1. Đặt vấn đề
Thành phố Hồ Chí Minh là thành phố lớn của Việt Nam đang đi đầu trong cả nước về phát triển không gian ngầm đô thị. Việc xây dựng không gian ngầm ở đây gặp nhiều khó khăn do phần lớn địa chất gặp nền đất yếu tương đối dày, có nơi đến 20-30m [1](Ma Di Tám, 2012). Tính chất ảnh hưởng lớn tới vấn đề mất ổn định lún của công trình là các tính chất cố kết của đất yếu [2] (Radhika et al, 2017). Chính vì vậy, việc nghiên cứu các đặc điểm cố kết của đất rất cần phải quan tâm.
Trên thế giới, đặc điểm cố kết của đất yếu được nhiều tác giả đi sâu nghiên cứu. Larsson [3] (1986) đã phân tích và chỉ ra những đặc điểm cố kết của đất yếu bằng thí nghiệm trong phòng cũng như quan trắc ngoài hiện trường. Kết quả chỉ ra các thông số đặc trưng của đặc điểm cố kết và khẳng định rằng đặc điểm cố kết của đất yếu bao gồm cố kết sơ cấp và cố kết thứ cấp. Đây là những định hướng quan trọng nghiên cứu cố kết của đất yếu. Chu et al [4] (2002) đã nghiên cứu tính chất cố kết và tính chất thấm của đất sét biển Singapore và đã chỉ ra hệ số cố kết biến đổi trong phạm vi rộng. Kelly [5] (2006) đề cập đến việc nghiên cứu tính chất cố kết của 11 loại đất yếu khác nhau theo cả hai phương thẳng đứng và phương ngang. Kết quả cho thấy đặc điểm cấu trúc, và sự bất đồng nhất của đất ảnh hưởng rất lớn tới kết quả thí nghiệm. Bo et al. [6] (2015) chỉ ra sự thay đổi lớn của hệ số cố kết của phần trên, phần giữa và phần dưới đất sét biển tại Singapore do ảnh hưởng của cấu trúc của đất. Al-khafaji et al [7](2015) đã nhận xét và đánh giá mối quan hệ giữa chỉ số nén và giới hạn chảy của các tác giả nghiên cứu trước đó. Các mối quan hệ này ảnh hưởng lớn với thành phần khoáng vật và có nhiều mối quan hệ có tương quan thấp. Jain et al [8] (2015) cũng chỉ ra mối quan hệ giữa chỉ số dẻo và chỉ số nén với mức độ tương quan cao cho đất tại các thung lũng sông tại Ấn Độ. Bo et al [9] (2017) nghiên cứu đặc điểm cố kết của đất bằng nhiều thí ngiệm khác nhau như thí nghiệm nén cố kết thoát nước thẳng đứng hai chiều, cho đất nguyên trạng. Kết quả chỉ ra hệ số nén lún thay đổi trong phạm vi rộng và ảnh hưởng bởi phương pháp thí nghiệm cũng như tốc độ thí nghiệm CRS. Ahmad và Harahap (2016) [10] đã nghiên cứu đặc điểm biến dạng của trầm tích biển tại Malaysia và đã chỉ ra sự thay đổi của áp lực tiền cố kết, chỉ số nén cũng như chỉ số nở của đất.
Tại Việt Nam, đất yếu phân bố khá rộng rãi ở các đồng bằng như đồng bằng sông Hồng và đồng bằng Mekong với bề dày biến đổi mạnh [11-13]. Các loại đất yếu này là đối tượng bất lợi cho việc xây dựng công trình và cần phải cải tạo bằng các giải pháp xử lý nền đất yếu khác nhau [14-15]. Nu et al (2011) [16]và Nu (2014) [17] đã nghiên cứu các đặc điểm cố kết của đất loại sét yếu (amQ22-3) phân bố ở các tỉnh ven biển đồng bằng sông Cửu Long. Kết quả đã chỉ ra rằng các đặc điểm cố kết này phụ thuộc vào địa điểm, chiều sâu lấy mẫu cũng như các thành phần muối, hữu cơ trong đất.
Như vậy, có thể thấy các đặc điểm cố kết của đất đã được nghiên cứu bởi các tác giả trên thế giới. Tuy nhiên, đặc điểm cố kết của đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại đất, thiết bị thí nghiệm,... Do vậy, vẫn rất cần phải nghiên cứu tiếp theo. Hơn nữa, đối với đô thị TP.HCM thì chưa có nghiên cứu nào đi sâu về đặc tính cố kết của đất xây dựng, làm cơ sở cho tính toán thiết kết các công trình ngầm.
