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 lên giá trị N của SPT
Đóng ống mẫu ở phía trên đáy ống vách	Ống mẫu bị đóng vào lớp đất đã bị xáo động và làm chặt nhân tạo	Tăng mạnh
Làm sạch đáy lỗ khoan không đầy đủ	Thí nghiệm không được thực hiện trong đất nguyên trạng in situ; đất có thể bị kẹt trong ống mẫu và có thể bị nén khi đóng ống mẫu, làm giảm tỷ lệ thu hồi	Tăng
Đo chiều cao rơi cẩu thả	Năng lượng búa thay đổi (thường các sai lệch tập trung về phía thấp)	Tăng
Búa đập lệch tâm vào đầu nối cần khoan	Năng lượng búa bị giảm	Tăng
Búa không rơi tự do do puly không bôi trơn, dây thừng mới quá nặng, quấn quá hai vòng trên tang quay, hoặc không nhả dây hoàn toàn ở mỗi nhát rơi	Năng lượng búa bị giảm	Tăng
Có sỏi thô hoặc cuội trong đất	Ống mẫu bị tắc hoặc bị cản trở khi xuyên	Tăng
Sử dụng cần khoan bị cong	Khả năng truyền năng lượng đến ống mẫu bị hạn chế	Tăng
Khối lượng búa không chính xác	Năng lượng búa thay đổi (do thợ khoan cung cấp búa; sai lệch 5–7% là phổ biến)	Tăng hoặc giảm
Đếm số nhát búa cẩu thả	Kết quả không chính xác	Tăng hoặc giảm
Sử dụng ống mẫu không tiêu chuẩn	Các tương quan với ống mẫu tiêu chuẩn không còn phù hợp	Tăng hoặc giảm
Không duy trì cột nước đầy đủ trong lỗ khoan	Đáy lỗ khoan có thể trở nên mềm nhão/chảy nhanh	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 ĐO MỰC NƯỚC NGẦM

Do tầm quan trọng của nó trong phân tích địa kỹ thuật, việc xác định vị trí mực nước ngầm là một nội dung then chốt của khảo sát dưới bề mặt. Trong quá trình khoan, người ta thường ghi nhận độ sâu tại đó lần đầu tiên gặp nước trong lỗ khoan và độ sâu tại đó mực nước ổn định sau khi khoan. Giá trị sau thường được ghi nhận sau khi lỗ khoan được để mở khoảng 24 giờ. Trong một số loại đất, thành lỗ sẽ sập nếu không được giữ hoặc chống đỡ (ví dụ: cát nằm dưới mực nước ngầm). Trong các trường hợp đó, có thể dùng ống đục lỗ làm ống vách tạm thời để chống sập lỗ khoan, đồng thời vẫn cho nước chảy qua các lỗ đục. Việc hiểu biết dao động theo mùa của nước ngầm là rất quan trọng, và có thể thực hiện đo dài hạn bằng cách chuyển các lỗ khoan thông thường thành piezometer, từ dạng giếng hở đến đầu đo điện tử.

Việc hiểu biết chế độ nước ngầm tại khu vực là cần thiết để diễn giải đúng các số liệu đo nước ngầm, đặc biệt là số liệu từ piezometer. Nước ngầm có thể xuất hiện ở các cao độ khác nhau trong phạm vi dưới bề mặt. Nó có thể là nước ngầm treo trong các vùng cô lập, hoặc có thể bị giam giữa các lớp đất có tính thấm thấp khác nhau. Ngoài ra, dòng chảy nước ngầm có thể ảnh hưởng đến việc diễn giải các mực nước đo được. Khi gradient thủy lực nhỏ và mực nước ngầm tương đối nằm ngang, độ sâu mực nước ngầm có thể được suy ra trực tiếp từ số đo piezometer. Tuy nhiên, khi có gradient lớn, áp lực nước đo được tại một điểm trong đất không thể dùng trực tiếp để tính chiều cao cột nước thẳng đứng phía trên điểm đó. Cần hiểu rõ điều kiện thấm (xem Chương 7-6) để thực hiện phép xác định này. Cuối cùng, cần phân biệt giữa điều kiện ổn định và điều kiện không ổn định theo thời gian. Điều kiện ổn định có thể được quan trắc hiệu quả bằng mọi loại piezometer. Tuy nhiên, trong điều kiện không ổn định (ví dụ: rút nước nhanh ở đập, 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 hệ đo có thời gian đáp ứng nhanh, như đầu đo kiểu màng.

2-8.1 Các loại piezometer ống đứng

Việc quan trắc mực nước ngầm bao gồm đo trực tiếp mực nước trong giếng hở, piezometer ống đứng hở, hoặc piezometer có phần tử lọc rỗng. Các loại piezometer ống đứng thông dụng dùng để quan trắc mực nước ngầm được minh họa trong Hình 2-13 và được tóm tắt trong Bảng 2-17. Loại ống đứng được lựa chọn phụ thuộc vào ưu tiên sử dụng, quy định áp dụng (nếu có), và loại đất dưới bề mặt nơi sẽ đo mực nước ngầm.

Ba bộ phận cơ bản của một piezometer ống đứng bao gồm:
(1) mũi lọc hoặc ống lọc giếng;
(2) ống đứng; và
(3) bộ phận trám kín ống đứng.

Các piezometer này có thể được lắp đặt bằng tay ở độ sâu nông, nhưng trong phần lớn trường hợp, chúng được lắp bằng thiết bị khoan sau khi hoàn thành lỗ 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	Đơn giản và tin cậy; có lịch sử sử dụng lâu dài; phù hợp với đất hạt thô; có thể cần/được dùng đường kính lớn cho quan trắc môi trường và lấy mẫu nước ngầm.	Thời gian đáp ứng chậm, đặc biệt trong đất hạt mịn; không thể quan trắc riêng từng tầng có các mực nước ngầm khác nhau; có nguy cơ bị đóng băng vào mùa đông.
Piezometer ống đứng hở	Đơn giản và tin cậy; có lịch sử sử dụng lâu dài; có thể quan trắc riêng từng tầng có các mực nước ngầm khác nhau; phù hợp với đất hạt thô.	Thời gian đáp ứng chậm trong đất có tính thấm thấp.
Piezometer phần tử lọc rỗng (thủy lực)	Thời gian đáp ứng nhanh; phù hợp với đất có tính thấm trung bình; thích hợp cho các ứng dụng bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện.	Không khí ẩm đi vào ống dẫn có thể ảnh hưởng đến số đọc; việc đo đạc tốn thời gian.
Piezometer phần tử lọc rỗng (điện tử)	Đáp ứng nhanh; độ nhạy cao; phù hợp cho đọc số liệu tự động.	Tương đối đắt; có thể cần hiệu chỉnh theo nhiệt độ và áp suất khí quyển; có thể phát sinh sai số trôi điểm không.

Vì giếng hở có lưới lọc toàn bộ chiều dài hoặc vùng lọc toàn bộ chiều sâu, nó phù hợp nhất để đo mực nước trong các lớp trầm tích tương đối đồng nhất có độ thấm cao. Khi đi qua nhiều tầng đất đá, mực nước ngầm sẽ tương ứng với tầng có tổng cột áp (total head) cao nhất. Một ưu điểm đáng kể của áp kế giếng hở là nó có thể được làm sạch và “phát triển” bằng cách bơm rửa nước từ ống đứng vào trong tầng địa chất, điều này rất quan trọng đối với các áp kế giếng hở được sử dụng cho các ứng dụng môi trường.

2-8.1.2 Áp kế ống đứng hở (Open Standpipe Piezometer)

Một áp kế ống đứng hở tương tự như giếng hở, ngoại trừ việc lưới lọc chỉ kéo dài qua một tầng địa chất cụ thể cần quan tâm. Các lớp đệm kín (seals) được lắp đặt phía trên và phía dưới vùng này để chỉ cho phép nước từ tầng cần quan tâm chảy vào. Áp kế ống đứng hở được minh họa trong Hình 2-13(b). Bên ngoài phần lưới lọc thử nghiệm, các vật liệu lấp được chọn lọc sẽ được sử dụng nhưng không nhất thiết phải là cát lọc. Một lớp đệm kín thường được đặt xung quanh ống đứng hở tại mặt đất.

Nhiều áp kế ống đứng hở có thể được lắp đặt để đo mực nước ngầm ở nhiều tầng khác nhau trong cùng một lỗ khoan thông qua việc lắp đặt cẩn thận các lớp đệm kín. Phương pháp này đôi khi được gọi là áp kế lồng (nested piezometer). Vị trí theo chiều dọc (ví dụ: độ sâu, độ dày và cao độ) của mỗi lớp đệm kín phải được đo đạc và ghi chép chính xác trong nhật ký khoan.

Một nhược điểm lớn của áp kế giếng hở và áp kế ống đứng hở là thời gian cân bằng dài có thể cần thiết để nước chảy từ tầng địa chất vào và làm đầy áp kế. Cho đến khi mực nước ngầm ổn định theo cách này, các kết quả đo đều không chính xác. Để giảm thời gian cân bằng, đường kính của ống đứng có thể được giảm xuống dưới 0,5 inch, giúp giảm lượng nước cần thiết để làm đầy ống.

2-8.1.3 Các bộ đo áp đầu lọc xốp (Porous Element Piezometers)

Nhược điểm chính của giếng hở và bộ đo áp ống đứng (open standpipe piezometer) là thời gian cân bằng có thể kéo dài để mực nước ngầm ổn định, vì ống đứng phải được lấp đầy bởi một lượng nước đáng kể từ các tầng địa chất. Các bộ đo áp đầu lọc xốp hoặc bộ đo áp thủy lực có một đầu típ bằng gốm hoặc kim loại xốp gắn vào một ống đứng có đường kính nhỏ.

Các phiên bản hiện đại sử dụng đầu lọc xốp với kích thước lỗ nhỏ hơn 50 microns, nhờ đó đầu típ có thể được sử dụng tiếp xúc trực tiếp với các loại đất hạt mịn. Một trong những ưu điểm chính của bộ đo áp đầu lọc xốp là thời gian cân bằng tương đối ngắn trong các loại đất hạt mịn có độ thấm thấp. Tuy nhiên, nước vẫn phải chảy từ tầng địa chất qua đầu lọc xốp và vào trong ống đứng để đạt được các phép đo mực nước ngầm chính xác.

2-8.2 Lắp đặt nhiều bộ đo hoặc lắp đặt lồng ghép (Multiple or Nested Installations)

Nhiều bộ đo áp ống đứng có thể được lắp đặt trong một lỗ khoan đơn lẻ với một lớp đệm bịt kín không thấm nước (impervious seal) ngăn cách các vùng đo khác nhau. Những hệ thống này được gọi là bộ đo áp lồng ghép (nested piezometers).

Khái niệm này mang lại lợi thế về chi phí, vì nó làm giảm số lượng lỗ khoan cần thiết (nhưng lại làm tăng độ khó/thách thức trong việc lắp đặt các lớp đệm bịt và xác định cao độ cụ thể), cũng như tăng số lượng “trở ngại” cho nhà thầu trong quá trình thi công. Tuy nhiên, nếu cần thực hiện các phép đo ở các vùng có khoảng cách thẳng đứng từ 10 feet (~3 mét) trở xuống, các bộ đo áp nên được lắp đặt trong các lỗ khoan riêng biệt.

2-8.3 Đo mực nước ngầm

Mực nước/cao độ nước ngầm có thể được xác định bằng phương pháp trực tiếp hoặc gián tiếp. Phương pháp trực tiếp gồm: (1) đo đạc cao độ đỉnh ống dâng và/hoặc mặt đất; (2) đo hoặc tính phần “nhô lên” của ống dâng phía trên mặt đất; và (3) đo khoảng cách theo chiều sâu từ đỉnh ống dâng đến mặt nước bên trong ống hở hoặc ống đứng. Sau đó có thể dễ dàng tính được cao độ mực nước ngầm. Có một số cách để đo khoảng cách từ mặt nước đến đỉnh ống dâng, bao gồm quả dọi, thước vải hoặc thước thép trắc địa có phủ phấn, hoặc thiết bị đo mực nước bằng điện có bán sẵn trên thị trường. Khi dùng các phép đo trực tiếp này, mực nước thường có thể được xác định với sai số khoảng 0.5 in.

