Chương 2 – Khảo sát hiện trường, Thí nghiệm và Quan trắc

2-1 GIỚI THIỆU

2-1.1 Phạm vi

Chương này trình bày thông tin về các phương pháp khảo sát bao gồm sử dụng bản đồ địa chất, ảnh chụp trên không, và viễn thám; các phương pháp địa vật lý; hố khoan thí nghiệm và hố đào thí nghiệm, và các thí nghiệm sức kháng xuyên. Chương này cũng trình bày thông tin về các phương pháp khoan và lấy mẫu, đo mực nước ngầm, đo các đặc trưng tại chỗ của đất và đá, lựa chọn thiết bị quan trắc hiện trường và thiết bị theo dõi ứng xử địa kỹ thuật.

2-1.2 Lập kế hoạch khảo sát hiện trường

Giai đoạn đầu của công tác khảo sát hiện trường nên bắt đầu bằng việc đánh giá kỹ lưỡng nhu cầu dữ liệu cho dự án cụ thể, giúp xác định mục tiêu của công tác khảo sát hiện trường tiếp theo. Trước khi triển khai ra hiện trường, cần tìm kiếm các thông tin sẵn có, tương đối ít tốn kém và thường rất có giá trị. Trong trường hợp dự án mới nằm liền kề với một dự án hiện hữu (ví dụ: mở rộng đường cao tốc, mở rộng ngang một tuyến đê hiện hữu, v.v.), công tác nghiên cứu ban đầu nên tập trung vào các thông tin và dữ liệu đã được thu thập và/hoặc tổng hợp trước đó cho dự án. Đối với một dự án mới, công tác ban đầu nên bao gồm việc rà soát chi tiết các điều kiện địa chất tại công trường và trong khu vực nơi công trường tọa lạc. Sau đó nên tiến hành một nghiên cứu “trên bàn giấy” (desk top study), sử dụng các nguồn dữ liệu sẵn có, bao gồm ảnh chụp trên không lịch sử và hiện tại, ảnh viễn thám, và (khi có thể) khảo sát trinh sát hiện trường. Thông tin tổng hợp thu được từ các hoạt động này nên được dùng làm cơ sở định hướng cho việc lập kế hoạch khảo sát hiện trường cụ thể của dự án.

Trong phạm vi có thể theo yêu cầu dữ liệu của dự án, các hố khoan thí nghiệm riêng lẻ nên được bổ sung bằng các kỹ thuật khảo sát chi phí thấp hơn, bao gồm hố đào thí nghiệm, thí nghiệm xuyên thăm dò (test probes), và khảo sát địa vật lý. Điều này đặc biệt đúng đối với các công trường ở xa, công trường có sự biến động lớn về điều kiện dưới mặt đất, các dự án chiếm diện tích lớn, các dự án dạng tuyến (ví dụ: đường bộ, đường ống, v.v.), và các dự án trong môi trường ngoài khơi nơi việc huy động thiết bị (mobilizations) và khoan thí nghiệm có thể rất tốn kém.

Công tác khảo sát dự án thường gồm ba giai đoạn riêng biệt: (1) khảo sát trinh sát/khả thi (reconnaissance/feasibility exploration); (2) khảo sát sơ bộ (preliminary exploration); và (3) khảo sát chi tiết/cuối cùng (detailed/final exploration). Các giai đoạn này thường có mục tiêu khác nhau. Có thể mong muốn và/hoặc yêu cầu thêm một giai đoạn khảo sát thứ tư, bao gồm việc lấy mẫu bổ sung và/hoặc thí nghiệm in situ, trong hoặc sau khi thi công để xác nhận lại điều kiện nền đất. Thông thường (và phổ biến nhất đối với các dự án tương đối nhỏ), ba giai đoạn này được gộp chung thành một đợt khảo sát duy nhất.

Khảo sát trinh sát bao gồm việc rà soát các thông tin sẵn có về địa hình, địa chất, và địa chất thủy văn; ảnh chụp trên không; dữ liệu từ các dự án khảo sát trước đó; và một chuyến khảo sát thực địa. Các phương pháp địa vật lý có thể hữu ích trong nhiều trường hợp, đặc biệt đối với các dự án lớn có điều kiện dưới mặt đất biến động và đối với các dự án dạng tuyến (ví dụ: đê, đường cao tốc, v.v.). Khảo sát trinh sát/khả thi thường phát hiện được các khó khăn có thể gặp phải trong các giai đoạn khảo sát sau, đồng thời hỗ trợ xác định loại, số lượng và vị trí của các hố khoan cần thiết. Các ví dụ về thông tin có thể thu được từ hoạt động khảo sát trinh sát thực địa được trình bày trong Bảng 2-1.

Bảng 2-1. Các nội dung có thể đánh giá trong quá trình khảo sát trinh sát hiện trường (NCHRP 2018 và FHWA 2002)

Hạng mục	Nội dung cần ghi nhận	Nhận xét
Lối tiếp cận	Đánh giá khả năng tiếp cận theo một trong các mức sau: (1) dễ dàng, (2) tiếp cận được bằng xe dẫn động bốn bánh, (3) cần máy ủi và san gạt, và (4) không thể tiếp cận.	Việc đánh giá khả năng tiếp cận giúp xác định các loại thiết bị sẽ cần sử dụng.
Công trình tiện ích	Đường dây trên không hiện hữu, tuyến ống khí đã được đánh dấu, hố ga, cửa xả cống và trạm điện.	Thông tin về công trình tiện ích giúp lựa chọn vị trí thích hợp cho thí nghiệm in situ, khoan và lấy mẫu.
Đất bề mặt	Sự hiện diện của vật liệu đắp, mảnh vụn, chất ô nhiễm, mất ổn định mái dốc, trương nở, lún sụt và xói lở.	Việc đánh giá đất bề mặt có thể cho thấy dấu hiệu của bãi chôn lấp bị bỏ hoang, trượt lở cũ, ô nhiễm, lún sụt và ngập lụt.
Vật liệu dưới bề mặt nông	Phân loại trực quan đất và đá, cuội rời, tảng đá, khối lộ đá, cấu trúc khe nứt đá, đứt gãy, mặt bất liên tục, phong hóa, mặt yếu, sườn tích đá vụn, các đặc trưng karst.	Các vật liệu dưới bề mặt có thể cung cấp dấu hiệu về lún sụt, hoạt động trượt lở, đất đá không ổn định và địa tầng.
Thoát nước bề mặt	Đầm lầy, ao, hồ, suối và sông.	Thông tin về thoát nước bề mặt cho biết dấu hiệu về độ sâu mực nước ngầm, hệ số thấm của vật liệu bên dưới và khả năng ngập lụt.
Thoát nước dưới bề mặt	Các tầng chứa nước chính, giếng nước và việc bơm nước từ các giếng sâu.	Thông tin về thoát nước dưới bề mặt cho biết dấu hiệu về mực nước ngầm, các mạch lộ nước tự nhiên và khả năng tồn tại điều kiện áp lực nước ngầm artesian.
Địa hình	Xếp loại địa hình theo các mức: (1) bằng phẳng, (2) dốc, (3) lồi lõm, (4) đồi thoải, và (5) núi.	Việc đánh giá địa hình giúp lựa chọn thiết bị khảo sát và thi công phù hợp, đánh giá nhu cầu khảo sát ổn định mái dốc và xác định khả năng tiếp cận công trường.
Khảo sát trước đây	Các hố đào khảo sát, lỗ khoan, lỗ lấy lõi và các hoạt động nổ mìn trước đây.	Các khảo sát trước đây có thể cung cấp thông tin về địa tầng, các loại đất đá và mực nước ngầm.

Khảo sát sơ bộ có thể bao gồm các hố khoan và/hoặc thí nghiệm xuyên thăm dò (penetration soundings) để xác định các đặc điểm cụ thể (ví dụ: mặt đá gốc, v.v.) và/hoặc để lấy mẫu. Các mẫu thu được thường chỉ được dùng cho thí nghiệm chỉ tiêu (index testing). Kết quả thí nghiệm xuyên thăm dò thường được dùng để hỗ trợ xác định vị trí các lớp đất hoặc thành tạo địa chất nơi sẽ tiến hành các hoạt động khảo sát chi tiết.

Giai đoạn khảo sát chi tiết thường bao gồm khoan dưới mặt đất, lấy mẫu nguyên trạng và mẫu xáo trộn để thí nghiệm trong phòng, thí nghiệm sức kháng xuyên tiêu chuẩn (standard penetration resistance), thí nghiệm xuyên tĩnh (cone penetration test) và các phép đo in situ khác. Tại các vị trí quan trọng, giai đoạn này cũng có thể bao gồm hố đào thí nghiệm, lắp đặt và đo áp kế nước lỗ rỗng (piezometer), thí nghiệm bơm hút nước (pumping tests), v.v. Sau khi hoàn thành giai đoạn này và các thí nghiệm liên quan, điều kiện công trường và đặc trưng đất/đá cần được nắm rõ đầy đủ để phục vụ thiết kế dự án.

Nên tiến hành quan trắc công trường hoặc công trình trong suốt các giai đoạn thi công và sau thi công. Có thể cần lắp đặt thiết bị quan trắc ứng xử công trình (ví dụ: áp kế nước lỗ rỗng và/hoặc bàn đo lún để đánh giá quá trình cố kết trong quá trình gia tải theo giai đoạn). Trong một số trường hợp, có thể cần đánh giá bổ sung điều kiện nền móng trong giai đoạn thi công. Điều này đặc biệt đúng khi điều kiện nền móng có khả năng biến động lớn trên toàn công trường (ví dụ: khi sử dụng móng sâu cho các công trường nằm trên nền karst).

2-2 CÁC TÀI LIỆU ĐÃ CÔNG BỐ

Khi bắt đầu một cuộc khảo sát, bước đầu tiên là xác định các nguồn thông tin sẵn có và phù hợp. Nói chung, các thông tin này đến từ hai nguồn: (1) các cuộc khảo sát trước đây; và (2) các tài liệu đã công bố thuộc phạm vi công khai.

2-2.1 Các cuộc khảo sát trước đây

Đối với các nghiên cứu tại khu vực đã phát triển, điều kiện dưới bề mặt và các khuyến nghị móng được lựa chọn có thể thu thập được từ các công việc trước đó của các dự án lân cận. Dữ liệu đặc thù công trình thu được trước đây có thể đã lỗi thời; và mặc dù địa chất nền bên dưới không thay đổi, các thông tin đặc thù công trình có thể đã bị thay thế bởi các hoạt động gần đây. Ví dụ, các khu vực bờ sông/bờ biển công nghiệp hóa gần các thành phố lớn có thể trải qua các chu kỳ mở rộng và tái thiết, làm cho điều kiện dưới bề mặt thay đổi. Nhiều khi các móng cũ và kết cấu bến cảng cũ vẫn còn bị chôn vùi tại chỗ. Hồ sơ của các công trình xây dựng trước đây có thể chứa thông tin về hố khoan, thí nghiệm hiện trường, điều kiện nước ngầm, và các nguồn gây khó khăn tiềm ẩn hoặc thực tế cho công tác xây dựng. Lưu ý rằng các tài liệu khảo sát từ các sở giao thông vận tải bang (DOT), Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS), và Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (USEPA) có thể được công bố công khai.

Việc xem xét dữ liệu từ các công việc trước đây cần được quan tâm nhiều nhất trong mọi giai đoạn của khảo sát trinh sát, vì rất có khả năng chúng có liên quan trực tiếp. Ngoài ra, các thông tin này thường có thể thu thập với chi phí tương đối thấp và cho phép nhóm dự án nhanh chóng làm quen với vị trí công trình cũng như các vấn đề đã được ghi nhận liên quan đến địa chất và xây dựng.

2-2.2 Bản đồ địa chất và địa chất thủy văn đã công bố

Dữ liệu về địa chất tự nhiên và địa hình của Hoa Kỳ (và các nước khác) có sẵn trong các bản đồ và báo cáo do các cơ quan chính phủ, trường đại học và các hiệp hội nghề nghiệp phát hành. Một ví dụ về các tài liệu và nguồn thông tin sẵn có được trình bày trong Bảng 2-2. Mặc dù các nguồn này cung cấp rất tốt các thông tin mang tính khu vực và tổng quát, nhưng thông tin từ chúng có thể không hoàn toàn đặc thù cho địa điểm công trình. Tuy nhiên, các thông tin này thường có thể được dùng để xác định những khoảng trống dữ liệu cụ thể cần được xử lý trong các giai đoạn tiếp theo.

2-3 PHƯƠNG PHÁP DỮ LIỆU VIỄN THÁM

2-3.1 Nguồn dữ liệu

Ảnh chụp trên không là một dạng viễn thám phổ biến, bao gồm cả các ảnh in cũ (tỷ lệ từ 1:12.000 đến 1:80.000) và các ảnh số có độ phân giải khá cao đối với phần lớn Hoa Kỳ (tỷ lệ 1:1000 hoặc tốt hơn). Một số khu vực có nguồn ảnh lịch sử phong phú, có thể có từ trước khi địa điểm hiện tại được phát triển. Ảnh có ích cho việc thành lập bản đồ địa hình và/hoặc địa chất, đồng thời giúp nhận diện dạng thoát nước, vị trí các công trình hiện hữu, thảm thực vật, tuyến tiếp cận và các vị trí dự kiến khảo sát. Viễn thám cũng bao gồm các bộ dữ liệu không phải ảnh chụp, từ đó có thể thu được các dữ liệu như sự phát triển của thảm thực vật, nguồn nước, v.v. Bảng 2-3 tóm tắt các nguồn và loại dữ liệu viễn thám đã được các kỹ sư địa kỹ thuật sử dụng trong lịch sử (tức là trước năm 2019). Các công nghệ được nêu trong Bảng 2-3 nhìn chung đòi hỏi phải mua ảnh từ các đơn vị tạo ra ảnh.

Bảng 2-4 cung cấp tóm tắt về các công nghệ viễn thám mới hơn. Dữ liệu từ một số nguồn trong đó được cung cấp miễn phí cho người dùng và thường có sẵn trên internet. Dữ liệu từ công nghệ viễn thám có thể được tích hợp vào quá trình phát triển các nền tảng thực tế tăng cường (AR), cho phép tạo ra một trải nghiệm tương tác, trong đó các đối tượng được chồng ghép lên môi trường thực mà người dùng nhìn thấy. Điều này đòi hỏi thông tin do máy tính tạo ra phải được trình bày trong môi trường không gian địa lý thông qua việc sử dụng các loại kính và thiết bị đội đầu chuyên dụng.

2-3.2 Ứng dụng

Viễn thám là một nguồn tư liệu đã được các kỹ sư địa kỹ thuật sử dụng rộng rãi. Sự xuất hiện của các công cụ lập bản đồ dựa trên internet, kết hợp với khả năng dựng mặt cắt bằng hệ thống thông tin địa lý (GIS), hiện đã vượt xa năng lực và chức năng của các công cụ trước đây.

Bảng 2-2. Nguồn thông tin địa tầng sẵn có (theo NCHRP 2018, FHWA 2002 và FHWA 2016)

Loại tài liệu	Nguồn thông tin	Loại thông tin sẵn có	Nhận xét
Bản đồ địa hình	USGS và các cơ quan khảo sát địa chất của bang	Địa hình khu vực, các đặc điểm tự nhiên, và bản đồ chỉ số của khu vực công trình	Bản đồ có thể được dùng để đánh giá khả năng tiếp cận của thiết bị hiện trường và nhận diện các khu vực có nguy cơ mất ổn định mái dốc.
Báo cáo điều tra đất	Cơ quan Bảo tồn Tài nguyên Thiên nhiên Quốc gia, Khảo sát đất Web, và các cơ quan bảo tồn đất địa phương	Phân loại đất theo AASHTO và USCS, độ ẩm, giới hạn Atterberg, hàm lượng hữu cơ, các tính chất hóa học (ví dụ pH), tính thấm của đất, khí hậu, địa tầng và mực nước ngầm	Thông tin sẵn có chủ yếu cho độ sâu nông (6 ft hoặc nhỏ hơn) và hữu ích để nhận diện các loại đất bề mặt có vấn đề (ví dụ: đất có xu hướng trương nở và co ngót) hoặc xác định các nguồn vật liệu mượn tiềm năng.
Bản đồ và báo cáo địa chất, bao gồm bản đồ hố sụt và karst	USGS và các cơ quan khảo sát địa chất của bang	Các thành tạo đất và đá (loại đá, khe nứt, góc phương và góc dốc xấp xỉ, v.v.), chế độ dòng chảy nước ngầm, và đường đồng mức đá gốc, từ đó có thể ước tính sơ bộ độ sâu đá gốc và các nguy cơ địa chất tiềm ẩn	Các tài liệu này có thể được dùng để nhận diện các khu vực có nguy cơ hố sụt, trượt lở, lún sụt và các hiểm họa khác.
Ảnh chụp trên không	Các trang lập bản đồ trên internet, Chương trình Ảnh nông nghiệp Quốc gia (NAIP), và các công ty khảo sát ảnh hàng không	Các công trình nhân tạo, thông tin địa chất và địa chất thủy văn, hiện trạng và lịch sử sử dụng đất, các nguồn vật liệu mượn, và các nguy cơ địa chất cũng như nguy cơ nhân tạo tiềm ẩn	Ảnh chụp có thể theo dõi sự thay đổi của hiện trường theo thời gian để nhận diện các vấn đề tiềm ẩn do sử dụng đất trong quá khứ hoặc do các sự kiện địa chất, bao gồm cả trượt lở.
Bản đồ thủy văn, bản đồ giếng và nhật ký giếng	USGS, các cơ quan tài nguyên thiên nhiên của bang và các cơ quan điều tra đất	Các đặc trưng địa chất thủy văn (ví dụ: mạch lộ nước), các nguy cơ liên quan đến nước ngầm, địa tầng, và độ sâu mực nước ngầm	Bản đồ và nhật ký giếng có thể hữu ích để đánh giá nhu cầu hạ mực nước phục vụ thi công và kiểm soát nước ngầm lâu dài.
Bản đồ công trình tiện ích	Các công ty tiện ích và cơ quan chính quyền địa phương	Vị trí các công trình tiện ích chôn ngầm	Rất hữu ích để xác định vị trí phù hợp cho thí nghiệm in situ, khoan, lấy mẫu, đồng thời hỗ trợ lập tuyến tiếp cận cho thiết bị.
Bản đồ bảo hiểm lũ	FEMA, USACE, USGS, và các cơ quan chính quyền bang và địa phương	Vùng ngập lũ chu kỳ 100 năm và 500 năm, dữ liệu phục vụ đánh giá tiềm năng xói	Thông tin này có thể được dùng để bảo đảm khu đất không nằm trong vùng ngập lũ chu kỳ 100 năm và 500 năm.
Bản đồ bảo hiểm cháy Sanborn	Thư viện Quốc hội, thư viện bang và đại học, và Công ty Sanborn	Các nguy cơ môi trường và lịch sử sử dụng đất	Bản đồ Sanborn có sẵn cho các khu vực đô thị.
Các cơ quan: United States Geological Service (USGS), American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO), Unified Soil Classification System (USCS), Federal Emergency Management Agency (FEMA), United States Army Corps of Engineers (USACE)

\(\\\)

Bảng 2-3. Các nguồn dữ liệu viễn thám lịch sử

Loại	Mô tả và công dụng chung	Nguồn cung cấp
Ảnh chụp trên không	Có sẵn ở dạng khung ảnh 9 inch, có phần chồng lắp để quan sát lập thể. Có giá trị nhờ độ phân giải cao; tỷ lệ ảnh sẵn có có thể dao động từ 1:12.000 (hoặc lớn hơn) đến 1:80.000.	USGS, NCIC, NCRS, USFS, BLM, TVA
	Ảnh vệ tinh có chu kỳ phủ lặp lại 18 ngày trong bốn dải phổ: BAND 4: nhấn mạnh sự chuyển động của nước mang bùn cát và phân định các vùng nước nông; hữu ích trong phân biệt thạch học. BAND 6: nhấn mạnh các yếu tố nhân tạo, chẳng hạn như khu vực đô thị. BAND 7: nhấn mạnh thảm thực vật, ranh giới giữa đất liền và mặt nước, địa hình; hữu ích cho việc giải đoán cấu trúc địa chất. BAND 8: cho khả năng xuyên khí quyển tốt nhất; là dải phổ tốt nhất để phát hiện đứt gãy, lineament, dạng phân bố khe nứt lớn (mega-joint) hoặc các đặc trưng cấu trúc khác; đồng thời cũng nhấn mạnh thảm thực vật, ranh giới đất–nước và địa hình.	EROS
Skylab	Ảnh chụp bề mặt Trái Đất chất lượng cao, hữu ích cho quy hoạch vùng, nghiên cứu môi trường và phân tích địa chất. Ảnh phủ một diện tích 100 × 100 dặm hoặc 70 × 70 dặm tùy theo loại máy ảnh được sử dụng. Ảnh được chụp trong giai đoạn 1973–74 và không bao phủ toàn bộ.	EROS
NASA	Ảnh chụp trên không đen trắng, ảnh màu hoặc ảnh hồng ngoại giả màu do Chương trình Tài nguyên Trái Đất trên máy bay của NASA thực hiện, với tỷ lệ ảnh từ 1:120.000 đến 1:60.000. Không phải mọi khu vực đều có ảnh phủ. Hữu ích cho công tác quy hoạch, nghiên cứu môi trường và nghiên cứu định hướng theo địa điểm; đồng thời phục vụ đánh giá đứt gãy/lineament (đối với ảnh hồng ngoại màu).	EROS
SLAR	Ra đa hàng không nhìn nghiêng (SLAR) là nguồn bổ sung rất có giá trị cho ảnh chụp trong các nghiên cứu vùng, đặc biệt thích hợp ở những khu vực thường xuyên có mây che phủ. Tỷ lệ ảnh dao động từ 1:2.000.000 đến 1:250.000. Đây là loại ảnh tốt nhất để nhận diện các đứt gãy/lineament quy mô vùng.	NCIC, Goodyear Aerospace Corporation và Motorola, Westinghouse Electric Corp.
Ảnh hồng ngoại nhiệt	Ảnh hồng ngoại nhiệt (IR) có thể hữu ích ở những nơi có độ tương phản nhiệt độ đáng kể. Hữu ích cho các dự án chuyên biệt hoặc như một nguồn bổ sung cho các dữ liệu viễn thám khác. Được dùng trong phát hiện đứt gãy ở khu vực phủ phù sa, thăm dò địa nhiệt, xác định vị trí thấm rò, xác định các tầng than bùn gần mặt đất, các vết sẹo uốn khúc bị phủ lấp, và nghiên cứu thất thoát nhiệt.	Thu nhận khi cần thông qua các đơn vị khảo sát ảnh hàng không. Ảnh cũng có thể có từ HCMM.
Các cơ quan: United States Geological Service (USGS), National Information Center (NCIC), National Resources Conservation Service (NCRS), U.S. Forest Service (USFS), U.S. Bureau of Land Management (BLM), Tennessee Valley Authority (TVA), Earth Resources Observation System (EROS), Heat Capacity Mapping Mission (HCMM) thuộc National Space Science Data Center, Goddard Space Flight Center.

\(\\\)

Đối với các địa điểm xây dựng mà thông tin sẵn có còn hạn chế, ảnh chụp trên không hỗ trợ rất nhiều cho việc lập kế hoạch và bố trí một chương trình khoan khảo sát phù hợp, và hiện nay có thể được xem là một yêu cầu tối thiểu đối với các dự án. Đối với các nghiên cứu kỹ thuật quy mô lớn, bao gồm công trình đường bộ và sân bay, việc trực quan hóa ba chiều (3D) có thể mang lại nhiều lợi ích. Người dùng cá nhân có thể xây dựng các tệp mô hình địa hình số (DTM) từ dữ liệu UAV, và các công ty thương mại cũng có thể phát triển mô hình địa hình 3D cục bộ một cách kinh tế bằng cách sử dụng UAV.

Bảng 2-4. Các nguồn dữ liệu viễn thám hiện nay

Loại	Mô tả và công dụng chung	Nguồn cung cấp
Ảnh chụp trên không	Bản đồ ảnh hàng không hiện đại và lịch sử (bao gồm địa hình gần đúng) cho phần lớn Hoa Kỳ. Nói chung, độ phân giải rất tốt ở tỷ lệ nhỏ hơn 1:1000. Rất hữu ích để quan sát địa hình khu vực và địa hình chi tiết tại vị trí công trình, đường sá và các yếu tố thoát nước. Ở nhiều khu vực, có thể thu được ảnh 3D kiểu “street view” tương đối mới để mô tả các quan sát từ mặt đất.	Có nhiều công cụ bản đồ trên internet, trong đó một số cơ sở dữ liệu được cập nhật hằng quý. Phần lớn ảnh thường có tuổi đời dưới 3 năm.
LIDAR	Công nghệ phát hiện và đo khoảng cách bằng ánh sáng (LIDAR) sử dụng chùm tia laser xung, tín hiệu phản xạ trở lại cảm biến để ghi nhận khoảng cách. Nguồn phát tín hiệu thường được bố trí trên một phương tiện chuyển động, và dữ liệu thu được có thể dùng để tạo ảnh địa hình 3D.	Thường được các nhà cung cấp thương mại cung cấp như một dịch vụ chuyên biệt do chi phí thiết bị và xử lý cao.
SAR	Ra đa khẩu độ tổng hợp (SAR) là một dạng phát triển của SLAR, sử dụng sóng vô tuyến từ một nền mang đang chuyển động. Dữ liệu có thể được dùng để tạo ảnh 2D và 3D độ phân giải cao; khẩu độ càng lớn (hoặc ăng-ten càng lớn) thì độ phân giải càng cao.	Được cung cấp bởi các nhà cung cấp thương mại với thiết bị điện tử chuyên dụng để thu thập và xử lý dữ liệu. Trong tương lai, ảnh có thể được phổ biến cho công chúng với chi phí hợp lý.
UAV	Phương tiện bay không người lái (UAV) hoặc drone ngày càng hữu ích cho ảnh hàng không phục vụ dự án. UAV có thể mang camera số, camera hồng ngoại và các cảm biến khác. Có thể đạt được độ phân giải rất cao. Các lượt bay chồng phủ cho phép tạo ảnh 3D và mô hình địa hình. Đây là nguồn tư liệu rất tốt để theo dõi tiến độ thi công.	Thiết bị hiện có sẵn với chi phí thấp cho người dùng cá nhân. Các dịch vụ thương mại cũng được cung cấp rộng rãi.

\(\\\)

Việc giải đoán thông tin từ ảnh chụp trên không và các dữ liệu viễn thám khác đòi hỏi kinh nghiệm và kỹ năng. Quá trình giải đoán, khi kết hợp với các thông tin khác từ các tài liệu tham khảo đã công bố, thường giúp xác định những đặc trưng nào có thể hiện diện tại khu vực công trình. Kiểm tra đối chiếu tại hiện trường là một yếu tố thiết yếu trong việc giải đoán các đặc trưng địa chất từ ảnh chụp trên không. Ảnh chụp trên không đặc biệt hữu ích khi đánh giá những điểm tương đồng và khác biệt giữa các khu vực. Việc sử dụng các ảnh này tại các khu vực đô thị hóa và đã phát triển bị hạn chế về giá trị cung cấp thông tin định lượng dưới bề mặt. Cũng như đối với mọi loại ảnh hàng không, चाहे là ảnh chụp hay dữ liệu viễn thám, thảm thực vật và mây có thể che khuất địa hình bên dưới. Gần đây, các kỹ thuật tăng cường ảnh đa phổ bằng máy tính đã làm cho dữ liệu LANDSAT trở nên tương thích với ảnh chụp trên không thông thường.

2-4 PHƯƠNG PHÁP ĐỊA VẬT LÝ

2-4.1 Ứng dụng và phạm vi áp dụng

Ngày càng thường xuyên hơn, các khảo sát địa vật lý được sử dụng để ước tính điều kiện dưới bề mặt nhờ sự cải thiện của các kỹ thuật giải đoán và sự chấp nhận ngày càng rộng rãi trong cộng đồng chuyên môn đối với các kỹ thuật đặc trưng hóa địa vật lý. Bảng 2-5 trình bày tóm tắt các kỹ thuật thí nghiệm địa vật lý thông dụng và các mục tiêu/đặc trưng có thể thu được từ các kỹ thuật này. Thông tin liên quan đến việc lựa chọn các kỹ thuật thí nghiệm địa vật lý bề mặt thích hợp cũng được trình bày trong ASTM D6429.

Các phương pháp địa vật lý đặc biệt phù hợp khi khảo sát các khu vực tương đối lớn và/hoặc các công trình tuyến, bao gồm đập, hồ chứa, đường hầm, đường bộ, và các nhóm công trình quy mô lớn. Có sẵn các kỹ thuật cho cả khảo sát trên bờ và ngoài khơi. Địa vật lý đã được sử dụng để xác định các mỏ vật liệu cấp phối và nguồn vật liệu xây dựng khác, đặc biệt đối với các vật liệu phân lớp, nơi các tính chất khác biệt đáng kể so với các lớp đất/đá kề cận. Như trình bày trong Bảng 2-5, nhiều phương pháp thí nghiệm địa vật lý hữu ích trong việc nhận diện các tầng địa chất dưới bề mặt khác nhau và các bất thường trong lòng đất.