Bài báo nghiên cứu đặc điểm cố kết của đất thông qua thí nghiệm các mẫu đất phân bố tại các vùng đất yếu TP.HCM. Bài báo cũng xác định mối tương quan giữa hệ số cố kết với một số chỉ tiêu như: Độ ẩm tự nhiên (Wn); Giới hạn chảy (WL); và hệ số rỗng (e0). Từ đó, làm cơ sở khuyến cáo khi thiết kế, xây dựng các công trình ngầm khu vực TP.HCM.
2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu
2.1. Vật liệu sử dụng
Để tiến hành nghiên cứu đặc điểm cố kết của đất, các mẫu đất được lấy từ các lỗ khoan ở nhiều địa điểm khác nhau của Thành phố Hồ Chí Minh. Độ sâu của mẫu và vị trí lấy mẫu được thể hiện ở Bảng 1.
Table 1. Vị trí lấy mẫu
Mẫu đất nguyên trạng được lấy bằng ống piston và vận chuyển về phòng thí nghiệm. Mẫu được đảm bảo hoàn toàn tính nguyên trạng của mẫu từ lúc vận chuyển, bảo quản và trong lúc mở mẫu thí nghiệm.
Thí nghiệm thành phần hạt, tính chất vật lý của đất, đặc điểm cố kết của đất được xác định trên các mẫu nguyên trạng lấy về. Thành phần hạt được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D422. Các giới hạn chảy được xác định theo các tiêu chuẩn ASTM D4318 – e1. Kết quả thành phần hạt và các chỉ tiêu cơ lý của đất yếu được trình bày ở hình 1 và hình 2.
Hình 1. Kết quả thành phần hạt của đất yếu
Hình 2. Kết quả một số chỉ tiêu cơ lý của đất yếu
Ở hình 1 và 2, có thể thấy đất yếu được phân loại là đất sét dẻo (CH), hoặc một số là đất sét gầy (CL). Độ ẩm tự nhiên cao hơn giới hạn chảy và đất ở trạng thái chảy. Độ ẩm tự nhiên (Wn) cao, thay đổi trong khoảng 30.7% đến 117.8%, trung bình là 78.3%. Giới hạn chảy (WL) thay đổi trong khoảng 29% đến 92.1%, trung bình là 67.7%. Giới hạn dẻo (WP) thay đổi trong khoảng 19% đến 57.9%, trung bình là 38.58%. Khi phân tích thành phần hạt cho thấy, thành phần hạt sét là lớn nhất trong các nhóm hạt chiếm >40%, hàm lượng hạt bụi (<0.005mm) hầu hết thay đổi trong khoảng từ 20% đến 40%, hàm lượng nhóm hạt cát chủ yếu biến đổi trong phạm vi <20%. Hệ số rỗng của đất lớn, thay đổi từ 0.927 đến 3.094, trung bình là 2.109. Đây là những loại đất không thuận lợi cho việc xây dựng công trình.
2.2. Phương pháp nghiên cứu
Thí nghiệm nén cố kết thoát nước thẳng đứng hai chiều áp dụng các tiêu chuẩn ASTM D 2435, trên máy nén một trục không nở hông với 42 mẫu được lấy tại nhiều địa điểm khác nhau. Thí nghiệm được tiến hành gia tải với nhiều cấp áp lực khác nhau, cấp sau gấp đôi cấp trước. Giá trị các cấp gia tải lần lượt là 12,5; 25; 50; 100; 200; 400; 800, 1600kPa tùy thuộc vào độ sâu lấy mẫu. Mỗi cấp áp lực nén được giữ cho đến khi độ cố kết thấm đạt 100% hoặc trong 24 giờ, đọc các số đọc trên đồng hồ đo biến dạng tại các thời điểm 0,1; 0.25; 0.5;1; 2; 4; 8; 15; 30; 60; 120 phút; 4; 8;16; 24 giờ hoặc 48 giờ. Sau khi kết thúc nén ở cấp áp lực cuối cùng, tiến hành dỡ tải và đo biến dạng phục hồi. Kết quả thí nghiệm xác định được các thông số cố kết của đất như hệ số cố kết Cv, chỉ số nén lún CC, chỉ số nở CS, áp lực tiền cố kết sc.