Một phương pháp gián tiếp, nhưng chính xác hơn, để đo độ sâu mực nước trong giếng hở là dùng đầu đo điện có khả năng đo áp lực nước. Đầu đo này được gắn với một cáp treo và một cáp điện. Các vạch đánh dấu trên cáp điện được dùng để đo chiều dài đoạn cáp trong ống hở. Trên thị trường, các hệ di động này được gọi là thiết bị chỉ báo mực nước (water level indicators). Đầu đo được hạ xuống đến một độ sâu, thường gần đáy lỗ hở, sao cho đầu đo ngập trong nước. Cáp điện được nối ở mặt đất với một bộ hiển thị để đo áp lực do cột nước phía trên đầu đo gây ra. Từ trọng lượng riêng của nước (tức là 62.4 pcf hoặc 9.81 kN/m³), có thể tính được chiều sâu cột nước phía trên đầu đo; kết hợp với chiều dài cáp nằm trong ống hở thì có thể tính được mực nước ngầm trong ống.

Loại đầu đo này có thể nối với một bộ thu thập dữ liệu và mực nước ngầm có thể được ghi nhận tự động theo thời gian. Khả năng này thường khá hiệu quả và trên thực tế là một yêu cầu khi tiến hành thí nghiệm bơm nước ngầm, cũng như khi cần xác định cao độ nước ngầm phụ thuộc thời gian như một hàm của lưu lượng bơm để phục vụ các tính toán tiếp theo về tính thấm in situ của một tầng đất (xem Mục 2-9.2). Phương pháp gián tiếp cũng có thể sử dụng các đầu đo áp lực nước lỗ rỗng được phụt vữa hoặc bịt kín trực tiếp trong lỗ khoan mà không cần ống đứng. Thông tin chi tiết hơn về các đầu đo sử dụng với loại piezometer này được trình bày trong Mục 2-10.4.

Mặc dù đơn giản về mặt khái niệm, các kỹ thuật đo mực nước ngầm vẫn có một số hạn chế cố hữu. Trước hết, piezometer ống đứng cần có khả năng tiếp cận đến đỉnh của ống dâng thẳng đứng; bộ phận này thường nhô lên trên mặt đất và có thể dễ bị hư hại trong quá trình thi công. Nếu ống dâng được nối dài theo phương đứng trong quá trình thi công (ví dụ, lắp đặt trong nền đắp đang thi công), thì công tác nối dài phải được phối hợp cẩn thận với nhà thầu thi công đất. Việc đo mực nước bằng phương pháp 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 cần thiết để piezometer phản ứng với sự thay đổi của mực nước ngầm, vì nước phải chảy từ đất vào piezometer. Vì lý do này, piezometer nước ngầm được dùng để đo mực nước ngầm thủy tĩnh và không phù hợp để đo áp lực nước lỗ rỗng biến thiên theo thời gian. Các nguồn sai số khác ảnh hưởng đến số đọc của piezometer gồm khả năng nước mưa đi trực tiếp vào ống dâng do nắp bị mất hoặc bị phá hoại, nước mặt thấm vào lỗ khoan, và sự hình thành các bọt khí trong ống. Các phép đo mực nước ngầm gián tiếp bằng piezometer đầu lọc xốp không có ống đứng hoặc bằng đầu đo áp lực nước lỗ rỗng có thể khắc phục phần lớn các hạn chế này.

2-8.4 Phát hiện khí cháy

Các bọt khí trong nước ngầm có thể ảnh hưởng đến việc đo mực nước ngầm. Khí có thể tồn tại trong đất dưới bề mặt và còn có thể gây ra các mối nguy khác. Cụ thể, methane (CH₄) và các khí cháy khác có thể hiện diện trong đất và đá dưới bề mặt, đặc biệt tại các khu vực gần bãi chôn lấp chất thải rắn sinh hoạt (MSW), hoặc tại các khu vực ở gần hay nằm trên các vùng đất than bùn, đầm lầy và bãi lầy. Methane là khí cháy chủ yếu trong môi trường dưới bề mặt vì nó là một trong những sản phẩm phụ chính của quá trình phân hủy kỵ khí vật liệu hữu cơ. Loại khí chủ yếu còn lại là carbon dioxide (CO₂). Các thiết bị xách tay bán sẵn trên thị trường, được gọi là landfill gas analyzers, được dùng để phát hiện sự hiện diện và nồng độ của khí methane cháy trong các giếng khí bãi chôn lấp và các đầu dò quan trắc. Các thiết bị này lấy mẫu không khí/khí từ không gian kín trong giếng và lỗ khoan phía trên mực nước ngầm. Thiết bị thường hiển thị nồng độ các khí trong mẫu khí thu được.

Giới hạn nồng độ tới hạn của methane nằm trong khoảng từ 5 đến 17 phần trăm theo thể tích. Nồng độ methane nhỏ hơn 5 phần trăm được xem là quá “nghèo” để cháy hoặc bắt lửa và được gọi là giới hạn nổ dưới (lower explosive limit, LEL). Nồng độ methane lớn hơn 17 phần trăm được xem là quá “giàu” để bắt lửa và gây cháy bùng (tức nổ) và được gọi là giới hạn nổ trên (upper explosive limit, UEL). Nếu nồng độ methane đo được nằm trong khoảng 5 đến 17 phần trăm, thì phải loại bỏ mọi khả năng phát sinh tia lửa (ví dụ: đóng cọc, mài, hàn, hút thuốc), đồng thời cần xem xét bố trí hệ thống thông gió để bảo vệ người lao động.

2-9 ĐO LƯƠNG TÍNH CHẤT CỦA ĐẤT VÀ ĐÁ TẠI HIỆN TRƯỜNG

Lấy mẫu hiện trường và thí nghiệm trong phòng đôi khi có thể được bổ sung hoặc thay thế bằng thí nghiệm tại hiện trường, tức là các phép đo được tiến hành trực tiếp trên đất và đá “ngay tại chỗ”. Nói chung, chương trình thí nghiệm tại hiện trường có thể được thực hiện nhanh hơn và trong nhiều trường hợp có chi phí thấp hơn so với phần lớn các chương trình thí nghiệm trong phòng. Vì vậy, phương án này ngày càng trở nên phổ biến kể từ những năm 1980. SPT, CPT, DMT và DCP là bốn phương pháp thí nghiệm tại hiện trường phổ biến nhất, thường được liên hệ với các tham số kỹ thuật. Mục này trình bày các thí nghiệm tại hiện trường khác dùng để xác định sức kháng, độ cứng/mô đun và tính thấm của đất hiện hữu, cũng như của đất đắp đã được đầm chặt. Các phương pháp thí nghiệm tại hiện trường đối với đá cũng sẽ được đề cập.

Mặc dù chưa được áp dụng phổ biến ở mọi nơi, nhiều kỹ sư thực hành nhận thấy bút đo xuyên cầm tay (pocket penetrometer) và thiết bị cắt cánh hiện trường (field torvane) có mối tương quan hữu ích với sức kháng cắt đo được trong phòng thí nghiệm. Các phép thử này có thể được thực hiện trên bề mặt đất lộ ra ở đáy mẫu ống Shelby sau khi lấy lên. Những người sử dụng các phép thử này thường liên hệ kết quả với kết quả từ các thí nghiệm sức kháng trong phòng, nhằm nâng cao giá trị sử dụng của phép thử hiện trường. Mặc dù các phép thử này khá thường gặp trong thực tế, kết quả của chúng rất kém chính xác và không nên dùng cho thiết kế.

2-9.1 Sức kháng và các đặc trưng biến dạng của đất

Thí nghiệm pressuremeter, thí nghiệm cắt cánh và thí nghiệm bàn nén là những phương pháp thí nghiệm tại hiện trường được sử dụng phổ biến nhất để đánh giá sức kháng và độ cứng của đất. Phần tóm tắt và so sánh các phép thử này được trình bày trong Bảng 2-18. Khi có sẵn các tiêu chuẩn ASTM, chúng đã được đưa vào bảng.

Bảng 2-18 Các phương pháp thí nghiệm tại hiện trường dùng trong đất
để xác định sức kháng và đặc trưng biến dạng (theo FHWA 2002)

Phương pháp và số ASTM	Quy trình	Loại đất áp dụng	Chỉ tiêu đất áp dụng	Hạn chế / Nhận xét
Pressuremeter khoan tạo lỗ trước (PMT) ASTM D4719	Lỗ khoan được tạo trước và đáy lỗ được chuẩn bị cẩn thận. Áp lực cần thiết để làm giãn màng trụ đến một mức biến dạng thể tích hoặc biến dạng hướng kính nhất định được ghi lại.	Đất sét, đất bụi, than bùn; phản ứng giới hạn trong một số loại cát và sỏi	E, G, mv, su	Công tác chuẩn bị lỗ khoan là bước quan trọng nhất để có kết quả tốt; là phép thử tốt để tính toán các đặc trưng biến dạng ngang
Pressuremeter dịch chuyển toàn phần (PMT)	Đầu dò hình trụ có gắn pressuremeter phía sau đầu côn được ép thủy lực xuyên qua đất và dừng tại các khoảng cách chọn trước để thí nghiệm. Áp lực cần thiết để làm giãn màng trụ đến một mức thể tích hoặc biến dạng hướng kính nhất định được ghi lại.	Đất sét, đất bụi và than bùn	E, G, mv, su	Sự xáo trộn trong quá trình xuyên đầu dò có thể dẫn đến mô đun ban đầu lớn hơn thực tế và che lấp áp lực tách màng (p0); là phép thử tốt để tính toán các đặc trưng biến dạng ngang
Thí nghiệm cắt cánh (VST) ASTM D2573	Cánh cắt bốn lá được ép xuống đáy lỗ khoan. Cánh được quay chậm cho đến khi ghi được mô men xoắn cực đại cần thiết để quay. Sau đó cánh được quay nhanh thêm 10 vòng và mô men xoắn dư được ghi lại.	Đất sét, một số đất bụi và than bùn nếu có thể giả định điều kiện không thoát nước. Không dùng cho đất hạt rời	su, St, σ′p	Có thể xảy ra xáo trộn trong đất sét mềm nhạy, làm giảm sức kháng cắt đo được; có thể xảy ra thoát nước một phần trong đất sét nứt nẻ và vật liệu đất bụi, dẫn đến sai số trong sức kháng tính toán; cần xét đến ma sát cần khi tính sức kháng; đường kính cánh và khả năng của cờ lê đo mô men cần được chọn phù hợp để bảo đảm số đo đầy đủ trong các loại đất sét khác nhau
Thí nghiệm bàn nén (PLT) ASTM D1196	Một bàn thép tròn, cứng được ép thủy lực vào đất và quan hệ giữa ứng suất chịu tải với độ lún thẳng đứng được ghi lại.	Mọi loại đất và đá, đặc biệt hữu ích trong nền cấp phối đá dăm không liên kết cho mặt đường	qult, ks	Chiều sâu ảnh hưởng hạn chế; phép thử ngắn hạn sẽ không phản ánh ảnh hưởng của cố kết; thường không được dùng như một phần của 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; s_u = sức kháng cắt không thoát nước; S_t = độ nhạy; σ′_p = ứng suất tiền cố kết; q_ult = sức chịu tải giới hạn; k_s = mô đun phản lực nền.

