Chương 1 – Thiết kế địa kỹ thuật trong đất có vấn đề và các phương pháp thi công đặc biệt

1-1 GIỚI THIỆU.

Hầu hết các kỹ thuật thiết kế được trình bày trong sáu chương tiếp theo sẽ đặc trưng hóa đất một cách tổng quát thành đất cát hoặc đất hạt thô (thường được gọi là “không dính”) hoặc đất sét hay đất hạt mịn (thường được gọi là “dính”). Đây là một cách xử lý hữu ích ở chỗ hai nhóm đất này đại diện cho hai thái cực của ứng xử đất phổ biến. Cát thường thoát nước dưới các loại tải trọng thông thường, và các thông số sức kháng cắt có thể được biểu diễn bằng một đường bao tuyến tính với độ dốc bằng góc ma sát ứng suất hữu hiệu, ϕ’ (với c’ = 0), hoặc một đường bao cong hay phi tuyến được biểu diễn bằng một hàm lũy thừa hoặc phương trình khác. Sét⁴ có thể ứng xử không thoát nước trong ngắn hạn và thoát nước trong dài hạn; do đó, cả hai loại thông số sức bền (thoát nước và không thoát nước) đều cần thiết cho các phương pháp thiết kế khác nhau được trình bày. Cát thường được xem là tương đối không nén được và/hoặc quá trình nén xảy ra nhanh chóng. Sét được xem là nén được nhiều hơn, và quá trình nén xảy ra chậm hơn trong một khoảng thời gian kéo dài.

Việc phân chia đất thành hai nhóm chính, cát và sét, rất hữu ích vì đây là hai thái cực được công nhận cho cả ứng xử thoát nước so với không thoát nước, cũng như ứng xử tương đối không nén được so với nén được. Tuy nhiên, có những loại đất nằm trong hai nhóm này có thể biểu hiện các vấn đề đặc biệt. Ngoài ra, còn có các loại đất khác có tên gọi riêng, chẳng hạn như loess, có thể gây khó khăn cho các phương pháp thiết kế được trình bày.

Phần này được tổ chức bằng cách liệt kê các loại đất khác nhau được xác định là có vấn đề trong các chương sắp tới và, nói chung, trong thực hành ngành địa kỹ thuật.

⁴ Trong hệ thống thuật ngữ ngành địa kỹ thuật, sét (clay) thường dùng để chỉ sét vô cơ hoặc sét khoáng (mineral clay). Sét có hàm lượng hữu cơ đáng kể được gọi cụ thể là sét hữu cơ (organic clay).

1-2 CÁC LOẠI ĐẤT CÓ VẤN ĐỀ.

Các phần sau đây mô tả các điều kiện đất có vấn đề có thể ảnh hưởng đến thiết kế đào đất, công tác đất, tường chắn, và móng. Các bảng được đưa vào ở phần kết luận của Chương 2 đến Chương 6, thể hiện mối liên hệ giữa một số điều kiện đất có vấn đề này với nội dung cụ thể của từng chương. Ví dụ, các bảng trong Mục 2-7 mô tả mối liên hệ giữa các điều kiện đất có vấn đề với các hố đào có mái dốc và hố đào có chống đỡ.

1-2.1 Sét Cứng Nứt Nẻ (Stiff Fissured Clays).

Sét cứng nứt nẻ vừa là thuật ngữ chung vừa là thuật ngữ cụ thể. Cụ thể, sét cứng nứt nẻ có cường độ nén nở hông tự do (unconfined compressive strength) lớn hơn hoặc bằng 2000 psf (0.09576 MPa) và chứa các vết nứt (fissures) thường được cho là do hiện tượng giảm tải từ ứng suất rất cao gây ra. Theo ASTM D2488 (ASTM 2023), tiêu chí xác định vết nứt là “gãy dọc theo các mặt phẳng phá hoại rõ ràng với sức chống nứt gãy thấp”. Nói chung, thuật ngữ sét cứng nứt nẻ thường được dùng để chỉ sét quá cố kết mạnh có chứa các vết nứt, với các ví dụ là sét nâu London (Anh), sét Beaumont (Texas), và đá phiến sét Pierre (Bắc và Nam Dakota). Theo Skempton (1964), sét cứng nứt nẻ thường có chỉ số dẻo lỏng (liquidity index) gần bằng không. Các loại đất có vấn đề này thường có giá trị giới hạn chảy lớn hơn 40 và chỉ số dẻo lớn hơn 20 (Castellanos và Brandon 2016).

Vấn đề chính đối với sét cứng nứt nẻ là sức kháng cắt huy động (mobilized) trong dài hạn ngoài hiện trường thường thấp hơn sức kháng cắt đỉnh đo được từ thí nghiệm trong phòng. Sự suy giảm sức bền hay hiện tượng mềm hóa này là kết quả của quá trình giảm tải, phong hóa, và sự xâm nhập của nước qua các vết nứt. Hiện tượng mềm hóa có khả năng là hệ quả của phá hoại tiệm tiến (progressive failure), theo đó sức kháng cắt đỉnh không được huy động hoàn toàn trên toàn bộ mặt phá hoại tại cùng một thời điểm. Các cơ chế này cần thời gian để xảy ra, và các sự cố phá hoại trong sét cứng nứt nẻ có thể xảy ra nhiều năm sau khi đã tiến hành đào, khai quật, hoặc giảm tải. Vì những lý do này, sức kháng cắt mềm hóa hoàn toàn thường được sử dụng cho các phân tích thoát nước hoặc ứng suất hữu hiệu đối với các điều kiện dài hạn.

Sức kháng cắt mềm hóa hoàn toàn phù hợp cho các phân tích thoát nước hoặc ứng suất hữu hiệu đối với điều kiện dài hạn trong sét cứng nứt nẻ, nơi sức kháng cắt được dự đoán sẽ giảm theo thời gian (Skempton 1970). Sức kháng cắt mềm hóa hoàn toàn về mặt kinh nghiệm bằng với sức kháng cắt đỉnh ở trạng thái cố kết bình thường đo được trên mẫu thí nghiệm tái tạo. Thông tin chi tiết về cách đo sức kháng cắt mềm hóa hoàn toàn và các khía cạnh kỹ thuật khác của sét cứng nứt nẻ có thể được tìm thấy trong Castellanos et al. (2016) và Castellanos và Brandon (2017).

1-2.2 Sét Cứng Khô Nứt (Stiff Desiccated Clays).

Sét cứng khô nứt biểu hiện nhiều đặc điểm tương tự như sét cứng nứt nẻ. Đây thường là sét béo (fat clay, CH), thường nằm gần bề mặt đất, và chứa các vết nứt hoặc khe nứt có thể sâu đến vài feet. Aubeny và Lytton (2003) ghi nhận các vết nứt do khô hạn (desiccation cracks) sâu tới 8 feet, nhưng các vết nứt này thường sâu 3 đến 4 feet. Các loại đất này thường bị quá cố kết mạnh do áp lực nước lỗ rỗng âm gây ra bởi hiện tượng khô hạn. Các vết nứt hoặc khe nứt có thể cho phép nước thấm vào đất và gây ra hiện tượng mềm hóa. Vết nứt cũng có thể gây khó khăn cho công tác đào đất.

Sức kháng cắt mềm hóa hoàn toàn thường phù hợp cho các loại đất này trong điều kiện dài hạn nếu chúng được phân loại là đất CH. Đối với sét cứng khô nứt có LL < 40 và PI < 20 (đất CL), sức kháng cắt đỉnh có thể áp dụng được cho điều kiện dài hạn.

1-2.3 Đất Hoàng Thổ (Loess).

Đất hoàng thổ là loại đất hạt mịn được lắng đọng bởi gió. Các loại đất này thường có cỡ hạt tương đương bụi (silt) và có tính dẻo rất thấp đến không dẻo. Chúng thường có thể được gắn kết nhẹ bởi canxi cacbonat. Các chu kỳ lắng đọng và sự phát triển của thực vật tạo ra các khuôn rễ thẳng đứng (vertical root casts), và các đặc điểm này ảnh hưởng đến ứng xử của loại đất này. Đất hoàng thổ có thể rất dễ bị xói mòn ở các mái dốc không thẳng đứng, nhưng các mái dốc thẳng đứng thường có thể ổn định trong nhiều năm. Một vấn đề khác của các lớp đất hoàng thổ là chúng có thể rất dễ bị sập lún (collapsible) khi bị ngập nước. Có thể xảy ra hiện tượng lún lớn, không thể phục hồi khi các loại đất này bị ngập nước. Thông tin thêm về đất hoàng thổ có thể được tìm thấy trong Mục 5-6.3.