3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Kết quả nghiên cứu đặc điểm cố kết của đất được trình bày ở bảng 2.
Bảng 2. Kết quả nghiên cứu đặc điểm cố kết của đất yếu
Từ kết quả nghiên cứu ở bảng 2 cho thấy đất yếu tại các vị trí khác nhau có các đặc trưng cố kết khác nhau. Hệ số nén lún thay đổi trong phạm vi rộng và phụ thuộc vào vị trí lấy mẫu. Chỉ số nén lún tại các địa điểm M1, M2, M4, M5, M6 cao hơn những địa điểm khác, lần lượt thay đổi từ 0.972 đến 1.329, 0.893 đến 1.317; 0.737 đến 1.636 và 0.748 đến 1.305. Tại các vị trí M3, M9, M6, M7, M8 hệ số nén lún nhỏ hơn và thay đổi trong khoảng lần lượt là 0.529 đến 0.778, 0.325 đến 1.032, 0.490 đến 1.040, 0.615 đến 0.819, 0.175 đến 1.703. Giá trị chỉ số nén lún trung bình lớn nhất tại vị trí M5 và nhỏ nhất tại vị trí M3. Điều này có thể liên quan đến thành phần hạt, độ ẩm …. của đất. Vị trí M5 có hàm lượng sét và độ ẩm tự nhiên cao nhất. Trong khi đó, vị trí M3 có hàm lượng sét và độ ẩm tự nhiên thấp nhất.
Chỉ số nở thay đổi từ 0.059 đến 0.401. Tỷ số Cs/Cc thay đổi từ 0.044 đến 0.344.
Hệ số cố kết của đất cũng biến đổi trong phạm vi rộng từ 0.05210-3cm2/s đến 3.3.10-3cm2/s và thay đổi tùy thuộc vào từng vị trí. Giá trị hệ số cố kết nhỏ nhất tại vị trí 1 và thay đổi trong khoảng 0.102. 10-3cm2/s đến 0.178.10-3 cm2/s. Điều này có thể là do tại vị trí M1 đất có chứa hữu cơ, hàm lượng hạt sét nhiều. Tại M8, hệ số cố kết có giá trị lớn nhất và thay đổi trong phạm vi từ 0.25.10-3cm2/s đến 3.3.10-3cm2/s. Điều này là do, đất ở vị trí M8 có sự xen kẹp các lớp cát cũng như hàm lượng hạt sét nhỏ 22.4%. Chu at el [4] đã nghiên cứu tính chất cố kết của đất sét biển Singapore và đã chỉ ra hệ số cố kết biến đổi theo độ sâu. Giá trị Cv của lớp trên thay đổi từ 0.5 đến 1.7m2/ năm, trong khi đó, lớp đất sét biển tầng dưới, Cv thay đổi từ 0.5 đến 2.3m2/ năm. Bo et al. [6] xác định hệ số cố kết của đất sét biển Singapore ở Changi và kết quả cho thấy lớp đất trên có hệ số cố kết từ 0.47–0.6 m2/năm trong khi tầng thấp hơn có Cv từ 0.8–1.5 m2/năm. Lí do có sự khác nhau giữa hệ số cố kết của tầng trên và tầng dưới là do độ nhạy cao của đất sét biển.
Hình 3 cho thấy, hệ số cố kết Cv, chỉ số nén lún Cc, áp lực tiền cố kết sc của đất yếu thay đổi theo độ sâu. Hệ số cố kết của đất yếu nhỏ hơn 0.7.10-3cm2/s và hệ số cố kết tăng dần theo độ sâu. Áp lực tiền cố kết thay đổi từ 44.1 đến 123.5 kPa và tăng theo độ sâu.
.jpg)
Hình 3: Sự thay đổi của Cv, Cc và Pc theo độ sâu
Hình 4 cho thấy, hệ số cố kết thay đổi theo cấp áp lực tác dụng. Hệ số cố kết giảm khi áp lực nén tăng. Khi áp lực nằm trong khoảng < 50kpa, thì hệ số cố kết giảm mạnh, đến các cấp áp lực từ 50kPa trở đi (giai đoạn cố kết thông thường) thì hệ số cố kết giảm chậm. Điều đó chứng tỏ khi hệ số rỗng giảm cùng với áp lực nén tăng, hệ số thấm giảm nhanh, dẫn đến hệ số cố kết giảm dần. Đồng thời, khi áp lực nén tăng, các hạt đất có khuynh hướng sắp xếp chặt hơn, chống lại tác dụng của lực ngoài, kháng lại khả năng biến dạng lún của đất (cả về tốc độ và lượng lún), làm hệ số cố kết giảm.