Bảng 2-5. Các phương pháp địa vật lý bề mặt và mục tiêu khảo sát
(theo NCHRP 2018, Fenning và Hasan 1995, USACE 1995a, Sirles 2006, FHWA 2006, và Anderson cùng cộng sự 2008)

Thông tin thu được	Địa chấn		Điện và điện từ				Trường thế
	Khúc xạ và phản xạ	Sóng bề mặt	Điện trở suất	Điện từ	Ra đa xuyên đất	Vi trọng lực	Từ kế	Thế tự phát
Thạch học và địa tầng	✓	✓	✓	✓	✓
Địa hình đá gốc	✓	✓	✓	✓	✓	✓	✓
Mực nước ngầm	✓		✓		✓
Khả năng đào bằng ripper của đá	✓
Biểu đồ phân bố vận tốc sóng cắt		✓
Phát hiện đứt gãy	✓		✓	✓	✓	✓
Phát hiện lỗ rỗng và hốc	✓	✓	✓	✓	✓	✓
Dòng chảy chất lưu dưới bề mặt				✓				✓
Dị thường vật liệu chứa sắt			✓		✓		✓
Dị thường dẫn điện			✓	✓	✓			✓
Khả năng ăn mòn			✓

\(\\\)

2-4.2 Ưu điểm và hạn chế

Khác với hố khoan, các khảo sát địa vật lý cho phép khảo sát nhanh và kinh tế trên phạm vi rộng. Do chúng đánh giá điều kiện trên một khu vực lớn, nên kết quả phản ánh điều kiện trung bình theo diện hơn là kết quả tại một vị trí cụ thể như có thể thu được từ một loạt hố khoan thẳng đứng. Thí nghiệm địa vật lý đặc biệt có lợi trong các điều kiện địa chất thể hiện sự tương phản rõ rệt giữa các lớp kề nhau (ví dụ: đá nằm dưới đất, mặt tiếp xúc giữa đá cứng và đá mềm, các lỗ rỗng chứa nước hoặc không khí trong đất hoặc đá, v.v.). Thí nghiệm địa vật lý thường có thể phát hiện các bất thường của bề mặt đá gốc và mặt tiếp xúc giữa đất và đá gốc, và có thể đặc biệt hữu ích trong địa hình karst.

Khảo sát địa vật lý thường có thể phân biệt ranh giới giữa các lớp, nhưng phần lớn các phương pháp chỉ có thể chỉ ra xấp xỉ các tính chất của đất. Những tính chất “xấp xỉ” này cần được xem là giá trị trung bình trong phạm vi dưới bề mặt, vì nói chung không thể phân định chính xác các tính chất riêng biệt của từng lớp địa tầng cụ thể.

Việc giải đoán kết quả thí nghiệm địa vật lý thường khó và mang tính chủ quan, phụ thuộc vào kinh nghiệm của người thực hiện hoặc người phân tích. Trong nhiều trường hợp, không có các tiêu chí rõ ràng để giải đoán các kỹ thuật thí nghiệm địa vật lý. Một số kỹ thuật có tính chuyên sâu cao, và hầu như mọi kỹ thuật đều đòi hỏi người vận hành và người giải đoán có kinh nghiệm cho từng ứng dụng cụ thể. Rất nên thực hiện đối chiếu cục bộ giữa điều kiện “đã giải đoán” và điều kiện “thực tế” cho từng vị trí bằng các phương pháp khoan. Nên sử dụng các kỹ thuật đã từng thành công trước đây và người giải đoán có kinh nghiệm.

Sự khác biệt về mức độ bão hòa, sự hiện diện của các muối khoáng trong nước ngầm, hoặc sự tương đồng giữa các lớp đất ảnh hưởng đến sự truyền sóng địa chấn có thể dẫn đến các kết luận mơ hồ hoặc thiếu chính xác. Mặc dù có các hạn chế này, thí nghiệm địa vật lý vẫn được kỳ vọng sẽ ngày càng được sử dụng và chấp nhận rộng rãi hơn trong tương lai. Tham khảo thêm và phần thảo luận mở rộng có thể tìm thấy trong FHWA (2003) và NCHRP (2018).

2-5 PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT ĐẤT VÀ ĐÁ

Hố khoan khảo sát đất là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để khảo sát đất dưới bề mặt ngoài hiện trường. Chúng cho phép thiết lập mặt cắt thẳng đứng của đất tại một vị trí cụ thể và thu thập mẫu tại các khoảng sâu chọn lọc ở các vị trí xác định. Kỹ thuật khoan và lấy lõi đá có tính chuyên biệt hơn so với các kỹ thuật dùng cho đất và được sử dụng ít thường xuyên hơn.

2-5.1 Phương pháp khoan và tạo lỗ khoan

Trong lịch sử, phần lớn các lỗ khoan địa kỹ thuật trong đất sử dụng hoặc là mũi khoan ruột rỗng (hollow-stem auger) hoặc là kỹ thuật khoan rửa xoay (rotary wash), với nhiều biến thể công nghệ hiện có. Những tiến bộ gần đây đang ngày càng trở nên phổ biến và được chấp nhận, bao gồm việc sử dụng kỹ thuật khoan ấn trực tiếp (direct-push) và khoan siêu âm/sonic. Bảng 2-6 chỉ ra phạm vi áp dụng của các phương pháp tạo lỗ khoan trong đất khác nhau. Bảng 2-7 cung cấp thông tin tương tự cho đá.

Thiết bị khoan dùng trong khảo sát địa kỹ thuật được lựa chọn dựa trên sự kết hợp của: (1) điều kiện nền tại hiện trường (tức là đất mềm, địa hình dốc, trên mặt nước, v.v.); và (2) loại phương pháp khoan được chọn (tức là khoan guồng xoắn, khoan xoay, khoan đập, v.v.). Bảng 2-8 trình bày tóm tắt các loại thiết bị khoan khác nhau và phạm vi ứng dụng của chúng. Hình 2-1 trình bày sơ đồ của các phương pháp khoan khác nhau.

Bảng 2-6: Các phương pháp khoan tạo lỗ thăm dò trong đất (NCHRP 2018 và Day 1999)

Phương pháp	Quy trình	Ứng dụng	Hạn chế / Ghi chú
Khoan guồng xoắn (ASTM D1452)	Lỗ khoan khô được tạo bằng guồng xoắn vận hành bằng tay hoặc bằng máy; mẫu được thu hồi từ cánh guồng khoan.	Nhận diện các đơn vị địa chất và hàm lượng nước phía trên mực nước ngầm trong đất và đá mềm.	Cấu trúc phân lớp bị phá hủy; mẫu bị trộn với nước bên dưới mực nước ngầm.
Khoan guồng xoắn ruột rỗng	Lỗ khoan được tạo bằng guồng xoắn ruột rỗng; đất được lấy mẫu khi guồng vẫn để nguyên tại chỗ.	Thường dùng trong các loại đất mà nếu khoan thông thường sẽ cần chống ống để duy trì lỗ khoan mở phục vụ lấy mẫu.	Mẫu bị hạn chế khi gặp sỏi lớn; khó duy trì cân bằng thủy tĩnh trong lỗ khoan bên dưới mực nước ngầm.
Khoan rửa	Chặt nhẹ và phun rửa mạnh đất; mùn khoan được cuốn đi bởi dung dịch tuần hoàn và xả vào hố lắng.	Vật liệu dính từ mềm đến cứng và nhiều loại đất rời.	Vật liệu hạt thô có xu hướng lắng xuống đáy lỗ khoan; không nên dùng cho các lỗ khoan phía trên mực nước ngầm khi cần mẫu nguyên trạng.
Thí nghiệm xuyên búa Becker (BPT)	Lỗ khoan được tạo bằng búa diesel tác động kép để đóng ống vách thành kép đường kính 168 mm xuống đất.	Thường dùng trong đất có sỏi và cuội; dùng ống vách đầu hở khi cần lấy mẫu vật liệu.	Khó xét đến ma sát thành ống vách; độ lặp lại của thí nghiệm chưa rõ ràng.
Khoan gầu	Gầu khoan đường kính 600 đến 1200 mm có răng cắt được quay và hạ xuống; sau đó gầu được kéo lên và đổ đất ra trên mặt đất.	Hầu hết các loại đất phía trên mực nước ngầm; có thể xuyên qua các lớp đất cứng hơn lớp đất phía trên; có thể xuyên qua đất có cuội và tảng nếu được trang bị gầu khoan đá.	Không áp dụng cho cát chảy; dùng để thu được khối lượng mẫu xáo động lớn; cũng dùng để tạo lối tiếp cận vào hố khoan nhằm quan sát.
Xuyên ấn trực tiếp	Sử dụng tải trọng tĩnh và lực đập để hạ ống vách đường kính 90 đến 115 mm.	Phần lớn đất dính và đất rời; có thể thu mẫu gần như liên tục.	Mẫu thu hồi nhìn chung là mẫu xáo động.
Khoan sonic	Dao động cộng hưởng thẳng đứng tần số cao được truyền vào ống lấy lõi đường kính 75 đến 300 mm; thu được lõi liên tục dài 3,3 m; sau khi lấy mẫu ra, ống lõi ngoài được hạ đến đáy ống lõi trước bằng kỹ thuật tương tự và quy trình được lặp lại.	Áp dụng cho gần như mọi loại đất và nhiều loại đá gốc; cho mặt cắt địa tầng liên tục; áp dụng được cho điều kiện cả trên và dưới mực nước ngầm; quá trình không cần dung dịch khoan.	Không kinh tế đối với đá rất chặt và đá cứng khi cần lấy lõi; mẫu thu hồi là mẫu xáo động.

\(\\\)

Bảng 2-7. Các phương pháp khoan lấy lõi đá
(NCHRP 2018 và Day 1999)

Phương pháp	Quy trình	Loại mẫu	Ứng dụng	Hạn chế / Ghi chú
Khoan lấy lõi xoay trong đá (ASTM D2113)	Ống lõi ngoài gắn mũi khoan kim cương (hoặc hợp kim cứng tungsten carbide) quay để cắt tạo lỗ vành khuyên trong đá; lõi được bảo vệ bởi ống lõi trong đứng yên; mùn khoan được cuốn ra bằng dung dịch khoan.	Lõi đá hình trụ đường kính đến 100 mm và dài đến 3 m, tùy điều kiện đá; kích thước tiêu chuẩn là đường kính 54 mm.	Thu hồi lõi liên tục trong đá lành (tỷ lệ thu hồi lõi phụ thuộc vào mức độ nứt nẻ, tính biến đổi của đá, thiết bị và tay nghề thợ khoan).	Bị mất lõi trong đá nứt nẻ hoặc đá biến đổi mạnh; tắc nghẽn làm cản trở khoan trong đá nứt nẻ nhiều; có thể nhận biết góc dốc của lớp và khe nứt nhưng không xác định được phương vị.
Khoan lấy lõi xoay trong đá kiểu wire line	Tương tự ASTM D2113, nhưng lõi và ống lõi trong đứng yên được rút ra khỏi ống lõi ngoài bằng thiết bị nâng hoặc “overshot” treo trên cáp mảnh (wire line) đi qua cần khoan đường kính lớn và ống lõi ngoài.	Lõi đá hình trụ đường kính 28 đến 85 mm và dài từ 1,5 đến 3 m.	Thu hồi lõi tốt hơn trong đá nứt nẻ; chu kỳ thu hồi lõi nhanh hơn nhiều và hiệu quả hơn trong các lỗ khoan sâu.	Bị mất lõi trong đá nứt nẻ hoặc đá biến đổi mạnh; tắc nghẽn làm cản trở khoan trong đá nứt nẻ nhiều; có thể nhận biết góc dốc của lớp và khe nứt nhưng không xác định được phương vị.
Khoan lấy lõi xoay trong đất sét trương nở, đá mềm	Tương tự khoan lấy lõi xoay trong đá; lõi trương nở được giữ lại bằng ống lót nhựa bên trong thứ ba.	Mẫu hình trụ đất đường kính 28,5 đến 53,2 mm và dài từ 600 đến 1500 mm, được bọc trong ống nhựa.	Dùng cho đất và đá mềm dễ bị phá hủy nhanh khi tiếp xúc với không khí (được bảo vệ bằng ống nhựa).	Mẫu nhỏ; thiết bị phức tạp hơn các kỹ thuật lấy mẫu đất khác.
Khoan sonic	Dao động cộng hưởng thẳng đứng tần số cao làm tiến ống lõi đường kính 75 đến 300 mm; thu được lõi liên tục dài 3,3 m.	Mẫu lõi liên tục khi ống lõi ngoài được hạ tiến.	Áp dụng cho phần lớn đá gốc; áp dụng được cho điều kiện cả trên và dưới mực nước ngầm; quá trình không cần dung dịch khoan.	Không kinh tế đối với đá cứng khi cần lấy lõi; lõi đá thu hồi có thể bị xáo động trong đá nứt nẻ, nhưng cho khả năng thu hồi tốt và địa tầng liên tục.
Phương pháp khoan đập	Sử dụng mũi khoan đập; mùn khoan được thổi ra bằng khí nén.	Bụi đá và mảnh vụn đá.	Dùng để xác định vị trí đá, các lớp mềm hoặc hốc rỗng trong đá lành; có thể tiến qua các khối tảng.	Mũi khoan có thể bị kẹt do đất ướt.

\(\\\)

Bảng 2-8. Thiết bị khảo sát đất và đá và phạm vi ứng dụng của chúng
(NCHRP 2018 và Australian Drilling Industry Training Committee 2015)

Loại thiết bị khoan	Ứng dụng
Thiết bị khoan lắp trên xe tải	Khu vực có điều kiện tiếp cận thuận lợi
Thiết bị khoan lắp trên xe địa hình	Vị trí có nền đất mềm và địa hình gồ ghề
Thiết bị khoan lắp trên bánh xích	Vị trí có nền đầm lầy và đất rất mềm
Thiết bị khoan kiểu skid	Vị trí có địa hình dốc
Thiết bị khoan wireline	Lấy mẫu đá
Thiết bị xuyên ấn trực tiếp thủy lực	Lấy mẫu nhanh, liên tục, sạch hơn (không tạo mùn khoan)
Thiết bị khoan sonic	Lấy mẫu liên tục đất và đá
Xà lan – loại thường	Khoan trên mặt nước ở vùng nước nông (10 ft [3 m] trở xuống)
Sàn nâng jack-up	Khoan trên mặt nước ở vùng nước sâu hơn (đến 40 ft [12 m])

\(\\\)

2-5.1.1 Bố trí và chiều sâu lỗ khoan

Hướng dẫn chung cho việc bố trí lỗ khoan sơ bộ và lỗ khoan cuối cùng (tức là vị trí và số lượng lỗ khoan) cũng như chiều sâu lỗ khoan được trình bày trong Bảng 2-9 theo loại công trình và/hoặc vấn đề cần khảo sát. Phần thảo luận bổ sung về khoảng cách và số lượng lỗ khoan được trình bày trong FHWA (2002). Ngoài loại công trình, việc bố trí và chiều sâu lỗ khoan còn phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm trước đây trong khu vực (hoặc tại chính hiện trường) và điều kiện địa chất của khu vực/công trường. Khi dự án nằm trong một khu vực chưa quen thuộc, ít nhất một lỗ khoan nên được khoan sâu vượt xuống dưới phạm vi cần thiết cho sự ổn định biểu kiến, nhằm kiểm tra xem điều kiện hiện trường có phù hợp với địa chất dự kiến hay không, đồng thời bảo đảm rằng không tồn tại các điều kiện bất thường hoặc không lường trước ở độ sâu lớn hơn.

Địa chất công trường là một yếu tố quan trọng trong việc xây dựng phương án bố trí lỗ khoan và cần ảnh hưởng đến cách sắp xếp các lỗ khoan, các mặt cắt địa chất có thể được xem xét trong bối cảnh của thiết kế cuối cùng. Điều này đòi hỏi phải xem xét các bản đồ địa chất của khu vực và tổng hợp thông tin theo một định dạng cho phép thể hiện địa chất, địa hình hiện hữu, mặt bằng công trường hiện tại và vị trí các lỗ khoan ở cùng tỷ lệ trên cùng một hình vẽ/bản vẽ.

Trong những trường hợp cần phân tích chi tiết về độ lún, ổn định mái dốc hoặc thấm, kế hoạch khoan cần bao gồm tối thiểu hai lỗ khoan trong mỗi tầng đất quan trọng để thu được mẫu nguyên dạng (nếu có thể áp dụng). Đối với một số chương trình khảo sát hiện trường, điều này có thể đồng nghĩa với việc cần các lỗ khoan lấy mẫu sơ bộ và/hoặc các thí nghiệm xuyên côn để xác định vị trí và chiều sâu có tính đại diện nhất cho các lỗ khoan lấy mẫu nguyên dạng.

Bảng 2-9. Lựa chọn số lượng, vị trí và chiều sâu khảo sát
(theo NCHRP 2018, FHWA 2002, FHWA 2016, NYDOT 2013 và SCDOT 2010)

Công trình	Số lượng vị trí khảo sát tối thiểu	Chiều sâu khảo sát tối thiểua
Cầu – móng nông	Một vị trí cho mỗi trụ nếu bề rộng móng nhỏ hơn 100 ft (~30m). Hai vị trí cho mỗi trụ nếu bề rộng móng lớn hơn 100 ft (~30m). Cần bổ sung các vị trí khảo sát nếu gặp điều kiện dưới bề mặt không chắc chắn hoặc biến đổi mạnh.	Với L ≤ 2B, dùng chiều sâu bằng 2B. Với 2B ≤ L ≤ 5B, dùng chiều sâu bằng 3B. Với L ≥ 5B, dùng chiều sâu bằng 4B. Kéo sâu qua mọi lớp vật liệu yếu có thể nén lún vào đến lớp vật liệu tốt. Kéo sâu thêm 10 ft (~3m) vào đá tốt nếu gặp đá trước khi thỏa các điều kiện trên.
Cầu – móng sâu	Một vị trí cho mỗi trụ nếu bề rộng móng nhỏ hơn 100 ft. Hai vị trí cho mỗi trụ nếu bề rộng móng lớn hơn 100 ft. Cần bổ sung các vị trí khảo sát nếu gặp điều kiện dưới bề mặt không chắc chắn hoặc biến đổi mạnh. Tại mỗi vị trí giếng chìm/barrette có socket vào đá.	Trong đất, kéo sâu xuống dưới cao độ mũi hoặc đáy dự kiến một giá trị lớn hơn giữa 20 ft và 2 lần kích thước lớn nhất của nhóm móng. Trong đá, kéo sâu xuống dưới cao độ mũi hoặc đáy dự kiến tối thiểu 10 ft hoặc 3 lần đường kính thân cọc/giếng đối với cọc hoặc giếng đơn, hoặc 2 lần kích thước lớn nhất của nhóm móng, lấy giá trị lớn hơn.
Kết cấu chắn đất	Tối thiểu một vị trí cho mỗi tường. Nếu tường dài hơn 100 ft, khoảng cách nên từ 100 đến 200 ft, với các vị trí bố trí xen kẽ từ phía trước ra phía sau tường. Tường neo: bổ sung các vị trí trong vùng neo với khoảng cách từ 100 đến 200 ft. Tường dùng đinh đất: bổ sung các vị trí phía sau tường ở khoảng cách bằng 1 đến 1,5 lần chiều cao tường; các vị trí nên cách nhau từ 100 đến 200 ft.	Kéo sâu xuống dưới đáy tường một khoảng bằng 2 lần chiều cao tường hoặc 10 ft vào đá cứng. Phải kéo sâu qua mọi lớp vật liệu yếu có thể nén lún vào đến lớp vật liệu tốt.
Đường đắp – nền móng	Dọc tim nền đắp: khoảng cách 200 ft trong điều kiện không chắc chắn hoặc biến đổi mạnh, đến 400 ft trong điều kiện đồng nhất. Tại các vị trí quan trọng (chiều cao đắp lớn nhất hoặc chiều dày lớn nhất của lớp đất yếu): tối thiểu ba vị trí theo phương ngang. Nền đắp đường đầu cầu: tối thiểu một vị trí tại mỗi mố cầu.	Chiều sâu bằng 2 lần chiều cao nền đắp, trừ khi gặp tầng cứng trước độ sâu này. Nếu gặp lớp đất yếu kéo dài sâu hơn 2 lần chiều cao nền đắp, tiếp tục khảo sát xuyên qua lớp đất yếu vào lớp vật liệu tốt.
Đào đường	Dọc tim đoạn đào: khoảng cách 200 ft trong điều kiện không chắc chắn hoặc biến đổi mạnh, đến 400 ft trong điều kiện đồng nhất. Tại các vị trí quan trọng (chiều sâu đào lớn nhất hoặc chiều dày lớn nhất của lớp đất yếu): tối thiểu ba vị trí theo phương ngang. Đối với mái đào trong đá: thực hiện lập bản đồ địa chất dọc theo chiều dài mái đào.	Chiều sâu tối thiểu 15 ft (4,5 m) dưới cao độ đào thấp nhất, trừ khi gặp tầng cứng trước khi đạt chiều sâu tối thiểu. Nếu gặp lớp đất yếu, tiếp tục khảo sát đến lớp vật liệu tốt. Nếu đáy đoạn đào nằm dưới mực nước ngầm, cần kéo sâu khảo sát để xác định chiều sâu của lớp đất yếu bên dưới.
Áo đường	Khoảng cách từ 100 đến 300 ft tùy thuộc điều kiện dưới bề mặt. Khoảng cách gần hơn cho điều kiện không chắc chắn hoặc biến đổi mạnh, và khoảng cách lớn hơn cho điều kiện đồng nhất.	Chiều sâu tối thiểu 10 ft tính từ cao độ đỉnh nền đường dự kiến.
Cống và ống	Một lỗ khoan tại mỗi đầu cống. Các lỗ khoan bổ sung giữa hai đầu cống, cách nhau từ 100 đến 300 ft tùy theo mức độ biến đổi của điều kiện dưới bề mặt. Đối với kéo dài cống: một lỗ khoan mỗi 50 đến 100 ft, tối thiểu một lỗ khoan.	Cống lớn: dùng cùng tiêu chí như móng cầu. Cống nhỏ: tối thiểu 10 ft dưới cao độ đáy cống dự kiến.
Cột, trụ và tháp	Một lỗ khoan tại mỗi vị trí móng.	30 ft dưới đỉnh móng dự kiến trong đất hoặc 10 ft khoan lấy lõi trong đá, lấy giá trị nông hơn.

^a B = bề rộng móng và L = chiều dài móng

2-5.1.2 Lấp bỏ hoặc trám kín lỗ khoan

Các lỗ khoan cần được lấp lại. Trong nhiều trường hợp, việc lấp bằng chính mùn khoan là đủ. Tuy nhiên, lỗ khoan phải được trám kín bằng vữa (grout) khi hố khoan được khoan xuống dưới mực nước ngầm, trong mọi trường hợp gặp áp lực nước artesian, và bất cứ khi nào thực hiện lỗ khoan phục vụ môi trường. Trong các trường hợp này, lỗ khoan có thể được để tạm thời chưa lấp để phục vụ quan trắc mực nước sau khi hoàn thành công tác khoan khảo sát hiện trường ban đầu. Đối với các lỗ khoan dùng để quan trắc nước ngầm, cần đặt ống chống tiếp xúc chặt với thành lỗ khoan và khoảng vành khăn giữa ống đứng và thành lỗ khoan phải được lấp bằng cát hoặc sỏi cấp phối thích hợp. Nhiều cơ quan, như USACE và các DOT của bang, có các hướng dẫn riêng về trám kín lỗ khoan, và các yêu cầu này là một phần của chỉ dẫn kỹ thuật dự án. Phần thảo luận chi tiết hơn về khảo sát nước ngầm được trình bày trong Mục 2-8.

2-5.2 Hố đào khảo sát và hào khảo sát

Hố đào khảo sát thường được sử dụng để quan sát và lấy mẫu đất tại chỗ ở độ sâu tương đối nông. Hố đào khảo sát có thể được dùng để xác định độ sâu của nước ngầm nông, chiều dày lớp đất phủ hoặc các lớp trầm tích bề mặt, và/hoặc để đánh giá các điều kiện gần mặt đất. Hố đào khảo sát cũng thường được dùng để xác định nguồn vật liệu xây dựng cho các công trình đất, như đập và nền đắp. Hố đào khảo sát có thể là các hố đào nông bằng tay hoặc, phổ biến hơn, là các hố đào bằng máy.

Hào khảo sát về bản chất là các hố đào khảo sát kéo dài, và đặc biệt hữu ích khi khảo sát trong các trầm tích rất không đồng nhất (ví dụ: vật liệu đắp vụn), nơi hố khoan có thể cho kết quả sai lệch, ít ý nghĩa hoặc không khả thi. Hào khảo sát thường được dùng để phát hiện dấu vết đứt gãy trong các nghiên cứu động đất và để khảo sát điều kiện gần mặt trượt trong các nghiên cứu trượt lở. Cần đặc biệt lưu ý các biện pháp an toàn khi làm việc trong và xung quanh hố đào và hào khảo sát.

Bảng 2-10 đưa ra hướng dẫn về việc sử dụng và các hạn chế của hố đào và hào khảo sát. Mẫu khối cắt bằng tay thường được lấy từ các dạng khảo sát này và có thể cần thiết đối với các loại đất nhạy, đá giòn và đá phong hóa, cũng như các thành tạo đất có cấu trúc tổ ong.

Bảng 2-10 Công dụng và hạn chế của hố đào khảo sát và hào khảo sát
(theo NCHRP 2018)

Phương pháp khảo sát	Công dụng chung	Khả năng	Hạn chế
Hố đào và giếng khảo sát đào thủ công	Lấy mẫu khối lượng lớn, thí nghiệm in situ, quan sát trực quan.	Cung cấp dữ liệu ở những khu vực khó tiếp cận, gây xáo động cơ học đến nền đất xung quanh ít hơn.	Tốn kém, mất thời gian, chỉ giới hạn ở độ sâu phía trên mực nước ngầm.
Hố đào và hào khảo sát bằng máy đào gầu nghịch	Lấy mẫu khối lượng lớn, lấy mẫu khối, thí nghiệm in situ, quan sát trực quan, xác định chiều sâu đến đá gốc và mực nước ngầm.	Nhanh và kinh tế; thông thường sâu dưới 15 ft, có thể đạt tới 30 ft.	Khả năng tiếp cận của thiết bị thường vẫn bị giới hạn; chiều sâu thường chỉ đến phía trên mực nước ngầm; khả năng lấy mẫu nguyên dạng bị hạn chế.
Giếng khoan đào	Đào mở trước cho cọc và giếng, khảo sát trượt lở, giếng thoát nước.	Nhanh, kinh tế hơn so với đào thủ công; đường kính nhỏ nhất 30 inch, lớn nhất 6 ft.	Khả năng tiếp cận thiết bị; khó lấy được mẫu nguyên dạng; ống vách có thể che khuất quan sát trực quan.
Rãnh đào bằng máy ủi	Đặc trưng đá gốc, chiều sâu đến đá gốc và mực nước ngầm, khả năng đào bằng ripper; dùng kết hợp với máy đào gầu nghịch cho các hố đào sâu hơn; dùng để san tạo mặt bằng cho các thiết bị khảo sát khác.	Chi phí tương đối thấp, tạo bề mặt lộ để lập bản đồ địa chất.	Khảo sát chỉ giới hạn ở độ sâu phía trên mực nước ngầm.
Hào khảo sát đứt gãy	Đánh giá sự hiện diện và hoạt động của đứt gãy, và đôi khi cả các đặc trưng trượt lở.	Xác định rõ vị trí đứt gãy, cho phép quan sát dưới bề mặt đến độ sâu 30 ft.	Chi phí cao, tốn thời gian, cần chống đỡ thành hố; chỉ hữu ích khi có vật liệu có thể xác định niên đại; chiều sâu giới hạn ở vùng phía trên mực nước ngầm. Ứng dụng chuyên biệt.

2-5.3 Các kỹ thuật khảo sát khác

Khi một lỗ khoan đã được tạo trong đất hoặc đá, có thể đưa các thiết bị xuống lỗ vào lỗ khoan mở để thực hiện các phép đo chuyên biệt hoặc làm giá mang cho các thiết bị thí nghiệm địa vật lý. Camera lỗ khoan thường được dùng trong các lỗ khoan mở trong đá để đánh giá địa tầng, cũng như hướng và góc dốc của các lớp. Các thiết bị quan trắc ứng xử địa kỹ thuật (ví dụ: thiết bị đo nghiêng mái dốc, đầu đo áp lực nước, borehole extensometer, v.v.) cũng có thể được lắp đặt trong lỗ khoan đã tạo.

2-6 LẤY MẪU

Việc thu hồi mẫu đại diện của đất và đá dưới mặt đất để phục vụ thí nghiệm có lẽ là mục tiêu phổ biến nhất của các kỹ thuật trình bày trong Mục 2-5. Các mẫu này thường được gọi là mẫu xáo trộn (disturbed) hoặc nguyên trạng (undisturbed), tùy thuộc vào việc mẫu thu được giữ được cấu trúc của vật liệu tại chỗ (in situ) tốt đến mức nào.