1-2.4 Đất Sét Nhạy hoặc Sét Chảy Lỏng (Sensitive or Quick Clays).

Độ nhạy (Sensitivity, S_t) được định nghĩa là sức kháng cắt không thoát nước đỉnh chia cho sức kháng cắt không thoát nước ở trạng thái tái tạo (remolded). Sức kháng cắt ở trạng thái tái tạo được đo tốt nhất bằng thí nghiệm cắt cánh hiện trường hoặc trong phòng, hoặc thí nghiệm côn rơi trong phòng. Đối với đất có độ nhạy thấp, mẫu đất có thể được tái tạo bằng cách nhào bằng tay và tạo hình thành mẫu hình trụ. Các mẫu này sau đó có thể được thí nghiệm để xác định sức kháng cắt không thoát nước ở trạng thái tái tạo. Đã có ghi nhận giá trị độ nhạy cao đến 1000 (Terzaghi et al. 1996). Đất có giá trị độ nhạy lớn hơn 4 được xem là đất rất nhạy. Đất có độ nhạy lớn hơn 16 được xem là sét chảy lỏng (quick clays). Sét chảy lỏng được tìm thấy ở khu vực Scandinavia và một số nơi tại Canada, được hình thành do quá trình rửa trôi muối bằng nước ngọt trong cấu trúc của sét. Đất nhạy cũng có thể được hình thành bởi các nguyên nhân khác, chẳng hạn như sét hình thành từ tro núi lửa làm vật liệu gốc, hoặc các yếu tố khác trong hoặc sau quá trình lắng đọng tạo ra cấu trúc giả bền (metastable structure). Đất nhạy phần lớn là vật liệu hạt mịn. Bảng 1-1 thể hiện các nhóm phân loại độ nhạy tổng quát. Chương 1 của DM 7.1 trình bày thêm thảo luận về sét nhạy.

Bảng 1-1. Các cấp độ nhạy (theo Rosenqvist, 1953)

Cấp độ nhạy	Độ nhạy, St
Không nhạy	~1,0
Hơi nhạy	1–2
Nhạy trung bình	2–4
Rất nhạy	4–8
Hơi chảy nhanh	8–16
Chảy nhanh trung bình	16–32
Rất chảy nhanh	32–64
Cực kỳ chảy nhanh	>64

\(\\\)

Một số sét nhạy có thể ở trạng thái quá cố kết, và đây có thể là trường hợp đặc biệt gây khó khăn. Các lớp đất này có thể có sức kháng cắt nguyên dạng (undisturbed strength) cao và có thể chịu được tải trọng tác dụng mà không phát sinh lún đáng kể nhờ đặc tính quá cố kết. Sự suy giảm sức bền có thể xảy ra khi bị xáo trộn, nhưng mức độ giảm sẽ không nghiêm trọng như đối với sét chảy lỏng (quick clays).

Các loại đất này sẽ cho giá trị N của thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (Standard Penetration Test, SPT) thấp một cách không thực tế do độ nhạy của sét.

1-2.5 Bụi và Sét Tàn Tích (Residual Silts and Clays).

Đất tàn tích (Residual soils) được hình thành do quá trình phong hóa vật lý và hóa học của đá gốc tại chỗ, hoặc từ quá trình phong hóa các lớp tro núi lửa. Đất tàn tích có thể được tìm thấy ở nhiều khu vực khác nhau, chẳng hạn như vùng chân núi (piedmont) của Virginia, Bắc Carolina, Nam Carolina, và Georgia; cũng như tại các môi trường nhiệt đới ẩm ướt. Thuật ngữ đất tàn tích bao hàm một phạm vi rộng các loại vật liệu, từ đất có cỡ hạt sét đến đất có cỡ hạt cát. Đất còn giữ lại các đặc điểm tàn tích của đá gốc, thường được gọi là saprolite, có thể có cỡ hạt còn lớn hơn nữa. Một tài liệu tham khảo xuất sắc về đất tàn tích là Geotechnical Engineering in Residual Soils của L. Wesley (2010).

Đất tàn tích có tính không đồng nhất cao hơn so với đất phù sa (alluvial) và các loại đất khác được hình thành bởi các quá trình trầm tích. Do đó, lịch sử ứng suất không có ảnh hưởng tương tự đến sức bền và tính nén lún (Wesley 2010). Một trong những vấn đề chính đối với công tác địa kỹ thuật trong đất tàn tích là các tương quan được xây dựng cho đất trầm tích, vốn phổ biến trong thực hành kỹ thuật, không nhất thiết áp dụng được cho đất tàn tích. Cần có sự đánh giá kỹ thuật đáng kể (engineering judgment) để thiết kế hiệu quả trong đất tàn tích.

1-2.6 Đá Ong (Laterites).

Đá ong là một loại đất tàn tích được hình thành do phong hóa vật liệu gốc mácma (igneous), thường ở khí hậu nhiệt đới. Trong nhiều trường hợp, đá ong có thể được gắn kết mạnh hoặc có thể chứa các cụm hạt (aggregates) sét với kích thước dao động từ cát đến sỏi. Trong hệ thống thuật ngữ ngành địa kỹ thuật, thuật ngữ đá ong (laterite) không được định nghĩa chặt chẽ, và đã được áp dụng cho một loạt loại đất khác nhau, cả gắn kết mạnh lẫn không gắn kết (Wesley 2010). Đá ong có thể là vật liệu kém phù hợp để chống đỡ móng hoặc khối đắp, đặc biệt nếu chịu tải trọng lặp hoặc tiếp xúc với dòng nước ngầm chảy (McCarthy 2007).

(Laterites)

Laterit (Laterites) – Là các đất tàn tích giàu sắt, hình thành trong điều kiện khí hậu nóng ẩm (các vùng nhiệt đới). Tác dụng gắn kết của các oxit sắt và oxit nhôm ngậm nước làm cho laterit khi khô trở nên cực kỳ cứng. Hàm lượng oxit sắt cao khiến nhiều loại laterit có màu đỏ gỉ sắt. Laterit thường phát triển mạnh sau quá trình phong hóa đáng kể của đá mẹ.

1-2.7 Sườn Tích (Talus).

Sườn tích là một khối vật liệu đá vụn rời nằm ở chân vách đá. Sườn tích là vật liệu dốc tích (colluvial) được lắng đọng do trọng lực. Tùy thuộc vào vị trí so với vách đá và độ dốc của khối vật liệu, ổn định tổng thể của một khối sườn tích có thể thấp.

1-2.8 Cát Rời (Loose Sands).

Nhìn chung, cát không được xem là loại đất có vấn đề. Tuy nhiên, cát rời có thể biểu hiện độ nén lún đáng kể khi chịu tải và có thể hóa lỏng (liquefy) trong trường hợp có tải trọng động đất. Cát rời hạt mịn cũng dễ bị xói mòn hoặc xói lở (scour). Cát rời có thể được định nghĩa là đất cỡ hạt cát có độ chặt tương đối theo hệ số rỗng (relative density) nhỏ hơn 40% và số búa SPT nhỏ hơn 10 búa/ft (Duncan et al. 2014).

Rung động do nổ mìn và tải trọng thiết bị có thể gây lún cho cát rời. Lún và ổn định tổng thể của cát rời có thể được đánh giá bằng các phương pháp trong Chương 5 và Chương 7 của DM 7.1 đối với điều kiện tải trọng tĩnh.