2-9.1.1 Thí nghiệm nén ngang (Pressuremeter Test – PMT)

Thí nghiệm nén ngang (PMT) được phát triển lần đầu tiên vào khoảng năm 1955. Trong thí nghiệm PMT, một màng ngăn từ một đầu đo hình trụ được bơm căng để ép vào thành của một lỗ khoan hở. Độ giãn nở theo phương bán kính sẽ được đo đạc, và phản ứng này được sử dụng để tính toán các đặc tính về cường độ và biến dạng cụ thể của các lớp đất dưới bề mặt.

PMT có thể được thực hiện trên nhiều loại vật liệu khác nhau, bao gồm cát, đất phong hóa (residual soil), đất sét tảng lăn (tills) và đá mềm — những loại vật liệu thường khó lấy mẫu. Loại thí nghiệm “truyền thống” được gọi là máy nén ngang “đặt trong lỗ khoan có sẵn” hoặc “máy nén ngang Menard”.

Các loại hình khác bao gồm:

• Máy nén ngang tự khoan (SBPMT): Có tích hợp mũi cắt riêng và không yêu cầu lỗ khoan có sẵn.
• Máy nén ngang chiếm chỗ hoàn toàn hoặc dạng côn (CPMT): Được đẩy vào trong lòng đất, thường là đi sau một thiết bị xuyên tĩnh có đo áp lực nước lỗ rỗng (piezocone).

Sơ đồ về thiết bị và quy trình thí nghiệm PMT được trình bày trong Hình 2-14.

Như thể hiện trong Hình 2-14, thiết bị cần để thực hiện PMT gồm một đầu dò hình trụ có khả năng giãn nở, màng cao su, ống bọc ngoài có rãnh, các đường ống áp lực và bộ điều khiển. Quy trình PMT được quy định trong ASTM D4719, có thể tham khảo để biết thêm chi tiết về phương pháp thí nghiệm. Màng trong được làm giãn nở bằng áp lực thủy lực để thu được đường cong quan hệ giữa áp lực giãn nở và thể tích. Trong quá trình gia tải, đất bị xáo trộn trong lỗ khoan trước hết sẽ bị nén ép, sau đó là giai đoạn đáp ứng giả đàn hồi, rồi đến chảy dẻo. Sau khi gây ra chảy dẻo, một thí nghiệm từ biến được thực hiện bằng cách giữ áp lực không đổi cho đến khi độ giãn nở ngang giảm xuống dưới một ngưỡng xác định. PMT kết thúc bằng một chu trình dỡ tải–gia tải lại để xác định rõ hơn các đặc trưng đàn hồi.

Các kết quả điển hình của PMT về quan hệ giữa áp lực và độ thay đổi thể tích được trình bày trong Hình 2-15, cùng với định nghĩa của 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 đã được sử dụng để ước tính hệ số áp lực đất ngang ở trạng thái tĩnh \((K_0)\), độ cứng của đất và sức kháng cắt không thoát nước \((s_u)\).

• Hệ số áp lực đất ngang ở trạng thái tĩnh \((K_0)\): Khi bắt đầu bơm phồng, màng sẽ giãn nở cho đến khi tiếp xúc với thành lỗ khoan. Trong PMT, \(p_0\) có liên hệ với ứng suất ngang tổng cộng tại hiện trường, kết hợp với ứng suất đứng sẽ cho phép tính được \(K_0\). Do ảnh hưởng của dỡ tải và sự xáo trộn trong quá trình khoan tạo lỗ, độ chính xác của phép tính này còn đáng nghi ngờ. Để đánh giá chính xác ứng suất ngang tại hiện trường và \(K_0\), nên xem xét sử dụng pressuremeter tự khoan. Điểm A trong Hình 2-16 là biểu diễn tương đối chính xác của ứng suất ngang tổng cộng trong đất.
• Độ cứng: Độ cứng đàn hồi của đất có thể được ước tính từ độ dốc của đường cong pressuremeter trong chu trình dỡ tải–gia tải lại, tại đó ứng xử được giả định là gần đàn hồi. Một kỹ thuật tính mô đun pressuremeter \((E_p)\), trong khi một kỹ thuật khác sử dụng lý thuyết giãn nở khoang để tính mô đun cắt \(G\) (Gibson và Anderson 1961, Windle và Wroth 1977).
• Sức kháng cắt không thoát nước \((s_u)\): Có các phương pháp để ước tính sức kháng cắt không thoát nước từ kết quả pressuremeter, nhưng các giá trị thu được kém tin cậy hơn so với các phép thí nghiệm tại hiện trường khác, như thí nghiệm xuyên côn hoặc thí nghiệm cắt cánh.

2-9.1.1.2 Hạn chế

Thí nghiệm nén ngang nhạy cảm với quy trình thí nghiệm. Trong đất rất mềm và trong cát, có thể khó duy trì sự ổn định của thành lỗ khoan trước khi đưa đầu dò vào. Trong những trường hợp như vậy, có thể cần dùng pressuremeter tự khoan. Các chỗ không đều trên thành lỗ khoan cũng ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm, và pressuremeter tự khoan giúp loại bỏ một phần bất lợi này. SBPMT thường đòi hỏi người thực hiện phải có kinh nghiệm chuyên sâu với cả phép thử và thiết bị. Việc diễn giải kết quả thí nghiệm nén ngang có cơ sở lý thuyết rõ ràng, do đó cần duy trì hoặc điều kiện thoát nước hoặc điều kiện không thoát nước. Pressuremeter có chiều dài tương đối lớn (tức là thường lớn hơn 2 ft) và kết quả phản ánh giá trị trung bình của đất trong suốt chiều dài đó. Vì lý do này, PMT thích hợp nhất khi dùng trong các tầng đất tương đối đồng nhất và không được kỳ vọng sẽ cung cấp các tham số đáng tin cậy trong đất phân tầng. Thiết bị pressuremeter có nhiều bộ phận chuyển động, nên cần được bảo dưỡng và 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 Độ dẫn thủy lực của đất

Độ dẫn thủy lực là một trong những tính chất vật liệu biến thiên nhiều nhất trong số các tính chất thường được đo đạc và sử dụng trong phân tích địa kỹ thuật, với khoảng biến thiên vượt quá mười bậc độ lớn. Việc đo chính xác độ dẫn thủy lực rất nhạy với loại đất, mức độ xáo trộn của đất, địa tầng tại hiện trường và sự biến thiên của tầng đất trong phạm vi khu vực khảo sát. Việc thí nghiệm trong phòng để xác định độ dẫn thủy lực của đất, ngay cả trên các mẫu lấy lên có mức độ xáo trộn rất nhỏ, cũng có thể không phản ánh được độ dẫn thủy lực của tầng đất tự nhiên vì mẫu thí nghiệm trong phòng có kích thước khá nhỏ và chắc chắn không đại diện cho một vật liệu đã được hình thành về mặt địa chất và chịu phong hóa. Nếu đất tại hiện trường tương đối đồng nhất và có thể lấy mẫu với mức độ xáo trộn nhỏ (ví dụ: đất sét đồng nhất), thì thí nghiệm trong phòng có thể là đủ và phù hợp. Tuy nhiên, đối với các tầng đất hạt thô, gần như không thể lấy được mẫu nguyên dạng, và các thí nghiệm độ dẫn thủy lực tại hiện trường thường được sử dụng. Đặc biệt, các thí nghiệm tại hiện trường rất quan trọng đối với các tầng đất hạt thô đồng nhất. Các tương quan dựa trên thành phần cấp phối hạt cũng rất thường được áp dụng cho các tầng đất hạt thô (xem Chương 8).

Năm đặc trưng vật lý sau đây ảnh hưởng đến hiệu quả và phạm vi áp dụng của các thí nghiệm độ dẫn thủy lực tại hiện trường:
\(\qquad \)(1) vị trí mực nước,
\(\qquad \)(2) loại đất hoặc đá,
\(\qquad \)(3) chiều sâu vùng thí nghiệm,
\(\qquad \)(4) độ dẫn thủy lực của vùng thí nghiệm, và
\(\qquad \)(5) tính không đồng nhất và tính dị hướng của vùng thí nghiệm.

Những khó khăn vốn có trong thí nghiệm độ dẫn thủy lực tại hiện trường đòi hỏi phải hết sức cẩn thận để giảm thiểu các nguồn sai số và diễn giải đúng, đồng thời hiệu chỉnh các sai lệch so với điều kiện thí nghiệm lý tưởng. Nhiều khó khăn trong số này có thể được khắc phục bằng cách lập kế hoạch thí nghiệm nhằm cô lập các vùng vật liệu cụ thể được giả thiết là đồng nhất.

Trong khảo sát địa kỹ thuật, các thí nghiệm độ dẫn thủy lực tại hiện trường thường được sử dụng nhiều nhất cho đập, màn chống thấm, các dự án địa kỹ thuật môi trường, và các công trình có thành phần địa chất thủy văn đáng kể. Đối với các ứng dụng địa kỹ thuật thuần túy, thí nghiệm độ dẫn thủy lực ở trạng thái ổn định phổ biến hơn nhiều so với thí nghiệm trạng thái không ổn định. Ngoài ra, thí nghiệm độ dẫn thủy lực bão hòa phổ biến hơn nhiều so với thí nghiệm tại hiện trường trong điều kiện không bão hòa. Phần tóm tắt ngắn gọn về bốn loại thí nghiệm độ dẫn thủy lực tại hiện trường thông dụng nhất được trình bày trong Bảng 2-19.

Cần có trình độ chuyên môn đáng kể để đo chính xác độ dẫn thủy lực của đất tại hiện trường. Các đơn vị chuyên môn chuyên biệt nhiều khả năng sẽ cung cấp kết quả chính xác hơn và nhanh hơn so với nhân sự được sử dụng cho công tác khoan và lấy mẫu thông thường. Các đơn vị chuyên biệt này có đội ngũ gồm các kỹ sư địa kỹ thuật và chuyên gia địa chất thủy văn thường xuyên thực hiện các thí nghiệm thấm tại hiện trường.

Bảng 2-19. Tóm tắt các quy trình thí nghiệm tại hiện trường để đo độ dẫn thủy lực của các tầng đất

Loại thí nghiệm	Mô tả	Ưu điểm và nhược điểm
Thí nghiệm cột nước không đổi	Nước được cấp vào một ống hở đầu (hố khoan có ống chống) với lưu lượng không đổi. Mực nước trong hố được duy trì ở cao độ không đổi.	Có thể thực hiện trong đất bão hòa và bán bão hòa. Khó thực hiện trong đất có hệ số thấm rất lớn hoặc rất nhỏ. Chỉ một vùng đất nhỏ được thí nghiệm (nếu không dùng đoạn lọc).
Thí nghiệm cột nước thay đổi, cột nước dâng và cột nước hạ (ASTM D4044)	Một đoạn của hố khoan được đặt ống lọc. Một “slug” nước được lấy ra khỏi hoặc thêm vào hố khoan. Cao độ mực nước được ghi lại theo thời gian.	Việc thi công và phát triển giếng khó hơn so với thí nghiệm cột nước không đổi. Việc xử lý số liệu có thể phức tạp.
Thí nghiệm áp lực	Một đoạn hố khoan được cô lập hoặc bịt kín bằng “packer”. Có thể tác dụng áp lực tăng thêm để tạo lưu lượng lớn hơn.	Phù hợp nhất cho khảo sát sâu. Có thể thực hiện ở trên hoặc dưới mực nước ngầm. Có thể dùng để xác định độ dẫn thủy lực của đá nứt nẻ.
Thí nghiệm bơm nước	Lắp đặt giếng bơm và các giếng quan trắc bố trí theo phương xuyên tâm từ giếng bơm. Ghi lại lượng nước bơm và cao độ mực nước trong các giếng theo thời gian. Sử dụng phân tích giải tích hoặc phân tích số để xác định các thông số thủy lực của tầng đất.	Tốn kém hơn các phương pháp khác. Khó biện minh cho chi phí tăng thêm trong các dự án địa kỹ thuật thông thường. Cung cấp thêm thông tin về hệ số truyền dẫn và hệ số nhả nước của tầng chứa nước. Khảo sát một thể tích đất lớn hơn các phương pháp khác. Thời gian thí nghiệm dài.

