệ N30 - Chỉ số xuyên tiêu chuẩn Pc (  pz ) kPa Áp lực tiền cố kết PL % Độ ẩm giới hạn dẻo qu kPa Cƣờng độ kháng nén nở hông Su kPa Sức kháng cắt không thoát nƣớc theo VST Sc m, cm Độ lún cố kết Si m, cm Độ lún tức thời ix
St m, cm Độ lún theo thời gian STXL m, cm Độ lún trƣớc xử lý SQT m, cm Độ lún theo kết quả quan trắc SPVD m, cm Độ lún xử lý bằng bấc thấm SSD m, cm Độ lún xử lý bằng giếng cát Rn kPa Sức chịu tải Rk kPa Cƣờng độ chịu kéo Rnbh kPa Cƣờng độ chịu nén bão hoà Rn kPa Cƣờng độ chịu nén khô gió T - Nhân tố thời gian THSTK ngày Thời gian theo hồ sơ thiết kế TQT ngày Thời gian quan trắc TPVD ngày Thời gian xử lý bằng bấc thấm TSD ngày Thời gian xử lý bằng giếng cát t ngày, giờ, giây Thời gian U % Độ cố kết uw kPa Áp lực nƣớc lỗ rỗng W % Độ ẩm Wmax % Độ ẩm lớn nhất  kPa Ứng suất tổng  v' 0 kPa Ứng suất hữu hiệu  v' kPa Áp lực hữu hiệu theo phƣơng thẳng đứng  độ Góc ma sát trong ' độ Góc ma sát trong hữu hiệu αk độ Góc nghĩ khi khô αw độ Góc nghĩ khi ƣớt w KN/m3 Trọng lƣợng đơn vị thể tích của đất tự nhiên d (c) KN/m3 Trọng lƣợng đơn vị thể tích của đất khô s KN/m3 Trọng lƣợng đơn vị thể tích hạt rắn amQ22-3 - Trầm tích sông - biển tuổi Holocen giữa - muộn Trầm tích sông - biển - đầm lầy tuổi Holocen sớm - ambQ21-2 - giữa Trầm tích sông - biển tuổi Holocen giữa - muộn hệ amQ22-3cg - tầng Cần Giờ bmQ1 - Trầm tích đầm lầy - biển tuổi Pleistocen Trầm tích hồ - đầm lầy tuổi Holocen sớm - giữa lầy lbQ21-2hh1 - phần hệ tầng Hải Hƣng sớm x
MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết Quá trình đô thị hóa và phát triển du lịch tại ĐBVB Quảng Nam- Đà Nẵng đang diễn ra nhanh chóng và cần thiết phải phát triển các cơ sở hạ tầng giao thông. Mặt khác, do đặc điểm nền đất yếu của nƣớc ta phân bố rộng khắp không chỉ ở ĐBBB, ĐBSCL mà còn phân bố ở khu vực miền Trung, nhất là ĐBVB Quảng Nam - Đà Nẵng. Do đất yếu có tính nén lún lớn, khả năng thoát nƣớc nhỏ nên nền đắp thƣờng bị lún mạnh và kéo dài, đòi hỏi kỹ thuật xử lý phức tạp, tốn kém. Thực tế xây dựng cho thấy, có rất nhiều công trình bị lún, hƣ hỏng nặng khi xây dựng trên nền đất yếu là do không đánh giá một cách có hệ thống, đầy đủ và chính xác tính chất cơ lý của đất yếu cũng nhƣ chƣa xem xét mối quan hệ giữa đất yếu với các thành tạo đất đá xung quanh để làm cơ sở khoa học và đề ra các giải pháp xử lý (GPXL) nền phù hợp. Trong những năm gần đây, ở khu vực nghiên cứu xuất hiện nhiều công trình bị lún mạnh, lún không đều đòi hỏi phải tiến hành gia cố xử lý mới cho phép sử dụng bình thƣờng, đặc biệt là các tuyến đƣờng xây dựng trên nền đất yếu. Bên cạnh đó, đất yếu vùng ĐBVB Quảng Nam - Đà Nẵng là những trầm tích trẻ hiện đại có tuổi Holocen và Pleistocen muộn đƣợc hình thành từ nhiều nguồn gốc khác nhau. Khả năng xây dựng công trình trên nền đất yếu cũng nhƣ việc lựa chọn GPXL phụ thuộc rất lớn vào các TCCL của đất, TPVC và vị trí tồn tại của đất yếu trong cấu trúc nền. Do đó, nghiên cứu một cách đầy đủ, có hệ thống về thành phần vật chất, tính chất cơ lý và cấu trúc nền đất