Một ứng xử đặc trưng riêng có ở cát rời và bụi (silt) không dẻo là hóa lỏng tĩnh (static liquefaction). Hiện tượng này có thể xảy ra khi tiến hành đào trong các lớp cát rời có tính co ngót (contractive) được hình thành bằng phương pháp phun dòng (sluicing), chẳng hạn như đối với đuôi quặng (tailings) hoặc đập. Sự gia tăng ứng suất do tác dụng thêm tải trọng cũng có thể gây ra hóa lỏng tĩnh. Cát rời bão hòa có thể bị phá hoại một cách đột ngột do hóa lỏng dưới tải trọng không thoát nước nếu ứng suất tại hiện trường (in situ) vượt quá sức kháng cắt chảy dẻo (yield shear strength) khi biến dạng xảy ra (Olson 2002). Sức kháng cắt chảy dẻo thường đạt được ở biến dạng rất nhỏ, thường nhỏ hơn 1%.

1-2.9 Sét Yếu (Soft Clays).

Sét yếu có sức kháng cắt không thoát nước trong khoảng từ 500 psf đến 1000 psf (24–48 kPa). Sét có sức kháng cắt không thoát nước nhỏ hơn 500 psf được gọi là rất yếu (very soft). Sét yếu thường ở trạng thái cố kết bình thường hoặc quá cố kết nhẹ. Sét yếu thường có chỉ số dẻo lỏng (liquidity index) gần bằng một.

1-2.10 Đất Tàn Tích Băng Hà (Glacial Till).

Đất tàn tích băng hà có thể chứa đất với cỡ hạt dao động từ cỡ hạt sét (0.002 mm) đến đá tảng (boulders). Trong hầu hết các trường hợp, đất tàn tích băng hà là vật liệu xây dựng tuyệt vời. Tuy nhiên, các loại đất tàn tích băng hà chứa hàm lượng lớn vật liệu cỡ hạt bụi (silt) và cỡ hạt cát có thể dễ bị xói mòn, đặc biệt nếu không được bảo vệ bằng lớp lọc cấp phối (graded filter).

1-2.11 Đất Hữu Cơ (Organic Soils).

Đất hữu cơ từ lâu đã là nỗi khó khăn cho thực hành ngành địa kỹ thuật thông thường. Các chỉ tiêu kỹ thuật cho vật liệu đắp thường quy định rằng không được phép có hàm lượng hữu cơ (0% hữu cơ). Quy định nghiêm ngặt này vừa không thực tế vừa không khả thi để áp dụng. Có nhiều loại đất hữu cơ khác nhau, và chúng khác nhau về mức độ và loại vấn đề mà chúng có thể gây ra trong các dự án địa kỹ thuật.

Sét hữu cơ, theo định nghĩa của ASTM D2487, là đất hạt mịn có giới hạn Atterberg nằm trên đường A-line và có tỷ số giữa giới hạn chảy khi sấy khô bằng lò (oven-dried) và giới hạn chảy khi không sấy khô (not-dried) nhỏ hơn hoặc bằng 0.75. Loại đất này có ký hiệu nhóm là OH nếu giới hạn chảy (không sấy khô) lớn hơn 50, và có tên nhóm là sét hữu cơ. Đất OH được xem là có “hàm lượng hữu cơ đủ để ảnh hưởng đến các tính chất của đất.” Nếu giới hạn chảy nhỏ hơn 50, ký hiệu nhóm là OL, nhưng tên nhóm vẫn là sét hữu cơ.

Bụi hữu cơ (Organic silts) được định nghĩa tương tự, nhưng giới hạn Atterberg nằm dưới đường A-line. Tiêu chí về tỷ số giữa giới hạn chảy khi sấy khô bằng lò và khi không sấy khô cũng được áp dụng tương tự. Bụi hữu cơ có cùng ký hiệu nhóm OH như sét hữu cơ nếu giới hạn chảy khi không sấy khô lớn hơn 50. Bụi hữu cơ có giới hạn chảy nhỏ hơn 50 có ký hiệu nhóm là OL, và tên nhóm vẫn là bụi hữu cơ.

Đất than bùn (Peats), có ký hiệu nhóm PT, được mô tả trong ASTM D2487 là “chủ yếu là chất hữu cơ, có màu sẫm, và có mùi hữu cơ đặc trưng.” Cách phân loại này không dựa trên giới hạn Atterberg, và than bùn được mô tả có kết cấu từ dạng sợi (fibrous) đến dạng vô định hình (amorphous). Muskeg là một loại đất than bùn được tìm thấy ở một số khu vực của Alaska và miền Tây Canada (Sowers 1989).

Than bùn được phân loại chi tiết hơn dựa trên hàm lượng hữu cơ đo được, theo mô tả trong ASTM D4427 (Phân Loại Tiêu Chuẩn Mẫu Than Bùn Bằng Thí Nghiệm Trong Phòng). Than bùn có hàm lượng tro nhỏ hơn 25%, xác định theo ASTM D2974, nghĩa là than bùn thực sự (true peats) có ít nhất 75% vật chất hữu cơ.⁵ Than bùn cũng được phân biệt dựa trên hàm lượng xơ (fiber content), độ chua (acidity), và khả năng hấp thụ nước (absorbency). Thông tin thêm về phân loại và ứng xử kỹ thuật của đất hữu cơ có thể được tìm thấy trong VandenBerge et al. (2017) và Sleep et al. (2009).

⁵ Các tổ chức và nhóm khác có định nghĩa riêng về than bùn, thường khác với ASTM D4427 về hàm lượng tro yêu cầu.

Một trong những vấn đề chính của đất hữu cơ, đặc biệt là than bùn, là chúng có tính nén lún rất cao. Đất hữu cơ có thể có độ ẩm tự nhiên (in situ) rất cao – đôi khi vượt quá 1000% đối với than bùn. Điều này dẫn đến khối lượng thể tích rất thấp và ứng suất hữu hiệu tự nhiên tương ứng cũng rất thấp. Than bùn có thể ở trạng thái cố kết bình thường, và vì ứng suất hữu hiệu rất thấp, hệ số rỗng cân bằng có thể rất cao – thường lớn hơn 4. Nếu ứng suất hữu hiệu tăng lên do tải trọng của một dự án địa kỹ thuật, có thể xảy ra lún lớn. Việc gia tải trước (preloading) một công trường có thể giúp giảm bớt mức độ lún cực đoan.

Đất hữu cơ cũng có thể phân hủy theo thời gian. Nếu vật chất hữu cơ được đưa vào vật liệu đắp, sự phân hủy của chất hữu cơ có thể gây ra lún theo thời gian; tuy nhiên, vẫn còn tranh luận về mức độ phân hủy có thể xảy ra trong môi trường kỵ khí (anaerobic). Dù vậy, thường có các giới hạn nghiêm ngặt được quy định đối với hàm lượng hữu cơ của vật liệu đắp kết cấu, với giới hạn thường được quy định trong khoảng 0% đến 10%.

Mặc dù than bùn có tính nén lún rất cao, các nghiên cứu thực hiện trên than bùn dạng sợi (fibrous peats) cho thấy các thông số kỹ thuật khác thường nằm trong phạm vi của các loại đất khác (Edil và Wang 2000; Landva và La Rochelle 1983; và Landva et al. 1983). Dưới đây là các đặc điểm chung của than bùn dạng sợi:

• Than bùn có biến dạng đến phá hoại (strain to failure) cao đối với cả tải trọng thoát nước và không thoát nước.
• Than bùn phát triển áp lực nước lỗ rỗng cao trong quá trình chịu tải không thoát nước, với giá trị Ā tại thời điểm phá hoại lớn hơn 0.5 và thường bằng 1.0.
• Giá trị K₀ của than bùn dạng sợi vào khoảng 0.3.
• Than bùn thường có c’ gần bằng không và giá trị ϕ’ cao. Các giá trị φ’ được ghi nhận trong tài liệu dao động từ khoảng 40 độ đến 65 độ.
• Than bùn không hẳn là yếu (weak) theo đúng nghĩa. Tỷ số sức kháng cắt không thoát nước của than bùn được ghi nhận trong tài liệu dao động từ khoảng 0.4 đến 1.5, với giá trị trung bình 0.59 theo Edil và Wang (2000). Lý do than bùn thường được xem là yếu là do khối lượng thể tích rất thấp khiến ứng suất hữu hiệu trong các lớp than bùn rất thấp. Nếu một lớp than bùn nằm dưới một lớp đất khoáng, sức kháng cắt không thoát nước của than bùn có thể cao hơn nhiều so với sét ở trạng thái cố kết bình thường.
• Than bùn có hệ số thấm cao (10⁻³ cm/giây) ở trạng thái cố kết bình thường tại ứng suất hữu hiệu thấp. Nếu than bùn được cố kết bằng cách đắp vật liệu lên trên, hệ số thấm sẽ giảm mạnh trong quá trình cố kết.
• Thí nghiệm cắt cánh thường được sử dụng để đo sức kháng cắt không thoát nước của than bùn.
• Sức kháng cắt của than bùn có tính dị hướng rất cao do các sợi thường có hướng nằm ngang.