2-9.3 Đất đắp có kiểm soát (engineered fill) và công tác đất

Độ ẩm/hàm lượng nước và dung trọng của đất đầm chặt ở trạng thái sau đầm (thường được gọi là khối lượng thể tích) là một thành phần quan trọng trong thực hành địa kỹ thuật liên quan đến việc thi công đất đắp có kiểm soát hoặc các công tác đất (ví dụ: đập, nền đắp, v.v.). Trong phạm vi nội dung này, các thuật ngữ độ ẩm và dung trọng sẽ được sử dụng. Các kỹ sư địa kỹ thuật từ lâu đã nhận thấy rằng nhiều tính chất kỹ thuật mong muốn của cả vật liệu đầm chặt hạt mịn lẫn hạt thô đều phụ thuộc vào độ ẩm đầm chặt và/hoặc dung trọng. Hàm lượng nước khi đầm quan trọng hơn nhiều đối với đất hạt mịn so với đất hạt thô. Mục này tập trung vào việc sử dụng và những hạn chế của nhiều kỹ thuật hiện đang được áp dụng trong thực tế để đo các đại lượng quan trọng này.

Cần lưu ý rằng hiện nay đã có các thiết bị đầm có khả năng đo độ cứng của đất ngay trong quá trình đầm (“on-the-fly”) (McGuire và nnk., 2009). Các thiết bị đầm chuyên dụng 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 vốn được đưa vào các chỉ dẫn kỹ thuật cho công tác đất.

2-9.3.1 Đo dung trọng của đất ở trạng thái sau đầm

Có thể sử dụng bốn nhóm phương pháp chính để đánh giá dung trọng của đất ở trạng thái sau đầm:
\(\qquad \)(1) các phương pháp thế chỗ;
\(\qquad \)(2) các phương pháp ống đóng;
\(\qquad \)(3) các phương pháp dùng thiết bị hạt nhân; và
\(\qquad \)(4) các phương pháp dùng thiết bị không hạt nhân.
Tất cả các phương pháp này đều thực hiện phép đo từ bề mặt đất để đánh giá các đặc trưng của lớp đất gần mặt. Mục này trình bày về từng nhóm phương pháp và các phương pháp tương ứng.

2-9.3.1.1 Phương pháp thế chỗ

Trong các phương pháp thế chỗ, kỹ thuật thế chỗ bằng cát và kỹ thuật thế chỗ bằng bóng nước là hai phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất do tính đơn giản, khả năng áp dụng cho nhiều loại vật liệu và bề dày về hiệu quả thực tế cũng như độ chính xác đã được kiểm chứng. Ở cả hai trường hợp, một khối lượng đất đã biết được đào lấy ra khỏi nền. Sau đó dùng cát hoặc nước có dung trọng đã biết để xác định thể tích của hố đào. Kết quả sẽ chính xác hơn khi đo với thể tích lớn. Các phương pháp thế chỗ dùng để xác định dung trọng tổng của đất. Hàm lượng nước của phần đất đào ra phải được xác định để tính dung trọng khô.

Phương pháp thế chỗ bằng cát, thường được gọi là phương pháp rót cát (“sand cone”), là phép thử thế chỗ được sử dụng phổ biến nhất để xác định dung trọng khô của đất tại hiện trường. Sơ đồ thiết bị rót cát được thể hiện ở Hình 2-18. Được tiêu chuẩn hóa lần đầu vào năm 1958 (ASTM D1556), phương pháp rót cát vẫn là phép thử chuẩn tham chiếu được công nhận cho tất cả các phương pháp khác dùng để đánh giá dung trọng đất tại hiện trường. Kết quả ổn định phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của người thao tác và sự cẩn thận khi thực hiện thí nghiệm.

Thí nghiệm thế chỗ bằng bóng nước (ASTM D2167) sử dụng cùng nguyên lý như phương pháp rót cát. Hố đào trong đất được lót bằng một quả bóng nước (tức là một màng mỏng kín nước), sau đó được bơm đầy bằng nước có áp từ một bình chứa đã được hiệu chuẩn thể tích, như thể hiện ở Hình 2-19. Không nên sử dụng phương pháp bóng nước trong đất có chứa lượng sỏi đáng kể vì có thể làm thủng bóng. Phương pháp bóng nước nói chung cho kết quả ổn định và chính xác khi được thực hiện đúng cách, mặc dù độ ổn định không cao bằng phương pháp rót cát (Berney và nnk., 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 hạt nhân để đánh giá khối lượng thể tích của đất
(Berney và nnk., 2013, 2016)

Thiết bị không hạt nhân	Công nghệ đo	Hiệu quả ngoài hiện trường
Moisture-Density Indicator (M-DI)	Xung điện từ và phép phản xạ miền thời gian được dùng để xác định dung trọng tổng và hàm lượng ẩm	Cần phần mềm của bên thứ ba, việc lắp đặt khó khăn nếu muốn tránh gây xáo trộn
Electrical Density Gauge (EDG)	Sóng tần số vô tuyến cao đo hằng số điện môi, điện dung và trở kháng của đất; từ đó tính dung trọng tổng và hàm lượng ẩm	Độ chụm cao nhất, nhưng độ chính xác ở mức trung bình; cần hiệu chuẩn nhiều theo loại đất cụ thể tại hiện trường để bảo đảm độ chính xác
Soil Density Gauge (SDG)	Phổ trở kháng điện (EIS) được dùng để đo không tiếp xúc dung trọng tổng và hàm lượng ẩm	Chính xác nhưng độ chụm không cao khi đo khối lượng thể tích; cần hiệu chuẩn theo đất tại hiện trường (ví dụ: cỡ hạt và các giới hạn Atterberg)
Thiết bị đo khối lượng thể tích đất được miễn giấy phép	Nguồn hạt nhân mức thấp (Cesium-127) được dùng để đo dung trọng tổng, được miễn cấp phép NRC do kích thước nguồn nhỏ	Có tương quan cao với kết quả từ thiết bị đo hạt nhân truyền thống
Lightweight Falling Deflectometer (LFD); Dynamic Cone Penetrometer (DCP); Impact Soil Tester (IST), 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 dung trọng và hàm lượng ẩm	Không thiết bị nào trong số này đo trực tiếp dung trọng hoặc hàm lượng ẩm; mức tương quan với dung trọng và hàm lượng ẩm là kém

\(\\\)

2-9.3.2 Đo hàm lượng ẩm của đất ở trạng thái sau đầm

Phương pháp tiêu chuẩn để đo hàm lượng ẩm là dùng tủ sấy trong phòng thí nghiệm, và đây là cơ sở so sánh thích hợp cho tất cả các phương pháp khác. Tuy nhiên, việc sấy trong tủ cần thời gian 24 giờ ở nhiệt độ \(110^\circ\text{C} \pm 5^\circ\text{C}\) (ASTM D2216), nên quá chậm đối với công tác kiểm soát chất lượng đất đắp có kiểm soát. Ít nhất đã có mười phương pháp thay thế được phát triển để đánh giá hàm lượng ẩm tại hiện trường. Các phương pháp này có thể được phân thành:
\(\qquad \)(1) phương pháp khối lượng, trong đó đất thực sự được gia nhiệt và sấy khô; hoặc
\(\qquad \)(2) phương pháp gián tiếp, trong đó hàm lượng ẩm được tương quan với một tham số khác, vì đất không được sấy khô vật lý.

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

Bảng 2-21. Các phương pháp thí nghiệm khối lượng để xác định hàm lượng ẩm
(theo Berney và nnk., 2013)

Kỹ thuật (Tiêu chuẩn)	Tóm tắt	Nhận xét
Tủ sấy trong phòng thí nghiệm (ASTM D2216)	Mẫu được sấy trong tủ sấy thông thường ở nhiệt độ 110°C trong 24 giờ	Là tiêu chuẩn dùng để so sánh với tất cả các phương pháp khác, cần thời gian thí nghiệm dài (khoảng 24 giờ)
Lò vi sóng tiêu chuẩn (700 W) (ASTM D4643)	Mẫu được gia nhiệt và cân lặp lại theo từng khoảng 1 phút cho đến khi khối lượng khô không đổi	Kết quả nhạy với từng lò vi sóng cụ thể và loại đất; việc dùng các chu kỳ 1 phút giúp giảm khả năng quá nhiệt; cần điện; thời gian thí nghiệm tương đối nhanh (xấp xỉ vài phút)
Lò vi sóng hiện trường (công suất thấp) (ASTM D4643)	Mẫu được gia nhiệt 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
Gia nhiệt trực tiếp (ASTM D4959)	Mẫu được gia nhiệt trong một vật chứa đặt trực tiếp trên ngọn lửa của bếp; các chu kỳ gia nhiệt và làm nguội được sử dụng cho đến khi mẫu đạt khối lượng không đổi	Thời gian gia nhiệt sẽ thay đổi tùy theo kích thước mẫu thí nghiệm
Máy phân tích độ ẩm (không áp dụng tiêu chuẩn)	Mẫu được sấy dưới đèn halogen hoặc phần tử gia nhiệt hồng ngoại trên một cân chuyên dụng trong phòng thí nghiệm; bộ điều khiển bên trong định kỳ cân mẫu và tự động kết thúc thí nghiệm	Không được dùng theo cách truyền thống trong các ứng dụng địa kỹ thuật do kích thước mẫu thí nghiệm nhỏ (ví dụ, nhỏ hơn 50 g)

\(\\\)

Một số phương pháp gián tiếp đã được phát triển để đánh giá hàm lượng 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 cho nhiệt độ (ví dụ: áp suất khí, sự thay đổi hằng số điện môi, trở kháng điện, v.v.). Hàm lượng ẩm có một phép thử chuẩn đối chứng có thể và nên được sử dụng — đó là tủ sấy trong phòng thí nghiệm. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, có thể biểu diễn theo các đại lượng thống kê như độ chệch, độ đúng và độ chụm. Bảng 2-23 tóm tắt việc so sánh các kỹ thuật này (Berney và nnk., 2012, 2013).