yếu ở khu vực nghiên cứu là hết sức cần thiết, nhằm cung cấp đủ luận cứ khoa học để tính toán thiết kế đƣờng giao thông cũng nhƣ cung cấp cơ sở quan trọng trong việc lựa chọn, đề xuất và tính toán - thiết kế đúng đắn các giải pháp xử lý nền đƣờng đất yếu. Vì vậy, đề tài luận án "Nghiên cứu tính chất cơ lý nền đất yếu đồng bằng ven biển Quảng Nam-Đà Nẵng phục vụ xây dựng đường giao thông" có tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu là nghiên cứu, xác định thành phần vật chất, tính chất cơ lý của đất yếu vùng 1
đồng bằng ven biển Quảng Nam - Đà Nẵng, đặc biệt là đặc tính biến dạng, cố kết thấm, độ bền chống cắt và quan hệ tƣơng quan của chúng phục vụ cho lựa chọn, tính toán, thiết kế các giải pháp xử lý nền đƣợc chính xác và phù hợp. 3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu: Đất yếu đa nguồn gốc ở đồng bằng ven biển Quảng Nam - Đà Nẵng. 3.2 Phạm vi nghiên cứu: Dải đồng bằng ven biển Quảng Nam - Đà Nẵng từ huyện Núi Thành (Quảng Nam) đến quận Liên Chiểu (Đà Nẵng), chiều sâu nghiên cứu đến 30 m, khống chế đới ảnh hƣởng của nền đƣờng và chiều sâu phân bố đất yếu. 4 Nội dung nghiên cứu - Tổng quan về nghiên cứu TCCL và các giải pháp kỹ thuật xử lý nền đất yếu trên thế giới, Việt Nam và ở ĐBVB Quảng Nam - Đà Nẵng, từ đó đánh giá những thành tựu, tồn tại và chỉ ra vấn đề mà luận án cần tập trung giải quyết. - Điều kiện địa kỹ thuật vùng ĐBVB Quảng Nam - Đà Nẵng và xây dựng bản đồ phân bố đất yếu sử dụng trong xây dựng đƣờng giao thông. - Nghiên cứu cứu chi tiết về thành phần vật chất (thành phần khoáng vật, thành phần hóa học, vật chất hữu cơ và thành phần hạt) của các thành tạo đất yếu nhằm làm sáng tỏ nguồn gốc, điều kiện thành tạo và tồn tại của đất yếu, đây là những yếu tố quan trọng quyết định đến tính chất xây dựng của đất yếu. - Nghiên cứu đặc tính biến dạng - cố kết thấm, xác định hệ số tỉ lệ m=Ch/Cv và sức kháng cắt của các thành tạo đất yếu, cung cấp cơ sở khoa học để lựa chọn, tính toán thiết kế giải pháp xử lý nền đất yếu đƣợc chính xác và hiệu quả hơn. - Xây dựng bản đồ cấu trúc nền đất yếu theo một hệ thống tiêu chí nhất quán, có cơ sở khoa học và dễ sử dụng trong trong xây dựng đƣờng giao thông. 5 Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp kế thừa: Kế thừa các tài liệu, các công trình nghiên cứu đã có trong khu vực có liên quan mật thiết với luận án, từ đó phát triển hƣớng nghiên cứu mới. 2
- Phương pháp địa chất: Nghiên cứu sự thành tạo và sự phân bố các thành tạo trầm tích đất yếu đa nguồn gốc. - Phương pháp số: Sử dụng phần mềm ArcMap 10.2.2 để lập các bản đồ chuyên đề (bản đồ điều kiện địa kỹ thuật, bản đồ địa hình - địa mạo, bản đồ địa chất thủy văn, bản đồ phân bố đất yếu, bản đồ cầu trúc nền đất yếu); phần mềm Plaxis 8.5 để tính lún và ổn định nền đắp. - Phương pháp thực nghiệm: Thí nghiệm trong phòng xác định các chỉ tiêu vật lý của đất, thành phần vật chất, đặc tính biến dạng - cố kết thấm, sức kháng cắt (thí nghiệm cắt phẳng trực tiếp, thí nghiệm nén ba trục theo sơ đồ UU và