1-2.12 Đất trương nở.

Một số loại đất hạt mịn có thể trương nở khi tiếp xúc với nước. Áp lực phát sinh do trương nở có thể đủ lớn để gây hư hại đáng kể cho các công trình địa kỹ thuật. Có năm yếu tố liên quan ảnh hưởng đến tiềm năng trương nở của đất hạt mịn (Bursey và cộng sự, 2006):

1. Đất sét có độ bão hòa ban đầu thấp trương nở nhiều hơn đất sét có độ bão hòa cao hơn.
2. Tiềm năng trương nở tăng khi dung trọng đất tăng.
3. Đất sét có khoáng vật sét hoạt tính rất cao như smectite và montmorillonite trương nở nhiều hơn đất có khoáng vật sét ít hoạt tính hơn như kaolinite và illite.
4. Đất có tính dẻo cao trương nở nhiều hơn đất có tính dẻo thấp.
5. Đất sét có cấu trúc bông tụ trương nở nhiều hơn đất sét có cấu trúc phân tán.

Bộ luật Xây dựng Quốc tế (IBC) đưa ra các ngưỡng hướng dẫn để xác định đất có vấn đề trương nở hay không. Đất được xem là không trương nở nếu chỉ số dẻo nhỏ hơn 15, lượng lọt sàng No. 200 nhỏ hơn 10%, hoặc phần hạt mịn hơn 0,005 mm nhỏ hơn 5%. Nếu đất được xem là có khả năng trương nở, có thể dùng hai quy trình ASTM sau để đánh giá tiềm năng trương nở:

1. ASTM D4546 “Phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn xác định trương nở một chiều hoặc lún của đất dính”.
2. ASTM D4829 “Phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn xác định chỉ số trương nở của đất”.

Ngoài ra, thí nghiệm cố kết một chiều thông thường (ASTM D2435) có thể được dùng để đo áp lực trương nở của đất. Áp lực trương nở là ứng suất tác dụng ngăn không cho mẫu thí nghiệm thay đổi thể tích khi bị ngập nước. Ngoài ra, có nhiều tương quan để ước tính tiềm năng trương nở của đất; các tương quan này có trong Chương 8 của DM 7.1.

Đất trương nở có thể gây vấn đề vì đặc tính thay đổi thể tích có thể đảo ngược. Đất trương nở đáng kể khi bị làm ướt cũng có thể co ngót đáng kể khi bị làm khô. Các vấn đề co ngót–trương nở trong đất hạt mịn thường xảy ra trong phạm vi độ sâu tương ứng với sự thay đổi độ ẩm theo mùa.

1-2.13 Đá Phiến Sét Trương Nở.

Nhiều loại đá phiến sét (shale) cũng có thể trương nở khi tiếp xúc với nước. Vì đá phiến sét thường chứa khoáng vật sét, nên các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến khả năng trương nở của đất cũng áp dụng tương tự cho đá phiến sét, đặc biệt khi đá phiến sét bị đào xúc và sử dụng làm vật liệu đắp chịu lực (structural fill).

Đá phiến sét chứa pyrit (pyritic shale) gây ra vấn đề đặc biệt nghiêm trọng nếu bị lộ ra trong quá trình đào đất. Các vấn đề này có thể nghiêm trọng hơn nhiều so với hiện tượng đùn trồi mặt đất (ground heave) đơn thuần, vì các sản phẩm phụ sinh ra từ quá trình oxy hóa đá phiến sét chứa pyrit (thạch cao và axit sulfuric) có thể gây suy thoái thép và bê tông. Các vấn đề liên quan đến đá phiến sét chứa pyrit đã được ghi nhận ở khu vực đông nam và trung Đại Tây Dương của Hoa Kỳ, cũng như ở Canada, Vương quốc Anh, và nhiều quốc gia khác. Bryant et al. (2003) đã tổng hợp nhiều trường hợp thực tế về các vấn đề liên quan đến đá phiến sét chứa pyrit.

Các kỹ sư triển khai dự án tại các khu vực có địa tầng đá phiến sét tuổi Devon cần lưu ý đến các vấn đề liên quan đến đá phiến sét chứa pyrit. Đá phiến sét có khả năng gây vấn đề thường có màu xám sẫm đến đen (Bryant et al. 2003), và một số loại hóa thạch nhất định thường xuất hiện phổ biến trong các loại đá phiến sét này, có thể được dùng để xác định niên đại của chúng. Các tinh thể pyrit có thể quan sát được bằng mắt thường trong đá phiến sét chứa pyrit. Có thể tiến hành thí nghiệm hóa học để xác định tổng hàm lượng lưu huỳnh có trong đá phiến sét, nhằm xác định các loại đá phiến sét đáng lo ngại.

1-2.14 Đất Sụp Lún (Collapsible Soils).

Một số loại đất có thể biểu hiện sự thay đổi thể tích nén ép lớn khi bị làm ướt. Các loại đất có thể biểu hiện đặc tính này bao gồm đất hoàng thổ (loess), trầm tích đồng bằng ngập lũ (alluvial flood plain deposits), trầm tích sườn tích (colluvial deposits), đất tàn tích (residual soils), tro núi lửa kết (volcanic tuff), và sét/bụi gầy được đầm nén ở độ ẩm khô hơn độ ẩm tối ưu (Brandon et al. 1990, Xanthakos et al. 1994).

Có các thí nghiệm địa kỹ thuật trong phòng thí nghiệm để xác định mức độ nén ép do làm ướt (hydrocompression hay hydrocompaction). Các quy trình thí nghiệm cơ bản được trình bày trong Brandon et al. (1990). Quy trình thí nghiệm nêu trong ASTM D4546 (Phương pháp Thí nghiệm Tiêu chuẩn để Xác định Khả năng Trương nở hoặc Sụp lún một chiều của Đất – Standard Test Method for One-Dimensional Swell or Collapse of Soil) có thể được sử dụng để đo khả năng sụp lún của đất đầm nén.

Khả năng sụp lún của đất đầm nén đôi khi có thể được kiểm soát bằng cách lựa chọn cẩn thận các thông số kỹ thuật đầm nén. Khả năng sụp lún có thể được giảm bằng cách đầm nén đất ở độ ẩm ướt hơn độ ẩm tối ưu, với độ chặt tương đối ở mức vừa phải. Tuy nhiên, việc kiểm soát khả năng sụp lún thông qua các thông số kỹ thuật đầm nén cũng đi kèm với sự đánh đổi, vì các đặc tính khác như cường độ và độ cứng có thể bị ảnh hưởng.

Khả năng sụp lún của đất tự nhiên in situ thường khó xử lý hơn. Trong một số trường hợp, người ta xây dựng các bệ (berm) bao quanh một phần khu vực công trình, sau đó cho ngập nước để buộc đất sụp lún trước khi triển khai xây dựng. Trong các trường hợp khác, có thể áp dụng các phương pháp cải tạo đất, chẳng hạn như đầm nén động (dynamic compaction), để làm tăng độ chặt của đất và giảm mức độ sụp lún trong tương lai. Nội dung thảo luận chi tiết hơn về hiện tượng sụp lún trong bối cảnh móng nông được trình bày tại Mục 5-6.3.

1-2.15 Đất Phân Tán (Dispersive Soils).

Một số loại đất hạt mịn dễ bị phân tán (dispersion) hoặc tách bông (defloculation) khi chịu tác động của dòng nước có thành phần hóa học nhất định. Các loại đất này được gọi là đất phân tán (dispersive soils) và thường là đất sét hoặc đất bụi. Đất phân tán có thể bị xói mòn nhanh chóng do các hạt đất bị tách rời nhau, và một số trường hợp vỡ đập đã được quy cho nguyên nhân xói mòn do đất phân tán (Sherard 1986).