Bảng 2-22. Các phương pháp thí nghiệm gián tiếp để đánh giá hàm lượng ẩm của đất ở trạng thái sau đầm
(theo Berney và nnk., 2012)

Kỹ thuật (Tiêu chuẩn)	Tóm tắt	Nhận xét
Thiết bị đo khối lượng thể tích hạt nhân (NDG) (ASTM D6938)	Một nguồn nơtron được dùng để xác định nồng độ hydro theo phương pháp “tán xạ ngược”; hydro được giả định tồn tại dưới dạng nước trong đất; đo lớp đất phía trên cùng dày 4 in	Là phương pháp được dùng 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 bởi lớp đất gần bề mặt nhất
Thiết bị đo khối lượng thể tích điện (EDG) (ASTM D7698)	Sóng vô tuyến tần số cao được dùng để đo hằng số điện môi của đất, đại lượng này được tương quan với hàm lượng ẩm	Phụ thuộc rất nhiều vào loại đất và cần hiệu chuẩn thiết bị theo loại đất cụ thể tại hiện trường; tính ra hàm lượng ẩm trung bình trong một khối đất tương đối lớn
Thiết bị đo khối lượng thể tích đất (SDG) (không áp dụng tiêu chuẩn)	Phép thử không tiếp xúc dùng phổ trở kháng điện (EIS) để đánh giá hằng số điện môi của đất	Tương tự EDG vì cả hai đều đo hằng số điện môi; kết quả là giá trị ước tính trung bình của hàm lượng ẩm; bị ảnh hưởng bởi điều kiện ẩm gần bề mặt
Thiết bị đo ẩm bằng áp suất khí (còn gọi là Speedy) (ASTM D4944)	Thuốc thử canxi cacbua phản ứng với nước để tạo ra khí axetylen trong một bình áp lực kín; áp suất khí tỉ lệ với hàm lượng ẩm	Dùng cỡ mẫu nhỏ nên phải chọn mẫu cẩn thận; khí axetylen sinh ra phải được xả an toàn cẩn thận; thuốc thử phải được giữ khô; cho kết quả nhanh
Thiết bị điện từ (không áp dụng tiêu chuẩn)	Một đầu dò điện từ được dùng để đo hằng số điện môi bằng “điện dung trường rìa”	Có thể là một phần của thiết bị đo khối lượng thể tích đất được miễn giấy phép; các nhận xét nhìn chung tương tự như với EDG

\(\\\)

Bảng 2-23. Độ chệch, độ đúng và độ chụm của các phương pháp thí nghiệm dùng
để đo hàm lượng ẩm của đất ở trạng thái sau đầm (theo Berney và nnk., 2012, 2013)

Phương pháp	Độ chệch (Hệ số góc)	Độ đúng (R²)	Độ chụm (Độ lệch chuẩn)
Tủ sấy trong phòng thí nghiệm	1.00	0.995	0.087
Lò vi sóng tiêu chuẩn	1.11	0.973	0.109
Lò vi sóng hiện trường	0.924	0.976	0.145
Gia nhiệt trực tiếp	1.027	0.964	0.159
Máy phân tích độ ẩm	0.731	0.915	0.044
Thiết bị đo khối lượng thể tích hạt nhân	0.922	0.970	0.091
Thiết bị đo khối lượng thể tích điện	1.01	0.866	0.253
Thiết bị đo khối lượng thể tích đất	0.979	0.936	0.175
Thiết bị đo ẩm bằng áp suất khí	1.405	0.867	0.056
Đầu dò điện từ	1.096	0.857	~0.10 (tương tự NDG)
Giải thích (để so sánh các phép đo hàm lượng ẩm ngoài hiện trường và trong tủ sấy)	Độ dốc của xu thế: hệ số góc > 1 cho thấy dự đoán cao hơn thực tế, hệ số góc < 1 cho thấy dự đoán thấp hơn thực tế	Thước đo mức độ phân tán quanh xu thế, R² = 1 cho kết quả không có độ phân tán	Thước đo mức độ phân tán quanh giá trị trung bình; độ lệch chuẩn càng tiến gần 0 thì kết quả càng có độ chụm cao

\(\\\)

2-9.4 Tính chất của đá

Các thí nghiệm về cường độ và độ cứng trên lõi đá có xu hướng phản ánh đặc trưng của đá “nguyên khối”, trong khi tính năng làm việc của đá ngoài hiện trường lại bị chi phối bởi các mặt bất liên tục trong đá (Deere và Deere 1988; Bieniawski 1989). Vì vậy, các thí nghiệm tại hiện trường có xét đến các bất liên tục trong đá và đánh giá ảnh hưởng của chúng là rất hữu ích. Các thí nghiệm được trình bày trong mục này gồm: tải trọng tấm, kích phẳng, áp kế đá, cắt lỗ khoan trong đá, cắt trực tiếp ngoài hiện trường và thí nghiệm độ dẫn thủy lực của khe nứt đá. Do tính chuyên biệt của các thí nghiệm này và chi phí thiết bị, nhiều phương pháp thí nghiệm tại hiện trường cho đá được giao thầu phụ cho các nhà thầu chuyên ngành.

2-9.4.1 Thí nghiệm cường độ và độ cứng của khối đá

Thí nghiệm tải trọng tấm (ASTM D4394, D4395) trên đá là một phương pháp tại hiện trường dùng để đánh giá độ cứng của khối đá (Goodman 1989, George và nnk. 1999). Thí nghiệm này cũng có thể đánh giá cường độ của đá có cường độ trung bình đến thấp. Kết quả của thí nghiệm tải trọng tấm trên đá được biểu diễn theo quan hệ ứng suất so với chuyển vị (Hình 2-22). Các thí nghiệm thường bao gồm một loạt chu kỳ gia tải và dỡ tải để giúp tách riêng ảnh hưởng của khe nứt và các mặt bất liên tục. Nói chung, kết quả được phân tích bằng các nghiệm dựa trên lý thuyết đàn hồi để tính toán mô đun tương đương, (E’) (Hoek 2007, Goodman 1989).

Thí nghiệm bàn nén tấm yêu cầu một hệ phản lực lớn để tạo ra lực cần thiết. Như một phương án thay thế, khái niệm kích phẳng là dùng một kích thủy lực phẳng, tương đối mỏng (ví dụ, dày khoảng 0.25 in), được chèn vào một khe cắt trong đá, nhờ đó cho phép khối đá tự cung cấp phản lực của chính nó. Thí nghiệm kích phẳng (ASTM D4729) được thực hiện để đánh giá trạng thái ứng suất tại hiện trường trong đá và độ cứng của khối đá.

Đối với một kỹ sư địa kỹ thuật quen thuộc với thí nghiệm đất tại hiện trường, thuật ngữ “áp kế đá” có phần không thật chính xác, vì thực ra nó là một pressuremeter công suất lớn (xem Mục 2-9.1.1). Quy trình vận hành của áp kế đá nhìn chung tương tự như trình bày trong ASTM D4719. Thí nghiệm áp kế đá bao gồm việc đặt một đầu dò hình trụ dài vào một lỗ khoan trong đá rồi bơm phồng một màng trên đầu dò. Màng này giãn nở theo phương ngang đồng thời đo biến dạng hướng kính. Kết quả được dùng để đánh giá độ cứng của khối đá.

Áp kế đá có thể không tạo đủ ứng suất trong đá nếu màng bị phá hỏng. Kích lỗ khoan, thường được gọi là Goodman jack, khắc phục vấn đề này bằng cách sử dụng các kích thủy lực nhỏ bên trong để tạo lực ngang tác dụng qua hai bản thép cong đối diện nhau, mỗi bản gây ứng suất lên một cung 90° của thành lỗ khoan trên một chiều dài 8 in. Mô tả thiết bị và quy trình vận hành được nêu trong ASTM D4971. Kích lỗ khoan có thể được sử dụng trong các lỗ khoan lấy lõi với thiết bị khoan lõi cỡ NX. Hệ thống thủy lực dùng cho kích lỗ khoan có thể tạo áp lực tới 10,000 psi, vì vậy có thể dùng trên hầu như mọi loại đá. Kích lỗ khoan là một thí nghiệm đá tại hiện trường khá phổ biến, không đòi hỏi quá nhiều kinh nghiệm để thực hiện và thu được kết quả đáng tin cậy.

Việc diễn giải kết quả đặt ra một số thách thức riêng, nhưng đồng thời cũng cung cấp một số hiểu biết về ứng xử tại hiện trường của đá.

Thí nghiệm cắt lỗ khoan trong đá là một phương pháp tại hiện trường thay thế, áp dụng cho đá tương đối yếu hoặc đá dễ bị phá hủy khi khoan và lấy lõi (ví dụ: đá phong hóa, đá nứt nẻ, đá phiến sét, v.v.). Thí nghiệm này là một biến thể của thí nghiệm cắt lỗ khoan trong đất đường kính nhỏ, vốn ban đầu được phát triển cho đất (Yang và nnk., 2006). Thí nghiệm cắt lỗ khoan trong đá đo cường độ kháng cắt của đá. Mặc dù chưa có tiêu chuẩn thí nghiệm được công nhận, các hướng dẫn cho thí nghiệm cắt lỗ khoan trong đá được trình bày trong Luttenegger và Hallberg (1981). Thiết bị được hạ xuống lỗ khoan đến cao độ thí nghiệm mong muốn. Áp lực thủy lực được tác dụng lên các bản cắt để tạo ra ứng suất pháp yêu cầu, và một dây kéo được kéo để tạo lực cắt lên các bản này. Ứng suất pháp và ứng suất cắt được ghi nhận. Các giá trị ứng suất cắt tính toán tương ứng với mỗi mức của ba hoặc bốn ứng suất pháp sẽ cung cấp các điểm số liệu để xây dựng đường bao phá hoại cường độ.

2-9.4.2 Thí nghiệm cắt trực tiếp trên các mặt bất liên tục của đá

Ứng xử của khối đá chi phối tính năng làm việc công trình, và điều này được quyết định bởi các mặt bất liên tục, có thể biến đổi từ các khe nứt sạch với một độ nhám bề mặt nhất định do các mấu lồi lõm tạo ra, đến các khe nứt trong đá phong hóa hoặc các khe nứt bị lấp đầy bởi sét. Nhiều ứng dụng ngoài hiện trường làm cho các mặt bất liên tục này chịu cắt (ví dụ: mái dốc đá, thành bên hầm và mái hầm). Việc thu được các mẫu đại diện, không bị xáo trộn của các mặt bất liên tục có thể rất khó.

Thí nghiệm cắt trực tiếp trên các mặt bất liên tục của đá được phát triển tương tự như thí nghiệm cắt trực tiếp cho đất. Thiết bị thí nghiệm có tính chuyên dụng cao và khá lớn. Các thí nghiệm cắt trực tiếp tại hiện trường quy mô lớn trên đá được thực hiện trên các bề mặt lộ ra từ các khối đá lộ thiên tự nhiên, trong đường hầm hoặc trong hố đào. Trong hầu hết mọi trường hợp, thí nghiệm được thực hiện để đánh giá cường độ của mặt bất liên tục.

Mô tả và thảo luận về việc sử dụng thí nghiệm cắt trực tiếp đá quy mô lớn của USACE được trình bày trong Zeigler (1972). Quy trình thí nghiệm tiêu chuẩn được nêu trong ASTM D4554. Một vòng giữ mẫu được đặt quanh mẫu đá tại hiện trường sao cho mặt bất liên tục song song với vòng. Mẫu được cố định trong vòng bằng thạch cao Paris hoặc hydrostone. Tải trọng pháp và tải trọng cắt được tác dụng lần lượt theo phương vuông góc và song song với mặt bất liên tục, và các chuyển vị được đo đạc.

Mặc dù việc thực hiện các thí nghiệm cắt trực tiếp tại hiện trường quy mô lớn trên các mặt bất liên tục của đá có thể khó khăn và phức tạp, việc diễn giải kết quả lại tương tự như thí nghiệm cắt trực tiếp thông thường thực hiện trên mẫu đất. Các cặp ứng suất pháp và ứng suất cắt được biểu diễn để xác định đường bao phá hoại và các tham số cường độ kháng cắt. Đối với đá dọc theo các mặt bất liên tục, có thể đo được cả cường độ đỉnh và cường độ dư của mặt bất liên tục (Goodman 1970).

2-9.4.3 Độ dẫn thủy lực của các mặt bất liên tục trong đá

Dòng chảy của nước qua đá chủ yếu xảy ra trong các lỗ rỗng hở, khe nứt, khe nối và các mặt bất liên tục khác, những yếu tố tạo nên độ rỗng “sơ cấp” của đá. Dòng chảy của nước trong chế độ này có thể là rối thay vì tầng và có thể không tuân theo định luật Darcy, khiến cho việc định lượng dòng chảy của nước trong các mặt bất liên tục của đá trở nên khó khăn. Vào thập niên 1930, chỉ số lugeon được đưa ra để định lượng dòng chảy của nước trong đá có khe nứt (Houlsby 1976). Một lugeon được định nghĩa là lưu lượng một lít nước trên mỗi mét chiều dài lỗ khoan trong một phút dưới áp lực 10 bar (145 psi) trong thí nghiệm cột nước không đổi với packer kép như thể hiện ở Hình 2-23. Đối với trường hợp này, một lugeon xấp xỉ bằng (1 \times 10^{-5}) cm/s đối với điều kiện dòng chảy tầng.