Bản thân quá trình lấy đất/đá ra khỏi trạng thái bị khống chế (confined) dưới mặt đất đã gây ra sự xáo trộn nhất định — tức là không có mẫu nào là hoàn toàn “nguyên trạng” tuyệt đối, vì chỉ riêng việc lấy mẫu ra khỏi lòng đất (giải phóng ứng suất, thay đổi điều kiện xung quanh) cũng đã làm mẫu bị xáo trộn phần nào. Vì vậy, tên gọi “mẫu nguyên trạng” (undisturbed sample) thực ra là một cách gọi không chính xác/gây hiểu lầm — vì trên thực tế, mẫu đó chỉ có thể đạt mức xáo trộn tối thiểu, chứ không thể “không bị xáo trộn” theo đúng nghĩa đen.

Chính vì lý do đó, trong ngành kỹ thuật địa kỹ thuật hiện nay, người ta đã dần chuyển sang dùng thuật ngữ “mẫu nguyên khối” (intact sample) thay cho “mẫu nguyên trạng” (undisturbed sample), vì “nguyên khối” phản ánh đúng bản chất hơn — chỉ là mẫu ít bị xáo trộn, chứ không phải mẫu hoàn toàn giữ nguyên trạng thái ban đầu.

Mẫu xáo trộn chủ yếu được dùng cho các thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý cơ bản (index tests) phục vụ mục đích phân loại. Mẫu xáo trộn chỉ cần đại diện cho thành phần và độ ẩm của đất, vì cấu trúc đất đã bị xáo trộn. Mẫu nguyên khối được lấy chủ yếu để phục vụ các thí nghiệm cường độ, tính nén lún, và tính thấm trong phòng. Cấu trúc và thành phần in situ ảnh hưởng đáng kể đến cường độ, tính nén lún, và tính thấm (tức là các đặc trưng kỹ thuật) của đất. Phần lớn nội dung thảo luận trong mục này tập trung vào công tác lấy mẫu tại các vị trí trên đất liền hoặc vùng nước nông. Thiết bị lấy mẫu ngoài khơi là loại chuyên dụng và được trình bày riêng trong Mục 2-6.3.

Số lượng và loại mẫu phụ thuộc vào sự phân lớp của nền đất dưới mặt đất, loại vật liệu gặp phải, khối lượng mẫu cần thiết cho thí nghiệm, và mức độ quan trọng của công trình. Đối với hầu hết các dự án, cả mẫu xáo trộn và mẫu nguyên khối đều được lấy để phục vụ thí nghiệm.

2-6.1 Lấy mẫu đất

2-6.1.1 Mẫu Đất Xáo trộn.

Nhìn chung, mẫu xáo trộn đại diện được lấy tại các khoảng cách thẳng đứng không nhỏ hơn 5 feet (~1.5m) và tại mỗi vị trí thay đổi lớp đất. Đôi khi cần thiết hoặc có cơ sở để lấy mẫu liên tục. Trường hợp này có thể xảy ra khi dự kiến có một lớp vật liệu quan trọng tương đối mỏng. Bảng 2-11 liệt kê các loại mẫu xáo trộn và thiết bị lấy mẫu thông dụng. Các quy trình khuyến nghị để lấy mẫu xáo trộn được trình bày trong ASTM D1586. Ống mẫu chẻ đôi (split barrel, còn gọi là split spoon), minh họa trong Hình 2-2, là loại thiết bị lấy mẫu được sử dụng phổ biến nhất.

Bảng 2-11. Thiết bị Lấy Mẫu Đất Xáo trộn

Thiết bị Lấy mẫu (Phương pháp Xuyên)	Kích thước Điển hình	Loại Đất Cho Kết quả Tốt nhất	Nguyên nhân Thu hồi Thấp	Ghi chú
Ống mẫu chẻ đôi (Split Barrel) (Đóng bằng búa 140 lb)	Đường kính ngoài (OD) 2,0 inch, đường kính trong (ID) 1,375 inch	Tất cả các loại đất mịn hơn cỡ hạt cuội sỏi; cuội sỏi làm sai lệch số liệu đóng; có thể dùng vòng giữ mẫu (retainer) đối với đất hạt thô	Hạt cuội sỏi trở lên	Thí nghiệm Xuyên Tiêu chuẩn (SPT) được thực hiện bằng búa và ống mẫu này; mẫu bị xáo trộn rất mạnh
Khoan guồng xoắn liên tục (Continuous Helical-flight Auger) (Xoay)	Đường kính 3 đến 16 inch; có thể xuyên đến độ sâu trên 50 ft	Hầu hết các loại đất trên mực nước ngầm; không xuyên được đất cứng hoặc đất chứa cuội, tảng đá	Đất cứng, cuội, tảng đá	Phương pháp xác định mặt cắt đất; có thể lấy mẫu túi (bag samples); log và độ sâu lấy mẫu cần tính đến thời gian trễ (lag time) giữa lúc mũi khoan xuyên và lúc mẫu trồi lên mặt đất
Khoan guồng xoắn kiểu thùng (Bucket Auger) (Xoay)	Đường kính phổ biến đến 48 inch; khi nối dài có thể đạt độ sâu trên 80 ft	Hầu hết các loại đất trên mực nước ngầm; có thể xuyên đất cứng hơn loại trên, có thể xuyên cuội và tảng đá khi dùng gàu đá (rock bucket)	Đất quá cứng, không xuyên được	Có nhiều loại gàu khác nhau, bao gồm loại có răng xé (ripper teeth) và dụng cụ băm (chopping tools); tiến độ chậm khi dùng đoạn nối dài
Thí nghiệm Xuyên Cỡ lớn (Large Penetration Test – LPT) (Đóng bằng búa đến 300 lb)	Ống mẫu đường kính trong 2 đến 3 inch, đường kính ngoài 2,5 đến 3,5 inch (ví dụ: ống mẫu Converse và California)	Đất cát đến đất lẫn cuội sỏi	Hạt lớn hơn cuội sỏi thô	Mẫu là mẫu nguyên khối nhưng bị xáo trộn rất mạnh; có thể ghi nhận sức kháng trong quá trình xuyên, nhưng không tương đương với giá trị N của SPT và biến động nhiều hơn do không có thiết bị và phương pháp tiêu chuẩn hóa

\(\\\)

2-6.1.2 Mẫu Đất Nguyên khối.

Mẫu nguyên khối (hoặc “nguyên trạng”) thường được lấy phổ biến nhất bằng ống mẫu thép thành mỏng (Shelby tube), được ấn vào đất với tốc độ tương đối nhanh và không đổi, theo quy trình quy định trong ASTM D1587. Công tác lấy mẫu nguyên khối và thiết bị lấy mẫu cần cho ra mẫu đáp ứng các tiêu chí sau: (1) không có biến dạng nhìn thấy được ở các lớp đất, (2) không có khe hở hoặc vật liệu bị hóa mềm nhìn thấy được, (3) có tỷ lệ thu hồi (recovery ratio) (tức là chiều dài mẫu chia cho khoảng cách ấn ống mẫu) vượt quá 95%, (4) có tỷ số diện tích (area ratio) (tức là diện tích bị chiếm chỗ bởi thành ống mẫu chia cho diện tích mẫu) nhỏ hơn 15%, và (5) có tỷ số khe hở (clearance ratio) (tức là chênh lệch giữa đường kính trong của ống mẫu và đường kính lỗ mở ở đầu dưới ống mẫu, chia cho đường kính lỗ mở ở đầu dưới ống mẫu) càng nhỏ càng tốt nhưng nhỏ hơn 3%. Sơ đồ minh họa và hình ảnh của một ống mẫu Shelby thành mỏng đáp ứng các tiêu chí này được trình bày trong Hình 2-3.

Nhìn chung, không thể lấy được mẫu nguyên khối của cát sạch và cuội sỏi sạch, ngay cả khi sử dụng ống mẫu thành mỏng. Vì lý do này, các phương pháp thí nghiệm in situ thường được sử dụng đối với các loại đất này, và công tác lấy mẫu nguyên khối chủ yếu tập trung vào bụi, sét, và đất hạt thô có hàm lượng hạt mịn bụi và sét đáng kể. Do đất hạt mịn có thể biến động từ rất mềm đến rất cứng, nhiều loại thiết bị lấy mẫu khác nhau đã được phát triển để hỗ trợ việc thu hồi mẫu nguyên khối. Bảng 2-12 tóm tắt các loại thiết bị lấy mẫu thông dụng dùng cho mẫu đất nguyên khối.

Bảng 2-12 Thiết bị Lấy mẫu Dùng để Lấy Mẫu Đất Nguyên khối

Thiết bị Lấy mẫu	Kích thước Điển hình	Phương pháp Xuyên
Ống mẫu Shelby (ASTM D1587)	Đường kính ngoài (OD) 3,0 inch và đường kính trong (ID) 2,87 inch là phổ biến nhất; có loại đường kính ngoài từ 2 đến 5 inch; chiều dài ống mẫu tiêu chuẩn 30 inch	Ấn với tốc độ tương đối nhanh, đều tay; có thể đóng cẩn thận bằng búa nhưng sẽ gây thêm xáo trộn
Piston cố định hoặc tĩnh (Fixed/Stationary Piston)	Đường kính ngoài 3 inch là phổ biến nhất; có loại từ 2 đến 5 inch; chiều dài ống mẫu tiêu chuẩn 30 inch	Ấn với tốc độ liên tục, đều tay
Ống mẫu lá kim loại (Foil Sampler)	Mẫu liên tục với đường kính trong 2 inch; dài đến 65 ft	Ấn xuống nền đất với tốc độ đều tay; có tạm dừng để nối thêm đoạn ống mẫu
Piston thủy lực (Osterberg)	Đường kính ngoài 3 inch là phổ biến nhất; có loại từ 2 đến 4 inch; chiều dài tiêu chuẩn 36 inch	Áp lực thủy lực hoặc khí nén
Ống mẫu Denison	Đường kính ngoài 3,5 đến 7 inch, cho mẫu đường kính 2,4 đến 6,3 inch; chiều dài ống mẫu tiêu chuẩn 24 inch	Xoay kết hợp áp lực thủy lực
Ống mẫu Pitcher	Đường kính ngoài 4 inch; sử dụng ống mẫu Shelby đường kính 3 inch; chiều dài mẫu 24 inch	Giống như ống mẫu Denison

\(\\\)

Ống lấy mẫu (Sampler)	Loại đất cho kết quả tốt nhất	Nguyên nhân gây xáo trộn hoặc thu hồi mẫu thấp	Ghi chú
Ống Shelby (ASTM D1587)	Đất dính hạt mịn hoặc đất mềm; đất lẫn sỏi/rất cứng sẽ làm móp mép ống	Áp lực lấy mẫu không đều, gõ đập, hạt sỏi, mép ống bị móp, sai loại đất, ấn ống quá 80% chiều dài ống	Thiết bị đơn giản nhất để lấy mẫu nguyên dạng; cần làm sạch hố khoan trước khi hạ ống lấy mẫu; diện tích thừa trong ống nhỏ; không phù hợp với đất cứng, chặt hoặc lẫn sỏi
Pít-tông cố định (Fixed or Stationary piston)	Sét mềm đến trung bình và bụi mịn; không phù hợp với đất cứng, chặt, cát hoặc lẫn sỏi	Áp lực lấy mẫu không đều trong quá trình lấy mẫu, khiến cần pít-tông bị dịch chuyển khi ấn ống; sai loại đất đối với loại ống lấy mẫu này	Pít-tông ở đầu ống lấy mẫu ngăn không cho chất lỏng và vật liệu gây nhiễm bẩn xâm nhập; cần giàn khoan thủy lực công suất lớn với đầu khoan thủy lực; ít gây xáo trộn mẫu hơn so với ống Shelby
Ống lấy mẫu bọc lá kim loại (Foil sampler)	Sét nhạy cảm mềm, bụi và sét có lớp xen kẹp (varved clays)	Không nên sử dụng trong đất có lẫn mảnh vụn hoặc vỏ sò	Mẫu được bao quanh bởi các dải thép không gỉ mỏng, được lưu trữ phía trên lưỡi cắt, nhằm ngăn đất tiếp xúc trực tiếp với thành ống
Pít-tông thủy lực (Hydraulic piston – Osterberg)	Bụi và sét, một số đất cát	Kẹp cần khoan không đủ chặt, áp lực không đều	Chỉ cần cần khoan tiêu chuẩn; cần công suất thủy lực hoặc khí nén đủ để kích hoạt ống lấy mẫu; mẫu thường ít bị xáo trộn hơn so với ống Shelby; không phù hợp với đất cứng, chặt hoặc lẫn sỏi
Denison	Sét cứng đến rất cứng, bụi và cát có một phần xi măng hóa, đá mềm	Vận hành ống lấy mẫu không đúng cách; quy trình khoan kém	Mặt ống trong nhô ra ngoài ống ngoài, ống ngoài quay được; mức độ nhô ra có thể điều chỉnh; thường cho mẫu tốt; không phù hợp với cát rời và sét mềm
Pitcher	Tương tự như Denison	Tương tự như Denison	Khác với Denison ở chỗ độ nhô ra của ống trong được điều khiển bằng lò xo; thường kém hiệu quả trong đất rời (cohesionless soils)

Đối với đất mềm, ống lấy mẫu piston đứng yên (hoặc piston cố định) (Hình 2-4) hoặc ống lấy mẫu piston thủy lực thường được sử dụng. Đối với đất rất mềm và đất sét phân lớp, có thể sử dụng ống lấy mẫu có lót màng, mặc dù loại này được sử dụng hạn chế tại Hoa Kỳ.

Đối với đất hạt mịn cứng, hoặc đối với các lớp vật liệu mềm và cứng xen kẽ, đã có các loại ống lấy mẫu chuyên dụng được phát triển, có khả năng lấy lõi xuyên qua các lớp vật liệu cứng trong khi vẫn thu giữ được các lớp vật liệu mềm hơn trong cùng một ống thành mỏng. Ống Denison và ống Pitcher là hai loại ống lấy mẫu thông dụng cho các điều kiện dưới bề mặt như vậy.

2-6.1.3 Mẫu nguyên dạng lấy từ hố đào khảo sát và hào khảo sát

Một trong những ưu điểm của hố đào khảo sát và hào khảo sát là có thể thu được các mẫu cắt gọt bằng tay (tức là mẫu khối) từ đáy hoặc thành bên của hố đào và hào khảo sát. Các mẫu khối này có thể là loại mẫu bị xáo động ít nhất trong tất cả các loại mẫu. Tuy nhiên, hố đào và hào khảo sát chỉ khả thi đến một độ sâu hạn chế.

Để lấy mẫu khối, một cột đất được cắt gọt với kích thước bằng hoặc nhỏ hơn một chút so với thùng chứa sẽ dùng để vận chuyển mẫu. Thùng chứa phải được đặt lên phía trên mẫu và cần tạo ra khoảng hở vành khăn nhỏ nhất có thể. Lý tưởng nhất, khoảng hở này nên được lấp bằng sáp. Một sự lắp khít trong một thùng chứa cứng có thể bịt kín sẽ tạo điều kiện tốt nhất để thu hồi và vận chuyển mẫu khối với mức độ xáo động nhỏ nhất.

2-6.2 Lấy mẫu đá

Đá được lấy mẫu bằng ống lấy lõi có gắn mũi khoan hợp kim cứng tungsten carbide hoặc mũi khoan kim cương tại đầu cắt. Cần khoan và ống lấy lõi có nhiều kích thước tiêu chuẩn khác nhau (xem Bảng 2-13), tùy theo kích thước lõi đá thu hồi.

Bảng 2-13. Kích thước tiêu chuẩn của ống vách (Rock Casing),
cần khoan (Drill Rod), ống khoan lõi (Core Barrel) và lỗ khoan (Corehole)
(theo ASTM D2113)

Ống vách, ống khoan lõi (Casing, Core Barrel)	Cần khoan (Drill Rod)	Đường kính ngoài ống vách (Casing OD) (in.)	Đường kính ngoài mũi khoan ống vách (Casing Bit OD) (in.)	Đường kính ngoài mũi khoan ống lõi (Core Barrel Bit OD) (in.)	Đường kính ngoài cần khoan (Drill Rod OD) (in.)	Đường kính gần đúng của lỗ khoan (Approx. Diameter of Corehole) (in.)	Đường kính gần đúng của lõi (Approx. Diameter of Core) (in.)
EX	E	1-13/16	1-7/8	1-7/16	1-5/16	1-1/2	7/8
AX	A	2-1/4	2-11/32	1-27/32	1-5/8	1-7/8	1-3/16
BX	B	2-7/8	2-31/32	2-5/16	1-29/32	2-3/8	1-5/8
NX	N	3-1/2	3-5/8	2-15/16	2-3/8	3	2-1/8

Đối với đá cứng và nguyên khối, có thể thu được mẫu đá tương đối nguyên khối (undisturbed) chỉ bằng cách sử dụng ống khoan lõi để lấy mẫu. Phổ biến hơn, một ống (hoặc một loạt ống) được sử dụng để chứa lõi đá, và ống này được cách ly khỏi ống khoan lõi nhằm giảm thiểu xáo trộn. Ống trong bắt buộc phải được sử dụng để lấy mẫu đá nguyên khối bất cứ khi nào đá có chứa các mặt gián đoạn (discontinuities). Bảng 2-14 tổng hợp các kỹ thuật thu hồi mẫu đá tương đối nguyên khối.

Bảng 2-14. Các ống lấy mẫu lõi đá thông dụng
(theo NCHRP 2018)

Ống khoan lõi kim cương (Diamond Core Barrels)
Kích thước		Loại đất hoặc đá cho kết quả tốt nhất	Phương pháp xuyên
Kích thước tiêu chuẩn: OD từ 1-1/2” đến 3”, lõi từ 7/8” đến 2-1/8”. Chiều dài ống lấy lõi từ 5 đến 10 ft cho mục đích khảo sát.		Đá cứng. Tất cả các ống đều có thể lắp mũi khoan chèn để khoan lấy lõi đá mềm hoặc đất cứng.	Khoan xoay dùng nước hoặc dung dịch huyền phù.
Chi tiết về lấy mẫu bằng ống (Tube Sampling)
Loại	Nguyên nhân gây xáo động hoặc làm giảm tỷ lệ thu hồi	Loại đất hoặc đá cho kết quả tốt nhất	Ghi chú
Ống đơn	Đá nứt nẻ. Đá quá mềm.	Chủ yếu dùng cho đá cứng, lành và đồng nhất.	Dung dịch khoan phải tuần hoàn quanh lõi – đá không được bị xói mòn. Ống đơn không thường được dùng cho khảo sát.
Ống đôi	Tốc độ quay hoặc tốc độ ấn không phù hợp trong đá nứt nẻ hoặc đá mềm.	Đá không đồng nhất, đá nứt nẻ, đá bở rời và đá mềm.	Có ống trong hoặc khớp xoay không quay cùng ống ngoài. Dùng tốt cho đá mềm, dễ xói mòn. Hiệu quả nhất với mũi khoan xả đáy.
Ống ba	Giống như ống đôi.	Giống như ống đôi.	Khác với ống đôi ở chỗ có thêm ống lót trong chẻ đôi. Lõi đá nứt nẻ mạnh được bảo tồn tốt nhất trong loại ống này.

\(\\\)

Ống khoan lõi hai lớp (double tube core barrels) là loại được sử dụng phổ biến nhất trong thực tế. Tùy thuộc vào số lượng mặt gián đoạn (discontinuities) trong đá, mẫu thu được có thể được xem là mẫu xáo trộn hoặc mẫu nguyên khối. Sơ đồ cấu tạo của ống lấy mẫu lõi đá loại đơn và loại hai lớp được trình bày lần lượt trong Hình 2-5(a) và (b).

Mức độ phù hợp của lõi đá cho các thí nghiệm xác định đặc tính phục vụ thiết kế kết cấu phụ thuộc vào chất lượng của từng mẫu thu được. Nếu cần xác định các tính chất của đá nguyên khối, thì nên sử dụng lõi có đường kính nhỏ hơn, vì lõi đá có đường kính lớn thường chứa nhiều mặt gián đoạn (discontinuities) hơn so với lõi có đường kính nhỏ.

Tỷ lệ thu hồi lõi (percentage of core recovery) (tức là chiều dài lõi thu được chia cho chiều dài đợt khoan lõi đã ghi nhận) cho biết mức độ nguyên vẹn và mức độ phong hóa của đá. Chỉ số chất lượng đá, RQD (Rock Quality Designation) (tức là tổng chiều dài các đoạn lõi thu được có chiều dài lớn hơn 4 inch chia cho chiều dài đợt khoan lõi đã ghi nhận) cho biết chính xác hơn về mức độ nguyên vẹn và mức độ phong hóa của đá, vì chỉ số này về cơ bản đã loại trừ các đoạn đá nứt nẻ và phong hóa. RQD cũng là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá ứng xử của khối đá tại chỗ (in situ), được thể hiện qua Chỉ số Phân loại Khối đá (RMR – Rock Mass Rating). Kỹ sư và địa chất viên cần xem xét kỹ các mẫu lõi đá có tỷ lệ thu hồi thấp và/hoặc RQD thấp để đánh giá nguyên nhân gây ra tỷ lệ thu hồi thấp và chất lượng đá kém được suy diễn từ đó. Chi tiết về phân loại đá và tính chất của đá được trình bày trong Chương 1 và trong NCHRP (2018).

Việc lấy mẫu đá phong hóa mạnh (hoặc phong hóa một phần), nứt nẻ, hoặc rã rời là hết sức khó khăn. Các loại vật liệu này thường xuất hiện gần ranh giới giữa đất và đá, đại diện cho vùng chuyển tiếp giữa hai loại vật liệu này, đặc biệt trong trường hợp đất tàn tích (residual soils). Mẫu tốt nhất của các vật liệu này có được nhờ đội ngũ khoan có kinh nghiệm, sử dụng ống lấy mẫu khoan lõi hai lớp hoặc ba lớp.

2-6.3 Lấy mẫu ngoài khơi

Trong một số trường hợp, mẫu đất và đá phải được lấy từ đáy sông, hồ, hoặc đại dương. Đối với độ sâu nước nhỏ hơn khoảng 60 ft, có thể sử dụng thiết bị khoan lấy mẫu đất và đá thông thường trên các sà lan tự nâng nhỏ (small jack-up platforms), sà lan nhỏ, hoặc phao thùng (barrel floats). Thách thức ở đây là thiết bị nổi cần có hệ thống neo phù hợp và chỉ phù hợp với vùng nước tương đối lặng, mặc dù dao động thủy triều có thể dễ dàng xử lý được. Đối với các vị trí nước sâu và/hoặc điều kiện biển khắc nghiệt, cần có tàu khoan chuyên dụng cỡ lớn, thiết bị chuyên dụng, và kinh nghiệm để thu được mẫu nguyên khối (intact samples) đạt chất lượng. Bảng 2-15 liệt kê một số thiết bị chuyên dụng dùng cho lấy mẫu dưới nước.

Có nhiều loại ống lấy mẫu hải dương học (oceanographic samplers), bao gồm cả loại ống hở và loại pít-tông, được sử dụng khi khoan từ tàu. Một số loại phụ thuộc vào cơ chế xuyên rơi tự do (free-fall penetration) và bị giới hạn về độ sâu khảo sát. Việc khoan và lấy mẫu từ đáy biển có thể thực hiện bằng thiết bị chuyên dụng điều khiển từ xa, được triển khai từ các thiết bị di động đặt trong tàu lặn dưới nước hoặc trên các nền tảng dưới nước hoạt động ngay tại đáy biển. Chất lượng mẫu thu được bởi hầu hết các ống lấy mẫu hải dương học không cao, do tỷ lệ chiều dài trên đường kính lớn và do khí/khí hòa tan trong môi trường dưới nước thoát ra khỏi dung dịch khi mẫu được đưa lên mặt đất. Để biết thông tin chi tiết về thiết bị lấy mẫu dưới nước, tham khảo ASTM STP 501 (ASTM 1972).

Bảng 2-15. Các ống lấy mẫu dưới nước thông dụng
(theo NCHRP 2018)

Ống lấy mẫu	Kích thước mẫu	Chiều dài mẫu	Giới hạn độ sâu nước	Phương pháp xuyên	Ghi chú
Gầu ngoạm Peterson	Mẫu ngoạm	Độ sâu khoảng ± 6 inch	Đến 200 ft và lớn hơn nếu tăng thêm tải trọng	Hàm ngoạm kiểu vỏ sò	Thiết bị lấy mẫu ngoạm tin cậy; có thể thu được mẫu tương đối nguyên dạng nếu hai má ngoạm khép kín chính xác.
Ống lấy lõi trọng lực kiểu hở	Đường kính từ 2,5 đến 6 inch	Chiều dài ống lấy lõi từ 6 đến 30 ft	Không giới hạn về độ sâu, nhưng tải trọng yêu cầu, chiều dài cáp hoặc kích thước tàu có thể là yếu tố khống chế	Thả tự do từ tang tời
Ống lấy lõi Pflueger	Đường kính khoảng 1,5 inch	Ống lấy lõi có các chiều dài 12, 24 và 36 inch	Từ 25 đến 200 ft	Rơi tự do từ độ cao 10 đến 20 ft phía trên đáy	Ống lấy lõi tương đối nhẹ để lấy mẫu lớp trầm tích đáy trên cùng dày khoảng 1 đến 3 ft; thường không phù hợp cho thí nghiệm cường độ.
Ống lấy lõi trọng lực có piston	Ống lấy lõi tiêu chuẩn có đường kính 2,5 inch	Chiều dài tiêu chuẩn 10 ft. Có thể nối thêm từng đoạn 10 ft.	Không giới hạn độ sâu, ngoại trừ tải trọng sẵn có, chiều dài cáp hoặc kích thước tàu có thể là yếu tố khống chế	Rơi tự do từ độ cao đã hiệu chỉnh phía trên đáy sao cho piston không xuyên vào trầm tích	Có thể thu được mẫu thích hợp cho thí nghiệm cường độ nếu tổ đội có kinh nghiệm; mẫu vẫn có thể bị xáo động đáng kể.
Ống lấy lõi rung	Mẫu có đường kính 3,5 inch	Tiêu chuẩn 20 ft, có thể kéo dài đến 40 ft	Độ sâu tối thiểu bị khống chế bởi mớn nước của tàu hỗ trợ; độ sâu lớn nhất khoảng 200 ft	Búa rung tác động bằng khí nén	Mẫu bị xáo động do rung động và tỷ số diện tích lớn; không phù hợp cho thí nghiệm cường độ; có thể đo sức kháng xuyên; thu được mẫu liên tục trong đất biển.

2-6.4 Ghi chép hiện trường và nhật ký hố khoan

Trong quá trình giám sát công tác khoan và lấy mẫu, kỹ sư, địa chất viên, hoặc người khoan có kinh nghiệm sẽ lập nhật ký hố khoan hiện trường (field boring log) để ghi lại các phát hiện và quan sát. Việc ghi chép hiện trường này là một phần quan trọng trong việc lập hồ sơ về điều kiện đất và đá tại vị trí dự án. Một nhật ký hiện trường điển hình bao gồm toàn bộ thông tin liên quan đến hố khoan đã hoàn thành, bao gồm: số hiệu nhận dạng hố khoan duy nhất, ngày khoan, nhân sự có mặt tại hiện trường, phương pháp thi công hố khoan (tức là khoan guồng xoắn, khoan xoay rửa, ép tĩnh, khoan rung sonic), độ sâu lấy mẫu, loại mẫu (tức là ống mẫu chẻ đôi và ống Shelby), loại búa, giá trị SPT N thô, quan sát mực nước, và ước tính sơ bộ về địa tầng. Nếu có, nên bao gồm cả tọa độ hệ thống định vị toàn cầu (GPS). Nhật ký hiện trường cung cấp ký hiệu nhận dạng duy nhất cho từng mẫu thu được, dù là mẫu xáo trộn hay mẫu nguyên khối, cũng như phân loại trực quan hiện trường của mẫu theo tiêu chuẩn ASTM D2488.

Nhật ký hiện trường, các mẫu thu được, và kết quả thí nghiệm trong phòng/hiện trường được sử dụng để lập nhật ký hố khoan cuối cùng (final boring log), đại diện cho hồ sơ kỹ thuật chính thức của công tác khoan và lấy mẫu. Nhật ký hố khoan cung cấp tài liệu kỹ thuật lâu dài về các loại vật liệu gặp phải trong quá trình khoan, lấy mẫu, và khoan lõi. Kỹ sư địa kỹ thuật hoặc địa chất viên sử dụng kết quả từ hiện trường cùng với kiến thức chuyên môn/kinh nghiệm của mình để nhóm các mẫu/hồ sơ lại với nhau dựa trên màu sắc, loại đất, và giá trị SPT N, đồng thời xác định các lớp hoặc tầng đất, những lớp này có thể được tìm thấy nhất quán trong các hố khoan lân cận tại cùng khu vực dự án. Một ví dụ về nhật ký hố khoan kỹ thuật được thể hiện trong Hình 2-6. Trong nhật ký hố khoan kỹ thuật cuối cùng, các loại đất được phân loại theo một hệ thống phân loại đất do người dùng hoặc cơ quan quy định lựa chọn. Các hệ thống phân loại đất phổ biến nhất tại Hoa Kỳ bao gồm Hệ thống Phân loại Đất Thống nhất (USCS – Unified Soil Classification System) (ASTM D2487 hoặc D2488), hệ thống AASHTO, và hệ thống của Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA – United States Department of Agriculture).