Do tầm quan trọng về mặt kỹ thuật của đất phân tán đối với đập đất và kênh mương, nhiều thí nghiệm đã được phát triển để nhận diện loại đất này:

1. ASTM D4221 “Phương pháp Thí nghiệm Tiêu chuẩn để Xác định Đặc tính Phân tán của Đất Sét bằng Phương pháp Tỷ trọng kế Kép (Standard Test Method for Dispersive Characteristics of Clay Soil by Double Hydrometer)”,
2. ASTM D4647 “Phương pháp Thí nghiệm Tiêu chuẩn để Nhận diện và Phân loại Đất Sét Phân tán bằng Thí nghiệm Lỗ kim (Standard Test Methods for Identification and Classification of Dispersive Clay Soils by the Pinhole Test)”,
3. ASTM D6572 “Phương pháp Thí nghiệm Tiêu chuẩn để Xác định Đặc tính Phân tán của Đất Sét bằng Thí nghiệm Vụn Đất (Standard Test Methods for Determining Dispersive Characteristics of Clayey Soils by the Crumb Test)”, và
4. ASTM D4542 “Phương pháp Thí nghiệm Tiêu chuẩn để Chiết xuất Nước Lỗ rỗng và Xác định Hàm lượng Muối Hòa tan trong Đất bằng Khúc xạ kế (Standard Test Method for Pore Water Extraction and Determination of the Soluble Salt Content of Soils by Refractometer)”.

Việc diễn giải kết quả của các thí nghiệm này đòi hỏi phán đoán kỹ thuật (engineering judgment). Kết quả thí nghiệm mang tính khái quát cao, vì đất chỉ có thể được xếp loại là phân tán, hơi phân tán, hoặc không phân tán (ASTM D4647). Ví dụ, nếu hai mươi mẫu được thí nghiệm tại một công trình, và hai mẫu được xác định là phân tán, thì cần có phán đoán kỹ thuật để xác định liệu hiện tượng phân tán có thực sự là vấn đề đáng lo ngại hay không. Đất phân tán cũng được thảo luận thêm tại Mục 3-6.6.

1-2.16 Đất Nạo Vét (Dredged Soils).

Đất nạo vét (dredged soils) là vật liệu được đào hoặc bơm hút lấy từ dưới mặt nước. Một nguồn chính tạo ra đất nạo vét là hoạt động duy tu các tuyến đường thủy và cảng biển có thể lưu thông tàu bè. Lục quân Công binh Hoa Kỳ (US Army Corps of Engineers) duy trì hơn 25.000 dặm đường thủy và hơn 400 cảng, và đơn vị này chịu trách nhiệm đào phần lớn khối lượng vật liệu nạo vét tại Hoa Kỳ (ERDC 2001). Nạo vét môi trường (environmental dredging) là một loại hình nạo vét khác, được sử dụng để loại bỏ trầm tích ô nhiễm khỏi các tuyến đường thủy và cảng biển. Hải quân và Lực lượng Tuần duyên Hoa Kỳ cũng trực tiếp chỉ đạo các dự án nạo vét, cùng với các cơ quan chính quyền địa phương, tiểu bang và các cơ quan liên bang khác.

Trong một số trường hợp, vật liệu nạo vét có thể được sử dụng cho các dự án kỹ thuật, chẳng hạn như lấn biển tạo đất (land reclamation), hoặc nếu được phân loại đúng cách, có thể dùng làm vật liệu xây dựng. Nạo vét cũng có thể được sử dụng để đào đất xung quanh các hạng mục hạ tầng công trình, chẳng hạn như vị trí mố cầu và trụ cầu. Có nhiều loại thiết bị nạo vét khác nhau, bao gồm nạo vét cơ học, nạo vét thủy lực, và nạo vét khí nén. Trong nhiều trường hợp, đất nạo vét được trộn với nước để có thể bơm đến vị trí xử lý/đổ thải.

Đất nạo vét có thể được đổ tại các cơ sở tiếp nhận trên bờ (khu vực xử lý kín – confined disposal facilities) hoặc tại các khu vực gần bờ hay ngoài khơi. Đối với việc đổ trên bờ, vật liệu nạo vét cần được thoát nước để chuyển từ trạng thái bùn nhão sang trạng thái đất bán rắn. Vật liệu nạo vét dạng bùn nhão thường được đổ trong khu vực được bao quanh bởi các đê chắn (containment dikes). Theo thời gian, các hạt đất lắng xuống và phần nước nổi phía trên (supernatant) được thoát ra khỏi bề mặt. Phần vật liệu đất còn lại bị xáo trộn kết cấu (remolded) và có độ ẩm rất cao, khối lượng thể tích rất thấp, và cường độ kháng cắt rất thấp. Tính chất của vật liệu nạo vét phụ thuộc vào nguồn gốc, và cỡ hạt có thể dao động đáng kể từ cỡ sét đến cỡ sỏi cuội. Cường độ kháng cắt của đất nạo vét có thể được tăng lên bằng cách lắp đặt bấc thấm (wick drains) kết hợp gia tải trước (preloading) khu vực công trình.

Nhờ kinh nghiệm về nạo vét và đất nạo vét, Lục quân Công binh Hoa Kỳ sở hữu một danh mục nghiên cứu ấn tượng về nhiều khía cạnh của công tác nạo vét. Họ đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng nạo vét (dredgeability) của đất, công tác xây dựng đê chắn, và các đặc tính của đất nạo vét.

Các thiết bị thí nghiệm địa kỹ thuật thông thường trong phòng thí nghiệm và hiện trường đều có thể sử dụng được với đất nạo vét; tuy nhiên, do cường độ kháng cắt rất thấp nên việc diễn giải kết quả thí nghiệm thường nằm ở giới hạn dưới của phạm vi hiệu chuẩn thông thường. Thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT) có thể được sử dụng trong đất nạo vét, nhưng cần tối đa hóa độ nhạy của đầu mũi xuyên bằng cách sử dụng mũi xuyên có sức chịu tải thấp hoặc mũi xuyên có diện tích đầu mũi lớn hơn. Các loại xuyên kế đặc biệt đã được phát triển dành riêng cho đất rất mềm yếu. Thí nghiệm cắt cánh (vane shear test) cũng đã được sử dụng và cho kết quả tốt trong các trầm tích nạo vét hạt mịn.

Việc lấy mẫu đất nạo vét khá khó khăn, nhưng vẫn có thể lấy mẫu thành công bằng ống mẫu piston cố định (fixed-piston samplers). Khi đã lấy được mẫu, việc gọt tỉa mẫu thí nghiệm nén ba trục (triaxial) có thể gặp khó khăn do cường độ kháng cắt rất thấp. Thí nghiệm cắt cánh thu nhỏ trong phòng (laboratory miniature vane shear test, ASTM D4648) hoặc thí nghiệm côn rơi (fall cone test) có thể là giải pháp thay thế tốt hơn để đo cường độ kháng cắt không thoát nước. Đối với các thông số cường độ thoát nước, việc gọt tỉa mẫu thí nghiệm cắt trực tiếp (direct shear test) thường dễ hơn so với mẫu thí nghiệm ba trục.

1-2.17 Bụi Có Tính Dẻo Thấp và Bụi Không Dẻo (Low Plasticity and Nonplastic Silts).

Đất bụi (silt) có thể được đặc trưng theo giới hạn Atterberg hoặc theo cỡ hạt. Các loại đất nằm phía dưới đường A với LL > 50 có ký hiệu nhóm MH và tên nhóm là bụi đàn hồi (elastic silt)⁶. Các loại đất này thường không gây vấn đề và có thể được xử lý tương tự như đất sét. Các loại đất nằm phía dưới đường A, với LL < 50 và PI < 4, có ký hiệu nhóm ML và tên nhóm là bụi (silt). Các loại đất có cỡ hạt trong khoảng từ 0,002 mm đến 0,075 mm được xem là có cỡ hạt bụi (silt-sized).

(đường A là gì?)

Đường A (A-line) là đường ranh giới quy ước trên biểu đồ dẻo Casagrande (Casagrande plasticity chart), dùng trong hệ thống phân loại đất USCS để phân biệt đất sét (clay) và đất bột (silt) dựa trên các giới hạn Atterberg.