Để đánh giá chế độ dòng chảy của nước trong các khe nối đá, phương pháp thí nghiệm năm bước được tóm tắt trong Hình 2-23 đã được phát triển. Dựa trên kết quả của thí nghiệm năm bước này, đá được phân loại vào một trong năm nhóm (Houlsby 1976):

• Nhóm A – Dòng chảy tầng: Giá trị lugeon tương đối không đổi qua cả năm bước
• Nhóm B – Dòng chảy rối: Giá trị lugeon nhỏ nhất xuất hiện ở áp lực lớn nhất
• Nhóm C – Giãn nở khe nứt: Giá trị lugeon lớn nhất xuất hiện ở áp lực lớn nhất
• Nhóm D – Rửa trôi: Giá trị lugeon tăng dần khi thí nghiệm tiếp tục
• Nhóm E – Lấp đầy lỗ rỗng: Giá trị lugeon giảm dần khi thí nghiệm tiếp tục

Các cách phân loại này thường được sử dụng để lựa chọn chiến lược phụt vữa thích hợp cho các màn chống thấm trong đá có khe nứt. Việc diễn giải thí nghiệm lugeon và đặc trưng vật lý của đá có khe nứt được trình bày trong Bảng 2-24.

Bảng 2-24. Diễn giải kết quả thí nghiệm lugeon (theo Tunbridge, 2017)

Khoảng lugeon	Phân loại	Độ dẫn thủy lực xấp xỉ (cm/s)	Tình trạng các mặt bất liên tục của khối đá	Độ chính xác báo cáo (lugeon)
<1	Rất thấp	< 1 × 10-5	Rất kín	<1
1-5	Thấp	1 × 10-5 – 6 × 10-5	Kín	±0
5-15	Trung bình	6 × 10-5 – 2 × 10-4	Ít khe hở mở một phần	±1
15-50	Trung bình đến cao	2 × 10-4 – 6 × 10-4	Có một số khe hở mở	±5
50-100	Cao	6 × 10-4 – 1 × 10-3	Nhiều khe hở mở	±10
>100	Rất cao	> 1 × 10-3	Các khe hở mở sít nhau hoặc có lỗ rỗng	>100

\(\\\)

2-10 QUAN TRẮC VÀ THEO DÕI TẠI HIỆN TRƯỜNG

Việc theo dõi ứng xử của các công trình địa kỹ thuật là một nội dung có ý nghĩa sống còn đối với từng dự án cụ thể và đã góp phần định hướng cho sự phát triển của ngành thực hành này (Peck 1969). Việc theo dõi ứng xử ngoài hiện trường bắt đầu bằng việc đánh giá “ứng xử” nào được dự kiến sẽ xảy ra. Khi điều đó đã được xác định, các thiết bị 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 sự cố để hiểu cơ chế phá hoại. Cuối cùng, một số thiết bị nhất định có thể là thành phần tích hợp của hệ thống cảnh báo sớm cho các công trình nhạy cảm. Mục này tóm tắt các loại thiết bị đo đạc địa kỹ thuật và cách vận hành của chúng nhằm hỗ trợ kỹ sư địa kỹ thuật lựa chọn thiết bị phù hợp nhất cho một dự án cụ thể. Thông tin chi tiết hơn về thiết bị đo đạc địa kỹ thuật có thể tìm thấy trong USACE (1987, 1995b), Bartholomew và nnk. (1987, 1987a), FHWA (1988) và đáng chú ý nhất là Dunnicliff (1993). Sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ đo khác nhau và việc ngày càng nhận thức rõ tầm quan trọng của việc theo dõi ứng xử chắc chắn sẽ dẫn đến sự mở rộng hơn nữa về phạm vi áp dụng và tính hữu ích của thiết bị đo đạc địa kỹ thuật trong những năm tới.

2-10.1 Các khái niệm vận hành của thiết bị quan trắc địa kỹ thuật

Việc đo ứng xử kỹ thuật đòi hỏi phải sử dụng một loại thiết bị hoặc đầu đo nào đó để thu nhận số đo. Các loại thiết bị chính được tóm tắt trong Bảng 2-25. Các đầu đo 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) chuyển vị (ví dụ, chuyển động ngang của mái trượt, độ 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);
(3) áp lực đất (ví dụ, áp lực tác dụng lên kết cấu chắn đất);
(4) tải trọng (ví dụ, thanh chống trong hố đào có chống, tải neo trên thanh neo, tải trọng thẳng đứng dùng cho thí nghiệm bàn nén tấm);
(5) nhiệt độ (ví dụ, nhiệt độ mặt trước của khối bê tông, ứng suất/biến dạng do nhiệt); và
(6) rung động (ví dụ, thăm dò địa vật lý, quan trắc nổ mìn, hoạt động địa chấn).

Bất kể loại nào, việc lựa chọn thiết bị quan trắc phải xét đến dải đo, độ đúng và độ chụm của thiết bị, cũng như các quy trình hiệu chuẩn cần thiết. Thiết bị địa kỹ thuật có một dải đo cụ thể, phải bao quát được các giá trị dự kiến trong ứng dụng ngoài hiện trường. Thiết bị cũng có độ chụm, tức là đơn vị nhỏ nhất có thể ghi nhận được. Ví dụ, một load cell có sức chứa 1,000 lb mà ghi được đến gần nhất 0.1 lb thì có độ chụm bằng 0.01% toàn dải đo hoặc full scale. Độ đúng của thiết bị thể hiện khả năng thu được phép đo chính xác và lặp lại của đại lượng cần đo. Các thiết bị có dải đo lớn không phải lúc nào cũng đủ chính xác ở các giá trị gần đầu dưới của dải đo. Nhiều thiết bị cần hiệu chuẩn để chuyển đổi đại lượng đo được thành đại lượng kỹ thuật mong muốn. Mặc dù việc hiệu chuẩn thường do nhà sản xuất cung cấp, nhưng vẫn cần được kiểm tra xác nhận và lặp lại theo định kỳ.

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

Loại thiết bị	Ví dụ	Ưu điểm	Nhược điểm
Cơ khí	Dây dọi, thước dây, panme	Chi phí thấp, đo đơn giản và trực tiếp, cho số đọc theo đơn vị kỹ thuật, không cần nguồn điện bên ngoài	Không thể đo liên tục, phải ghi chép thủ công
Khí nén – dùng áp suất không khí	Piezometer, tế bào áp lực đất	Tương đối bền chắc và cơ động, không cần nguồn điện, không bị ảnh hưởng bởi tín hiệu điện, tương đối tốt cho đo đạc dài hạn	Hệ thống đọc khó thao tác, tốn thời gian và công sức thủ công
Thủy lực – dùng nước hoặc chất lỏng thủy lực	Piezometer, tế bào áp lực đất	Tương tự loại khí nén nhưng có thể dùng áp suất cao hơn	Tương tự loại khí nén
Điện – phần tử cảm biến được gắn lên bề mặt dự kiến sẽ biến dạng	Điện trở đo biến dạng dán, phần tử áp điện, thiết bị dây rung	Rất ổn định và tin cậy, có thể tự động hóa và truy cập từ xa, có sẵn nguồn điện điện áp thấp và nguồn điện di động	Chi phí cao hơn, cần nguồn điện được kiểm soát, phải xử lý tín hiệu để thu được dữ liệu theo đơn vị kỹ thuật
Vi điện cơ (MEMS)	Thiết bị đo nghiêng, piezometer, load cell	Kết hợp các bộ phận cơ khí cực nhỏ với tín hiệu điện, có thể tự động hóa	Cần nguồn điện được kiểm soát, phải xử lý tín hiệu để thu được dữ liệu theo đơn vị kỹ thuật
Sợi quang – đo biến dạng dọc theo sợi được chôn hoặc dán	Cảm biến biến dạng (phân bố hoặc rời rạc), nhiệt độ	Có thể đo biến dạng dọc theo toàn bộ chiều dài của kết cấu, chi phí cảm biến thấp, có tiềm năng tự động hóa và phân tích động	Cần nguồn điện bên ngoài, chi phí cho 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 mà trong đó việc quan trắc biến dạng là bắt buộc hoặc ít nhất là rất có ích (xem Mục 2-10.9 bên dưới). Biến dạng có thể bao gồm chuyển động thẳng đứng do cố kết ở vùng kế cận hố đào sâu, chuyển động ngang và chuyển động quay do sạt lở, hoặc độ nghiêng ra ngoài của tường chắn. Các phương pháp xác định biến dạng tuyến tính được tóm tắt trong Bảng 2-26 và có thể dao động từ đơn giản đến tương đối phức tạp.

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

Loại thiết bị	Cách vận hành	Nhận xét
Mắt thường	Quan sát các điều kiện trong nền đất và các ảnh hưởng lên công trình	Luôn sẵn có, không tốn chi phí, giúp hình thành phương pháp quan sát, thường bị xem nhẹ
Chốt đo khe nứt và thước dây	Đo độ mở khe nứt bằng khoảng cách giữa các chốt đặt ở hai phía của khe nứt trong đất hoặc đá	Giải pháp đơn giản, có thể tự động hóa bằng cảm biến dịch chuyển điện
Thiết bị đo khe nứt dạng lưới	Dùng để theo dõi khe nứt trong công trình; thiết bị nhựa hai mảnh được gắn vào công trình ở hai phía đối diện của khe nứt	Giải pháp đơn giản, cần đọc số liệu thủ công
Thiết bị đo dịch chuyển – ví dụ: đồng hồ so hoặc LVDT (Hình 2-24)	Dùng để đo dịch chuyển trong thời gian tương đối ngắn hoặc trong môi trường được bảo vệ	Rất chính xác, thiết bị điện có thể tự động hóa, nhạy với nhiễu môi trường, chi phí cao hơn
Trắc đạc hiện trường	Dùng phương pháp trắc đạc thông thường để xác định vị trí và cao độ các điểm	Cần có mốc chuẩn chung; tuyến đo phải được “khép kín”; độ chính xác cần được xác lập bằng việc hoàn thành hai lượt đo, kể cả tháo lắp thiết bị, trong cùng một ngày
Trạm toàn đạc tự động (AMTS)	Dùng hệ AMTS đặt tại vị trí an toàn để đo các mục tiêu theo các khoảng thời gian đã chọn	Rất tốt cho các chuyển động do thi công gây ra, lặp lại tốt hơn trắc đạc thông thường, số đọc gần như thời gian thực, có thể tích hợp vào các hệ thống quan trắc trực tuyến
Bàn hoặc bệ đo lún bề mặt (Hình 2-25)	Một tấm có gắn ống đứng được lắp trên hoặc trong đất và được đo đạc theo thời gian để theo dõi độ lún; có thể dùng các đoạn nối ống đứng cho các lớp đắp sâu	Kỹ thuật đo dài hạn tốt, chính xác và tương đối rẻ; các ống đứng phải được bảo vệ trong quá trình thi công; mốc chuẩn phải nằm ngoài vùng bị ảnh hưởng bởi thi công
Thiết bị đo lún bằng mức chất lỏng (Hình 2-25)	Tương tự bàn đo lún bề mặt nhưng dùng đầu đo áp lực và không có ống đứng; sự thay đổi áp lực từ một bình chứa ngoài được chuyển đổi thành độ lún	Chi phí ban đầu cao hơn bàn đo lún bề mặt; thi công dễ hơn nhiều vì không có ống đứng; có nguy cơ rò rỉ; bình chứa và ống dẫn phải được bảo vệ khỏi đóng băng
Thiết bị đo phân bố lún bằng mức chất lỏng (Hình 2-26)	Lắp một ống mềm dưới nền đắp, kéo đầu đo áp lực và đường nước đi qua ống, đo áp lực theo từng khoảng và tính độ lún từ áp lực	Có thể dùng một ống chứa đầy nước và một đầu đo áp lực độc lập; cho phép đo phân bố độ lún; việc đo thủ công tốn nhiều thời gian
Extensometer lỗ khoan (Hình 2-27)	Đo vị trí tương đối của hai hoặc nhiều điểm dọc theo trục của một lỗ khoan; neo thanh đo tại đáy hoặc tại điểm đo	Cần có lỗ khoan; có thể theo dõi chuyển động tại nhiều điểm

\(\\\)

Không nên xem nhẹ các phương pháp đơn giản để quan trắc biến dạng. Peck (1972) lưu ý rằng mắt người quá thường bị bỏ qua và “có thể phát hiện phần lớn những gì chúng ta cần biết về thi công dưới mặt đất.” Việc đo bằng chốt khe nứt và thước dây có thể được dùng để theo dõi các khe nứt quan sát được trong đất gần mái dốc hoặc các khe nứt trong đá. Khi điều kiện cho phép, khoảng cách có thể được theo dõi liên tục bằng đầu đo dịch chuyển như thể hiện ở Hình 2-24. Khi xem xét các thiết bị để theo dõi các khe nứt quan sát được trên tường công trình, có thể sử dụng thiết bị đo khe nứt dạng lưới cơ khí để theo dõi độ lớn và hướng chuyển động theo thời gian. Thiết bị này chỉ đơn giản được gắn bắc qua khe nứt bằng keo epoxy hoặc bằng chốt xuyên qua các lỗ lắp đặt.