Ngoài phân loại đất, mô tả trong nhật ký hố khoan cũng cần bao gồm màu sắc, độ chặt tương đối (relative density) (ví dụ: rời, chặt…) hoặc độ đặc chắc (consistency) (ví dụ: mềm, trung bình, cứng…), và sự có mặt của các thành phần hữu cơ, vỏ sò, than bùn (peat) và/hoặc vật liệu nhân tạo. Việc xác định các đặc điểm bổ sung này có thể ảnh hưởng đến hiệu quả thi công và có thể có ích trong các giai đoạn thi công/đào đất tiếp theo của dự án.

2-7 CÁC THÍ NGHIỆM XUYÊN

Thí nghiệm xuyên là các kỹ thuật thí nghiệm tại chỗ (in situ) phổ biến nhất để xác định đặc điểm nền đất. Thí nghiệm xuyên hiện trường phổ biến nhất là Thí nghiệm Xuyên Tiêu chuẩn (Standard Penetration Test – SPT), đo sức kháng xuyên của một ống lấy mẫu thành dày tiêu chuẩn đóng vào hố khoan hở bằng búa rơi. Một thí nghiệm được kiểm soát chặt chẽ hơn và ngày càng phổ biến là Thí nghiệm Xuyên Tĩnh (Cone Penetration Test – CPT), sử dụng một đầu đo hình côn tiêu chuẩn được ấn xuống với tốc độ không đổi từ mặt đất. Một thí nghiệm phổ biến khác là thí nghiệm dilatometer bản phẳng (flat plate dilatometer – DMT). Thiết bị này sử dụng một lưỡi thép chắc chắn được ấn xuống đất với tốc độ không đổi, sau đó dừng định kỳ để cho phép một màng thép mềm được thổi phồng có kiểm soát và đo đạc. Ở nhiều khu vực tại Hoa Kỳ, đặc biệt khi gặp đất cứng và/hoặc đất rời, thí nghiệm xuyên côn động (dynamic cone penetration – DCP) được thực hiện bằng cách đóng một côn kích thước tiêu chuẩn vào đất bằng búa rơi. Phần này cung cấp thông tin về bốn phương pháp thí nghiệm xuyên nêu trên. Phần 2-9 sẽ đề cập đến các phương pháp thí nghiệm tại chỗ phổ biến khác.

2-7.1 Thí nghiệm Xuyên Tiêu chuẩn (SPT).

SPT được phát triển lần đầu vào những năm 1900 và được thực hiện bằng cách đóng một ống lấy mẫu thành dày, chẻ đôi (split-barrel) (còn gọi là “split spoon”) vào đất bằng các nhát búa rơi liên tiếp. Ống lấy mẫu được đóng vào đất tổng cộng 18 inch (khoảng 45 cm). Số nhát búa cần thiết để đóng ống lấy mẫu qua đoạn 12 inch (30 cm) theo phương thẳng đứng, từ độ sâu 6 đến 18 inch (khoảng 15 – 45cm), được gọi là giá trị N hay số nhát búa (blow count). Quy trình thí nghiệm được trình bày trong tiêu chuẩn ASTM D1586, và sơ đồ cấu tạo của SPT được trình bày trong Hình 2-7.

SPT cung cấp mẫu đất xáo trộn của vật liệu được thí nghiệm và tạo ra dữ liệu hữu ích có thể được sử dụng để tương quan với nhiều đặc tính kỹ thuật. Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến kết quả SPT, và có một số phương pháp thí nghiệm tại chỗ khác vượt trội hơn hẳn. Tuy nhiên, thí nghiệm này vẫn gần như được tham chiếu phổ biến và thường được yêu cầu tại Hoa Kỳ. Một trong những lý do là do khối lượng dữ liệu lịch sử (tức là dữ liệu cũ) sẵn có rất lớn. Nhiều tương quan đã được công bố (xem Chương 8) và việc sử dụng các tương quan này cùng với SPT đại diện cho Tiêu chuẩn Thực hành (Standard of Practice) phổ biến ở nhiều nơi tại Hoa Kỳ.

2-7.1.1 Hiệu chỉnh số nhát búa hiện trường.

Như một cải tiến so với búa donut và búa an toàn (donut and safety hammers) đời cũ, hầu hết các chương trình SPT hiện nay sử dụng búa tự động (automatic hammer), không phụ thuộc vào đầu tời (cathead) và dây thừng do người vận hành điều khiển để xác định chiều cao rơi của búa. Búa tự động hiện đại tạo ra năng lượng ổn định truyền vào ống lấy mẫu, và năng lượng này cần được đo đạc định kỳ. Các giá trị N ghi nhận tại hiện trường có thể được hiệu chỉnh để phản ánh năng lượng của loại búa cụ thể được sử dụng. Mục đích của việc hiệu chỉnh là để đưa giá trị N về mức hiệu suất búa 60%, vốn được giả định cho các thiết bị đời cũ và các tương quan lịch sử. Giá trị đã hiệu chỉnh năng lượng (N₆₀) cũng có thể được chuẩn hóa về giá trị tương đương tại ứng suất thẳng đứng bằng một atmosphere. Số nhát búa “đã hiệu chỉnh theo tải trọng phủ” hoặc “đã chuẩn hóa” được ký hiệu là (N₁)₆₀ hoặc N₁,₆₀. Một số tương quan liên quan đến số nhát búa đã chuẩn hóa được trình bày trong Chương 8 và trong McGregor và Duncan (1998).

2-7.1.2 Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm lớn nhất của SPT là mức độ được chấp nhận và sử dụng gần như phổ biến tại Hoa Kỳ. Vì vậy, hiện có một cơ sở dữ liệu rất lớn có thể dùng để thiết lập các tương quan.

Tuy nhiên, số búa SPT bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố thao tác, bởi sự hiện diện của sỏi, và bởi mức độ gắn kết giữa các hạt đất. Trong đất sét, số búa không phản ánh ảnh hưởng của các khe nứt hoặc mặt trượt bóng (slickensides). Bảng 2-16 trình bày phần tóm tắt nhiều yếu tố thao tác đã được biết là có ảnh hưởng đến giá trị N đo được ngoài hiện trường.

Bảng 2-16. Các yếu tố ảnh hưởng đến thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn và kết quả SPT
(theo Kulhawy và Mayne 1990)

Nguyên nhân	Ảnh hưởng	Tác động đến giá trị SPT N
Ống lấy mẫu được đóng khi còn ở phía trên đáy ống vách (casing)	Ống lấy mẫu đóng vào đất bị xáo trộn, bị nén chặt nhân tạo	Tăng mạnh
Làm sạch đáy hố khoan không đầy đủ	Thí nghiệm không được thực hiện trên đất nguyên trạng tại chỗ (in situ); đất có thể bị kẹt trong ống lấy mẫu và bị nén ép trong quá trình đóng ống, làm giảm tỷ lệ thu hồi mẫu	Tăng
Đo chiều cao rơi búa không cẩn thận	Năng lượng búa dao động (thường có xu hướng lệch thấp)	Tăng
Búa va vào đầu cần khoan không đồng tâm	Năng lượng búa bị giảm	Tăng
Búa không rơi tự do do ròng rọc thiếu bôi trơn, dây mới còn cứng, quấn hơn hai vòng trên đầu tời (cathead), hoặc nhả dây không hết mỗi lần thả búa	Năng lượng búa bị giảm	Tăng
Sỏi thô hoặc đá cuội trong đất	Ống lấy mẫu bị tắc hoặc bị cản trở	Tăng
Sử dụng cần khoan bị cong	Cản trở truyền năng lượng của ống lấy mẫu	Tăng
Trọng lượng búa không chính xác	Năng lượng búa dao động (do người vận hành khoan cung cấp trọng lượng; dao động 5–7% là phổ biến)	Tăng hoặc giảm
Đếm số nhát búa không cẩn thận	Kết quả không chính xác	Tăng hoặc giảm
Sử dụng ống lấy mẫu không đạt chuẩn	Các tương quan với ống lấy mẫu tiêu chuẩn không còn hiệu lực	Tăng hoặc giảm
Không duy trì đủ cột nước trong hố khoan	Đáy hố khoan có thể bị chảy nhão (quick condition)	Giảm

\(\\\)

2-7.2 Thí nghiệm xuyên côn (CPT)

CPT là thí nghiệm trong đó một đầu xuyên thép có gắn thiết bị đo được ấn bằng thủy lực với tốc độ không đổi để thu được bản ghi liên tục về sức kháng xuyên của mũi côn và sức kháng ma sát của đất. CPT không tạo ra lỗ khoan, mẫu, hay mùn khoan. Thí nghiệm ban đầu sử dụng một mũi côn vận hành cơ học, được gọi là côn “Hà Lan” (DPT). Thiết bị ban đầu này sau đó đã được thay thế, cải tiến và nâng cấp để cho phép đo điện tử.

Phần lớn các thiết bị hiện đại còn bao gồm một piezometer đặt gần mũi xuyên. Khi được trang bị các đầu đo và thiết bị thích hợp, một lần thực hiện CPT còn có thể cho phép đo nhiệt độ, độ thẳng đứng, điện trở suất, phát xạ âm, và vận tốc sóng cắt.

Hiện nay, thí nghiệm được tiến hành theo ASTM D5778. Thí nghiệm có thể được thực hiện không cần đo áp lực nước lỗ rỗng, và khi đó được gọi đơn giản là CPT. Ngoài ra, một cách khác (và cũng là cách thông dụng) là thực hiện thí nghiệm bằng thiết bị đo áp lực nước lỗ rỗng phía sau mũi xuyên trong quá trình ấn. Thí nghiệm này được gọi là thí nghiệm piezocone (CPTu). Những tiến bộ gần đây còn cho phép đo sự lan truyền của sóng cắt bằng piezocone địa chấn, được gọi là CPT địa chấn (SCPTu).

2-7.2.1 Thiết bị và quy trình thí nghiệm

Thí nghiệm xuyên côn yêu cầu ấn đầu xuyên liên tục bằng thủy lực đồng thời ghi nhận đồng thời số liệu từ nhiều thiết bị điện tử. Các thiết bị và quy trình cụ thể cần thiết để thực hiện CPT được tóm tắt như sau:

• Thiết bị xuyên côn: Thiết bị xuyên côn tiêu chuẩn là một đầu xuyên hình trụ đường kính 1.4 inch (35.7 mm) với góc đỉnh côn 60° ở mũi, tạo ra diện tích mũi chiếu bằng 1.55 in² (10 cm²) và diện tích bề mặt ống ma sát có gắn thiết bị đo bằng 23.3 in² (150 cm²). Ngoài ra còn có các kích cỡ khác, cả nhỏ hơn và lớn hơn. Kích cỡ của côn thường được xác định theo diện tích mũi chiếu (ví dụ: côn 10 cm² hoặc côn 15 cm²). Có nhiều cấp tải đầu xuyên khác nhau (ví dụ: 2 tấn, 15 tấn, v.v.).
• Giàn khoan/xe tải CPT và cần xuyên côn: Một bộ chấp hành thủy lực được gắn vào xe tải hoặc giàn khoan có khả năng tạo đủ lực phản lực để ấn đầu xuyên với tốc độ không đổi 2 cm/s. Lực phản lực này có thể được cung cấp bằng giàn khoan thông thường, nhưng hiện nay xe chuyên dụng CPT, thường có khối lượng 20 đến 25 tấn, đã trở thành tiêu chuẩn.
• Đầu đo áp lực nước: Có thể thu được thông tin rất có giá trị bằng cách đo áp lực nước lỗ rỗng phía sau mũi côn trong quá trình xuyên. Đối với CPTu, áp lực nước được theo dõi bằng bộ chuyển đổi áp lực và phần tử lọc rỗng.
• Địa chấn kế (geophone): Đối với SCPTu, một geophone được đặt dọc theo cần xuyên tại vị trí cách mũi côn khoảng 20 inch (500 mm). Geophone này phát hiện sóng cắt được tạo ra trên mặt đất tại các khoảng sâu thẳng đứng xác định. Trong quá trình xuyên côn địa chấn, một sóng cắt được tạo ra trên mặt đất. Từ đó có thể tính được vận tốc sóng cắt trung bình của đất giữa mặt đất và vị trí geophone.

Ví dụ về một biểu đồ kết quả CPT được trình bày trong Hình 2-8. Hình này thể hiện sơ đồ của đầu xuyên CPT và mặt cắt thẳng đứng gần như liên tục của sức kháng mũi côn \((q_t)\), ma sát áo ma sát \((f_s)\), và áp lực nước lỗ rỗng tại vị trí \(u_2\) (phía sau mũi côn).

2-7.2.2 Phân loại đất bằng CPT

Bất kể loại đầu xuyên dùng cho thí nghiệm xuyên côn là gì (tức là CPT, CPTu, hay SCPTu), nguyên lý thí nghiệm này đã gần như được chấp nhận và quan tâm rộng rãi. Như thể hiện trong Hình 2-8, có thể thu được mặt cắt thẳng đứng gần như liên tục của sự biến đổi địa tầng. Nhiều tham số kỹ thuật có thể được ước tính từ kết quả CPT. Hiện đã có nhiều tương quan giữa dữ liệu CPT với cường độ, tính nén lún, mô đun biến dạng, hệ số thấm, và các tính chất khác; một số trong đó được trình bày trong Chương 8.

CPT có thể được dùng để ước tính loại đất của lớp đất bị xuyên qua. Một phương pháp thường dùng cho mục đích này được trình bày trong Hình 2-9, trong đó liên hệ loại ứng xử của đất (SBT) với các kết quả CPT cụ thể. Dạng tương quan này đặc biệt hữu ích cho đặc trưng hóa hiện trường và địa tầng dưới bề mặt. Ngoài ra còn có các tương quan loại đất khác.

2-7.2.3 Ưu điểm và hạn chế

CPT có nhiều ưu điểm nhờ mức độ phổ biến của nó trong thực hành kỹ thuật và nhờ sự phong phú của các tương quan hữu ích với các tham số kỹ thuật khác. Thí nghiệm có thể được thực hiện nhanh chóng. Tốc độ thực hiện cho phép thu được khối lượng dữ liệu đáng kể trong thời gian ngắn, từ đó tạo ra bản ghi liên tục về điều kiện đất nền. CPT đặc biệt hữu ích trong việc đánh giá mức độ biến đổi của điều kiện dưới bề mặt trên toàn khu vực khảo sát.

Hạn chế lớn nhất của mọi thí nghiệm xuyên côn là không thu được các mẫu rời rạc để quan sát trực tiếp và thực hiện các thí nghiệm đối chứng đi kèm. Việc xuyên côn có thể gặp khó khăn trong đất chặt hoặc đất cứng đến rất cứng, và nếu người vận hành không có kinh nghiệm, đầu xuyên có thể bị hư hại (hoặc phá hỏng) khi gặp các vật liệu này. Thiết bị chuyên dụng và sự phụ thuộc vào hệ thống đo điện tử thường đòi hỏi phải sử dụng dịch vụ của đơn vị chuyên môn để thực hiện thí nghiệm.

2-7.3 Thí nghiệm bàn nén phẳng

Thí nghiệm bàn nén phẳng (DMT) được phát triển tại Ý và được đưa vào thực hành tại Hoa Kỳ từ những năm 1980 (Marchetti và cộng sự, 2006). Thí nghiệm này đã được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới và quy trình thí nghiệm đã được tiêu chuẩn hóa trong ASTM D6635. Thí nghiệm được tiến hành bằng cách ấn một bản thép phẳng tương đối dài và mỏng xuống đất, thường theo các gia số thẳng đứng 9 đến 12 inch, rồi bơm phồng một màng thép mềm trong khi thực hiện hai hoặc ba phép đo xác định (tức là A, B, và C).

• Số đọc A là áp lực cần để tách màng khỏi bề mặt lưỡi thép.
• Số đọc B là áp lực cần để làm cho tâm của màng dịch chuyển vào trong đất một khoảng 0,04 inch (1,1 mm).
• Số đọc C là số đọc tùy chọn, có thể lấy bằng cách xả màng cho đến khi tâm màng lại tiếp xúc với bề mặt lưỡi thép.

Nhiều đơn vị thực hiện DMT bằng chính thiết bị chuyên dụng dùng cho CPT. Trong phần lớn trường hợp, thí nghiệm được tiến hành không cần khoan tạo lỗ trước, nên không tạo ra mẫu hoặc mùn khoan. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, DMT được hạ vào một lỗ khoan đã lấy mẫu, sau đó được ấn xuống sâu thêm khoảng 12 inch dưới đáy lỗ khoan rồi mới bơm phồng như mô tả ở trên. Sơ đồ nguyên lý của thí nghiệm được trình bày trong Hình 2-10.

2-7.3.1 Thiết bị, Quy trình và Kết quả.

Hình ảnh của thiết bị thử nghiệm xuyên ngang (DMT) được trình bày trong Hình 2-11(a), và bộ điều khiển được sử dụng để thực hiện thử nghiệm (tức là điều khiển việc bơm phồng và xả khí của màng) được hiển thị trong Hình 2-11(b). Lưỡi của thiết bị đo có kích thước danh định là rộng 3.75 inch (95 mm), dày 0.60 inch (15 mm) và cao 7.5 inch (190 mm) với góc đỉnh tại mũi là 30°. Một màng thép không gỉ đường kính 2.4 inch (60 mm) được sử dụng. Màng này thường dày 0.008 inch (0.20 mm) và yêu cầu hiệu chuẩn cẩn thận. Bộ điều khiển sử dụng nguồn cấp khí đóng chai (nitơ). Một giàn khoan CPT thường được sử dụng để đẩy thiết bị đo với tốc độ khoảng 0.4 đến 1.2 inch/giây (1 đến 3 cm/s). Lực đẩy thẳng đứng thường được theo dõi và ghi lại trong suốt quá trình thử nghiệm.

Phương pháp DMT và các phép tính được tóm tắt trong Hình 2-10. Để biết chi tiết hơn về quy trình thí nghiệm, xem NCHRP (2018). Kết quả thí nghiệm DMT sau khi rút gọn cho ra ba giá trị p₀, p₁, và u₀, từ đó các chỉ số DMT sau đây được tính trực tiếp tại mỗi độ sâu thí nghiệm:

• Chỉ số vật liệu, \(I_D = (p_1 – p_0) / (p_0-u_0)\) được dùng để nhận diện loại đất;
• Mô đun dilatometer, \(E_D = 34.7 x (p_1 – p_0)\) tính bằng đơn vị at, là đại lượng biểu thị độ cứng của đất;
• Chỉ số ứng suất ngang, \(K_D = (p_1 – p_0)/\sigma’_{v0}\) được dùng để đánh giá lịch sử ứng suất.

Ba chỉ số này thường được biểu diễn theo độ sâu thí nghiệm để xây dựng một mặt cắt thẳng đứng gần như liên tục. Tương tự như các kỹ thuật dùng cho CPT, các giá trị tính trực tiếp này được dùng để ước tính các tham số kỹ thuật quan trọng, bao gồm cường độ, tính nén lún, mô đun biến dạng, và áp lực đất ngang, thông qua các tương quan bán thực nghiệm. Phần tóm tắt các tương quan với kết quả DMT được trình bày trong Chương 8.

2-7.3.2 Ưu điểm và hạn chế

DMT có nhiều ưu điểm. Thí nghiệm có thể được thực hiện tương đối nhanh bằng nhiều loại thiết bị xuyên khác nhau. Bản thân đầu xuyên tương đối đơn giản trong bảo trì, và việc đào tạo vận hành không quá phức tạp. Thí nghiệm này cung cấp một số thông tin về ứng suất ngang và độ cứng của đất, là những thông tin mà SPT và CPT không thể cung cấp trực tiếp.

Một hạn chế lớn của dilatometer là lưỡi thép mỏng, và đặc biệt là màng thép, có thể bị hư hại khá dễ dàng khi xuyên qua đất có hạt cỡ cát thô hoặc lớn hơn. Màng có thể được thay thế, nhưng sau đó phải thực hiện lại quy trình rà màng và hiệu chuẩn, mà việc này thường khó thực hiện ngoài hiện trường. Thiết bị chuyên dụng cần được bảo trì và làm sạch đúng cách giữa các lần thí nghiệm, vì đã từng ghi nhận hiện tượng tín hiệu điện không ổn định khi có điều kiện ẩm ướt bên trong màng. Cần thận trọng khi sử dụng trực tiếp các tương quan của dilatometer cho các tham số phục vụ thiết kế kỹ thuật.

2-7.4 Thí nghiệm xuyên côn động

Tương tự như CPT, thí nghiệm xuyên côn động (DCP) cũng đã trải qua một quá trình phát triển lịch sử. Tại Hoa Kỳ, thiết bị này được phát triển vào cuối những năm 1950 ở khu vực đông nam Hoa Kỳ, chủ yếu để kiểm tra điều kiện gần mặt đất cho spread footing và như một phương pháp thay thế tiềm năng cho SPT. Loại DCP nguyên bản này nặng hơn, có tương quan khá chặt với số búa SPT, nhưng chưa được tiêu chuẩn hóa chính thức. Quân đoàn Công binh Hoa Kỳ (USACE) đã phát triển một DCP nhẹ, có tương quan với giá trị N của SPT và CBR California (California Bearing Ratio) (Webster và cộng sự, 1992). Thiết bị nhẹ này hiện được sử dụng rộng rãi hơn và đã được tiêu chuẩn hóa trong ASTM D6951.

2-7.4.1 Thiết bị, quy trình và kết quả

Sơ đồ của thiết bị DCP trọng lượng nhẹ và chi tiết về mũi côn được trình bày trong Hình 2-12. Một quả búa rơi (nặng 17.4 hoặc 10.1 pound) đập vào đe để đóng mũi côn xuống. Trục trên và trục dưới dẫn hướng cho búa và truyền lực đóng đến mũi côn. Mũi côn có góc đỉnh 60° nằm ở dưới cùng của trục dưới. Có sẵn cả loại mũi côn cố định và mũi côn rời (sử dụng một lần). Có thể cần đến kích rút để lấy mũi côn và trục lên.

Thử nghiệm DCP thông thường được thực hiện bởi hai người. Sau khi đóng mũi côn lún khoảng 1.0 inch để ổn định, mũi côn được tiến sâu dần bằng các nhát búa rơi liên tiếp, trong khi vẫn giữ thiết bị thẳng đứng. Sau mỗi nhát búa, độ xuyên của mũi côn được đo và ghi lại chính xác đến 0.1 inch. Thử nghiệm kết thúc khi:

• Đạt được độ sâu mục tiêu.
• Toàn bộ chiều dài của trục dưới đã cắm sâu vào đất.
• Hoặc khi tổng độ xuyên ít hơn 0.1 inch/nhát búa trong 10 nhát búa liên tiếp.

Sau đó, kích rút được sử dụng để thu hồi trục và mũi côn đang nằm trong đất.

Từ các kết quả thử nghiệm đã ghi lại, Chỉ số Xuyên DCP \((DPI)\) được tính toán và lập bảng theo độ sâu. Một biểu đồ có thể được xây dựng dựa trên các giá trị \(DPI\) tăng dần so với độ sâu xuyên tích lũy, giúp biểu thị độ cứng/cường độ tương đối theo độ sâu. Các mối tương quan với DCP được tìm thấy trong Chương 8.

2-7.4.2 Ưu điểm và hạn chế

DCP là một thiết bị đơn giản, chi phí thấp, dễ sử dụng, rất phù hợp khi cần có kết quả nhanh hoặc với chi phí rất thấp, hoặc khi khả năng tiếp cận hiện trường bị hạn chế. Kết quả của DCP có thể được dùng làm tiêu chí nghiệm thu độ đầm chặt. Thiết bị này cũng có thể dùng để đánh giá địa tầng, đặc biệt trong việc phân định các lớp mềm và lớp cứng. Thiết bị dễ bảo trì. Có lẽ ưu điểm lớn nhất là các tương quan địa phương và khu vực có thể dễ dàng được xây dựng và cập nhật khi cần.

Một hạn chế đáng kể của thí nghiệm là chiều sâu xuyên nhỏ. Độ thẳng đứng của các trục trong quá trình đóng là rất quan trọng, và kinh nghiệm của người vận hành là yếu tố có giá trị. Do sử dụng búa rơi kiểu donut, người vận hành (và người phụ giúp) cần tránh các điểm kẹp tay giữa búa và đe.

2-8 QUAN TRẮC NƯỚC DƯỚI ĐẤT

Do tầm quan trọng của nó trong phân tích địa kỹ thuật, việc xác định vị trí mực nước dưới đất là một yếu tố then chốt của công tác khảo sát nền đất. Trong quá trình khoan, độ sâu thường được ghi nhận tại thời điểm gặp nước lần đầu trong hố khoan và tại thời điểm mực nước ổn định sau khi khoan. Mực nước ổn định thường được ghi nhận sau khi hố khoan được để hở khoảng 24 giờ. Ở một số loại đất, thành hố khoan sẽ bị sập nếu không được chống đỡ hoặc gia cố (ví dụ: cát nằm dưới mực nước ngầm). Trong các trường hợp này, có thể sử dụng ống đục lỗ (perforated pipe) làm ống vách tạm thời để bảo vệ hố khoan khỏi bị sập, đồng thời vẫn cho phép nước chảy qua các lỗ đục. Việc nắm được quy luật dao động mực nước theo mùa là quan trọng, và có thể thực hiện quan trắc dài hạn bằng cách chuyển đổi hố khoan thành thiết bị đo áp lực nước lỗ rỗng (piezometer), có thể là loại giếng quan trắc hở đơn giản cho đến loại đầu đo điện tử (electronic transducers).

Việc nắm được chế độ nước dưới đất tại khu vực là cần thiết để phiên giải chính xác các kết quả quan trắc nước dưới đất, đặc biệt là kết quả từ piezometer. Nước dưới đất có thể tồn tại ở nhiều cao độ khác nhau trong nền đất. Nước có thể ở dạng nước treo (perched) trong các vùng cô lập, hoặc có thể bị giữ áp (confined) giữa các lớp đất có tính thấm thấp. Ngoài ra, dòng chảy nước dưới đất có thể ảnh hưởng đến việc phiên giải mực nước. Ở những nơi có gradient thủy lực thấp và mực nước dưới đất tương đối nằm ngang, độ sâu mực nước có thể được suy ra trực tiếp từ kết quả đo của piezometer. Tuy nhiên, ở những nơi có gradient lớn, áp lực nước đo được tại một điểm trong đất không thể được sử dụng trực tiếp để tính độ sâu cột nước thẳng đứng phía trên điểm đó. Cần nắm rõ điều kiện thấm (seepage conditions) (xem Chương 7-6) để xác định được điều này. Cuối cùng, cần phân biệt giữa điều kiện ổn định (steady state) và điều kiện tức thời/không ổn định (transient). Điều kiện ổn định có thể được quan trắc hiệu quả bằng tất cả các loại piezometer. Tuy nhiên, trong điều kiện không ổn định (ví dụ: hạ nhanh mực nước hồ chứa trong đập, quá trình cố kết hoặc trương nở trong đất hạt mịn), áp lực nước lỗ rỗng có thể thay đổi đáng kể theo thời gian và đòi hỏi thiết bị đo có thời gian phản hồi nhanh, chẳng hạn như đầu đo kiểu màng (diaphragm type transducers).

2-8.1 Các loại piezometer ống đứng (Standpipe Piezometer).

Quan trắc mực nước dưới đất bao gồm việc đo trực tiếp mực nước trong giếng hở (open well), piezometer ống đứng hở (open standpipe piezometer), hoặc piezometer loại phần tử xốp (porous element piezometer). Các loại piezometer ống đứng phổ biến dùng để quan trắc mực nước dưới đất được trình bày trong Hình 2-13 và tóm tắt trong Bảng 2-17. Việc lựa chọn loại ống đứng phụ thuộc vào sở thích của người thực hiện, các quy định hiện hành (nếu có), và loại đất nền nơi cần đo mực nước dưới đất.

Ba thành phần cơ bản của một piezometer ống đứng bao gồm: (1) đầu lọc hoặc lưới lọc giếng (well screen); (2) bản thân ống đứng; và (3) nút bịt ống đứng (standpipe seal). Các thành phần này có thể được lắp đặt bằng tay ở độ sâu nông, nhưng trong hầu hết các trường hợp được lắp đặt bằng giàn khoan sau khi hoàn thành hố khoan trong đất hoặc đá.

2-8.1.1 Piezometer giếng hở

Một kỹ thuật quan trắc nước ngầm thông dụng là lắp đặt một ống đứng hoặc ống kín nước trong một lỗ khoan hở, như minh họa trong Hình 2-13(a). Ống đứng có mũi đục lỗ hoặc đoạn ống lọc cho phép nước đi vào; thường là ống nhựa PVC đường kính nhỏ (ví dụ: nhỏ hơn 2 inch) nhưng có thể lớn hơn đối với các ứng dụng lấy mẫu môi trường. Trong giếng hở, khoảng không vành khăn giữa ống và thành lỗ khoan được lấp bằng cát lọc hoặc sỏi gần tới mặt đất. Tại mặt đất, một lớp trám kín bằng vữa xi măng, huyền phù bentonite, hoặc vật liệu khác có tính thấm thấp được đặt phía trên lớp cát lọc để cách ly giếng khỏi dòng nước bề mặt. Các giếng hở thường còn được gọi là giếng quan trắc nước ngầm và được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng môi trường khi cần lấy mẫu nước ngầm.