Phương trình của đường A là: PI = 0.73 (LL-20)

trong đó: PI = chỉ số dẻo (Plasticity Index), %; LL = giới hạn chảy (Liquid Limit), %

Trên biểu đồ (PI-LL):

• Điểm nằm trên đường A → đất có tính chất thiên về đất sét (clay).
• Điểm nằm dưới đường A → đất có tính chất thiên về đất bột (silt) hoặc đất hữu cơ.

Liên hệ trực tiếp với đoạn bạn đang đọc

Đoạn:

Đường A với LL > 50 có ký hiệu nhóm MH và tên nhóm là *bụi đàn hồi (elastic silt)

Tức là: LL>50, PI<0.73(LL-20) → MH – đất bột có tính dẻo cao (elastic silt).

Còn: LL<50, PI<4 → ML – đất bột (silt).

Một điểm cần lưu ý: A-line không phải là đường thu được trực tiếp từ một thí nghiệm riêng biệt. Ta thí nghiệm để xác định LL và PL, tính PI=LL-PL, sau đó đặt điểm (LL, PI) lên biểu đồ và xem nó nằm trên hay dưới đường A để phân loại đất.

Bụi gây vấn đề là loại có tính dẻo rất thấp (PI < 4 và LL < 25), đặc biệt là bụi không dẻo (nonplastic). Theo ASTM D4318, một loại đất được xem là không dẻo nếu (1) không thể vê thành sợi ở giới hạn dẻo, hoặc (2) không thể giữ được rãnh cắt trong thí nghiệm giới hạn chảy quá 25 nhát gõ. Bụi có tính dẻo thấp và bụi không dẻo có thể gây khó khăn trong các dự án kỹ thuật vì các vấn đề sau (Brandon et al. 2006):

1. Thí nghiệm nén ba trục Không Cố kết – Không Thoát nước (Unconsolidated-Undrained – UU) thực hiện trên bụi bão hòa thường cho kết quả phân tán đáng kể.
2. Các tương quan được xây dựng cho đất sét (CL và CH) có thể không áp dụng được cho bụi. Điều này bao gồm cả các tương quan dùng để diễn giải kết quả thí nghiệm in situ.
3. Đường cong nén cố kết thường không thể hiện rõ áp lực tiền cố kết (preconsolidation pressure).

Nhiều vấn đề liên quan đến loại bụi này có thể xuất phát từ việc cỡ hạt của chúng, cùng với hệ số thấm tương ứng, tạo ra các đặc tính ứng xử khác biệt so với đất sét và đất cát. Trong khi nhiều thí nghiệm in situ trên đất sét được xem là không thoát nước, thì các thí nghiệm này có thể chỉ đạt trạng thái thoát nước một phần khi thực hiện trên đất bụi. Đất bụi có thể phát sinh hiện tượng khí hóa (cavitate) trong quá trình gia tải không thoát nước do xu hướng giãn nở (dilative tendencies) của chúng (Skempton and Golder 1948). Ngoài ra, do tính dẻo không đáng kể, ứng xử của đất bụi có thể không chịu ảnh hưởng nhiều bởi áp lực tiền cố kết.

Phần lớn các vấn đề liên quan đến bụi có tính dẻo thấp và bụi không dẻo xảy ra khi cố gắng xác định cường độ không thoát nước (undrained strength). Nếu cường độ không thoát nước được xác định bằng thí nghiệm nén ba trục Cố kết – Không Thoát nước (Consolidated-Undrained), thì có thể tránh được vấn đề phân tán kết quả vốn thường gặp ở thí nghiệm UU. Cường độ không thoát nước cũng có thể được ước tính dựa trên các thông số cường độ kháng cắt thoát nước kết hợp với một giá trị áp lực nước lỗ rỗng giả định tại thời điểm phá hoại lớn hơn hoặc bằng không, nhằm tránh phải dựa vào áp lực nước lỗ rỗng âm để xác định cường độ không thoát nước (Duncan et al. 2014).

⁶ Mặc dù các loại đất này được gọi là bụi đàn hồi (elastic silts), nhưng không có đặc điểm ứng xử nào cho thấy các loại đất này thực sự có tính đàn hồi theo nghĩa cổ điển (ví dụ: không thay đổi thể tích khi chịu ứng suất cắt, hoặc có biến dạng hồi phục đáng kể).

1-2.18 Chất Thải Rắn Đô Thị (Municipal Solid Waste).

Chất thải rắn đô thị (municipal solid waste – MSW) được sinh ra với khối lượng rất lớn trên khắp Hoa Kỳ. Công tác nghiên cứu về các đặc tính địa kỹ thuật của loại vật liệu này bắt đầu được đẩy mạnh từ đầu những năm 1990, nhằm đáp ứng các quy định mới của Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA). Việc hiểu rõ các đặc tính này có ý nghĩa quan trọng vì một số lý do sau:

1. Các đặc tính kỹ thuật của MSW có thể là yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế bãi chôn lấp, đặc biệt là ổn định của mái dốc bên trong bãi chôn lấp (landfill interior slopes) và hệ thống lớp phủ (cover system).
2. Sau khi bãi chôn lấp đóng cửa, khu vực này thường được quy hoạch phát triển với các công trình có tải trọng nhẹ. Nhiều công trình như công viên công cộng và sân golf đã được xây dựng trên nền các bãi chôn lấp đã đóng cửa.
3. Vẫn còn tồn tại các khối MSW trong những bãi chôn lấp không được thiết kế kỹ thuật (unengineered landfills) có trước khi các quy định hiện hành ra đời. Việc phát triển công trình tại các khu vực bãi chôn lấp cũ có thể xảy ra dù đã biết hoặc chưa biết trước về sự hiện diện của MSW tại đó.

Không thể khẳng định chắc chắn các đặc tính của MSW, vì các đặc tính kỹ thuật phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau. Thành phần của dòng chất thải có thể thay đổi theo từng khu vực địa lý cũng như theo từng mùa trong năm. Ngoài ra, khi MSW phân hủy, các đặc tính của nó cũng thay đổi theo thời gian (Reddy et al. 2011); do đó, chỉ có thể đưa ra các khoảng giá trị đặc tính mang tính tham khảo.

Việc đo cường độ kháng cắt của MSW là một việc khó khăn, vì kích thước của vật liệu thường lớn hơn khả năng chứa của hầu hết các thiết bị thí nghiệm cắt vốn được thiết kế cho đất. Ngoài ra, việc lấy được mẫu đại diện từ vật liệu có tính không đồng nhất cao như vậy cũng rất khó khăn. Một số nhóm nghiên cứu đã chọn cách chế tạo mẫu thí nghiệm MSW “nhân tạo (synthetic)” để có được các mẫu thí nghiệm có thể lặp lại phục vụ việc đo đạc đặc tính (Dixon et al. 2008; Reddy et al. 2009; Reddy et al. 2011). Các chương trình nghiên cứu khác thì cố gắng tính ngược (back-calculate) các thông số cường độ từ các mái dốc bị phá hoại trong bãi chôn lấp (Eid et al. 2000; Bray et al. 2008).

Việc sử dụng thí nghiệm hiện trường (in situ) để xác định đặc tính MSW không được khuyến nghị, vì việc xuyên qua vật liệu bãi chôn lấp có thể gặp nhiều khó khăn, và không có tương quan đáng tin cậy nào để diễn giải kết quả thí nghiệm. Những yếu tố này càng trở nên phức tạp hơn khi chất lỏng lỗ rỗng (pore fluid) có thể là nước rỉ rác (leachate) với các đặc tính không xác định, thay vì nước thông thường.

Bray et al. (2009) đề xuất sử dụng giá trị lực dính (cohesion intercept) theo ứng suất hữu hiệu là 300 psf (≈ 14.36 kPa ≈ 0.01436 MPa) và góc ma sát thoát nước là 36 độ ở ứng suất pháp tuyến 2000 psf (≈ 95.76 kPa ≈ 0.09576 MPa), với góc ma sát giảm 5 độ mỗi khi ứng suất pháp tuyến tăng gấp mười lần. Các tài liệu khác đưa ra các thông số cường độ nhỏ hơn đáng kể (Reddy et al. 2009). Pandey and Tiwari (2015) tổng hợp các giá trị đã công bố của c’ dao động từ 0 đến 1000 psf (≈ 47.88 kPa ≈ 0.488kgf/cm²) và góc ma sát (ϕ’) dao động từ 27 đến 41 độ đối với MSW.