Khi cần, có thể thực hiện các phép đo biến dạng chính xác hơn bằng cách sử dụng các đầu đo. Khi theo dõi biến dạng trong khoảng thời gian tương đối ngắn hoặc khi thiết bị được bảo vệ, có thể dùng một đồng hồ so đơn giản. Đối với số đọc tự động, một đầu đo điện (tức là linear variable displacement transformer (LVDT), LVDT dòng điện một chiều, hoặc biến trở tuyến tính) cung cấp một giải pháp thay thế chính xác và có khả năng cho độ đúng cao.

Thiết bị trắc đạc hiện trường thông thường có thể được dùng để theo dõi biến dạng của nhiều điểm trên các khoảng cách lớn và thường trong thời gian dài, dựa trên một mốc chuẩn chung. Các tuyến đo như vậy phải được “khép kín” bằng cách ngắm lại mốc chuẩn trước và sau khi đo. Các trạm toàn đạc tự động (AMTS) có thể cung cấp khả năng quan trắc chính xác gần thời gian thực cho nhiều điểm và đặc biệt hữu ích để theo dõi các chuyển động do thi công gây ra. Độ chính xác của AMTS tỷ lệ nghịch với khoảng cách từ thiết bị đến lăng kính (hoặc mục tiêu), nhưng vẫn có thể dùng ở khoảng cách lớn hơn 1,000 ft. Cũng như với mọi lựa chọn trắc đạc, luôn nên bao gồm một điểm mốc chuẩn trong mỗi chu kỳ đo. AMTS sử dụng tia laser để tìm và theo dõi mục tiêu, nên có thể sử dụng cả ngày lẫn đêm.

Độ lớn và tốc độ theo thời gian của độ lún cố kết trong quá trình thi công thường được dùng để định hướng một số hoạt động thi công nhất định (ví dụ: tốc độ đắp nền). Việc theo dõi độ lún dài hạn cũng thường được yêu cầu. Các bàn đo lún bề mặt (cũng gọi là platforms) được theo dõi bằng các thiết bị trắc đạc thông thường và là một kỹ thuật chính xác, tương đối ít tốn kém. Bàn đo lún được đặt trên bề mặt đất tự nhiên ban đầu trước khi bắt đầu đắp. Một hình minh họa bố trí điển hình được trình bày ở Hình 2-25a. Cần bảo vệ ống đứng để tránh bị hư hỏng hoặc nghiêng trong quá trình thi công do va chạm xe cộ hoặc do đắp không đều xung quanh ống đứng. Cũng như với mọi phép đo trắc đạc, cần ngắm đến một mốc chuẩn không dịch chuyển trong mỗi chu kỳ đo. Các hệ tiên tiến hơn sử dụng áp lực chất lỏng để đo sự thay đổi cao độ phía dưới một bình chứa cố định (Hình 2-25b) hoặc dùng các đầu dò để đo mặt cắt phân bố độ lún trong một ống chôn ngầm (Hình 2-26).

\(\\\)

\(\\\)

2-10.3 Đo lường Độ dịch chuyển Góc.

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

Bảng 2-27. Các thiết bị đo dịch chuyển góc

Loại thiết bị	Cách vận hành	Nhận xét
Thiết bị đo nghiêng	Dùng gia tốc kế để xác định độ nghiêng so với phương thẳng đứng; dải làm việc điển hình là vài độ; được gắn lên công trình hoặc dùng như một bộ phận tích hợp của inclinometer	Thiết bị đo nghiêng MEMS có thể có dải đo đến 40 phút cung và độ chụm 1 giây cung
Inclinometer mái dốc (Hình 2-28)	Ống vỏ có rãnh chuyên dụng được phụt vữa vào lỗ khoan; đầu dò inclinometer có gia tốc kế hai trục được kéo dọc theo ống vỏ, đo độ nghiêng của ống tại các khoảng đều nhau; phép tích phân của độ nghiêng cho hình dạng biến dạng của ống vỏ	Thường được dùng để đánh giá chuyển động do sạt lở; có thể dùng cho công trình thẳng đứng và hố đào sâu; số đọc gốc ban đầu được lấy sau khi vữa đã đông kết; ống vỏ phải kéo dài vào một tầng ổn định; cần đo hai lượt dọc ống vỏ để có dữ liệu chất lượng; quy trình thủ công tốn thời gian; phải hiệu chỉnh độ chệch trong xử lý số liệu; biến dạng quá lớn sẽ làm không thể tiếp tục sử dụng ống vỏ
Inclinometer cố định tại chỗ (Hình 2-28)	Cùng nguyên lý với inclinometer thông thường, nhưng thiết bị có nhiều đoạn với nhiều gia tốc kế; thiết bị vẫn ở nguyên vị trí trong ống vỏ	Có thể tự động hóa, ít tốn thời gian hơn, chi phí thiết bị cao hơn nhiều so với inclinometer thông thường; có thể dùng gia tốc kế MEMS rẻ hơn và không cần ống vỏ chuyên dụng

\(\\\)

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

Các đầu đo có khả năng đo áp lực nước biến thiên theo thời gian thường được sử dụng phổ biến 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 ở Mục 2-8 để chỉ một loại giếng 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 và áp lực nước biến thiên theo thời gian, và các loại đầu đo bao gồm thiết bị khí nén, thủy lực, điện và MEMS. Cách vận hành và phạm vi áp dụng của các piezometer này được tóm tắt 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 lực, hay đơn giản là thời gian trễ, là khoảng thời gian cần thiết để một thiết bị phản ứng với sự thay đổi áp lực. Hình 2-31 biểu diễn thời gian trễ ước tính (theo thời gian để đạt 90% mức đáp ứng) của các loại giếng và piezometer khác nhau so với độ dẫn thủy lực của đất. Lưu ý thời gian trễ ngắn của các đầu đo màng và thời gian trễ kéo dài của các giếng piezometer hở. Như hình cho thấy, các giếng hở không thể đo hiệu quả áp lực nước thủy động trong các trường hợp dòng chảy không ổn định.

Bảng 2-28. Các loại piezometer

Loại piezometer	Cách vận hành	Nhận xét
Khí nén	Thiết bị được ấn vào hoặc phụt vữa cố định tại vị trí cần quan tâm; áp suất không khí được dùng để đo áp lực nước ở phía đối diện của một màng	Lựa chọn tốt cho quan trắc dài hạn; có thể xả rửa và tuần hoàn 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, còn gọi là loại hai ống (Hình 2-29)	Nguyên lý làm việc tương tự loại khí nén, nhưng dùng áp suất nước thay vì không khí; các ống áp lực được đổ đầy chất lỏng đã khử khí; áp lực được đo bằng các đồng hồ cơ khí hoặc điện	Cần xả rửa định kỳ đối với quan trắc dài hạn
Điện và MEMS (Hình 2-30)	Một đầu đo điện trở biến dạng, áp điện hoặc dây rung được gắn với một màng để đo áp lực; tín hiệu đầu ra của đầu đo tỉ lệ với áp lực; dùng các đầu lọc bão hòa có điểm vào khí cao để đo chính xác sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng trong các điều kiện biến thiên theo thời gian	Rất thông dụng; có thể tự động hóa và quan trắc từ xa; chỉ cần rất ít dòng nước để làm dịch chuyển màng nên phản ứng nhanh với điều kiện không ổn định (tức là thời gian trễ ngắn); cần nguồn điện (có thể là điện áp thấp); cảm biến MEMS chịu trôi tín hiệu theo điện; có thể hiệu chuẩn lại MEMS nếu cảm biến còn tiếp cận được

\(\\\)

2-10.5 Đo áp lực đất

Mặc dù không phổ biến, đôi khi vẫn cần đo ứng suất thẳng đứng thực tế và/hoặc ứng suất ngang thực tế trong đất. Khái niệm để thực hiện các phép đo này thì đơn giản, nhưng việc diễn giải kết quả có thể gặp khó khăn. Tế bào áp lực đất (còn gọi là total stress cell) đo ứng suất thông qua biến dạng của một màng mỏng hoặc sự truyền áp lực tới một tế bào thủy lực. Biến dạng của tế bào có màng có thể được đo bằng điện trở đo biến dạng, đầu đo dây rung hoặc thiết bị MEMS. Các tế bào áp lực đất thực hiện phép đo ở bên trong thiết bị, khác với hầu hết các đầu đo khác là theo dõi đáp ứng của đất từ bên ngoài. Sự hiện diện của tế bào làm thay đổi ứng suất trong đất do sự khác biệt về độ cứng giữa tế bào và đất. Các phần tổng hợp tốt về ảnh hưởng của việc lắp đặt và các loại tế bào áp lực đất có thể tìm thấy trong Filz và Brandon (1994) và Senh (1990). Một phương án thay thế cho tế bào áp lực đất là các cảm biến áp lực trạng thái, là các tấm polymer mỏng, linh hoạt, có gắn nhiều cảm biến biến dạng bên trong cho phép đo ứng suất (Paikowsky và nnk., 2006).

Theo kinh nghiệm, các tế bào áp lực đất nên có đường kính tương đối lớn (tức khoảng 9 đến 12 in) và mỏng, tạo ra tỷ số chiều dày trên đường kính nhỏ hơn 1:10. Tế bào phải tiếp xúc chặt với đất và thường được bao quanh (tức là chôn đặt) bằng cát mịn để giảm 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.

2-10.7 Đo nhiệt độ

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

• Đo trực tiếp: Có thể cần đo nhiệt độ cho các công trình như chiều sâu xâm nhập của băng giá, nhiệt độ đất bên dưới các lò công nghiệp, hoặc nhiệt độ của cọc nhiệt. Cặp nhiệt điện và thiết bị đo nhiệt điện trở (RTD) là các thiết bị được dùng phổ biến nhất cho các ứng dụng này.
• Đo nhiệt độ gây ra tải trọng: Sự thay đổi nhiệt độ gây ra sự giãn nở và co lại vì nhiệt của vật liệu. Tải trọng trong các bộ phận kết cấu (ví dụ: thanh chống cho hố đào, hệ chống đỡ đường hầm) sẽ bị ảnh hưởng khi chịu biến thiên nhiệt độ. Một lần nữa, cặp nhiệt điện hoặc RTD thường được dùng cho các ứng dụng này.
• Đo nhiệt độ ảnh hưởng đến sự làm việc của đầu đo: Nhiệt độ của đầu đo cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến đáp ứng của chính các thiết bị địa kỹ thuật. Ví dụ, trong các hệ thủy lực kín, nhiệt độ có thể làm thay đổi độ nhớt của chất lỏng và có thể gây ra sự giãn nở và/hoặc co lại của chất lỏng và các ống dẫn. Những thay đổi này sẽ ảnh hưởng đến đáp ứng được diễn giải nếu không thực hiện các hiệu chỉnh thích hợp. Các nhà sản xuất thiết bị thường công bố các hiệu chỉnh cần thiết. Việc theo dõi biến thiên nhiệt độ đối với đầu đo đòi hỏi phải đo chính xác các thay đổi nhiệt độ nhỏ. Các thermistor dùng cho mục đích này thường được nhà sản xuất tích hợp trực tiếp vào trong đầu đo.