Bảng 2-17. Các loại piezometer ống đứng

Loại piezometer	Ưu điểm	Nhược điểm
Piezometer giếng hở (Open well piezometer)	Đơn giản và đáng tin cậy; có lịch sử sử dụng lâu dài; phù hợp với đất hạt thô; có thể cần đường kính lớn để phục vụ quan trắc môi trường và lấy mẫu nước dưới đất	Thời gian phản hồi chậm, đặc biệt trong đất hạt mịn; không thể quan trắc riêng biệt các tầng có mực nước dưới đất khác nhau; có nguy cơ đóng băng vào mùa đông
Piezometer ống đứng hở (Open standpipe piezometer)	Đơn giản và đáng tin cậy; có lịch sử sử dụng lâu dài; có khả năng quan trắc riêng biệt các tầng có mực nước dưới đất khác nhau; phù hợp với đất hạt thô	Thời gian phản hồi chậm trong đất có tính thấm thấp
Piezometer phần tử xốp (thủy lực) (Porous element piezometer – hydraulic)	Thời gian phản hồi nhanh; phù hợp với đất có tính thấm trung bình; phù hợp với các ứng dụng bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện	Không khí ẩm lọt vào ống dẫn có thể ảnh hưởng đến kết quả đo; tốn thời gian để thực hiện phép đo
Piezometer phần tử xốp (điện tử) (Porous element piezometer – electronic)	Phản hồi nhanh; độ nhạy cao; phù hợp cho hệ thống đọc số liệu tự động	Chi phí tương đối cao; có thể cần hiệu chỉnh theo nhiệt độ và áp suất khí quyển; có thể phát sinh sai số trôi điểm không (zero drift)

\(\\\)

Vì giếng hở có lưới lọc (screen) suốt toàn bộ chiều dài hoặc vùng lọc (filter zone) trên toàn bộ chiều sâu, nên loại này phù hợp nhất để đo mực nước trong các tầng đất tương đối đồng nhất có tính thấm cao. Khi hố khoan xuyên qua nhiều tầng đất khác nhau, mực nước dưới đất đo được sẽ tương ứng với tầng đất có tổng cột nước (total head) cao nhất. Một ưu điểm đáng kể của piezometer giếng hở là có thể được làm sạch và “phát triển” (developed) bằng cách bơm xả nước từ ống đứng vào tầng đất, điều này rất quan trọng đối với các piezometer giếng hở dùng cho ứng dụng quan trắc môi trường.

2-8.1.2 Piezometer ống đứng hở

Piezometer ống đứng hở tương tự như giếng hở, ngoại trừ việc lưới lọc chỉ trải dài qua một tầng đất cụ thể cần quan tâm. Các nút bịt (seals) được lắp đặt phía trên và phía dưới vùng này để chỉ cho phép nước đi vào từ tầng đất cần quan tâm. Piezometer ống đứng hở được trình bày trong Hình 2-13(b). Bên ngoài đoạn thí nghiệm có lưới lọc, vật liệu lấp chọn lọc (select backfill materials) được sử dụng nhưng không nhất thiết phải là cát lọc. Một nút bịt thường được đặt quanh ống đứng tại vị trí mặt đất.

Có thể lắp đặt nhiều piezometer ống đứng hở để đo mực nước dưới đất tại nhiều tầng đất khác nhau trong cùng một hố khoan, thông qua việc lắp đặt cẩn thận nhiều nút bịt. Cách tiếp cận này đôi khi được gọi là piezometer lồng ghép (nested piezometer). Vị trí theo phương thẳng đứng (tức là độ sâu, chiều dày, và cao độ) của từng nút bịt phải được đo đạc chính xác và ghi lại trong nhật ký hố khoan.

Một nhược điểm lớn của piezometer giếng hở và piezometer ống đứng hở là thời gian cân bằng (equalization time) kéo dài, cần thiết để nước từ tầng đất chảy vào và làm đầy piezometer. Cho đến khi mực nước dưới đất ổn định theo cách này, các số liệu đo được vẫn chưa chính xác. Để giảm thời gian cân bằng, có thể giảm đường kính ống đứng xuống dưới 0.5 inch, nhờ đó giảm thể tích nước cần thiết để làm đầy ống.

2-8.1.3 Piezometer phần tử xốp

Nhược điểm chính của piezometer giếng hở và piezometer ống đứng hở là thời gian cân bằng có thể kéo dài để mực nước dưới đất ổn định, vì ống đứng (riser pipe) phải được lấp đầy bằng một thể tích nước đáng kể từ tầng đất. Piezometer phần tử xốp hoặc piezometer thủy lực có đầu lọc bằng gốm hoặc kim loại xốp gắn vào ống đứng đường kính nhỏ (tức là standpipe). Các phiên bản hiện đại sử dụng phần tử xốp có kích thước lỗ rỗng nhỏ hơn 50 micron, nhờ đó đầu lọc có thể tiếp xúc trực tiếp với đất hạt mịn. Một trong những ưu điểm chính của piezometer phần tử xốp là thời gian cân bằng tương đối ngắn trong đất hạt mịn có tính thấm thấp. Tuy nhiên, nước vẫn phải chảy từ tầng đất qua phần tử xốp vào ống đứng để có được số liệu đo mực nước dưới đất chính xác.

2-8.2 Lắp đặt nhiều piezometer hoặc piezometer lồng ghép

Có thể lắp đặt nhiều piezometer ống đứng trong cùng một hố khoan, với nút bịt không thấm nước ngăn cách các vùng đo khác nhau. Các piezometer này được gọi là piezometer lồng ghép (nested). Cách bố trí này mang lại lợi ích về chi phí, vì giảm được số lượng hố khoan cần thiết (nhưng lại làm tăng độ khó/thách thức trong việc lắp đặt các nút bịt tại các cao độ cụ thể) và giảm số lượng “chướng ngại vật” mà nhà thầu gặp phải trong quá trình thi công. Tuy nhiên, nếu cần đo tại các vùng cách nhau theo phương thẳng đứng từ 10 ft trở xuống, nên lắp đặt các piezometer trong các hố khoan riêng biệt.

2-8.3 Đo mực nước dưới đất

Mực nước/cao độ nước dưới đất có thể được xác định bằng phương pháp trực tiếp hoặc gián tiếp. Phương pháp trực tiếp bao gồm: (1) đo đạc trắc địa cao độ đỉnh ống đứng và/hoặc mặt đất; (2) đo hoặc tính toán độ “nhô lên” (stick-up) của ống đứng phía trên mặt đất; và (3) đo khoảng cách từ đỉnh ống đứng xuống mặt nước bên trong ống hở hoặc ống đứng. Từ đó, có thể dễ dàng tính được cao độ mực nước dưới đất. Có nhiều phương pháp để đo khoảng cách từ mặt nước đến đỉnh ống đứng, bao gồm dùng quả dọi (plumb bob), thước vải hoặc thước kim loại phủ phấn, hoặc thiết bị chỉ báo điện (electrical indicators) có bán trên thị trường. Bằng các phép đo trực tiếp này, mực nước thường có thể được xác định với sai số trong khoảng 0.5 inch.

Một phương pháp gián tiếp nhưng chính xác hơn để đo độ sâu mực nước trong giếng hở là sử dụng đầu đo điện (electrical transducer) có khả năng đo áp lực nước. Đầu đo được gắn vào cáp kéo và dây điện. Các vạch đánh dấu trên dây điện được dùng để đo chiều dài dây đã đưa vào trong ống hở. Trên thị trường, các hệ thống di động loại này được gọi là thiết bị chỉ báo mực nước (water level indicators). Đầu đo được hạ xuống độ sâu thường gần đáy hố hở sao cho đầu đo bị ngập hoàn toàn trong nước. Dây điện được nối ở đầu trên mặt đất với một bộ đọc số liệu (readout unit) đo áp lực do cột nước phía trên đầu đo gây ra. Từ trọng lượng riêng của nước (tức là 62.4 pcf hay 9.81 kN/m³), có thể tính được chiều sâu cột nước phía trên đầu đo, kết hợp với chiều dài dây điện đã đưa vào ống hở để tính ra cao độ mực nước dưới đất trong ống. Loại đầu đo này có thể được kết nối với một bộ thu thập dữ liệu (data collection unit) để tự động ghi nhận mực nước dưới đất theo thời gian. Khả năng này thường rất hiệu quả, và trên thực tế là bắt buộc khi thực hiện thí nghiệm bơm hút nước dưới đất (groundwater pumping tests), trong đó cần biết cao độ mực nước dưới đất biến đổi theo thời gian theo lưu lượng bơm để phục vụ các tính toán tiếp theo về hệ số thấm tại chỗ (in situ permeability) của tầng đất (xem Mục 2-9.2). Phương pháp gián tiếp cũng có thể được sử dụng với đầu đo áp lực nước lỗ rỗng (pore pressure transducers) được phụt vữa hoặc bịt kín trực tiếp trong hố khoan mà không cần ống đứng. Thông tin chi tiết hơn về các loại đầu đo dùng cho loại piezometer này được trình bày trong Mục 2-10.4.

Mặc dù đơn giản về nguyên lý, các kỹ thuật đo mực nước dưới đất vẫn có một số hạn chế cố hữu. Thứ nhất, piezometer ống đứng đòi hỏi phải tiếp cận được đỉnh ống đứng thẳng đứng (vertical riser pipe), thường nhô cao hơn mặt đất và dễ bị hư hỏng trong quá trình thi công. Nếu ống đứng cần được kéo dài thêm trong quá trình thi công (ví dụ: khi lắp đặt trong một khối đắp đang xây dựng), các hoạt động kéo dài này phải được phối hợp chặt chẽ với nhà thầu thi công đất. Việc đo mực nước thủ công hoặc trực tiếp tốn thời gian và có thể ảnh hưởng bất lợi đến tiến độ thi công. Nguồn sai số lớn nhất đối với piezometer ống đứng là độ trễ thời gian (lag time) cần thiết để piezometer phản hồi với sự thay đổi mực nước dưới đất, do nước phải chảy từ tầng đất vào piezometer. Vì lý do này, piezometer đo nước dưới đất được thiết kế để đo mực nước dưới đất ở trạng thái thủy tĩnh (hydrostatic), và không phù hợp để đo áp lực nước lỗ rỗng biến đổi theo thời gian. Các nguồn sai số khác ảnh hưởng đến kết quả đo của piezometer bao gồm: khả năng nước mưa xâm nhập trực tiếp vào ống đứng do nắp bị thiếu hoặc bị phá hoại, nước mặt thấm vào hố khoan, và sự hình thành bọt khí bên trong ống. Phương pháp đo gián tiếp bằng piezometer phần tử xốp không có ống đứng, hoặc dùng đầu đo áp lực nước lỗ rỗng (pore pressure transducers), có thể giảm bớt được nhiều hạn chế nêu trên.

2-8.4 Phát hiện khí dễ cháy

Bọt khí trong nước dưới đất có thể ảnh hưởng đến kết quả đo mực nước dưới đất. Khí có thể tồn tại trong đất nền và gây ra các mối nguy hiểm khác. Cụ thể, khí metan (CH₄) và các loại khí dễ cháy khác có thể xuất hiện trong đất và đá nền, đặc biệt tại các khu vực gần bãi chôn lấp chất thải rắn đô thị (municipal solid waste – MSW), hoặc tại các vị trí gần hoặc nằm trên các đầm lầy than bùn (peat bogs), đầm lầy nước ngọt (marshes), và đầm lầy nước mặn (swamp deposits). Metan là khí dễ cháy chiếm ưu thế trong nền đất vì đây là một trong những sản phẩm phụ chính của quá trình phân hủy kỵ khí (anaerobic decomposition) vật liệu hữu cơ. Loại khí chiếm ưu thế còn lại là khí carbon dioxide (CO₂). Các thiết bị cầm tay có bán trên thị trường, được gọi là máy phân tích khí bãi rác (landfill gas analyzers), được sử dụng để phát hiện sự hiện diện và nồng độ khí metan dễ cháy trong các giếng khí bãi rác và đầu dò quan trắc. Các thiết bị này lấy mẫu khí/không khí từ không gian kín trong giếng và hố khoan phía trên mực nước dưới đất. Thiết bị nói chung sẽ hiển thị nồng độ khí trong mẫu khí thu được. Ngưỡng nồng độ giới hạn đối với khí metan là từ 5 đến 17 phần trăm theo thể tích. Nồng độ metan nhỏ hơn 5 phần trăm được coi là quá “nghèo” để cháy hoặc bắt lửa, và được gọi là giới hạn cháy nổ dưới (lower explosive limit – LEL). Nồng độ metan lớn hơn 17 phần trăm được coi là quá “giàu” để bắt lửa và gây cháy bùng (flash fire) (tức là nổ), và được gọi là giới hạn cháy nổ trên (upper explosive limit – UEL). Nếu nồng độ metan đo được nằm trong khoảng 5 đến 17 phần trăm, cần loại bỏ mọi khả năng phát sinh tia lửa (ví dụ: đóng cọc, mài, hàn, hút thuốc) và cần cân nhắc lắp đặt hệ thống thông gió để bảo vệ người lao động.

2-9 ĐO ĐẠC ĐẶC TÍNH ĐẤT VÀ ĐÁ TẠI CHỖ

Công tác lấy mẫu hiện trường và thí nghiệm trong phòng đôi khi có thể được bổ sung hoặc thay thế bằng thí nghiệm tại chỗ (in situ), tức là các phép đo được thực hiện trực tiếp trên đất và đá “tại vị trí thực tế”. Về nguyên tắc chung, một chương trình thí nghiệm tại chỗ có thể được thực hiện nhanh hơn và trong nhiều trường hợp có chi phí thấp hơn so với hầu hết các chương trình thí nghiệm trong phòng. Do đó, phương án thay thế này ngày càng được sử dụng phổ biến hơn kể từ những năm 1980. SPT, CPT, DMT, và DCP là bốn phương pháp thí nghiệm tại chỗ phổ biến nhất, thường được sử dụng để tương quan với các thông số kỹ thuật. Phần này trình bày các thí nghiệm tại chỗ khác dùng để đo cường độ, độ cứng/mô đun (stiffness/modulus), và hệ số thấm của đất hiện hữu, cũng như các đặc tính của đất đã đầm nén trong công tác đất. Các phương pháp thí nghiệm tại chỗ đối với đá cũng được trình bày trong phần này.

Mặc dù chưa được áp dụng phổ biến, nhiều kỹ sư thực hành nhận thấy rằng xuyên kế cầm tay(pocket penetrometer) và cánh cắt hiện trường (field torvane) mang lại các tương quan hữu ích với cường độ kháng cắt đo được trong phòng thí nghiệm. Các thí nghiệm này có thể được thực hiện trực tiếp trên bề mặt đất lộ ra tại đáy mẫu Shelby thu được. Những kỹ sư sử dụng các thí nghiệm này thường tương quan kết quả với kết quả thí nghiệm cường độ trong phòng, nhằm gia tăng giá trị sử dụng của thí nghiệm hiện trường. Tuy nhiên, mặc dù các thí nghiệm này thường được sử dụng trong thực tế, kết quả thu được khá thiếu chính xác và không nên được dùng để thiết kế.

2-9.1 Đặc tính cường độ và biến dạng của đất

Thí nghiệm nén ngang (pressuremeter test), thí nghiệm cắt cánh (vane shear test), và thí nghiệm bàn nén (plate load test) là các phương pháp thí nghiệm tại chỗ được sử dụng phổ biến nhất để đánh giá cường độ và độ cứng của đất. Bảng tóm tắt và so sánh các thí nghiệm này được trình bày trong Bảng 2-18. Ở những nơi có tiêu chuẩn ASTM tương ứng, các tiêu chuẩn này đã được đưa vào bảng.

Bảng 2-18 Các phương pháp thí nghiệm tại chỗ (in situ) trong đất
để xác định cường độ và biến dạng (theo FHWA 2002)

Phương pháp và Tiêu chuẩn ASTM	Trình tự thực hiện	Loại đất áp dụng	Đặc tính đất xác định được	Hạn chế / Ghi chú
Nén ngang trong hố khoan đã khoan trước (Pre-bored Pressuremeter – PMT) ASTM D4719	Hố khoan được thi công và đáy hố được chuẩn bị cẩn thận. Ghi nhận áp lực cần thiết để làm giãn nở màng hình trụ đến một biến dạng thể tích hoặc biến dạng hướng kính nhất định	Sét, bụi, và than bùn; đáp ứng không ổn định trong một số loại cát và sỏi	E, G, mv, su	Bước chuẩn bị hố khoan là bước quan trọng nhất để có kết quả tốt; thí nghiệm phù hợp để tính toán các đặc tính biến dạng ngang
Nén ngang loại chiếm chỗ hoàn toàn (Full Displacement Pressuremeter – PMT)	Đầu đo hình trụ có gắn thiết bị nén ngang phía sau mũi côn được ép thủy lực xuyên vào đất và dừng lại tại các khoảng độ sâu chọn trước để thí nghiệm. Ghi nhận áp lực cần thiết để làm giãn nở màng hình trụ đến một thể tích hoặc biến dạng hướng kính nhất định	Sét, bụi, và than bùn	E, G, mv, su	Xáo trộn trong quá trình ấn đầu đo xuống có thể làm tăng mô đun ban đầu và che khuất áp lực nhấc màng ban đầu (p₀); thí nghiệm phù hợp để tính toán các đặc tính biến dạng ngang
Thí nghiệm cắt cánh hiện trường (Vane Shear Test – VST) ASTM D2573	Cánh cắt bốn lưỡi (four-blade vane) được ấn vào đáy hố khoan. Cánh cắt được xoay chậm cho đến khi ghi nhận được mô men xoắn lớn nhất cần thiết để xoay. Sau đó cánh cắt được xoay nhanh 10 vòng, và ghi nhận mô men xoắn dư	Sét, một số loại bụi và than bùn nếu có thể giả định điều kiện không thoát nước. Không dùng cho đất rời	su, St, σ’p	Xáo trộn có thể xảy ra trong sét nhạy cảm mềm, làm giảm cường độ kháng cắt đo được; thoát nước một phần có thể xảy ra trong sét và vật liệu bụi có khe nứt, dẫn đến sai số trong cường độ tính toán; cần tính đến ma sát cần khoan khi tính cường độ; đường kính cánh cắt và mô men xoắn của cờ lê cần được lựa chọn phù hợp để đo đạc chính xác trong các loại đất sét khác nhau
Thí nghiệm bàn nén (Plate Load Test – PLT) ASTM D1196	Một tấm thép cứng hình tròn được ép thủy lực vào đất, và ghi nhận mối quan hệ giữa ứng suất chịu tải và độ lún theo phương thẳng đứng	Mọi loại đất và đá, đặc biệt hữu ích cho vật liệu cấp phối nền không bị giới hạn dùng cho mặt đường	qult, ks	Độ sâu ảnh hưởng bị giới hạn; thí nghiệm ngắn hạn không phản ánh được tác động cố kết; thường không được sử dụng như một phần của công tác khảo sát địa kỹ thuật hiện trường

Ghi chú: E = mô đun đàn hồi; G = mô đun cắt; m_v = hệ số nén thể tích (coefficient of volume compressibility); s_u = cường độ kháng cắt không thoát nước; S_t = độ nhạy (sensitivity); σ’_p = ứng suất tiền cố kết (preconsolidation stress); q_ult = sức chịu tải cực hạn (ultimate bearing capacity); k_s = mô đun nền (modulus of subgrade reaction)

2-9.1.1 Thí nghiệm nén ngang (Pressuremeter Test).

Thí nghiệm nén ngang (PMT – Pressuremeter Test) lần đầu được phát triển vào khoảng năm 1955. Trong thí nghiệm PMT, một màng cao su (membrane) được làm giãn nở từ một đầu đo hình trụ áp sát vào thành hố khoan hở. Độ giãn nở hướng tâm (radial expansion) được đo, và kết quả này được sử dụng để tính toán các đặc tính cường độ và biến dạng cụ thể của đất nền. PMT có thể được thực hiện trong nhiều loại vật liệu khác nhau, bao gồm cát, đất tàn tích (residual soil), đất trầm tích băng hà (tills), và đá mềm — những loại vật liệu thường khó lấy mẫu. Loại “truyền thống” được gọi là nén ngang “khoan trước” (pre-bored) hay nén ngang “Menard”. Các loại khác bao gồm nén ngang tự khoan (self-boring pressuremeter – SBPMT), có sẵn lưỡi cắt riêng và không cần hố khoan có sẵn, và nén ngang loại chiếm chỗ hoàn toàn hoặc nén ngang côn (full-displacement or cone pressuremeter – CPMT), được ép vào đất, thường gắn phía sau một đầu đo côn áp lực nước lỗ rỗng (piezocone). Sơ đồ thiết bị và trình tự thí nghiệm PMT được trình bày trong Hình 2-14.

Như thể hiện trong Hình 2-14, thiết bị cần thiết để thực hiện thí nghiệm PMT bao gồm: đầu đo hình trụ có khả năng giãn nở (expandable cylindrical probe), màng cao su, ống bọc ngoài có rãnh xẻ (outer slotted sleeve), đường ống dẫn áp lực, và bộ điều khiển. Trình tự thực hiện PMT được quy định trong tiêu chuẩn ASTM D4719 và có thể được tham khảo để biết thêm chi tiết về phương pháp thí nghiệm. Màng trong được làm giãn nở bằng thủy lực để xây dựng đường cong áp lực giãn nở theo thể tích (expansion pressure versus volume curve). Trong quá trình gia tải, đất bị xáo trộn tại thành hố khoan sẽ nén lại trước tiên, sau đó là phản ứng giả đàn hồi (pseudo-elastic response), và cuối cùng là biến dạng dẻo (plastic yielding). Sau khi xảy ra biến dạng dẻo, một thí nghiệm từ biến (creep test) được thực hiện bằng cách giữ áp lực không đổi cho đến khi độ giãn nở ngang giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định. Thí nghiệm PMT kết thúc bằng một chu trình dỡ tải – gia tải lại (unload-reload cycle) nhằm xác định chính xác hơn các đặc tính đàn hồi của đất.

Kết quả điển hình của quan hệ áp lực so với biến đổi thể tích trong thí nghiệm PMT được trình bày trong Hình 2-15, cùng với các định nghĩa về các áp lực đặc trưng. Để so sánh, một kết quả thí nghiệm SBPMT điển hình được trình bày trong Hình 2-16.

2-9.1.1.1 Diễn giải kết quả thí nghiệm

Thí nghiệm nén ngang được sử dụng để ước tính hệ số áp lực đất ngang ở trạng thái tĩnh (coefficient of lateral earth pressure at rest – K₀), độ cứng của đất, và cường độ kháng cắt không thoát nước (sᵤ).

• Hệ số áp lực đất ngang ở trạng thái tĩnh (K₀): Khi bắt đầu quá trình bơm giãn nở, màng sẽ giãn ra để tiếp xúc với thành hố khoan. Trong thí nghiệm PMT, áp lực p₀ liên quan đến ứng suất ngang tổng tại chỗ (in situ), và khi kết hợp với ứng suất thẳng đứng, có thể tính được K₀. Do ảnh hưởng của việc giảm tải (unloading effects) và xáo trộn trong quá trình khoan hố, độ chính xác của phép tính này còn nhiều nghi vấn. Để đánh giá chính xác hơn ứng suất ngang tại chỗ và K₀, nên cân nhắc sử dụng thiết bị nén ngang tự khoan (self-boring pressuremeter). Điểm A trong Hình 2-16 thể hiện tương đối chính xác ứng suất ngang tổng trong đất nền.
• Độ cứng (Stiffness): Độ cứng đàn hồi của đất có thể được ước tính từ độ dốc của đường cong nén ngang trong chu trình dỡ tải – gia tải lại, tại đó phản ứng của đất được giả định là gần như đàn hồi. Một kỹ thuật tính mô đun nén ngang (pressuremeter modulus – Eₚ), trong khi kỹ thuật khác sử dụng lý thuyết giãn nở hốc (cavity expansion theory) để tính mô đun cắt, G (Gibson và Anderson 1961, Windle và Wroth 1977).
• Cường độ kháng cắt không thoát nước (sᵤ): Có nhiều phương pháp để ước tính cường độ kháng cắt không thoát nước từ kết quả thí nghiệm nén ngang, tuy nhiên các giá trị thu được có độ tin cậy thấp hơn so với các thí nghiệm tại chỗ khác, chẳng hạn như thí nghiệm xuyên tĩnh (cone penetration test) hoặc thí nghiệm cắt cánh (vane shear test).

2-9.1.1.2 Hạn chế

Thí nghiệm nén ngang khá nhạy cảm với trình tự thực hiện. Trong đất rất mềm và trong cát, việc duy trì ổn định thành hố khoan trước khi đưa đầu đo vào có thể gặp khó khăn. Trong các trường hợp này, có thể cần sử dụng thiết bị nén ngang tự khoan (self-boring pressuremeter). Sự không đồng đều trên thành hố khoan cũng ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm, và thiết bị nén ngang tự khoan giúp loại bỏ được phần nào nhược điểm này. SBPMT thường yêu cầu người thực hiện là chuyên gia am hiểu về thí nghiệm và thiết bị. Việc diễn giải kết quả thí nghiệm nén ngang có cơ sở lý thuyết, và do đó cần duy trì điều kiện thoát nước hoặc không thoát nước phù hợp. Đầu đo nén ngang có chiều dài tương đối lớn (tức là thường lớn hơn 2 ft), và kết quả thu được phản ánh giá trị trung bình của đất trên toàn bộ chiều dài này. Vì lý do đó, PMT phù hợp nhất khi sử dụng trong các tầng đất tương đối đồng nhất, và không được kỳ vọng cho ra các thông số đáng tin cậy trong đất phân lớp. Thiết bị nén ngang có nhiều bộ phận chuyển động và đòi hỏi bảo trì cũng như thao tác cẩn thận.

2-9.1.2 Thí nghiệm cắt cánh

Thí nghiệm cắt cánh (VST) là một thí nghiệm tại hiện trường phổ biến và đáng tin cậy, đã được sử dụng từ những năm 1940. VST sử dụng một cánh cắt đơn giản có bốn lá (tức là vane), được ép xuống đất rồi quay để đánh giá sức kháng cắt không thoát nước và độ nhạy của đất sét mềm đến cứng và đất bụi. Việc sử dụng VST nên giới hạn trong các loại đất mà ở đó chuyển động quay chậm của cánh (tức khoảng 6°/phút) đại diện cho quá trình cắt không thoát nước. Sơ đồ thiết bị và thao tác thí nghiệm VST được trình bày trong Hình 2-17. Khi phá hoại, cánh sẽ cắt một “hình trụ” đất có kích thước tương đương với kích thước bao ngoài của cánh và mô men xoắn sẽ giảm. Sau đó cánh thường được quay thêm 10 vòng nữa và mô men xoắn dư được đo.

Sức kháng cắt không thoát nước \((s_{u,fv})\), sức kháng cắt không thoát nước sau khi nhào trộn lại \((s_{ur,fv})\), và độ nhạy \((S_{t,fv})\) có thể được xác định từ VST. Trong quá trình quay, mô men xoắn thuần cực đại \((T_{max})\) được đo và sức kháng cắt không thoát nước đối với cánh hình chữ nhật “tiêu chuẩn” có tỷ số (H/D = 2) được xác định như sau:

\[
s_{u,fv}=\frac{6T_{max}}{7\pi D^3}
\tag{2-1}
\]

trong đó: D = đường kính cánh.

Để xác định sức kháng cắt không thoát nước sau khi nhào trộn lại, số đọc mô men xoắn \((T_{res})\) được lấy trong quá trình quay cánh từ 5 đến 10 vòng nhanh. Sức kháng sau khi nhào trộn lại được tính bằng cách thay \(T_{max}\) bằng \(T_{res}\) trong Phương trình 2-1. Khi biết giá trị đỉnh và giá trị sau khi nhào trộn lại của sức kháng cắt không thoát nước, độ nhạy của đất từ thí nghiệm cắt cánh được tính theo:

\[
S_{t,fv}=\frac{s_{u,fv}}{s_{ur,fv}}
\tag{2-2}
\]

Cường độ kháng cắt không thoát nước thu được từ thí nghiệm VST thường đánh giá cao hơn cường độ kháng cắt thực sự được huy động trong các trạng thái phá hoại của nền đắp, móng nông và mái dốc xây dựng trên đất sét yếu. Để xét đến điều này, \(s_{u,fv}\) cần được hiệu chỉnh bằng một hệ số hiệu chỉnh \((\mu_R)\), là hàm của chỉ số dẻo PI của loại đất được thí nghiệm. Trong tiêu chuẩn ASTM đưa ra ba phương pháp hiệu chỉnh cánh cắt khác nhau. Cường độ kháng cắt đã hiệu chỉnh có thể được tính như sau:

\[
s_{u,\mathrm{field}} = s_{u,fv}\times \mu_R
\tag{2-3}
\]

Trong đó: \(\mu_R\) = hệ số hiệu chỉnh cánh cắt.