Việc đo độ nén lún (compressibility) của MSW là một công việc dễ thực hiện hơn. Có thể chế tạo thiết bị cố kết một chiều (one-dimensional consolidometers) để thí nghiệm các mẫu MSW kích thước lớn. Mặc dù không thể thí nghiệm các mẫu ở trạng thái “nguyên dạng (undisturbed)”, nhưng có thể tạo ra các mẫu tái chế tạo (reconstituted specimens) có khối lượng thể tích nằm trong phạm vi thường gặp tại các bãi chôn lấp. Pandey and Tiwari (2015) tổng hợp kết quả thí nghiệm cố kết cho các mẫu có đường kính lên đến 20 inch, và ghi nhận tỷ số nén theo biến dạng (strain-based compression ratios, C_εc) dao động từ 0.16 đến 0.35, với phần lớn kết quả nằm trong khoảng 0.25 đến 0.30.

Tóm lại, MSW có thể là một loại vật liệu rất khó xử lý bằng các công cụ địa kỹ thuật thông thường. Vật liệu này có tính không đồng nhất rất cao, và về mặt thực tế không thể lấy được mẫu nguyên dạng (undisturbed samples). Có thể lấy mẫu xáo trộn (disturbed samples), thường bằng phương pháp đào thay vì khoan xoay, nhưng công tác này có thể tiềm ẩn nguy hiểm do các thành phần có trong chất thải. Các thiết bị thí nghiệm phòng thí nghiệm thông thường không phù hợp để thí nghiệm MSW, và thí nghiệm hiện trường (in situ) mang lại giá trị rất hạn chế. Không có sẵn các tương quan chính xác và đáng tin cậy cho MSW; do đó, cần dựa nhiều vào phán đoán kỹ thuật khi xử lý loại vật liệu này.

1-3 PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG ĐỊA KỸ THUẬT CHUYÊN DỤNG

Các phương pháp thi công địa kỹ thuật liên tục được cập nhật, cải tiến và phát triển mới. Nhiều nhà thầu chuyên môn (specialty contractors) sáng tạo tham gia vào lĩnh vực thi công địa kỹ thuật, và các phương pháp thi công mới, mang tính sáng chế được giới thiệu hàng năm. Một số phương pháp thi công chuyên dụng sử dụng thiết bị sẵn có, trong khi các phương pháp khác sử dụng thiết bị tùy chỉnh phức tạp.

Có nhiều nguồn tài liệu giá trị cung cấp thông tin chi tiết quan trọng về các phương pháp thi công địa kỹ thuật chuyên dụng. Vào tháng 11 năm 2012, trang GeoTechTools được ra mắt và hiện có thể truy cập thông qua trang web của ASCE Geo-Institute (https://www.geoinstitute.org/geotechtools/). GeoTechTools được xây dựng với nguồn kinh phí từ Dự án Nghiên cứu Đường bộ Chiến lược 2 (Strategic Highway Research Project 2 – SHRP2), do Ủy ban Nghiên cứu Giao thông (Transportation Research Board) quản lý, phối hợp cùng Cục Quản lý Đường bộ Liên bang (FHWA) và Hiệp hội Quốc gia các Quan chức Giao thông và Đường bộ Tiểu bang Hoa Kỳ (American Association of State Transportation and Highway Officials – AASHTO). Thông tin chi tiết có thể tìm thấy trong tài liệu Ground Modifications Methods Reference Manual – Volumes 1 and 2 (FHWA 2017). Các tài liệu này thường được gọi là FHWA Geotechnical Engineering Circular No. 13 (GEC 13).

Trang web này cung cấp thông tin chi tiết về nhiều công nghệ địa kỹ thuật. Một số công nghệ đã được áp dụng trong thi công xây dựng dân dụng từ nhiều năm nay, chẳng hạn như đào và thay thế (excavation and replacement) và đầm nén thông thường (conventional compaction). Một số công nghệ khác ít phổ biến hơn trong thi công thông thường, chẳng hạn như đầm nén thông minh (intelligent compaction), hoặc là chủ đề nghiên cứu hiện nay, chẳng hạn như xử lý sinh học (bio-treatment) của đất. Bảng 1-2 liệt kê các công nghệ khác nhau được đề cập. Mặc dù việc phát triển các tài liệu hướng dẫn và trang web này tập trung vào các dự án giao thông, nhưng các công nghệ được mô tả có ứng dụng trực tiếp đối với các chủ đề được trình bày trong tài liệu này.

Bảng 1-2 Danh mục Công nghệ Được Đề cập trong GeoTechTools và GEC 13

Cột Vật liệu hạt (Aggregate Columns)	Tái sử dụng Có ích Vật liệu Thải (Beneficial Reuse of Waste Materials)
Xử lý Sinh học để Ổn định Nền đường (Bio-Treatment for Subgrade Stabilization)	Gia cố Nổ mìn (Blast Densification)
Phụt vữa Lấp đầy Khối lớn (Bulk-Infill Grouting)	Phụt vữa/Bơm Hóa chất (Chemical Grouting/Injection Systems)
Ổn định Hóa học Nền đường và Lớp móng (Chemical Stabilization of Subgrades and Bases)	Nền đắp Có Cột Chống đỡ (Column-Supported Embankments)
Ổn định Đất Kết hợp bằng Cột Thẳng đứng (Combined Soil Stabilization with Vertical Columns)	Phụt vữa Đầm chặt (Compaction Grouting)
Cọc Khoan Guồng xoắn Liên tục (Continuous Flight Auger Piles)	Đầm nén Động (Dynamic Compaction)
Phương pháp Trộn Sâu (Deep Mixing Methods)	Cọc Neo đất Khoan/Phụt vữa và Thanh Rỗng (Drilled/Grouted and Hollow Bar Soil Nailing)
Điện Thẩm thấu (Electro-Osmosis)	Đào và Thay thế (Excavation and Replacement)
Cốt Sợi trong Kết cấu Áo đường (Fiber Reinforcement in Pavement Systems)	Giam giữ bằng Ô địa kỹ thuật trong Kết cấu Áo đường (Geocell Confinement in Pavement Systems)
Nền thi công Gia cố bằng Vật liệu Địa kỹ thuật (Geosynthetic Reinforced Construction Platforms)	Nền đắp Gia cố bằng Vật liệu Địa kỹ thuật (Geosynthetic Reinforced Embankments)
Gia cố bằng Vật liệu Địa kỹ thuật trong Kết cấu Áo đường (Geosynthetic Reinforcement in Pavement Systems)	Phân cách bằng Vật liệu Địa kỹ thuật trong Kết cấu Áo đường (Geosynthetic Separation in Pavement Systems)
Vật liệu Địa kỹ thuật trong Thoát nước Kết cấu Áo đường (Geosynthetics in Pavement Drainage)	Cột Bọc Vải Địa kỹ thuật (Geotextile Encased Columns)
Lu rung Tác động Năng lượng Cao (High-Energy Impact Rollers)	Đắp Thủy lực Kết hợp Vật liệu Địa kỹ thuật Composite và Cố kết Chân không (Hydraulic Fill with Geocomposite and Vacuum Consolidation)
Bơm Vật liệu Bọt Nhẹ (Injected Lightweight Foam Fill)	Đầm nén Thông minh (Intelligent Compaction)
Phụt vữa Áp lực cao (Jet Grouting) (Jet Grouting)	Vật liệu Đắp Nhẹ (Lightweight Fill)
Phương pháp Trộn Khối lớn (Mass Mixing Methods)	Ổn định Cơ học Nền đường và Lớp móng (Mechanical Stabilization of Subgrades and Bases)
Hệ thống Tường Đất Có Cốt (Mechanically Stabilized Earth Wall System)	Cọc Vi mô (Micropiles) (Micropiles)
Sử dụng Vật liệu Áo đường Tái chế tại Chỗ (Onsite Use of Recycled Pavement Materials)	Bao bọc Một phần (Partial Encapsulation)
Bấc thấm Đứng Chế tạo sẵn và Gia tải trước (Prefabricated Vertical Drains and Fill Preloading)	Đầm nén Va đập Nhanh (Rapid Impact Compaction)
Mái dốc Đất Có Cốt (Reinforced Soil Slopes)	Cọc Đầm chặt bằng Cát (Sand Compaction Piles)
Neo đất Vặn ren (Screw-in Soil Nailing)	Neo đất Bắn (Shoot-in Soil Nailing)
Hệ thống Tường Đất Có Cốt Có Chống đỡ (Shored Mechanically Stabilized Earth Wall System)	Đầm nén Truyền thống (Traditional Compaction)
Gia tải trước Chân không Kết hợp Có hoặc Không Bấc thấm Đứng Chế tạo sẵn (PVDs) (Vacuum Preloading with and without Prefabricated Vertical Drains (PVDs))	Cột Bê tông Rung (Vibro-Concrete Columns) (Vibro-Concrete Columns)
Đầm rung Sâu (Vibrocompaction) (Vibrocompaction)