Hình 4. Sự thay đổi của hệ số cố kết theo áp lực nén.
Để làm rõ ảnh hưởng của các tính chất cơ lý đất yếu đối với hệ số nén lún, mối quan hệ giữa chúng đã được thiết lập.
Đầu tiên, mối quan hệ giữa chỉ số nén lún và độ ẩm tự nhiên được xác định như ở hình 5. Có thể thấy rằng độ ẩm tự nhiên tăng lên dẫn đến chỉ số nén lún tăng. Điều này phù hợp với kết quả của Nu et al [17] và Nu [18]. Điều này được cho là do độ ẩm tự nhiên của nước tăng lên làm cho độ nén của đất cao, và vì vậy chỉ số nén lún tăng.
.jpg)
Hình 5. Tương quan giữa chỉ số nén lún và độ ẩm
Thứ hai, mối quan hệ giữa chỉ số nén lún và giới hạn chảy được thiết lập và thể hiện trong hình 6. Có thể thấy rằng giới hạn chảy tăng làm cho chỉ số nén lún tăng. Điều này là phù hợp với kết quả của Nu et al [17] và Nu [18]. Điều này được cho là khi giới hạn chảy tăng lên sẽ làm cho độ nén của đất cao và vì thế chỉ số nén lún tăng.
Hình 6. Tương quan giữa chỉ số nén lún và giới hạn chảy.
Cuối cùng, mối quan hệ giữa chỉ số nén lún và hệ số rỗng được thể hiện ở hình 7. Có thể thấy ở hình 7, hệ số rỗng tăng lên dẫn đến chỉ số nén lún tăng. Điều này là phù hợp với kết quả của Nu et al [17] và Nu [18]. Điều này được cho là khi giới hạn chảy tăng lên sẽ làm cho độ nén của đất cao và vì thế chỉ số nén lún tăng.
Hình 7. Tương quan giữa chỉ số nén lún và hệ số rỗng.
Mối quan hệ hồi quy tuyến tính giữa chỉ số nén lún và độ ẩm tự nhiên, giới hạn chảy, hệ số rỗng được thể hiện ở hình 5,6,7. Những mối quan hệ này được thể hiện ở Bảng 3.
Bảng 3. Tương quan giữa chỉ số nén lún với một số chỉ tiêu cơ lý
Mối tương quan khác với kết quả của Al-Khafaji [7, 8, 18] như ở dưới bảng 4.
Bảng 4. Tương quan giữa chỉ số nén lún với một số chỉ tiêu cơ lý [7,8,18]
Jain et al [8] chỉ ra rằng có tương quan cao giữa chỉ số nén lún và chỉ số dẻo của đất yếu ở nhiều thung lũng sông ở Ấn Độ. Điều này được cho là khi giới hạn chảy tăng lên sẽ dẫn đến chỉ số nén lún tăng. Phân tích mối quan hệ hồi quy tuyến tính giữa chỉ số nén lún và chỉ số dẻo, và được thể hiện như sau Cc =0.0082 PU +0.0475 và hệ số xác định R2 là 0.898.
5. Kết luận
Từ kết quả nghiên cứu tính chất cố kết của đất yếu khu vực thành phố Hồ Chí Minh rút ra một số nhận xét sau:
- Đất yếu tại thành phố Hồ Chí Minh phân bố ngay trên bề mặt địa hình với bề dày biến đổi mạnh lên đến 30 – 40m. Đất yếu được phân loại là đất sét dẻo (CH), hoặc một số là đất sét gầy ở trạng thái chảy. Đất yếu có độ ẩm tự nhiên, giới hạn chảy và hệ số rỗng cao.
- Đất yếu tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh có tính lén lún lớn, chỉ số nén thay đổi từ 0.156 đến 1.703, trung bình là 0.830.
- Hệ số cố kết nhỏ, thay đổi từ 0.052.10-3 đến 0.732.10-3cm2/s, trung bình là 0.61.10-3cm2/s.
- Hệ số cố kết có xu hướng giảm dần khi tăng áp lực nén.