CU) của đất và các thí nghiệm hiện trƣờng (thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng VST và xuyên tiêu chuẩn SPT). - Phương pháp thống kê và địa thống kê: Nhằm xử lý số liệu, đƣa ra giá trị trung bình tính chất cơ lý, lập mối tƣơng quan giữa các chỉ tiêu cơ lý, xử lý kết quả thí nghiệm,... - Phương pháp phân tích hệ thống: Nhằm phân tích các vấn đề lý thuyết và thực nghiệm liên quan nội dung luận án. - Phương pháp phân tích tính toán lý thuyết: Nhằm tính toán - thiết kế các giải pháp xử lý, tính toán các chỉ tiêu cơ lý của đất. - Phương pháp chuyên gia: Đề tài nghiên cứu là một vấn đề rất phức tạp, vừa có tính tổng hợp, vừa mang tính chuyên sâu, do đó rất cần sự tham vấn, đóng góp của nhiều nhà khoa học, chuyên gia thông qua các hội nghị khoa học, hội thảo với sự tham gia của nhiều chuyên ngành khác nhau. 6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 6.1 Ý nghĩa khoa học Xác định đƣợc các đặc trƣng cơ lý, thành phần vật chất và sự phân bố của đất yếu ven biển Quảng Nam - Đà Nẵng. 6.2 Ý nghĩa thực tiễn Xây dựng đƣợc bản đồ phân vùng cấu trúc nền phục vụ xử lý nền cho công trình giao thông. 3
7 Bố cục của luận án: Ngoài 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 1.1.1 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 ( 0,75. Tên của loại sét yếu này đƣợc gọi theo chỉ số dẻo (PI) và bao gồm cát pha (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 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 50% và nhóm hạt có đƣờng kính >0,1 mm phải 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 (
biến dạng nhỏ (E0≤5000 kPa). Nếu không có biện pháp xử lý thích hợp thì không thể xây dựng công trình trên đó. Nền đất yếu là nền đất không thuận lợi cho việc xây dựng công trình, khi xây dựng công trình trên nền đất yếu cần phải áp dụng các giải pháp xử lý nền một cách hợp lý và hiệu quả, nhằm đảm bảo sự ổn định lâu dài cho công trình. 1.1.2 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 e0  e1 bảo tính nguyên trạng (với   , %), 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.T.S, Norihiko Miura [9]. TPVC là yếu tố đóng vai trò quyết định đến TCCL của đất yếu. Các nghiên cứu về 7
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.D.Lomtadze, V.P.Petrukhin cũng đã chú trọng 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.M Xergeev). 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. Terzaghi (1924) đƣa ra biểu thức thể hiện đặc tính rất cơ bản của cơ học đất, mặt dù nguyên lý áp lực hữu hiệu khá đơn giản  '    uw (trong đó  là áp lực tổng;  ' áp lực hữu hiệu và uw là ALNLR), song nó rất quan trọng trong nghiên cứu tính chất cơ học của đất [5], [13]. Bên cạnh đó, V.A. Florin đã giải những bài toán cố kết có xét đến độ bền kiến trúc, gradient ban đầu, từ biến cốt đất, tính nén ép của nƣớc lỗ rỗng, hàm lƣợng khí trong đất và sự thay đổi áp lực pháp tuyến theo thời gian, bỏ qua vai trò của áp lực tiếp tuyến. Trong công trình nghiên cứu của mình, N.N.Verigin đã đƣa ra khái niệm mới 8