Thí nghiệm VST đã được chứng minh là một thí nghiệm tại hiện trường rất tin cậy và có tính lặp lại cao, đồng thời được sử dụng rất phổ biến nhờ chi phí thấp và hiệu quả cao. Có lẽ đây là thiết bị tốt nhất để đo cường độ tại hiện trường của đất sét mềm đến trung bình \((s_u < 2000\ \text{psf})\). Hạn chế lớn nhất của VST là các loại đất mà nó có thể áp dụng. VST không thể đánh giá chính xác cường độ của đất sét nứt nẻ, đất sét có hàm lượng cát hoặc sỏi đáng kể, và đất có các lớp phân mỏng tương đối mảnh. Dữ liệu của VST được diễn giải dựa trên giả thiết điều kiện không thoát nước. Vì vậy, các loại đất có thể cho phép thoát nước một phần trong quá trình cắt sẽ gây ra vấn đề.

2-9.2 Hệ số thấm của đất

Hệ số thấm là đặc tính vật liệu có mức độ biến thiên lớn nhất trong số các đặc tính thường được đo và sử dụng trong phân tích địa kỹ thuật, với khoảng biến thiên có thể vượt quá mười bậc độ lớn (orders of magnitude). Việc đo đạc chính xác hệ số thấm rất nhạy cảm với loại đất, mức độ xáo trộn của đất, địa tầng tại vị trí khảo sát, và sự biến đổi của tầng đất trên toàn bộ khu vực dự án. Thí nghiệm hệ số thấm trong phòng, ngay cả khi thực hiện trên mẫu thu được với mức độ xáo trộn tối thiểu, có thể không phản ánh đúng hệ số thấm của tầng đất tự nhiên, vì mẫu trong phòng có kích thước khá nhỏ và chắc chắn không đại diện được cho một vật liệu đã hình thành và phong hóa theo địa chất tự nhiên. Nếu đất tại khu vực dự án tương đối đồng nhất và có thể lấy mẫu với mức độ xáo trộn tối thiểu (tức là đất sét đồng nhất), thí nghiệm trong phòng có thể là đủ và phù hợp. Tuy nhiên, đối với các tầng vật liệu hạt thô, gần như không thể lấy được mẫu nguyên khối (intact samples), và các thí nghiệm hệ số thấm tại chỗ (in situ) thường được sử dụng. Đặc biệt, các thí nghiệm tại chỗ rất quan trọng đối với các tầng đất hạt thô đồng nhất. Các tương quan dựa trên phân bố cỡ hạt cũng rất phổ biến đối với các tầng đất hạt thô (xem Chương 8).

Năm đặc điểm vật lý sau đây ảnh hưởng đến hiệu quả và khả năng áp dụng của thí nghiệm hệ số thấm tại chỗ: (1) vị trí mực nước, (2) loại đất hoặc đá, (3) độ sâu của vùng thí nghiệm, (4) hệ số thấm của vùng thí nghiệm, và (5) tính không đồng nhất và tính dị hướng (anisotropy) của vùng thí nghiệm.

Những khó khăn cố hữu trong thí nghiệm hệ số thấm tại chỗ đòi hỏi phải hết sức thận trọng nhằm giảm thiểu các nguồn sai số, cũng như diễn giải và bù trừ đúng cách cho các sai lệch so với điều kiện thí nghiệm lý tưởng. Nhiều khó khăn trong số này có thể khắc phục được bằng cách lập kế hoạch thí nghiệm sao cho cô lập được các vùng vật liệu cụ thể được giả định là đồng nhất.

Thí nghiệm hệ số thấm tại chỗ được sử dụng phổ biến nhất trong các khảo sát địa kỹ thuật phục vụ đập, tường chắn thủy lực (hydraulic barriers), các dự án địa – môi trường (geo-environmental), và các dự án có yếu tố thủy văn địa chất (hydrogeologic) quan trọng. Đối với các ứng dụng địa kỹ thuật thuần túy, thí nghiệm ở trạng thái ổn định (steady-state) phổ biến hơn nhiều so với thí nghiệm ở trạng thái tức thời (transient state). Ngoài ra, thí nghiệm hệ số thấm bão hòa tại chỗ cũng phổ biến hơn thí nghiệm tại chỗ cho điều kiện chưa bão hòa (unsaturated conditions). Bảng tóm tắt ngắn gọn về bốn loại thí nghiệm hệ số thấm tại chỗ phổ biến nhất được trình bày trong Bảng 2-19.

Cần có kỹ năng đáng kể để đo đạc chính xác hệ số thấm của đất tại chỗ. Các công ty chuyên môn hóa thường mang lại kết quả chính xác và nhanh chóng hơn so với đội ngũ nhân sự thông thường phụ trách công tác khoan và lấy mẫu. Các công ty chuyên môn hóa này có đội ngũ kỹ sư địa kỹ thuật và địa chất thủy văn (hydrogeologists) thường xuyên thực hiện các thí nghiệm thấm tại chỗ.

Bảng 2-19. Tóm tắt trình tự thí nghiệm tại chỗ (in situ) để đo hệ số thấm của tầng đất

Loại thí nghiệm	Mô tả	Ưu điểm và nhược điểm
Thí nghiệm cột nước không đổi (Constant Head Test)	Nước được bổ sung vào một ống hở đầu (hố khoan có ống vách) với lưu lượng không đổi. Mực nước trong hố được duy trì ở một cao độ cố định.	Có thể thực hiện trong đất bão hòa và bán bão hòa. Khó thực hiện đối với đất có hệ số thấm k rất cao hoặc rất thấp. Chỉ một vùng nhỏ của đất được thí nghiệm (nếu không có lưới lọc).
Thí nghiệm cột nước biến đổi, cột nước dâng và cột nước hạ (Variable Head, Rising Head and Falling Head Tests) (ASTM D4044)	Một đoạn hố khoan được lắp lưới lọc. Một “khối nước” (slug) được rút ra khỏi hoặc bổ sung vào hố khoan. Cao độ mực nước được ghi nhận theo thời gian.	Việc thi công và phát triển giếng (well development) khó khăn hơn so với thí nghiệm cột nước không đổi. Việc xử lý số liệu có thể phức tạp.
Thí nghiệm ép nước (Pressure Tests)	Đoạn hố khoan được cô lập hoặc bịt kín bằng nút bịt bơm hơi (“packers”). Có thể áp dụng áp lực tăng cao để tạo dòng chảy lớn hơn.	Phù hợp nhất cho các đợt khảo sát sâu. Có thể thực hiện phía trên hoặc phía dưới mực nước dưới đất. Có thể dùng để đo hệ số thấm của đá nứt nẻ.
Thí nghiệm bơm hút nước (Pumping Tests)	Lắp đặt giếng bơm hút và các giếng quan trắc theo hướng xuyên tâm quanh giếng bơm. Ghi nhận lưu lượng nước bơm và cao độ mực nước trong các giếng theo thời gian. Sử dụng phương pháp phân tích giải tích hoặc số để xác định các thông số thấm của tầng đất.	Chi phí cao hơn các phương pháp khác. Khó biện minh cho việc tăng chi phí đối với các dự án địa kỹ thuật thông thường. Cung cấp thêm thông tin về hệ số truyền dẫn (transmissivity) và hệ số nhả nước (storativity) của tầng chứa nước. Thí nghiệm trên một thể tích đất lớn hơn so với các phương pháp khác. Thời gian thí nghiệm kéo dài.

\(\\\)

2-9.3 Đất đắp có kiểm soát kỹ thuật và công tác đất (Engineered Fill and Earthworks).

Độ ẩm/hàm lượng nước sau khi đầm nén (as-compacted) và trọng lượng đơn vị (thường được gọi là khối lượng thể tích) của đất đầm nén là một thành phần quan trọng trong thực hành địa kỹ thuật liên quan đến đất đắp có kiểm soát kỹ thuật hoặc công tác đất (ví dụ: đập, khối đắp…). Trong phạm vi trình bày này, các thuật ngữ độ ẩm và trọng lượng đơn vị sẽ được sử dụng. Các kỹ sư địa kỹ thuật từ lâu đã nhận thấy rằng nhiều đặc tính kỹ thuật mong muốn của cả vật liệu đầm nén hạt mịn lẫn hạt thô đều phụ thuộc vào độ ẩm đầm nén và/hoặc trọng lượng đơn vị. Độ ẩm đầm nén có tầm quan trọng lớn hơn nhiều đối với đất hạt mịn so với đất hạt thô. Phần này tập trung vào việc sử dụng và những hạn chế của các kỹ thuật được áp dụng trong thực tế để thực hiện các phép đo quan trọng này.

Cần lưu ý rằng hiện nay đã có các loại đầm lu có khả năng đo độ cứng của đất “tại chỗ, ngay trong quá trình thi công” (on-the-fly) trong lúc đầm nén (McGuire và cộng sự 2009). Các loại đầm lu đặc biệt này đang ngày càng trở nên phổ biến trong thi công công tác đất, và việc sử dụng chúng đã thay thế nhiều phương pháp kiểm soát chất lượng đầm nén cũ trước đây vốn được quy định trong các chỉ dẫn kỹ thuật thi công đất.

2-9.3.1 Đo trọng lượng đơn vị đất sau khi đầm nén

Bốn phương pháp tổng quát có thể được sử dụng để xác định trọng lượng đơn vị của đất sau khi đầm nén: (1) phương pháp thay thế thể tích (displacement methods); (2) phương pháp ống trụ đóng (drive-cylinder methods); (3) phương pháp máy đo phóng xạ (nuclear gauge methods); và (4) phương pháp máy đo không dùng phóng xạ (non-nuclear gauge methods). Tất cả các phương pháp này đều sử dụng các phép đo từ mặt đất để xác định đặc tính gần bề mặt của đất. Phần này trình bày chi tiết từng phương pháp và kỹ thuật nêu trên.

2-9.3.1.1 Phương pháp thay thế thể tích

Trong số các phương pháp thay thế thể tích, kỹ thuật thay thế bằng cát (sand displacement) và kỹ thuật thay thế bằng bóng nước (water balloon displacement) được sử dụng phổ biến nhất nhờ tính đơn giản, khả năng áp dụng cho nhiều loại vật liệu, cùng với hiệu quả và độ chính xác đã được kiểm chứng qua thời gian. Trong cả hai phương pháp, một khối lượng đất đã biết trước được đào lên khỏi mặt đất. Sau đó, cát hoặc nước có trọng lượng đơn vị đã biết được sử dụng để đo thể tích của hố đào. Kết quả sẽ chính xác hơn khi thể tích đo được lớn. Các phương pháp thay thế thể tích đo trọng lượng đơn vị tổng (total unit weight) của đất. Độ ẩm của đất đào lên cần được xác định để tính trọng lượng đơn vị khô (dry unit weight).

Phương pháp thay thế bằng cát, thường được gọi là phương pháp “phễu cát (sand cone)”, là thí nghiệm thay thế thể tích được sử dụng phổ biến nhất để xác định trọng lượng đơn vị khô tại chỗ (in situ). Sơ đồ thiết bị phễu cát được trình bày trong Hình 2-18. Ban đầu được chuẩn hóa vào năm 1958 (ASTM D1556), phương pháp phễu cát vẫn là thí nghiệm tham chiếu được công nhận cho tất cả các phương pháp khác dùng để xác định trọng lượng đơn vị đất tại chỗ. Độ chính xác và tính ổn định của kết quả phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm và sự cẩn thận của người thực hiện.

Thí nghiệm thay thế bằng bóng nước (ASTM D2167) sử dụng cùng nguyên lý với phương pháp phễu cát. Hố đào trong đất được lót bằng một quả bóng (tức là màng mỏng không thấm nước), sau đó được bơm đầy nước có áp từ một bình chứa đã hiệu chuẩn thể tích, như trình bày trong Hình 2-19. Phương pháp bóng nước không nên được sử dụng trong đất có chứa lượng đáng kể sỏi, vì sỏi có thể làm thủng bóng. Khi được thực hiện đúng cách, phương pháp bóng nước thường cho kết quả ổn định và chính xác, mặc dù không ổn định bằng phương pháp phễu cát (Berney và cộng sự 2013).

2-9.3.1.2 Phương pháp ống đóng

Phương pháp ống đóng (ASTM D2937) là một kỹ thuật thuận tiện và nhanh để xác định dung trọng tổng của đất ở trạng thái sau đầm. Một búa trượt được dùng để đóng một ống thành mỏng tương đối ngắn (ví dụ, ống Shelby rút ngắn) xuống đất để lấy mẫu. Sau khi đóng ống xong, ống chứa đầy đất được cẩn thận đào lấy ra khỏi nền, rồi phần trên và dưới của mẫu được gọt phẳng bằng với hai đầu ống. Thể tích bên trong của ống chính là thể tích của mẫu. Một ống đóng điển hình được thể hiện ở Hình 2-20. Phương pháp này có thể được sử dụng miễn là đất vẫn giữ được trong ống, đáng chú ý nhất là đối với đất hạt mịn có rất ít hoặc không có sỏi và cát ẩm, cát mịn thể hiện lực dính biểu kiến. Phương pháp này không thể dùng cho đất có chứa sỏi, vì ống có thể dễ bị hư hỏng. Phương pháp ống đóng đo dung trọng tổng, còn hàm lượng nước phải được xác định bằng cách sấy mẫu đất.

2-9.3.1.3 Phương pháp thiết bị hạt nhân

Việc sử dụng công nghệ hạt nhân để đánh giá dung trọng của đất và hàm lượng ẩm bắt đầu từ đầu những năm 1950 (Burgers và Yoder, 1962). Như thể hiện ở Hình 2-21, nguồn phóng xạ hạt nhân (thường là Cesium-231) được đặt gần đầu một thanh dò được đưa vào một lỗ đã chuẩn bị sẵn tại vị trí thí nghiệm. Nguồn hạt nhân công suất thấp được dùng để phát tia gamma xuyên qua đất tới các đầu dò trong thiết bị, và tốc độ ghi nhận được tương quan với dung trọng tổng của đất. Khi không sử dụng để thí nghiệm, nguồn phóng xạ được bảo vệ bên trong thiết bị có che chắn. Quy trình sử dụng thiết bị hạt nhân để đo dung trọng và hàm lượng nước có thể xem trong ASTM D6938. Việc hiệu chuẩn đúng cách, định kỳ đối với thiết bị hạt nhân là rất cần thiết để thu được kết quả chính xác và ổn định.

Các hướng dẫn về vận hành an toàn và cấp phép được Ủy ban Quản lý Hạt nhân (NRC) cung cấp trong NUREG/BR-0133, Working Safely with Nuclear Gauges (NRC, 1996). Các kỹ thuật viên làm việc với thiết bị đo hạt nhân phải được đào tạo về vận hành an toàn và cách xử lý thiết bị. Họ cũng cần đeo liều kế được kiểm tra định kỳ để xác nhận rằng không có phơi nhiễm bất thường, mặc dù các rủi ro tương đối nhỏ do mức năng lượng phát ra thấp và các biện pháp an toàn được tích hợp trong thiết bị.

2-9.3.1.4 Các phương pháp dùng thiết bị không hạt nhân

Do các yêu cầu của NRC liên quan đến việc cấp phép và vận chuyển thiết bị đo hạt nhân, một số cơ quan (bao gồm cả quân đội Hoa Kỳ) đã nghiên cứu các giải pháp thay thế đáng tin cậy cho thiết bị đo hạt nhân. Điều đáng chú ý là các nhóm này cũng đang đánh giá khả năng đo trực tiếp cường độ và/hoặc độ cứng tại hiện trường để thay thế chỉ tiêu truyền thống là khối lượng thể tích – độ ẩm đối với đất đầm chặt. Bảng 2-20 trình bày tóm tắt các kỹ thuật khác nhau và hiệu quả của chúng khi so sánh với thiết bị đo hạt nhân “truyền thống”, dựa trên các đánh giá hiện trường của Berney và nnk. (2013, 2016). Các thiết bị này hiện có bán trên thị trường và hoạt động theo những nguyên lý khác nhau.

Bảng 2-20. So sánh các công nghệ không dùng phóng xạ để đánh giá độ chặt đất
(Berney và nnk., 2013, 2016)

Thiết bị không dùng phóng xạ	Công nghệ đo	Hiệu quả hiện trường
Thiết bị chỉ báo độ ẩm – độ chặt (Moisture-Density Indicator – M-DI)	Sử dụng xung điện từ và phản xạ miền thời gian (time domain reflectometry) để xác định trọng lượng đơn vị tổng và độ ẩm	Cần phần mềm của bên thứ ba; khó lắp đặt mà không gây xáo trộn đất
Thiết bị đo độ chặt bằng điện (Electrical Density Gauge – EDG)	Sử dụng sóng tần số vô tuyến cao để đo hằng số điện môi (dielectric constant), điện dung, trở kháng của đất, từ đó tính ra trọng lượng đơn vị tổng và độ ẩm	Độ chính xác cao nhất, nhưng độ đúng (accuracy) chỉ ở mức trung bình; cần hiệu chuẩn kỹ lưỡng theo loại đất tại từng vị trí để đảm bảo độ đúng
Thiết bị đo độ chặt đất (Soil Density Gauge – SDG)	Sử dụng phương pháp phổ trở kháng điện (electrical impedance spectroscopy – EIS) để đo không tiếp xúc trọng lượng đơn vị tổng và độ ẩm	Chính xác nhưng độ phân giải kém; cần hiệu chuẩn theo loại đất tại từng vị trí (tức là cỡ hạt và giới hạn Atterberg)
Thiết bị đo độ chặt đất được miễn giấy phép (License-exempt soil density gauge)	Sử dụng nguồn phóng xạ mức thấp (Cesium-127) để đo trọng lượng đơn vị tổng, được miễn cấp phép của NRC do kích thước nguồn nhỏ	Tương quan cao với kết quả từ máy đo phóng xạ truyền thống
Thiết bị đo độ võng rơi loại nhẹ (Lightweight Falling Deflectometer – LFD); xuyên côn động (Dynamic Cone Penetrometer – DCP); thiết bị thử va đập đất (Impact Soil Tester – IST); độ cứng bề mặt (Surface Stiffness – SS)	Nhiều phương pháp khác nhau được dùng để đánh giá độ cứng và/hoặc cường độ của đất, kết quả có thể được tương quan với trọng lượng đơn vị và độ ẩm	Không thiết bị nào trong nhóm này đo trực tiếp được trọng lượng đơn vị hoặc độ ẩm; tương quan với trọng lượng đơn vị và độ ẩm còn kém

\(\\\)

2-9.3.2 Đo độ ẩm đất sau khi đầm nén

Phương pháp tiêu chuẩn để đo độ ẩm là sấy trong phòng thí nghiệm (laboratory oven), và đây là cơ sở so sánh phù hợp cho tất cả các phương pháp khác. Tuy nhiên, việc sấy trong lò yêu cầu thời gian 24 giờ ở nhiệt độ 110°C ± 5°C (ASTM D2216), điều này quá chậm để phục vụ kiểm soát chất lượng đất đắp có kiểm soát kỹ thuật. Ít nhất mười phương pháp thay thế đã được phát triển để đánh giá độ ẩm tại chỗ (in situ). Các phương pháp này có thể được phân loại thành: (1) phương pháp trọng lượng (gravimetric), trong đó đất thực sự được nung nóng và sấy khô; hoặc (2) phương pháp gián tiếp, trong đó độ ẩm được tương quan với một thông số khác, do đất không được sấy khô về mặt vật lý.

Các phương pháp trọng lượng để đo độ ẩm hiện trường được so sánh với ASTM D2216 trong Bảng 2-21. Trong cả bốn trường hợp, đất được sấy khô về mặt vật lý để xác định khối lượng tổng và khối lượng khô, từ đó tính ra độ ẩm.

Bảng 2-21. Các phương pháp thí nghiệm trọng lượng để đo độ ẩm
(theo Berney và nnk., 2013)

Kỹ thuật (Tiêu chuẩn)	Tóm tắt	Ghi chú
Sấy trong phòng thí nghiệm (Laboratory Oven) (ASTM D2216)	Mẫu được sấy trong lò sấy thông thường ở nhiệt độ 110°C trong 24 giờ	Là tiêu chuẩn để so sánh tất cả các phương pháp khác, đòi hỏi thời gian thí nghiệm dài (khoảng 24 giờ)
Lò vi sóng tiêu chuẩn (700-Watt) (Standard Microwave) (ASTM D4643)	Mẫu được nung nóng và cân lặp lại theo từng khoảng 1 phút cho đến khi khối lượng khô không đổi	Kết quả nhạy với loại lò vi sóng cụ thể và loại đất, việc dùng chu kỳ 1 phút giúp giảm thiểu nguy cơ quá nhiệt, cần có điện, thời gian thí nghiệm tương đối nhanh (khoảng vài phút)
Lò vi sóng hiện trường (công suất thấp) (Field Microwave – low power) (ASTM D4643)	Mẫu được nung nóng và cân lặp lại theo từng khoảng 1 phút cho đến khi khối lượng khô không đổi, cần nhiều chu kỳ gia nhiệt hơn so với lò vi sóng tiêu chuẩn	Tương tự như lò vi sóng tiêu chuẩn
Đốt nóng trực tiếp (Direct Heating) (ASTM D4959)	Mẫu được nung nóng trong một hộp chứa dưới ngọn lửa trực tiếp từ bếp dã chiến, các chu kỳ gia nhiệt và làm nguội được thực hiện cho đến khi mẫu đạt khối lượng không đổi	Thời gian gia nhiệt thay đổi tùy theo kích thước mẫu thí nghiệm
Máy phân tích độ ẩm (Moisture Analyzer) (N/A)	Mẫu được sấy khô bằng đèn halogen hoặc phần tử gia nhiệt hồng ngoại trên thiết bị chuyên dụng quy mô phòng thí nghiệm, hệ thống điều khiển nội bộ tự động cân mẫu định kỳ và kết thúc thí nghiệm tự động	Không được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng địa kỹ thuật do kích thước mẫu thí nghiệm nhỏ (tức là dưới 50 g)

\(\\\)

Nhiều phương pháp gián tiếp đã được phát triển để đánh giá độ ẩm mà không cần sấy khô đất về mặt vật lý. Như được tóm tắt trong Bảng 2-22, các phương pháp này sử dụng một đại lượng thay thế (surrogate) cho nhiệt độ (tức là áp suất khí, sự thay đổi hằng số điện môi, trở kháng điện…). Độ ẩm có một thí nghiệm chuẩn tham chiếu (benchmark test) có thể và nên được sử dụng — đó là phương pháp sấy trong phòng thí nghiệm. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, có thể được biểu diễn dưới dạng thống kê theo độ chệch (bias), độ đúng (accuracy), và độ chụm (precision). Bảng 2-23 tóm tắt kết quả so sánh giữa các kỹ thuật này (Berney và cộng sự 2012, 2013).

Bảng 2-22 Các phương pháp thí nghiệm gián tiếp
để xác định độ ẩm sau đầm nén (as-compacted moisture content)
(theo Berney và cộng sự, 2012)

Kỹ thuật (Tiêu chuẩn)	Tóm tắt	Ghi chú
Máy đo mật độ hạt nhân (Nuclear Density Gauge – NDG) (ASTM D6938)	Sử dụng nguồn neutron để xác định nồng độ ion hydro bằng phương pháp “tán xạ ngược” (backscatter), giả định rằng hydro tồn tại dưới dạng nước trong đất, đo trong phạm vi 4 inch trên cùng	Phương pháp phổ biến nhất trong kiểm soát chất lượng đầm nén, kết quả có thể bị ảnh hưởng bởi thành phần hóa học của đất, kết quả bị thiên lệch theo lớp đất gần bề mặt nhất
Máy đo mật độ điện (Electrical Density Gauge – EDG) (ASTM D7698)	Sử dụng sóng radio tần số cao để đo hằng số điện môi (dielectric constant) của đất, giá trị này có tương quan với độ ẩm	Phụ thuộc nhiều vào loại đất và cần hiệu chuẩn thiết bị theo đặc điểm đất tại hiện trường, tính toán độ ẩm trung bình trong một khối đất tương đối lớn
Máy đo mật độ đất (Soil Density Gauge – SDG) (N/A)	Thí nghiệm không tiếp xúc, sử dụng phương pháp phổ trở kháng điện (electrical impedance spectroscopy – EIS) để xác định hằng số điện môi của đất	Tương tự EDG vì cả hai đều đo hằng số điện môi, cho kết quả là giá trị độ ẩm trung bình ước tính, bị ảnh hưởng bởi điều kiện độ ẩm gần bề mặt
Thiết bị đo độ ẩm bằng áp suất khí (Gas Pressure Moisture Tester, còn gọi là Speedy) (ASTM D4944)	Thuốc thử canxi cacbua (calcium carbide) phản ứng với nước để tạo ra khí axetylen trong một bình áp suất kín, áp suất khí tỷ lệ thuận với độ ẩm	Sử dụng mẫu có kích thước nhỏ nên phải được lựa chọn cẩn thận, khí axetylen sinh ra phải được xả một cách cẩn thận, thuốc thử phải được giữ khô, cho kết quả nhanh
Máy đo điện từ (Electromagnetic Gauge) (N/A)	Sử dụng đầu dò điện từ để đo hằng số điện môi bằng phương pháp “điện dung trường rìa” (fringing field capacitance)	Có thể là một bộ phận của máy đo mật độ đất được miễn giấy phép (license-exempt), các ghi chú tương tự như đối với EDG

\(\\\)

Bảng 2-23 Độ lệch hệ thống (Bias), Độ chính xác (Accuracy), và Độ chụm (Precision)
của các phương pháp thí nghiệm để đo độ ẩm sau đầm nén (as-compacted moisture content)
(theo Berney và cộng sự, 2012, 2013)

Phương pháp	Độ lệch hệ thống (Độ dốc – Slope)	Độ chính xác (R²)	Độ chụm (Độ lệch chuẩn)
Sấy trong lò (Lab Oven)	1.00	0.995	0.087
Lò vi sóng tiêu chuẩn (Standard Microwave)	1.11	0.973	0.109
Lò vi sóng hiện trường (Field Microwave)	0.924	0.976	0.145
Gia nhiệt trực tiếp (Direct Heating)	1.027	0.964	0.159
Máy phân tích độ ẩm (Moisture Analyzer)	0.731	0.915	0.044
Máy đo mật độ hạt nhân (Nuclear Density Gauge)	0.922	0.970	0.091
Máy đo mật độ điện (Electrical Density Gauge)	1.01	0.866	0.253
Máy đo mật độ đất (Soil Density Gauge)	0.979	0.936	0.175
Thiết bị đo độ ẩm bằng áp suất khí (Gas Pressure Tester)	1.405	0.867	0.056
Đầu dò điện từ (Electromagnetic Probe)	1.096	0.857	~0.10 (tương tự NDG)
Giải thích (dùng để so sánh kết quả đo độ ẩm ngoài hiện trường và trong lò)	Độ dốc của đường xu hướng: độ dốc > 1 cho thấy kết quả dự đoán cao hơn thực tế (over-prediction), độ dốc < 1 cho thấy kết quả dự đoán thấp hơn thực tế (under-prediction)	Đại lượng đo mức độ phân tán quanh đường xu hướng, R² = 1 khi kết quả không có sự phân tán	Mức độ phân tán quanh giá trị trung bình, độ lệch chuẩn tiến gần về 0 khi kết quả càng chính xác (precise)

\(\\\)

2-9.4 Đặc trưng của đá (Rock Properties).

Các thí nghiệm cường độ và độ cứng trên mẫu lõi đá (rock core) có xu hướng phản ánh đặc tính của đá “nguyên khối” (intact), trong khi hiệu quả làm việc thực tế của đá ngoài hiện trường lại bị chi phối bởi các mặt gián đoạn (discontinuities) trong đá (Deere và Deere 1988; Bieniawski 1989). Do đó, các thí nghiệm hiện trường (in situ) có xét đến các mặt gián đoạn của đá và đánh giá ảnh hưởng của chúng là rất hữu ích. Các thí nghiệm sau đây sẽ được trình bày trong phần này: thí nghiệm nén bàn (plate load), thí nghiệm kích dẹt (flat jack), thí nghiệm giãn nở kế đá (rock dilatometer), thí nghiệm cắt trong hố khoan đá (rock borehole shear), thí nghiệm cắt trực tiếp hiện trường (field direct shear), và hệ số thấm của khe nứt đá (rock joint hydraulic conductivity). Do tính chất chuyên biệt của các thí nghiệm này cùng với chi phí thiết bị cao, phần lớn các phương pháp thí nghiệm hiện trường (in situ) đối với đá thường được giao cho nhà thầu chuyên ngành thực hiện.

2-9.4.1 Thí nghiệm cường độ và độ cứng trên khối đá (Rock Masses).

Thí nghiệm nén bàn (Plate load testing) (ASTM D4394, D4395) trên đá là một phương pháp thí nghiệm hiện trường (in situ) dùng để đánh giá độ cứng của khối đá (Goodman 1989, George và cộng sự 1999). Thí nghiệm này cũng có thể đánh giá cường độ của đá có độ bền trung bình đến thấp. Kết quả của thí nghiệm nén bàn trên đá được thể hiện dưới dạng quan hệ ứng suất – chuyển vị (Hình 2-22). Các thí nghiệm thường bao gồm một chuỗi chu kỳ gia tải và dỡ tải nhằm tách biệt ảnh hưởng của các khe nứt và mặt gián đoạn. Nhìn chung, kết quả được phân tích dựa trên các lời giải theo lý thuyết đàn hồi để tính toán mô-đun tương đương, E’ (Hoek 2007, Goodman 1989).