- Chỉ số nén lún có quan hệ chặt chẽ với độ ẩm, độ ẩm giới hạn chảy, hệ số rỗng tự nhiên của đất. Độ ẩm, độ ẩm giới hạn chảy, hệ số rỗng tự nhiên tăng dẫn đến chỉ số nén lún tăng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Southern Water Resources Planning and Investigation Federation (2010), Engineering geological maps and hydrogeological maps, map scale 1:50.000
2. Radhika, B.P, A. Krishnamoorthy and A. U. Rao, 2017. A review on consolidation theories and its application. International Journal of Geotechnical engineering.
3. Larsson.R (1986), Consolidation of soft soil, Swedish Geotechnical Institute, Linkiiping, Report No.29.
4. Chu, J., Bo, M.W., ; Chang, M. F., and Choa,V. (2002). Consolidation and permeability properties of Singapore marine clay. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. Vol 128 (9), 724-732.
5. O’kelly, B.C (2006), Compression and consolidation anisotropy of some soft soils. Geotechnical and Geological Engineering (2006) 24: 1715–1728.
6. Bo, W.M., Arulrajah, A., Sukmak, A.P., Horpibulsuk, S. (2015).Mineralogy and geotechnical properties of Singapore marine clay at Changi. Soils and Foundations 2015;55 (3):600 – 613.
7. Al-Khafaji, A.W, Maillacheruvu, K.Y., Sainz, M., Neuman, R. Analysis of empirical compression index equations using the liquid limit. Implementing Innovative Ideas in Structural Engineering and Project Management (2015)
8. Jain, V.K., Dixit, M., Chitra, Dr. R. (2015). Correlation of Plasticity Index and Compression Index of Soil. International Journal of Innovations in Engineering and Technology (IJIET). Volume 5 Issue 3 June 2015. 263-270.
9. Bo, M.W, Choa, V., Chu, J., Arulrajah, A., and Horpibulsuk, S. (2017). Laboratory Investigation on the Compressibility of Singapore Marine Clays. Marien Georesources and Geotechnology. Volume 35, Issue 6.
10. Ahmad, N. R., Harahap, I. S. H. 2016. The compression behaviour of marine clays in Malaysia. Proceedings of the 35th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering. 1–6.
11. Nu, N.T., Toan, D.M., Thinh, P.H, Son, B.T. Determination of Particles and Minerals Content in Soft Clay Soil of the Mekong Delta Coastal Provinces, Southern Vietnam for Inorganic Adhesives Stabilization. Determination of Particles and Minerals Content in Soft Clay Soil of the Mekong Delta Coastal Provinces, Southern Vietnam for Inorganic Adhesives Stabilization. Iraqi Journal of Science, 61(4), 791-804 (2020)
12. Giao, P.H., Hien, D.H. Geotechnical characterization of soft clay along a highway in the Red River Delta. J Lowl Technol Int 9, 18–27 (2007)
13. Nu, N.T and Thinh, P.T. Soft soils in the Me Kong Delta of Vietnam. ActuAlscience 4(1):24-31 (2020)
14. Nguyen Thi, N., Thinh, P.H., Son, B. T.“Utilizing coal bottom ash from Thermal Power Plants in Vietnam as partial replacement of aggregates in concrete pavement, Journal of Engineering, vol. 2019 (2019)
15. Nu, N.T., Son. B.T, Ngoc D. M.An Experimental study of reusing coal ash for base course of road pavement (2019) Electronic Journal of Geotechnical Engineering, 2019 (24.04), pp 945-960.
16. Nu, N.T, Duong, N.T., Phong, N.V. (2019). The effects of salt contents on the geotechnical properties of some soft soils in the coastal area of Vietnam. Journal of Mining and Earth Sciences, No. 60, Vol.6, 51 – 60.
17. Nu,N.T, Do Minh Toan, D.M, Tinh, N.V (2011), Determining the parameters of consolidation of amQ22-3 soft to very soft clay (CL, CH) distributed in Soc Trang area for calculating settlement of soil and ground improvement by vertical drains method. Journal of Mining and Earth Sciences, 35/07/2011, 32-39. (In Vietnamese).
18. Nu et al, 2014. Researching of engineering geological properties of soft clayey soil amQ22-3 distribution in the coastal provinces of Mekong delta for ground improvement for road construction, Doctoral thesis in Geology, Ha Noi (In Vietnamese).