Bảng 2-29 Các thiết bị đo tải trọng

Loại thiết bị	Cách vận hành	Nhận xét
Hộp tải trọng thủy lực	Tải trọng được tác dụng lên một buồng thủy lực kín; sự gia tăng áp suất được đo và chuyển đổi thành tải trọng	Hệ thụ động phản ứng với tải trọng bằng sự tăng áp suất bên trong, tương đối bền chắc, có khả năng đo tải trọng lớn hơn 500 tấn với độ đúng khoảng 0.1%, không cần nguồn điện bên ngoài đối với loại load cell dùng đầu đo áp suất cơ khí
Kích thủy lực đã hiệu chuẩn	Một đầu đo áp suất bên ngoài được dùng để đo áp suất do kích thủy lực tạo ra; áp suất tác dụng trên một diện tích đã biết được chuyển đổi thành tải trọng	Có cùng các ưu điểm và khả năng như Hộp tải trọng thủy lực; tế bào Osterberg (O-cell) là một ví dụ được dùng trong thí nghiệm tải trọng cọc khoan nhồi
Hộp tải trọng điện tử	Tải trọng được tác dụng lên thiết bị đo kim loại; các điện trở đo biến dạng dán hoặc đầu đo dây rung đo biến dạng, sau đó biến dạng được chuyển đổi thành tải trọng thông qua hiệu chuẩn	Được dùng phổ biến trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường; có dải tải trọng và kích thước vật lý rộng; có thể chế tạo theo yêu cầu; bền chắc và tin cậy; cần nguồn điện bên ngoài; cần điều hòa tín hiệu và xử lý dữ liệu để xác định tải trọng
Điện trở đo biến dạng chôn sẵn và gắn bề mặt	Điện trở đo biến dạng được gắn lên bề mặt của các cấu kiện kim loại; ứng suất trong cấu kiện được xác định từ biến dạng và có thể chuyển đổi thành tải trọng thông qua kích thước tiết diện	Có thể là các điện trở đo biến dạng dán lên bề mặt kết cấu hoặc các điện trở đo biến dạng gắn sẵn (sister bars) được hàn vào cấu kiện kết cấu hoặc lồng cốt thép; các điện trở đo biến dạng phải được đặt đúng vị trí để đo biến dạng mong muốn và thường được lắp theo bộ; cần được bảo vệ trong quá trình thi công và vận hành

\(\\\)

2-10.8 Đo rung động

Trong một số trường hợp chuyên biệt, việc đo rung động có thể là một thành phần của chương trình quan trắc ứng xử. Cả rung động ở trạng thái ổn định và rung động thoáng qua đều có thể là đối tượng cần quan tâm.

• Rung động trạng thái ổn định: Máy móc dao động có thể gây ra tải trọng rung động lên móng và đất nền móng. Những rung động này có thể gây ra các vết nứt trong sàn bê tông, tường, khối xây hoặc các lớp hoàn thiện. Các đầu đo rung động sử dụng gia tốc kế (thường dựa trên MEMS) để đánh giá biên độ và tần số rung động. Các đầu đo này có thể được tích hợp trong các máy đo cầm tay di động, vốn có hiệu quả trong việc ghi nhận rung động do máy móc gây ra. Điện thoại thông minh hiện đại dùng gia tốc kế MEMS và cũng có thể được dùng để đánh giá rung động.
• Rung động thoáng qua: Rung động thoáng qua có thể do hoạt động thi công gây ra, chẳng hạn như lưu thông thiết bị, đóng cọc, đầm động hoặc nổ mìn; do máy móc; hoặc do hoạt động địa chấn. Việc quan trắc rung động thoáng qua là một phần không thể thiếu của nhiều thí nghiệm địa vật lý đã được trình bày trong Mục 2-4. Rung động thoáng qua được ghi nhận bằng gia tốc kế và đòi hỏi tốc độ lấy mẫu cao để ghi lại các rung động có thể chỉ xảy ra trong vài giây. Những đại lượng đặc biệt được quan tâm đối với rung động thoáng qua 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 các máy địa chấn ký di động (hoặc cố định). Thiết bị này có thể bao gồm geophone để đo vận tốc nền hoặc gia tốc kế để đo gia tốc nền. Thiết bị thường có một ngưỡng giới hạn do người dùng đặt để kích hoạt chế độ ghi và có khả năng thu thập dữ liệu trước sự kiện kích hoạt vài giây. Một thảo luận ngắn gọn về thiết bị dùng để đo và ghi nhận rung động nền được trình bày trong NCHRP (2018). Có những đơn vị kỹ thuật chuyên về đo rung động thoáng qua.

2-10.9 Ứng dụng ngoài hiện trường của thiết bị đo đạc

Mọi thiết bị được dùng để quan trắc các dự án địa kỹ thuật đều cần được lựa chọn nhằm trả lời một câu hỏi cụ thể về ứng xử công trình. Cách tiếp cận này đối lập với xu hướng áp dụng quan điểm kiểu “nếu có thể quan trắc thì nên quan trắc”, một quan điểm không được khuyến nghị. Bảng 2-30 đưa ra các ví dụ về những câu hỏi ứng xử có thể phù hợp với nhiều loại dự án khác nhau. Cần có sự cân nhắc kỹ lưỡng trước khi xây dựng kế hoạch đo đạc, và chương trình quan trắc cần được tổ chức xoay quanh việc trả lời các câu hỏi cụ thể. Phần thảo luận thêm về các chủ đề này được trình bày trong Dunnicliff (1993) và NCHRP (2018).

Bảng 2-30. Ví dụ về các câu hỏi phục vụ quyết định lựa chọn thiết bị đo đạc

Nhóm dự án	Ví dụ loại dự án	Các câu hỏi tiềm năng
Hố đào có chống hoặc có neo	Hố đào sâu trong khu vực đô thị và/hoặc gần các công trình hiện hữu Hệ chống đỡ hố đào sử dụng các thanh chống có cường độ cao	Phạm vi và độ lớn dịch chuyển ngang của bề mặt đất là bao nhiêu? Việc thí nghiệm tải neo có gắn thiết bị quan trắc có giúp ích cho thiết kế cuối cùng không?
Nền đắp trên đất yếu	Sự gia tăng cường độ và thi công theo giai đoạn là một phần của thiết kế Dự kiến có độ lún đáng kể hoặc chuyển động dài hạn	Tốc độ gia tăng cường độ cần đạt là bao nhiêu để không ảnh hưởng đến tiến độ thi công? Mức độ tin cậy của dự báo độ lún dài hạn là bao nhiêu?
Đập đất đắp	Đào cắt để sửa chữa được dự kiến gần chân hạ lưu Kết cấu cutoff là một phần của phương án sửa chữa	Trong quá trình sửa chữa, chuyển động tại các vị trí cụ thể là bao nhiêu? Có thể thực hiện những phép đo nào để tăng độ tin cậy về sự làm việc của kết cấu cutoff?
Mái dốc đào và mái dốc tự nhiên	Các mái dốc hiện hữu cần được sửa chữa Hiện tượng thấm rỉ có vẻ đang ảnh hưởng đến ổn định mái dốc	Chuyển động dự kiến hoặc mức độ ảnh hưởng đến an toàn là bao nhiêu? Thiết kế đã xét đến mực nước ngầm với mức độ tin cậy như thế nào?
Công trình ngầm	Đường hầm sẽ được đào tiến dưới mực nước ngầm Dự kiến gặp điều kiện đá nứt nẻ Dự kiến gặp các dải vật liệu yếu	Mức độ tin cậy vào khả năng kiểm soát nước là bao nhiêu? Mức độ tin cậy về sự biến đổi trong hướng sắp xếp của cấu trúc đá là bao nhiêu?
Cọc đóng	Hệ móng sâu chưa từng được dùng trong khu vực đang được xem xét Cọc đóng trong môi trường đô thị	Mức độ tin cậy của tiêu chí chấp nhận khi đóng cọc là bao nhiêu? Mức độ rung động đối với các công trình ở gần là bao nhiêu?
Cọc khoan nhồi	Có đưa vào thiết kế các tải trọng lớn hơn những gì từng được dùng trước đây trong khu vực Giếng khoan sẽ ở dưới mực nước ngầm	Mức độ tin cậy về sức kháng tải ngang và vị trí mô men uốn là bao nhiêu? Mức độ ảnh hưởng của đào đất bên dưới mực nước ngầm là bao nhiêu?
Kết cấu chắn đất	Các kết cấu chắn đất chưa từng được sử dụng trong khu vực Chiều cao tường vượt quá các công trình từng được xây trong vùng	Độ lún ước tính của tường là bao nhiêu? Độ nghiêng ước tính của tường là bao nhiêu? Mức độ tin cậy về tải trọng neo và creep dài hạn là bao nhiêu?
Hạ mực nước ngầm	Hạ mực nước ngầm trong khu vực đô thị Hạ mực nước ngầm là hạng mục then chốt trên đường găng thi công	Mức hạ thấp mực nước có đồng đều không? Mức độ tin cậy về lưu lượng bơm và độ hạ mực nước là bao nhiêu?
Phụt vữa	Có sự không chắc chắn về mức độ ăn vữa Phụt vữa trong đá nứt nẻ và đá karst Phụt vữa được thực hiện để giảm nguy cơ lún cho các công trình quan trọng	Mức độ tin cậy của dự báo lượng vữa ăn vào là bao nhiêu? Việc kiểm chứng sau thi công có cung cấp dữ liệu xác minh hữu ích không?
Gia cố nền đất	Các kỹ thuật này trước đây chưa từng được áp dụng trong khu vực Gia cố nền được thực hiện để tăng cường hoặc làm cứng đất hiện hữu	Mức độ tin cậy về khả năng làm việc dài hạn là bao nhiêu? Mức độ tin cậy về khả năng dự báo độ lún và mức độ gia tăng cường độ là bao nhiêu?
Kiểm soát trách nhiệm pháp lý	Đã phát sinh kiện tụng Khách hàng có thể bị liên đới trách nhiệm do các điều kiện gặp phải ngoài hiện trường trong quá trình điều tra sự cố	Các giả định thiết kế ban đầu phù hợp với điều kiện đã thi công đến mức nào? Việc bổ sung quan trắc có mang lại lợi ích cho khách hàng không? Nếu có thì theo cách nào?

\(\\\)

2-11 TÀI LIỆU ĐỌC THÊM

Chủ đề	Tài liệu tham khảo
Khảo sát dưới bề mặt	NCHRP. (2018). Manual on Subsurface Investigations. National Cooperative Highway Research Program. Publication No. CRP Project 21-20. Transportation Research Board, National Academies of Science Engineering, and Medicine, Washington, DC.
Thí nghiệm xuyên côn	Cone Penetration Testing (CPT) Design Manual for State Geotechnical Engineers. Report No. 2018-32, Minnesota Department of Transportation, St. Paul, MN, 2018.
Các phép đo tại hiện trường	Geotechnical Site Characterization. Geotechnical Engineering Circular No. 5. Publication No. NHI-16-072., Federal Highway Administration, U.S. Department of Transportation, Washington, D.C., 2016.
Đo nước ngầm	Ground Water Manual, Water Resources Technical Publication, United States Department of the Interior, Bureau of Reclamation, Washington, D.C., 1995.
Quan trắc hiện trường	Geotechnical Instrumentation for Monitoring Field Performance. 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