Thí nghiệm nén bàn (plate bearing test) đòi hỏi một hệ phản lực lớn để tạo ra lực tác dụng cần thiết. Như một giải pháp thay thế, khái niệm kích dẹt (flat jack) sử dụng một kích thủy lực dạng phẳng, tương đối mỏng (khoảng 0.25 inch), được đưa vào một khe rãnh khoét trong đá, nhờ đó chính khối đá sẽ đóng vai trò tạo phản lực. Thí nghiệm kích dẹt (flat jack test) (ASTM D4729) được thực hiện nhằm đánh giá trạng thái ứng suất tại chỗ (in situ) trong đá cũng như độ cứng của khối đá.

Đối với một kỹ sư địa kỹ thuật đã quen thuộc với các thí nghiệm đất hiện trường (in situ), thuật ngữ “giãn nở kế đá” (rock dilatometer) thực chất là một tên gọi chưa chính xác, vì đây thực ra là một loại thiết bị đo áp lực ngang có sức chịu cao (high-capacity pressuremeter) (xem Mục 2-9.1.1). Quy trình vận hành của giãn nở kế đá nhìn chung tương tự như quy trình được nêu trong ASTM D4719. Thí nghiệm giãn nở kế đá bao gồm việc đưa một đầu dò hình trụ dài vào trong hố khoan đá và bơm phồng một màng cao su (membrane) gắn trên đầu dò. Màng này giãn nở theo phương hướng tâm (radial), đồng thời đo chuyển vị hướng tâm (radial deformation). Kết quả thu được được dùng để đánh giá độ cứng của khối đá.

Giãn nở kế đá (rock dilatometer) có thể không đủ khả năng tạo ứng suất cần thiết lên đá mà không làm rách màng cao su (membrane). Kích hố khoan (borehole jack), thường được gọi là kích Goodman (Goodman jack), khắc phục vấn đề này bằng cách sử dụng các kích thủy lực nhỏ đặt bên trong thiết bị để tạo lực ngang tác dụng lên các tấm ép thép cong (curved steel platens) đối diện nhau, mỗi tấm gây ứng suất lên một cung 90° của thành hố khoan trên chiều dài 8 inch. Mô tả thiết bị và quy trình vận hành được trình bày trong ASTM D4971. Kích hố khoan có thể được sử dụng trong các hố khoan lấy mẫu lõi (coring) bằng thiết bị khoan lõi cỡ NX (NX-size coring equipment). Hệ thống thủy lực dùng cho kích hố khoan có thể tạo áp lực lên đến 10.000 psi, do đó có thể sử dụng trên hầu như mọi loại đá. Kích hố khoan là một thí nghiệm hiện trường (in situ) phổ biến đối với đá, không đòi hỏi nhiều kinh nghiệm để thực hiện mà vẫn cho kết quả đáng tin cậy.

Việc diễn giải kết quả thí nghiệm đặt ra một số thách thức riêng, nhưng đồng thời cũng mang lại những hiểu biết sâu sắc về ứng xử tại chỗ (in situ) của đá.

Thí nghiệm cắt trong hố khoan đá (rock borehole shear test) là một phương pháp hiện trường (in situ) thay thế, sử dụng hố khoan, phù hợp với đá tương đối yếu hoặc đá dễ bị xáo trộn trong quá trình khoan và lấy mẫu lõi (coring) (ví dụ: đá phong hóa, đá nứt nẻ, đá phiến sét…). Thí nghiệm này là một biến thể của thí nghiệm cắt hố khoan Iowa (Iowa borehole shear test) vốn được phát triển ban đầu cho đất (Yang và cộng sự 2006). Thí nghiệm cắt trong hố khoan đá dùng để đo cường độ chống cắt của đá. Mặc dù chưa có tiêu chuẩn thí nghiệm được công nhận chính thức, các hướng dẫn thực hiện thí nghiệm cắt trong hố khoan đá được trình bày trong Lutenegger và Hallberg (1981). Thiết bị được hạ xuống hố khoan đến cao độ thí nghiệm mong muốn. Áp lực thủy lực được tác dụng lên các tấm cắt (shear plates) để tạo ra ứng suất pháp (normal stress) mong muốn, sau đó một dây kéo (tether) được kéo để tạo ra lực cắt tác dụng lên các tấm. Ứng suất pháp và ứng suất cắt được ghi nhận. Các giá trị ứng suất cắt tính toán được ứng với ba hoặc bốn mức ứng suất pháp khác nhau sẽ cung cấp các điểm dữ liệu để xây dựng đường bao cường độ (strength envelope).

2-9.4.2 Thí nghiệm cắt trực tiếp trên các mặt gián đoạn của đá

Ứng xử của khối đá chi phối hiệu quả làm việc thực tế trong công trình, do các mặt gián đoạn (discontinuities) quyết định, có thể biến đổi từ các khe nứt sạch với độ nhám bề mặt nhất định do các mấp mô (asperities) gây ra, cho đến các khe nứt trong đá phong hóa, hay các khe nứt bị lấp đầy bởi sét. Nhiều ứng dụng thực tế ngoài hiện trường gây ra tải trọng cắt tác dụng lên các mặt gián đoạn này (ví dụ: mái dốc đá, vách hầm và đỉnh vòm hầm). Việc lấy được mẫu nguyên khối (intact samples), đại diện của các mặt gián đoạn thường gặp nhiều khó khăn.

Thí nghiệm cắt trực tiếp trên các mặt gián đoạn của đá được phát triển theo nguyên lý tương tự thí nghiệm cắt trực tiếp trên đất. Thiết bị thí nghiệm mang tính chuyên biệt cao và có kích thước khá lớn. Các thí nghiệm cắt trực tiếp hiện trường (in situ) quy mô lớn trên đá thường được thực hiện trên các lộ đá tự nhiên (natural rock outcrops), trong hầm, hoặc tại các hố đào. Trong hầu hết các trường hợp, thí nghiệm được thực hiện nhằm đánh giá cường độ của mặt gián đoạn.

Mô tả và thảo luận về việc sử dụng thí nghiệm cắt trực tiếp quy mô lớn trên đá của USACE được trình bày trong Zeigler (1972). Quy trình thí nghiệm tiêu chuẩn được trình bày trong ASTM D4554. Một vòng khung định vị (confining ring) được đặt bao quanh mẫu đá tại chỗ (in situ) sao cho mặt gián đoạn song song với vòng khung này. Mẫu được bao bọc trong vòng khung bằng thạch cao Paris (plaster of Paris) hoặc vữa hydrostone (hydrostone). Tải trọng pháp tuyến và tải trọng cắt được tác dụng theo phương vuông góc và song song với mặt gián đoạn, đồng thời chuyển vị được đo đạc.

Mặc dù việc thực hiện các thí nghiệm cắt trực tiếp hiện trường (in situ) quy mô lớn trên các mặt gián đoạn của đá có thể gặp nhiều khó khăn và thách thức, nhưng việc diễn giải kết quả lại tương tự như thí nghiệm cắt trực tiếp thông thường trên mẫu đất. Các cặp giá trị ứng suất pháp và ứng suất cắt được vẽ biểu đồ để xác định đường bao phá hoại (failure envelope) và các thông số cường độ chống cắt. Đối với đá và dọc theo các mặt gián đoạn của đá, có thể đo được cường độ đỉnh (peak strength) và cường độ dư (residual strength) của các mặt gián đoạn này (Goodman 1970).

2-9.4.3 Hệ số thấm của các mặt gián đoạn trong đá

Dòng thấm qua đá chủ yếu xảy ra trong các lỗ rỗng hở, khe nứt, khe tách lớp (joints), và các mặt gián đoạn khác, những yếu tố góp phần tạo nên độ rỗng “nguyên sinh” (primary porosity) của đá. Dòng thấm trong chế độ này có thể mang tính chất chảy rối (turbulent) thay vì chảy tầng (laminar), và có thể không tuân theo định luật Darcy, khiến việc định lượng dòng thấm qua các mặt gián đoạn của đá trở nên khó khăn. Vào những năm 1930, đơn vị lugeon đã được đưa ra để định lượng dòng thấm trong đá nứt nẻ (Houlsby 1976). Một lugeon được định nghĩa là lưu lượng thấm 1 lít nước trên mỗi mét chiều dài đoạn thí nghiệm trong mỗi phút, dưới áp lực 10 bar (145 psi), trong thí nghiệm ép nước hai nút bịt cột áp không đổi (constant head double packer test) như minh họa trong Hình 2-23. Với điều kiện này, một lugeon tương ứng xấp xỉ 1×10⁻⁵ cm/s đối với chế độ chảy tầng.

Để đánh giá chế độ dòng thấm của nước trong các khe tách lớp của đá, một phương pháp thí nghiệm gồm năm bước được tóm tắt trong Hình 2-23 đã được xây dựng. Dựa trên kết quả của thí nghiệm năm bước này, đá được phân loại thuộc một trong năm nhóm (Houlsby 1976).

• Nhóm A – Chảy tầng (Laminar Flow): Giá trị lugeon tương đối ổn định trong suốt cả năm bước
• Nhóm B – Chảy rối (Turbulent): Giá trị lugeon thấp nhất xuất hiện ở áp lực cao nhất
• Nhóm C – Giãn nở khe nứt (Dilation): Giá trị lugeon cao nhất xuất hiện ở áp lực cao nhất
• Nhóm D – Rửa trôi (Wash-out): Giá trị lugeon tăng dần khi thí nghiệm tiến triển
• Nhóm E – Lấp đầy lỗ rỗng (Void Filling): Giá trị lugeon giảm dần khi thí nghiệm tiến triển

Các đặc trưng phân loại này thường được sử dụng để lựa chọn chiến lược phụt vữa (grouting strategy) phù hợp cho các màn chống thấm (hydraulic barriers) trong đá nứt nẻ. Cách diễn giải thí nghiệm lugeon và đặc trưng vật lý của đá nứt nẻ được trình bày trong Bảng 2-24.

Bảng 2-24 Diễn giải kết quả thí nghiệm Lugeon (theo Tunbridge 2017)

Khoảng giá trị Lugeon	Phân loại	Hệ số thấm gần đúng (cm/s)	Tình trạng các mặt gián đoạn của khối đá	Độ chính xác báo cáo (lugeon)
<1	Rất thấp	< 1 × 10⁻⁵	Rất kín (Very Tight)	<1
1-5	Thấp	1 × 10⁻⁵ – 6 × 10⁻⁵	Kín (Tight)	±0
5-15	Trung bình thấp	6 × 10⁻⁵ – 2 × 10⁻⁴	Một số ít mặt gián đoạn hở một phần	±1
15-50	Trung bình	2 × 10⁻⁴ – 6 × 10⁻⁴	Một số mặt gián đoạn hở	±5
50-100	Cao	6 × 10⁻⁴ – 1 × 10⁻³	Nhiều mặt gián đoạn hở	±10
>100	Rất cao	> 1 × 10⁻³	Mặt gián đoạn hở, khoảng cách gần nhau hoặc có lỗ rỗng	>100

\(\\\)

2-10 QUAN TRẮC VÀ THIẾT BỊ QUAN TRẮC HIỆN TRƯỜNG

Quan trắc hiệu quả làm việc của các công trình địa kỹ thuật là một yếu tố quan trọng đối với từng dự án cụ thể, đồng thời cũng góp phần định hướng sự phát triển của ngành thực hành này (Peck 1969). Việc quan trắc hiệu quả làm việc hiện trường bắt đầu bằng việc xác định “hiệu quả làm việc” (performance) nào là điều cần được dự đoán trước. Sau khi xác định được điều này, các thiết bị quan trắc có thể cần được lắp đặt trước, trong, và/hoặc sau khi thi công, hoặc sau khi xảy ra sự cố như một phần của công tác điều tra pháp y (forensic investigation) nhằm tìm hiểu cơ chế gây ra sự cố. Cuối cùng, một số thiết bị quan trắc có thể là thành phần thiết yếu của hệ thống cảnh báo sớm đối với các công trình nhạy cảm. Phần này tóm tắt các loại thiết bị quan trắc địa kỹ thuật cùng nguyên lý hoạt động của chúng, nhằm hỗ trợ kỹ sư địa kỹ thuật lựa chọn thiết bị phù hợp nhất cho từng dự án cụ thể. Các thông tin chi tiết hơn về thiết bị quan trắc địa kỹ thuật có thể tham khảo trong USACE (1987, 1995b), Bartholomew và cộng sự (1987, 1987a), FHWA (1988), và đặc biệt là Dunnicliff (1993). Sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ đo đạc khác nhau, cùng với việc nhận thức ngày càng rõ tầm quan trọng của công tác quan trắc hiệu quả làm việc, chắc chắn sẽ dẫn đến sự mở rộng và gia tăng tính hữu ích của thiết bị quan trắc địa kỹ thuật trong những năm tới.

2-10.1 Nguyên lý hoạt động của các thiết bị quan trắc địa kỹ thuật

Việc thực hiện một phép đo hiệu quả làm việc công trình đòi hỏi sử dụng một loại thiết bị đo (instrument) hoặc đầu chuyển đổi (transducer) nào đó để thu được số liệu đo. Các loại thiết bị chính được tóm tắt trong Bảng 2-25. Các đầu chuyển đổi được giới thiệu trong bảng này được tích hợp vào các thiết bị dùng để thực hiện các phép đo cụ thể. Các phép đo này có thể bao gồm:

• (1) biến dạng (deformations) (ví dụ: chuyển vị ngang của khối trượt, lún thẳng đứng, độ nghiêng của tường chắn),
• (2) áp lực nước lỗ rỗng trong đất (ví dụ: áp lực nước lỗ rỗng dư do cố kết, hoặc mực nước tĩnh trong giếng quan trắc),
• (3) áp lực đất (earth pressures) (ví dụ: áp lực tác dụng lên các kết cấu chắn đất),
• (4) tải trọng (loads) (ví dụ: tải trọng thanh chống trong hố đào có chống, tải trọng neo trong hệ neo giữ (tiebacks), tải trọng thẳng đứng trong thí nghiệm nén bàn),
• (5) nhiệt độ (temperature) (ví dụ: chiều sâu xâm nhập băng giá (frost penetration), ứng suất/biến dạng do nhiệt gây ra), và
• (6) rung động (vibration) (ví dụ: thí nghiệm địa vật lý, quan trắc nổ mìn, hoạt động địa chấn).

Bất kể là loại thiết bị nào, việc lựa chọn thiết bị quan trắc cần xem xét đến phạm vi đo (range), độ chính xác (accuracy), và độ chụm (precision) của thiết bị, cũng như quy trình hiệu chuẩn (calibration) cần thiết. Các thiết bị địa kỹ thuật có một phạm vi đo cụ thể, phải bao trùm được các giá trị dự kiến xảy ra trong ứng dụng thực tế ngoài hiện trường. Thiết bị cũng có một độ chụm (precision) nhất định, tức là đơn vị nhỏ nhất có thể ghi nhận được trong phép đo. Ví dụ, một load cell có sức chịu tải 1.000 lb, có khả năng ghi nhận đến độ chính xác 0,1 lb, thì độ chụm của nó là 0,01% so với toàn dải đo (full range) hay còn gọi là full scale. Độ chính xác (accuracy) của một thiết bị đề cập đến khả năng thu được phép đo đúng và có thể lặp lại của đại lượng mong muốn. Các thiết bị có phạm vi đo lớn không phải lúc nào cũng đủ độ chính xác khi đo các giá trị gần cận dưới của phạm vi đo. Nhiều thiết bị cần được hiệu chuẩn để chuyển đổi đại lượng đo được sang đại lượng kỹ thuật mong muốn. Mặc dù việc hiệu chuẩn này thường được nhà sản xuất cung cấp sẵn, nhưng vẫn cần được kiểm tra xác nhận và lặp lại định kỳ.

Bảng 2-25 Các loại thiết bị quan trắc địa kỹ thuật

Loại thiết bị	Ví dụ	Ưu điểm	Nhược điểm
Cơ học (Mechanical)	Dây dọi (plumb bob), thước dây (tape measure), panme (micrometer)	Chi phí thấp, đo đơn giản và trực tiếp, kết quả đọc trực tiếp theo đơn vị kỹ thuật, không cần nguồn điện ngoài	Không thể đo liên tục, phải ghi chép thủ công
Khí nén (Pneumatic) – sử dụng áp lực khí	Đầu đo áp lực nước lỗ rỗng (piezometer), tế bào đo áp lực đất (earth pressure cell)	Tương đối bền chắc và dễ di chuyển, không cần nguồn điện, không bị ảnh hưởng bởi tín hiệu điện, tương đối phù hợp cho các phép đo dài hạn	Hệ thống đọc số liệu khó thực hiện, tốn nhiều thời gian thao tác thủ công
Thủy lực (Hydraulic) – sử dụng nước hoặc chất lỏng thủy lực	Đầu đo áp lực nước lỗ rỗng (piezometer), tế bào đo áp lực đất (earth pressure cell)	Tương tự loại khí nén nhưng có thể tạo áp lực cao hơn	Tương tự loại khí nén
Điện (Electrical) – phần tử cảm biến gắn trên bề mặt dự kiến chịu biến dạng	Tem đo biến dạng dán (bonded strain gauge), cảm biến áp điện (piezoelectric), thiết bị dây rung (vibrating wire device)	Rất ổn định và đáng tin cậy, có thể tự động hóa và truy cập từ xa, có sẵn nguồn điện áp thấp và nguồn di động	Chi phí cao hơn, cần nguồn điện được kiểm soát, cần xử lý tín hiệu để thu được dữ liệu theo đơn vị kỹ thuật
Vi cơ điện tử (Micro-electro-mechanical – MEMS)	Máy đo độ nghiêng (tiltmeter), đầu đo áp lực nước lỗ rỗng (piezometer), load cell	Kết hợp các bộ phận cơ học siêu nhỏ với tín hiệu điện, có thể tự động hóa	Cần nguồn điện được kiểm soát, cần xử lý tín hiệu để thu được dữ liệu theo đơn vị kỹ thuật
Sợi quang (Fiber optics) – đo biến dạng dọc theo sợi quang được gắn hoặc chôn	Tem đo biến dạng (dạng phân bố hoặc rời rạc), nhiệt độ	Có thể đo biến dạng dọc suốt chiều dài kết cấu, chi phí cảm biến thấp, có tiềm năng tự động hóa và phân tích động	Cần nguồn điện ngoài, chi phí thiết bị đọc và xử lý tín hiệu tương đối cao, cần diễn giải dữ liệu

\(\\\)

2-10.2 Đo biến dạng tuyến tính

Có nhiều ứng dụng thực tế mà việc quan trắc biến dạng là bắt buộc hoặc, ít nhất, mang lại lợi ích đáng kể (xem Mục 2-10.9 bên dưới). Biến dạng cần quan trắc có thể bao gồm chuyển vị thẳng đứng do cố kết (consolidation) gây ra ở khu vực lân cận hố đào sâu, chuyển vị ngang và chuyển vị xoay do trượt đất gây ra, hoặc độ nghiêng ra ngoài của tường chắn. Các phương pháp xác định biến dạng tuyến tính được tóm tắt trong Bảng 2-26, với mức độ phức tạp từ đơn giản đến tương đối phức tạp.

Bảng 2-26 Các phương pháp xác định biến dạng tuyến tính

Loại thiết bị	Nguyên lý hoạt động	Ghi chú
Quan sát bằng mắt thường	Quan sát điều kiện bên dưới mặt đất và ảnh hưởng lên kết cấu	Sẵn có, không tốn chi phí, giúp xây dựng phương pháp quan trắc trực quan (observational method), thường bị bỏ qua
Chốt đo khe nứt và thước dây (Crack pins and tape measure)	Đo sự phát triển của khe nứt bằng khoảng cách giữa các chốt gắn ở hai bên khe nứt trong đất hoặc đá	Giải pháp đơn giản, có thể tự động hóa bằng cảm biến chuyển vị điện tử
Thước đo khe nứt dạng lưới (Grid crack gauges)	Dùng để theo dõi khe nứt trong kết cấu, gồm thước đo hai mảnh nhựa gắn vào kết cấu ở hai phía đối diện của khe nứt	Giải pháp đơn giản, cần đọc số liệu thủ công
Đầu đo chuyển vị (Displacement gauge) – ví dụ: đồng hồ so (dial gauge) hoặc LVDT (Hình 2-24)	Dùng để đo chuyển vị trong khoảng thời gian tương đối ngắn hoặc trong môi trường được bảo vệ	Độ chính xác cao, thiết bị điện tử có thể tự động hóa, nhạy với tác động môi trường bên ngoài, chi phí cao hơn
Khảo sát trắc địa hiện trường (Field survey)	Sử dụng phương pháp trắc địa thông thường để xác định vị trí và cao độ của các điểm đo	Cần một mốc chuẩn (benchmark) chung, phép đo phải được “khép kín” (closed), độ chính xác cần được xác định bằng cách thực hiện hai lần khảo sát, bao gồm cả việc tháo dỡ và lắp lại thiết bị, trong cùng một ngày
Trạm đo toàn đạc tự động (Automated Total Station – AMTS)	Sử dụng trạm đo toàn đạc tự động (AMTS) đặt tại vị trí cố định, an toàn để đo các mốc đo (targets) theo khoảng thời gian định trước	Rất phù hợp để theo dõi chuyển vị do thi công gây ra, có độ lặp lại cao hơn phương pháp khảo sát trắc địa thông thường, cho kết quả gần thời gian thực, có thể tích hợp vào hệ thống quan trắc trực tuyến
Tấm lún mặt đất hoặc bệ quan trắc lún (Surface settlement plates or platforms) (Hình 2-25)	Lắp đặt tấm bản có ống nối dài (riser pipe) trên hoặc trong đất, khảo sát theo thời gian để theo dõi độ lún, có thể nối dài ống để dùng cho khối đắp cao	Phương pháp đo dài hạn tốt, chính xác và tương đối rẻ tiền, ống nối dài cần được bảo vệ trong quá trình thi công, mốc chuẩn phải nằm ngoài phạm vi ảnh hưởng bởi thi công
Đầu đo lún kiểu mực nước (Liquid level settlement gauge) (Hình 2-25)	Tương tự tấm lún mặt đất nhưng có gắn đầu chuyển đổi áp lực (pressure transducer) và không cần ống nối dài, sự thay đổi áp lực từ một bể chứa bên ngoài được chuyển đổi thành giá trị lún	Chi phí ban đầu cao hơn tấm lún mặt đất, thi công dễ dàng hơn nhiều vì không cần ống nối dài, có khả năng rò rỉ, bể chứa và ống dẫn phải được bảo vệ khỏi đóng băng
Thiết bị đo mặt cắt lún kiểu mực nước (Liquid level settlement profiler) (Hình 2-26)	Lắp đặt một ống mềm bên dưới khối đắp, kéo đầu chuyển đổi và đường ống chứa nước qua ống mềm, đo áp lực tại từng vị trí, tính toán độ lún từ giá trị áp lực đo được	Có thể sử dụng ống chứa đầy nước cùng một đầu chuyển đổi áp lực độc lập, cho phép đo lún phân bố dọc theo tuyến, việc đo đạc thủ công tốn nhiều thời gian
Đầu đo giãn kế trong hố khoan (Borehole extensometer) (Hình 2-27)	Đo vị trí tương đối giữa hai hoặc nhiều điểm dọc theo trục của hố khoan, neo đầu que đo tại đáy hoặc tại vị trí cần đo	Cần có hố khoan, có thể theo dõi chuyển vị tại nhiều vị trí đo

\(\\\)

Không nên bỏ qua các phương pháp đơn giản trong công tác quan trắc biến dạng. Peck (1972) nhận định rằng mắt thường thường bị đánh giá thấp và “có thể phát hiện được hầu hết những gì chúng ta cần biết về công tác thi công dưới mặt đất.” Các phép đo bằng chốt đo khe nứt và thước dây có thể được sử dụng để theo dõi các khe nứt quan sát được trong đất ở khu vực lân cận mái dốc, hoặc các khe nứt trong đá. Nếu điều kiện yêu cầu, khoảng cách có thể được theo dõi liên tục bằng cách sử dụng một đầu chuyển đổi chuyển vị (displacement transducer) như minh họa trong Hình 2-24. Khi xem xét lựa chọn thiết bị để theo dõi các khe nứt quan sát được trên tường của công trình xây dựng, có thể sử dụng thước đo khe nứt dạng lưới cơ học (mechanical grid crack gauge) để thể hiện độ lớn và hướng chuyển vị theo thời gian. Loại thước đo này chỉ đơn giản được gắn ngang qua khe nứt bằng keo epoxy hoặc bằng chốt xuyên qua các lỗ gắn kèm theo.

Khi cần thiết, các phép đo biến dạng chính xác hơn có thể được thực hiện bằng các đầu chuyển đổi (transducer). Khi theo dõi biến dạng trong khoảng thời gian tương đối ngắn hoặc khi thiết bị được bảo vệ, có thể sử dụng đồng hồ so (dial gauge) đơn giản. Đối với các phép đo tự động, đầu chuyển đổi điện tử (ví dụ: biến áp vi sai chuyển vị tuyến tính – LVDT, LVDT dòng điện một chiều, hoặc biến trở tuyến tính) là giải pháp thay thế cho độ chính xác cao và tiềm năng độ chính xác rất cao.

Thiết bị khảo sát trắc địa hiện trường thông thường có thể được sử dụng để theo dõi biến dạng tại nhiều điểm trên khoảng cách lớn và thường trong thời gian dài, dựa trên một mốc chuẩn (benchmark) chung. Các phép khảo sát này phải được “khép kín” (closed) bằng cách ngắm mốc chuẩn trước và sau khi khảo sát. Trạm đo toàn đạc tự động (AMTS) có thể cung cấp khả năng quan trắc gần thời gian thực với độ chính xác cao cho nhiều điểm đo, đặc biệt hữu ích trong việc theo dõi chuyển vị do thi công gây ra. Độ chính xác của AMTS tỷ lệ nghịch với khoảng cách từ thiết bị đến lăng kính (prism) (hoặc vật thể đo), nhưng có thể sử dụng ở khoảng cách lớn hơn 1.000 feet. Cũng như với bất kỳ phương pháp khảo sát trắc địa nào, luôn cần bao gồm một điểm mốc chuẩn trong mỗi chu kỳ đo. AMTS sử dụng tia laser để xác định và theo dõi mốc đo (target), nên có thể sử dụng cả ban ngày lẫn ban đêm.

Độ lớn và tốc độ theo thời gian của độ lún cố kết (consolidation settlements) trong quá trình thi công thường được dùng để định hướng một số hoạt động thi công (ví dụ: tốc độ đắp). Việc theo dõi độ lún dài hạn thường là điều cần thiết. Tấm lún mặt đất (surface settlement plates, thường được gọi là platforms) được theo dõi bằng thiết bị khảo sát trắc địa thông thường và cho kết quả chính xác với chi phí tương đối thấp. Tấm lún được đặt trên bề mặt đất tự nhiên trước khi bắt đầu đắp. Một hình minh họa cấu tạo lắp đặt điển hình được trình bày trong Hình 2-25a. Cần bảo vệ ống nối dài (riser pipe) khỏi bị hư hỏng hoặc nghiêng lệch trong quá trình thi công, do va chạm của xe cộ hoặc do đắp không đều xung quanh ống. Cũng như tất cả các phép đo trắc địa khác, cần ngắm một mốc chuẩn cố định (không dịch chuyển) trong mỗi chu kỳ đo. Các hệ thống tiên tiến hơn sử dụng áp lực chất lỏng để đo sự thay đổi cao độ so với một bể chứa cố định (Hình 2-25b), hoặc dùng đầu đo (probe) để đo mặt cắt lún trong một ống chôn ngầm (Hình 2-26).

\(\\\)

\(\\\)

2-10.3 Đo Chuyển Vị Góc

Đo chuyển vị góc được sử dụng để đo chuyển vị tương đối của mái dốc hoặc độ nghiêng của công trình, chẳng hạn như tường chắn. Các thiết bị này có thể được dùng để xác định vị trí của các mặt trượt và đưa ra cảnh báo khi công trình bị lệch khỏi phương thẳng đứng. Các loại thiết bị đo chuyển vị góc được tổng hợp trong Bảng 2-27.

(chuyển vị góc là gì?)

“Chuyển vị góc” (angular displacement) là sự thay đổi về góc nghiêng của một vật thể hoặc bộ phận công trình so với vị trí ban đầu (hoặc so với phương thẳng đứng/nằm ngang chuẩn), tính bằng độ hoặc radian — khác với “chuyển vị” thông thường (displacement) vốn đo khoảng cách dịch chuyển theo phương tuyến tính (mm, cm…).

Trong bối cảnh địa kỹ thuật:

• Khi một mái dốc bắt đầu trượt, hoặc một tường chắn bị đẩy nghiêng do áp lực đất, công trình không chỉ dịch chuyển theo phương ngang mà còn xoay/nghiêng đi một góc nhất định.
• Đo chuyển vị góc là đo chính góc nghiêng đó thay đổi bao nhiêu theo thời gian.
• Thiết bị điển hình: inclinometer (máy đo nghiêng/nghiêng kế) — thả xuống một ống đo đặt trong hố khoan, đo góc lệch của ống tại từng độ sâu để xác định mặt trượt (plane of sliding) nằm ở đâu; hoặc tiltmeter (máy đo độ nghiêng bề mặt) gắn trên tường/kết cấu để cảnh báo khi công trình “out-of-vertical” (lệch khỏi phương thẳng đứng).

Nói ngắn gọn: chuyển vị góc = mức độ “xoay nghiêng” của đất/công trình, còn chuyển vị (thường) = mức độ “dịch chuyển vị trí” theo đường thẳng.

Bảng 2-27 Thiết Bị Đo Chuyển Vị Góc

Loại thiết bị	Nguyên lý hoạt động	Ghi chú
Máy đo nghiêng (Tiltmeter)	Dùng gia tốc kế (accelerometer) để xác định độ nghiêng so với phương thẳng đứng, phạm vi đo điển hình vài độ, gắn cố định vào công trình hoặc dùng làm bộ phận tích hợp trong nghiêng kế (inclinometer)	Máy đo nghiêng loại MEMS có thể có phạm vi đo lên đến 40 phút góc (arc minutes) và độ chính xác 1 giây góc (arc second)
Nghiêng kế mái dốc (Slope inclinometer) (Hình 2-28)	Ống casing có rãnh dẫn hướng đặc biệt được phụt vữa cố định trong hố khoan, đầu dò nghiêng kế (inclinometer probe) có gia tốc kế hai trục (biaxial accelerometer) được kéo dọc qua ống casing, đo độ nghiêng của ống casing tại các khoảng đều đặn, tích phân độ nghiêng cho ra hình dạng biến dạng của ống casing	Thường được dùng để đánh giá chuyển động của trượt lở đất, có thể dùng cho công trình thẳng đứng và hố đào sâu, số liệu nền (baseline reading) ban đầu được lấy sau khi vữa đông cứng, ống casing phải cắm sâu vào lớp đất ổn định, cần hai lượt đo qua ống casing để có số liệu chất lượng, quy trình thủ công tốn thời gian, phải hiệu chỉnh sai số hệ thống (bias correction) trong xử lý số liệu, biến dạng quá mức sẽ khiến không thể tiếp tục sử dụng ống casing
Nghiêng kế cố định tại chỗ (In-place inclinometer) (Hình 2-28)	Cùng nguyên lý với nghiêng kế thông thường, nhưng thiết bị có nhiều đoạn (segments) với nhiều gia tốc kế, thiết bị được đặt cố định tại vị trí trong ống casing	Có thể tự động hóa, ít tốn thời gian hơn, chi phí thiết bị cao hơn nhiều so với nghiêng kế thông thường, có thể dùng gia tốc kế MEMS rẻ hơn và không cần ống casing đặc biệt

(gia tốc kế có tác dụng gì?)

Trong ngữ cảnh nghiêng kế, gia tốc kế (accelerometer) không dùng để đo “gia tốc chuyển động” như trong điện thoại hay ô tô, mà dùng để đo hướng của trọng lực — từ đó suy ra góc nghiêng.

Nguyên lý cơ bản:

Trái đất luôn kéo mọi vật xuống theo phương thẳng đứng với gia tốc trọng trường không đổi (g ≈ 9,81 m/s²). Một gia tốc kế đặt cố định trong đầu dò sẽ “cảm nhận” được lực hút này. Nếu đầu dò nằm đúng phương thẳng đứng, gia tốc kế đo được toàn bộ giá trị g theo trục dọc của nó. Nếu đầu dò bị nghiêng đi một góc θ, gia tốc kế sẽ đo được một phần của g bị “phân tách” theo trục ngang — giá trị đó tỷ lệ với sin(θ).

Nói cách khác: gia tốc kế đóng vai trò như một “quả dọi điện tử” — nó không đo chuyển động, mà đo độ lệch của thiết bị so với phương trọng lực tại từng thời điểm.

Vì sao dùng “gia tốc kế hai trục” (biaxial) trong nghiêng kế mái dốc:

• Một trục đo độ nghiêng theo hướng A (thường là hướng dự kiến trượt của mái dốc)
• Trục còn lại đo độ nghiêng theo hướng B (vuông góc với A)

Nhờ vậy, khi đầu dò được kéo qua ống casing tại từng độ sâu, ta có được góc nghiêng theo hai phương, từ đó tính ra được vector chuyển vị ngang đầy đủ tại vị trí đó — không chỉ biết ống nghiêng bao nhiêu mà còn biết nghiêng theo hướng nào.

Với nghiêng kế cố định tại chỗ (in-place): mỗi đoạn cảm biến trong chuỗi cũng chứa gia tốc kế hoạt động theo đúng nguyên lý này, nhưng thay vì di chuyển, nó nằm cố định tại một độ sâu và liên tục “báo cáo” góc nghiêng tại điểm đó theo thời gian thực — cho phép phát hiện sớm khi mặt trượt bắt đầu hình thành mà không cần chờ đến đợt đo thủ công tiếp theo.

Về công nghệ MEMS (nhắc trong bảng): MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems — hệ vi cơ điện tử) là loại gia tốc kế được chế tạo bằng công nghệ vi mạch bán dẫn, kích thước rất nhỏ, giá thành rẻ hơn nhiều so với gia tốc kế servo truyền thống dùng trong nghiêng kế cổ điển, nên giúp giảm chi phí cho các hệ thống đo tự động nhiều điểm.

\(\\\)

2-10.4 Đo áp lực nước lỗ rỗng và Áp lực nước

Các đầu đo (transducer) có khả năng đo áp lực nước tức thời (transient) thường được sử dụng để đo áp lực nước lỗ rỗng. Các đầu đo này thường được gọi chung là piezometer. Điều này khác với cách dùng thuật ngữ standpipe piezometer trong Mục 2-8 để chỉ một loại giếng quan trắc cụ thể. Như đã trình bày ở trên, cùng một công nghệ cơ bản có thể được dùng để đo cả áp lực nước tĩnh lẫn áp lực nước tức thời, và các loại đầu đo bao gồm loại khí nén (pneumatic), thủy lực (hydraulic), điện (electrical), và loại MEMS. Nguyên lý hoạt động và ứng dụng của các loại piezometer này được tổng hợp trong Bảng 2-28. Tất cả các phương pháp này đều đo áp lực nước dương trong đất bão hòa.

Thời gian trễ thủy động (Hydrodynamic lag time), hay gọi tắt là thời gian trễ (lag time), là khoảng thời gian cần thiết để một thiết bị phản ứng lại với sự thay đổi áp lực. Hình 2-31 thể hiện đồ thị thời gian trễ ước tính (tính theo thời gian đạt 90% phản hồi) đối với các loại giếng quan trắc và piezometer khác nhau, so sánh theo hệ số thấm (hydraulic conductivity) của đất. Lưu ý thời gian trễ ngắn của các đầu đo dạng màng (diaphragm transducer) và thời gian trễ kéo dài của giếng piezometer hở (open piezometer well). Như đồ thị cho thấy, giếng hở không thể đo hiệu quả áp lực nước thủy động trong các tình huống dòng chảy tức thời (transient flow).

Bảng 2-28. Các loại piezometer

Loại Piezometer	Nguyên lý hoạt động	Ghi chú
Khí nén (Pneumatic)	Thiết bị được ấn hoặc phụt vữa cố định tại vị trí cần quan trắc, áp lực khí được dùng để đo áp lực nước ở phía đối diện của màng (diaphragm)	Lựa chọn tốt cho quan trắc dài hạn, có thể xả rửa và lặp lại chu trình để tăng độ tin cậy, không cần nguồn điện, không nhạy với tín hiệu điện nhiễu, việc đọc số liệu thủ công tốn thời gian
Thủy lực, hay còn gọi là ống đôi (Hydraulic, a.k.a. twin-tube) (Hình 2-29)	Nguyên lý hoạt động tương tự loại khí nén nhưng dùng áp lực nước thay vì khí, các đường ống áp lực được nạp đầy chất lỏng đã khử khí (deaired fluid), áp lực được đo bằng đồng hồ cơ học hoặc điện tử	Cần xả rửa định kỳ để phục vụ quan trắc dài hạn
Điện và MEMS (Electrical and MEMS) (Hình 2-30)	Đầu đo dạng tem biến dạng (strain gauge), áp điện (piezoelectric), hoặc dây rung (vibrating wire) gắn vào màng (diaphragm) để đo áp lực, tín hiệu ra của đầu đo tỷ lệ thuận với áp lực, sử dụng bộ lọc bão hòa có ngưỡng khí xâm nhập cao (high-air-entry saturated filter) để đo chính xác sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng trong điều kiện tức thời (transient)	Rất phổ biến, có thể tự động hóa và quan trắc từ xa, cần rất ít dòng nước để làm dịch chuyển màng, do đó phản hồi nhanh với điều kiện tức thời (tức thời gian trễ ngắn), cần nguồn điện (có thể là điện áp thấp), cảm biến MEMS có hiện tượng trôi tín hiệu điện (electrical drift), có thể hiệu chuẩn lại MEMS nếu tiếp cận được cảm biến

\(\\\)

2-10.5 Đo áp lực đất

Mặc dù không phổ biến, đôi khi vẫn cần đo ứng suất thẳng đứng và/hoặc ứng suất ngang thực tế trong nền đất. Khái niệm để thực hiện các phép đo này khá đơn giản, nhưng việc diễn giải kết quả lại có thể gặp nhiều thách thức. Một hộp đo áp lực đất (earth pressure cell), hay còn gọi là hộp đo ứng suất tổng (total stress cell), đo ứng suất thông qua biến dạng của một màng mỏng (diaphragm) hoặc truyền áp lực đến một hộp thủy lực (hydraulic cell). Biến dạng của hộp dạng màng có thể được đo bằng tem biến dạng (strain gauge), đầu đo dây rung (vibrating wire transducer), hoặc đồng hồ đo MEMS. Hộp đo áp lực đất thực hiện phép đo nội tại (internal measurement), khác với hầu hết các đầu đo khác vốn quan trắc phản ứng của đất từ bên ngoài. Sự có mặt của hộp làm thay đổi ứng suất trong đất do sự khác biệt về độ cứng giữa hộp và đất xung quanh. Có thể tham khảo các tổng hợp tốt về ảnh hưởng của cách lắp đặt và loại hộp đo áp lực đất trong Filz và Brandon (1994) và Sehn (1990). Như một phương án thay thế cho hộp đo áp lực đất, cảm biến áp lực dạng xúc giác (tactile pressure sensor) là các tấm polymer mỏng, mềm dẻo, có gắn nhiều cảm biến biến dạng (strain sensor) cho phép đo ứng suất (Paikowsky và cộng sự, 2006).

Theo kinh nghiệm thực tế, hộp đo áp lực đất nên có đường kính tương đối lớn (tức là 9 đến 12 inch) và mỏng, sao cho tỷ lệ giữa chiều dày và đường kính nhỏ hơn 1:10. Hộp phải tiếp xúc trực tiếp và chặt chẽ với đất, và thường được bao quanh (tức là được đệm — bedded) bằng cát mịn nhằm giảm thiểu khả năng tập trung ứng suất do các hạt lớn trong đất gây ra.

2-10.6 Đo tải trọng

Nhiều ứng dụng trong các dự án địa kỹ thuật đòi hỏi phải đo tải trọng. Phần tóm tắt các thiết bị đo tải trọng thông dụng được trình bày trong Bảng 2-29.

Bảng 2-29 Các thiết bị đo tải trọng

Loại thiết bị	Nguyên lý hoạt động	Ghi chú
Hộp tải trọng thủy lực (Hydraulic Load Cell)	Tải trọng được tác dụng lên một buồng thủy lực kín, sự gia tăng áp lực được đo và quy đổi thành tải trọng	Hệ thống thụ động phản ứng theo sự gia tăng áp lực bên trong, tương đối bền chắc, có khả năng đo tải trọng lớn hơn 500 tấn với độ chính xác khoảng 0,1%, không cần nguồn điện ngoài đối với loại hộp dùng đầu đo áp lực cơ học
Kích thủy lực đã hiệu chuẩn (Calibrated Hydraulic Jack)	Một đầu đo áp lực ngoài đo áp lực do kích thủy lực tạo ra, áp lực tác dụng lên một diện tích đã biết được quy đổi thành tải trọng	Có cùng ưu điểm và khả năng chịu tải như hộp tải trọng thủy lực, Osterberg Cell (O Cell) là một ví dụ được dùng trong thí nghiệm tải trọng cọc khoan nhồi
Hộp tải trọng điện (Electric Load Cell)	Tải trọng tác dụng lên tem đo (gauge) kim loại, các tem đo biến dạng (bonded strain gauges) hoặc đầu đo dây rung (vibrating wire transducer) đo biến dạng, sau đó được quy đổi thành tải trọng thông qua hiệu chuẩn	Được sử dụng phổ biến trong ứng dụng thí nghiệm và hiện trường, có dải khả năng chịu tải và kích thước vật lý rộng, có thể chế tạo theo yêu cầu riêng, bền chắc và đáng tin cậy, cần nguồn điện ngoài, cần bộ điều hòa tín hiệu (signal conditioning) và xử lý dữ liệu để xác định tải trọng
Tem đo biến dạng gắn chìm và gắn nổi (Embedded and Surface-Mounted Strain Gauges)	Tem đo biến dạng (strain gauge) được gắn vào bề mặt cấu kiện kết cấu bằng kim loại, ứng suất trong kết cấu được xác định từ biến dạng đo được và có thể quy đổi thành tải trọng thông qua kích thước tiết diện	Có thể là tem đo dạng gắn dính (bonded) trên bề mặt kết cấu hoặc tem đo dạng lắp sẵn (pre-attached), tức thanh “sister bar”, được hàn vào cấu kiện kết cấu hoặc lồng cốt thép, tem đo phải được đặt đúng vị trí để đo được biến dạng cần thiết và thường được lắp đặt theo bộ, phải được bảo vệ trong quá trình thi công và vận hành

2-10.7 Đo nhiệt độ

Như đã trình bày trong Dunnicliff (1993), các phép đo nhiệt độ trong công tác địa kỹ thuật thường được thực hiện vì một trong ba lý do cụ thể. Cần lựa chọn và sử dụng thiết bị phù hợp tương ứng với từng ứng dụng cụ thể.

• Đo trực tiếp: Các phép đo nhiệt độ có thể cần thiết cho các dự án như xác định độ sâu đóng băng (depth of frost penetration), nhiệt độ đất bên dưới lò công nghiệp, nhiệt độ của cọc nhiệt (thermal pile). Cặp nhiệt điện (thermocouple) và thiết bị đo nhiệt độ điện trở (resistance temperature device — RTD) là các thiết bị thông dụng nhất cho các ứng dụng này.
• Đo nhiệt độ gây ra tải trọng: Sự thay đổi nhiệt độ gây ra hiện tượng giãn nở và co ngót nhiệt của vật liệu. Tải trọng trong các cấu kiện kết cấu (ví dụ: thanh chống trong hệ thống chống đỡ hố đào, hệ thống chống đỡ hầm) sẽ bị ảnh hưởng khi chịu biến động nhiệt độ. Cặp nhiệt điện hoặc RTD cũng thường được dùng cho các ứng dụng này.
• Đo nhiệt độ ảnh hưởng đến hiệu năng của đầu đo: Nhiệt độ của đầu đo cũng có thể gây ảnh hưởng đáng kể đến phản hồi của chính các thiết bị địa kỹ thuật. Ví dụ, trong các hệ thống thủy lực kín, nhiệt độ có thể làm thay đổi độ nhớt của chất lỏng và gây ra hiện tượng giãn nở và/hoặc co ngót của chất lỏng cũng như ống dẫn. Những thay đổi này sẽ ảnh hưởng đến kết quả diễn giải trừ khi có các hiệu chỉnh phù hợp. Nhà sản xuất thiết bị sẽ cung cấp các hiệu chỉnh cần thiết. Việc theo dõi sự thay đổi nhiệt độ của đầu đo đòi hỏi phải đo chính xác cả những thay đổi nhiệt độ nhỏ. Các nhiệt điện trở (thermistor) dùng cho mục đích này thường được nhà sản xuất tích hợp trực tiếp vào đầu đo.

\(\\\)

2-10.8 Đo rung động

2-10.8 Đo Rung Động (Vibration Measurements).

Trong một số trường hợp đặc biệt, việc đo rung động có thể là một thành phần trong chương trình quan trắc hiện trạng công trình (performance monitoring program). Cả rung động trạng thái ổn định (steady state vibrations) lẫn rung động tức thời (transient vibrations) đều có thể là đối tượng quan tâm.

• Rung động trạng thái ổn định: Máy móc dao động có thể gây ra tải trọng rung động tác dụng lên nền móng và đất nền. Các rung động này có thể gây nứt sàn bê tông, tường, khối xây, hoặc lớp hoàn thiện. Đầu đo rung động sử dụng gia tốc kế (thường dựa trên công nghệ MEMS) để đánh giá biên độ và tần số của rung động. Các đầu đo này có thể được tích hợp trong đồng hồ đo cầm tay di động, có khả năng ghi nhận hiệu quả rung động phát sinh từ máy móc. Điện thoại thông minh hiện đại sử dụng gia tốc kế MEMS và có thể được dùng để đánh giá rung động.
• Rung động tức thời: Rung động tức thời có thể phát sinh do hoạt động thi công, chẳng hạn như lưu thông thiết bị, đóng cọc, đầm chặt động (dynamic compaction), hoặc nổ mìn; do máy móc; hoặc do hoạt động địa chấn. Quan trắc rung động tức thời là một phần không thể thiếu của nhiều thí nghiệm địa vật lý được trình bày trong Mục 2-4. Rung động tức thời được ghi nhận bằng gia tốc kế và đòi hỏi tốc độ lấy mẫu cao để có thể ghi lại các rung động có thể chỉ xảy ra trong vài giây. Các yếu tố đặc biệt được quan tâm đối với rung động tức thời là biên độ, thời lượng, và thành phần tần số.

Việc ghi nhận và lưu trữ dữ liệu rung động để phân tích chi tiết thường đòi hỏi phần cứng chuyên dụng, cụ thể là máy đo địa chấn (seismograph) di động (hoặc cố định). Thiết bị này có thể bao gồm địa chấn kế (geophone) để đo vận tốc mặt đất hoặc gia tốc kế để đo gia tốc mặt đất. Thiết bị thường có ngưỡng kích hoạt do người dùng thiết lập để bắt đầu ghi dữ liệu, cùng khả năng ghi lại dữ liệu trong vài giây trước thời điểm xảy ra sự kiện kích hoạt. Nội dung thảo luận ngắn gọn về thiết bị đo và ghi nhận rung động mặt đất được trình bày trong NCHRP (2018). Có những công ty kỹ thuật chuyên về đo rung động tức thời.

2-10.9 Ứng Dụng Thiết Bị Quan Trắc Trong Thực Tế

Mỗi thiết bị được sử dụng để quan trắc các dự án địa kỹ thuật cần được lựa chọn nhằm trả lời một câu hỏi cụ thể về hiện trạng công trình (performance question). Cách tiếp cận này đối lập với xu hướng theo triết lý “nếu có thể quan trắc được thì nên quan trắc,” một cách làm không được khuyến khích. Bảng 2-30 cung cấp các ví dụ về câu hỏi hiện trạng công trình có thể phù hợp với từng loại dự án khác nhau. Cần có sự cân nhắc kỹ lưỡng trước khi xây dựng kế hoạch quan trắc, và chương trình quan trắc nên được tổ chức xoay quanh việc trả lời các câu hỏi cụ thể. Nội dung thảo luận bổ sung về các chủ đề này được trình bày trong Dunnicliff (1993) và NCHRP (2018).

Bảng 2-30 Ví Dụ Câu Hỏi Cho Quyết Định Về Thiết Bị Quan Trắc

Nhóm dự án	Ví dụ loại dự án	Câu hỏi tiềm năng
Hố đào có chống văng hoặc neo (Braced or Anchored Excavations)	Hố đào sâu trong khu vực đô thị và/hoặc gần công trình lịch sử Hệ thống chống đỡ hố đào sử dụng neo cường độ cao	Phạm vi và biên độ chuyển vị bề mặt đất theo phương ngang là bao nhiêu? Liệu thí nghiệm tải trọng neo có kèm quan trắc có mang lại lợi ích cho thiết kế cuối cùng hay không?
Đắp nền trên đất yếu (Embankments on Soft Ground)	Sự gia tăng cường độ và thi công phân đợt (staged construction) là một phần của thiết kế Dự kiến có lún hoặc chuyển động dài hạn đáng kể	Tốc độ gia tăng cường độ cần thiết để không ảnh hưởng đến tiến độ thi công là bao nhiêu? Mức độ tin cậy của dự báo lún dài hạn là bao nhiêu?
Đập đắp (Embankment Dams)	Dự kiến có hoạt động đào để cải tạo gần chân hạ lưu Kết cấu chống thấm (cutoff structure) là một phần của công tác cải tạo	Trong quá trình cải tạo, dự kiến chuyển động sẽ xảy ra bao nhiêu tại các vị trí cụ thể? Có thể thực hiện các phép đo nào để tăng độ tin cậy về hiệu quả hoạt động của kết cấu chống thấm?
Mái dốc đào và mái dốc tự nhiên (Excavated and Natural Slopes)	Mái dốc hiện hữu cần phải làm dốc đứng hơn (steepened) Có hiện tượng thấm (seepage) ảnh hưởng đến ổn định mái dốc	Chuyển động dự kiến hoặc ảnh hưởng của việc làm dốc đứng hơn mái dốc là gì? Mức độ tin cậy rằng thiết kế đã xét đến đúng mực nước ngầm là bao nhiêu?
Công trình ngầm (Underground Construction)	Hầm sẽ được thi công bên dưới mực nước ngầm Dự kiến có điều kiện đá nứt nẻ Dự kiến có các lớp vật liệu yếu xen kẹp	Mức độ tin cậy về khả năng kiểm soát nước là bao nhiêu? Mức độ tin cậy về sự biến đổi cấu trúc đá dọc theo tuyến công trình là bao nhiêu?
Cọc đóng (Driven Piles)	Đang xem xét áp dụng hệ móng sâu mới đối với khu vực này Đóng cọc trong môi trường đô thị	Mức độ tin cậy của tiêu chí nghiệm thu khi đóng cọc là bao nhiêu? Mức độ rung động đối với các công trình lân cận là bao nhiêu?
Cọc khoan nhồi (Drilled Shafts)	Tải trọng thiết kế lớn hơn so với các tải trọng đã từng sử dụng trong khu vực trước đây Cọc khoan nhồi sẽ được thi công bên dưới mực nước ngầm	Mức độ tin cậy về khả năng chịu tải ngang và vị trí mô-men uốn là bao nhiêu? Ảnh hưởng của việc đào bên dưới mực nước ngầm là gì?
Kết cấu chắn giữ đất (Earth Retaining Structures)	Kết cấu chắn giữ đất chưa từng được sử dụng trước đây trong khu vực Chiều cao tường vượt quá chiều cao đã từng thi công trong khu vực	Lún dự kiến của tường là bao nhiêu? Độ nghiêng dự kiến của tường là bao nhiêu? Mức độ tin cậy về tải trọng neo và hiện tượng từ biến (creep) dài hạn là bao nhiêu?
Hạ mực nước ngầm (Dewatering)	Hạ mực nước ngầm trong khu vực đô thị Hạ mực nước ngầm được xem là hạng mục nằm trên đường găng tiến độ thi công (critical path)	Việc hạ mực nước có diễn ra đồng đều hay không? Mức độ tin cậy về lưu lượng bơm và mức hạ mực nước là bao nhiêu?
Phụt vữa (Grouting)	Có sự không chắc chắn về lượng vữa hấp thụ (grout take) Phụt vữa trong đá nứt nẻ và địa hình karst Phụt vữa được thực hiện nhằm giảm thiểu khả năng lún của các công trình quan trọng	Mức độ tin cậy về lượng vữa hấp thụ dự kiến là bao nhiêu? Công tác kiểm chứng sau thi công có cung cấp dữ liệu kiểm chứng hữu ích hay không?
Cải tạo nền đất (Ground Improvement)	Các kỹ thuật trước đây chưa từng được áp dụng trong khu vực Cải tạo nền đất được thực hiện nhằm tăng cường hoặc làm cứng đất hiện hữu	Mức độ tin cậy về hiệu quả hoạt động dài hạn là bao nhiêu? Mức độ tin cậy về khả năng dự báo lún và sự gia tăng cường độ là bao nhiêu?
Kiểm soát trách nhiệm pháp lý (Liability Control)	Dự kiến có tranh chấp pháp lý (litigation) Khách hàng có thể bị liên đới trách nhiệm dựa trên điều kiện gặp phải tại hiện trường trong quá trình điều tra pháp lý	Các giả định thiết kế ban đầu phù hợp đến mức nào so với điều kiện thi công thực tế? Việc quan trắc bổ sung có mang lại lợi ích cho khách hàng hay không? Nếu có thì loại quan trắc nào?

\(\\\)

2-11 TÀI LIỆU ĐỌC THÊM

Chủ đề	Tài liệu tham khảo
Subsurface Exploration Khảo sát địa chất công trình	NCHRP. (2018). Manual on Subsurface Investigations (Cẩm nang về khảo sát nền đất). National Cooperative Highway Research Program. Publication No. CRP Project 21-20. Transportation Research Board, National Academies of Science Engineering, and Medicine, Washington, DC.
Cone Penetration Test Thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT)	Cone Penetration Testing (CPT) Design Manual for State Geotechnical Engineers (Cẩm nang thiết kế thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT) dành cho kỹ sư địa kỹ thuật tiểu bang). Report No. 2018-32, Minnesota Department of Transportation, St. Paul, MN, 2018.
In situ Measurements Đo đạc tại hiện trường (in situ)	Geotechnical Site Characterization (Xác định đặc trưng địa kỹ thuật của hiện trường). Geotechnical Engineering Circular No. 5. Publication No. NHI-16-072., Federal Highway Administration, U.S. Department of Transportation, Washington, D.C., 2016.
Groundwater Measurements Đo nước ngầm	Ground Water Manual (Cẩm nang về nước ngầm), Water Resources Technical Publication, United States Department of the Interior, Bureau of Reclamation, Washington, D.C., 1995.
Field Instrumentation Thiết bị quan trắc hiện trường	Geotechnical Instrumentation for Monitoring Field Performance (Thiết bị quan trắc địa kỹ thuật cho theo dõi hiện trạng công trình tại hiện trường). by J. Dunnicliff, John Wiley & Sons, New York, NY, 1993.

\(\\\)

2-12 KÝ HIỆU

Ký hiệu	Mô tả
D	Đường kính cánh cắt – VST
ED	Mô đun dilatometer – DMT
Ep	Mô đun pressuremeter – PMT
E’	Mô đun tương đương
fs	Ma sát thành – CPT
G	Mô đun cắt
ID	Chỉ số vật liệu
KD	Chỉ số ứng suất ngang – DMT
K0	Hệ số áp lực đất ngang ở trạng thái tĩnh
ks	Mô đun phản lực nền
qt	Sức kháng mũi đã chuẩn hóa – CPT
qu	Sức kháng mũi – CPT
RQD	Chỉ số chất lượng đá
St,fv	Độ nhạy theo cường độ kháng cắt không thoát nước từ thí nghiệm cắt cánh
su	Cường độ kháng cắt không thoát nước
su,fv	Cường độ kháng cắt không thoát nước từ thí nghiệm cắt cánh
sur,fv	Cường độ kháng cắt không thoát nước ở trạng thái nhào trộn lại từ thí nghiệm cắt cánh
Tmax	Mô men xoắn thuần lớn nhất cho thí nghiệm cắt cánh
Tres	Mô men xoắn dư cho thí nghiệm cắt cánh
V0	Thể tích ban đầu tính toán bên trong màng chưa bơm phồng trong PMT
μR	Hệ số hiệu chỉnh cánh cắt
pf	Điểm uốn được giả định để phân định sự chuyển đổi từ đáp ứng giả đàn hồi sang đáp ứng dẻo và là điểm có thể kỳ vọng xảy ra creep trong PMT
p0	Áp suất tại đó sự nén ép lại của đất bị xáo trộn ở thành lỗ khoan hoàn tất và bắt đầu sự giãn nở vào trong của đất không bị xáo trộn trong PMT, còn gọi là áp suất nâng bắt đầu
pr	Điểm chảy trong phần gia tải lại của chu kỳ dỡ tải-gia tải lại PMT, tại đó sự nén ép lại kết thúc và đất bắt đầu lại quá trình cắt dẻo
pl	Áp suất giới hạn trong PMT, tại đó đường cong trở nên tiệm cận trên biểu đồ áp suất – thể tích
pu	Áp suất nhỏ nhất trong giai đoạn dỡ tải của chu kỳ dỡ tải-gia tải lại PMT
σh0	Ứng suất ngang tổng

Hỗ trợ duy trì trang:

Tôi xây dựng trang này để chia sẻ các tài liệu kỹ thuật cốt lõi trong thiết kế hạ tầng giao thông.

Nếu bạn thấy nội dung hữu ích và muốn góp phần duy trì trang hoạt động bền vững, tôi rất trân trọng mọi sự ủng hộ.

Qua USD (Buy Me a Coffee)

BIDV • STK: 3101226659 • HOANG HAI HA