Nhiều công nghệ trong số này có thể được phân loại chung vào nhóm kỹ thuật cải tạo nền đất (ground modification techniques). Các mục tiêu cơ bản khi áp dụng những kỹ thuật này bao gồm:

1. Tăng sức kháng cắt (shear strength) và khả năng chịu tải (bearing capacity) của đất
2. Tăng dung trọng khô (dry unit weight) của đất
3. Tăng hoặc giảm hệ số thấm (permeability) và/hoặc khả năng thoát nước (drainage) của đất
4. Tăng độ cứng (stiffness) của đất hoặc kiểm soát sự thay đổi thể tích
5. Đẩy nhanh quá trình cố kết (consolidation) của đất hạt mịn
6. Giảm tải trọng tác dụng lên công trình
7. Tăng độ ổn định của đất khi có động đất
8. Truyền ứng suất từ các lớp đất có khả năng chịu lực kém sang các lớp đất có khả năng chịu lực tốt hơn

(theo FHWA, 2017), Bảng 1-3 trình bày các loại công nghệ tương ứng với từng mục tiêu cải tạo nêu trên.

Bảng 1-3 Các Công Nghệ Được Sử Dụng Để Đáp Ứng Các Mục Tiêu Cơ Bản Của Việc Cải Tạo Đất
(theo FHWA, 2017)

Chức năng	Công nghệ
Tăng sức kháng cắt và khả năng chịu tải (Increase shear strength and bearing capacity)	Đầm rung (Vibro-Compaction) Đầm động (Dynamic Compaction) Phụt vữa đầm chặt (Compaction Grouting) Phương pháp trộn (Mixing Methods) Bấc thấm (PVDs) Cột đá (Stone Columns) Cọc vật liệu hạt đầm chặt (Rammed Aggregate Piers) Ổn định hóa học (Chemical Stabilization) Ổn định cơ học (Mechanical Stabilization)
Tăng dung trọng khô của đất (Increase soil dry unit weight)	Đầm rung (Vibro-Compaction) Đầm động (Dynamic Compaction) Đầm nén bằng nổ mìn (Blasting Compaction) Phụt vữa đầm chặt (Compaction Grouting) Phương pháp trộn (Mixing Methods) Bấc thấm (PVDs)
Giảm hệ số thấm (Decrease permeability)	Phụt vữa lấp đầy khối lớn (Bulk-infill Grouting) Phụt vữa hóa học (Chemical Grouting) Phụt vữa áp lực cao (Jet Grouting) Phương pháp trộn sâu (Deep Mixing Methods)
Kiểm soát biến dạng (lún, trồi, biến dạng hình dạng) (Control deformations (settlement, heave, distortions))	Nền đắp có cọc đỡ (Column Supported Embankments) Sàn truyền tải có cốt gia cường (Reinforced Load Transfer Platforms) Cột không nén được (Non-Compressible Columns) Phương pháp trộn (Mixing Methods) Đầm rung (Vibro-Compaction) Đầm động (Dynamic Compaction) Cột đá (Stone Columns) Cọc vật liệu hạt đầm chặt (Rammed Aggregate Piers) Ổn định hóa học (Chemical Stabilization) Ổn định cơ học (Mechanical Stabilization) Bao bọc (Encapsulation)
Tăng khả năng tiêu thoát nước (Increase drainage)	Bấc thấm (PVDs) Cột Vật liệu Hạt (Aggregate Columns) Cột bọc vải địa kỹ thuật (Geotextile Encased Columns) Điện thẩm thấu (Electro-Osmosis) Vật liệu tiêu thoát nước địa kỹ thuật tổng hợp (Geosynthetic Drains)
Đẩy nhanh quá trình cố kết (Accelerate consolidation)	Bấc thấm (PVDs) Cột Vật liệu Hạt (Aggregate Columns) Cột bọc vải địa kỹ thuật (Geotextile Encased Columns)
Giảm tải trọng tác dụng (Decrease imposed loads)	Vật liệu đắp dạng hạt (Sợi gỗ; Xỉ lò cao; Tro bay; Xỉ lò hơi; Đá phiến sét, Sét, và Đá phiến nở; Vụn lốp xe) (Granular Fills (Wood Fiber; Blast Furnace Slag; Fly Ash; Boiler Slag; Expanded Shale, Clay, and Slate; Tire Shreds)) Vật liệu đắp cường độ chịu nén (Geofoam, Bê tông bọt) (Compressive Strength Fills (Geofoam, Foamed Concrete)) Cốt gia cường địa kỹ thuật tổng hợp (Geosynthetic Reinforcement)
Tăng khả năng kháng hóa lỏng (Increase resistance to liquefaction)	Cột Vật liệu Hạt (Aggregate Columns) Đầm động (Dynamic Compaction) Trộn sâu (Deep Mixing) Phụt vữa áp lực cao (Jet Grouting) Đầm rung (Vibro-compaction)
Truyền tải trọng nền đắp xuống các lớp đất có khả năng chịu lực tốt hơn (Transfer embankment loads to more competent layers)	Nền đắp có cọc đỡ (Column Supported Embankments) Sàn truyền tải đất có cốt gia cường (Reinforced Soil Load Transfer Platforms) Cột nén được và không nén được (Compressible and Non-Compressible Columns)

\(\\\)

Một số công nghệ có thể áp dụng cho nhiều loại đất, trong khi các công nghệ khác phù hợp nhất với một số loại đất cụ thể. Bảng 1-4 trình bày các loại đất và điều kiện nền đất khác nhau, kèm theo các nhóm công nghệ tổng quát có thể áp dụng.

Bảng 1-4. Các loại đất và điều kiện nền cho các công nghệ khác nhau
(theo FHWA, 2017)

	Loại Đất và Điều Kiện Nền	Công Nghệ Áp Dụng
Chung (General)	Tất cả các loại đất, đặc biệt là đất yếu không thể chịu được tải trọng bề mặt (All soil types, in particular weak soils that cannot support surface loads)	Cột không nén được (Non-compressible columns)
	Tất cả các loại đất, trừ đất rất yếu; sức kháng cắt không thoát nước thấp (All soil types, except very soft soils; low undrained shear strength)	Cột nén được (Compressible columns)
	Đất sét, bụi, cát pha bụi rời, và đất đắp chưa đầm chặt (Clays, silts, loose silty sands, and uncompacted fill)	Cột Vật liệu Hạt (Aggregate columns)
	Phạm vi áp dụng rộng; không có giới hạn về địa chất hoặc hình học (Broad applicability; no geologic or geometric limitations)	Vật liệu đắp nhẹ: geofoam, bê tông bọt, sợi gỗ, xỉ lò cao, tro bay, xỉ lò hơi, đá phiến sét nở, vụn lốp xe (Lightweight fills: geofoam, foamed concrete, wood fiber, blast furnace slag, fly ash, boiler slag, expanded shale, tire shreds)
	Phạm vi rộng các loại đất, kể cả vật liệu đá đắp gắn kết yếu (Wide range of soil types, including weakly cemented rock-fill materials)	Phụt vữa hóa học (phụt thấm) (Chemical (permeation) grouting)
	Đất hạt thô, đất sụp lún, và đất hạt mịn chưa bão hòa (có thể dùng để lấp đầy các khoảng trống trong hố sụt hoặc giếng mỏ bỏ hoang, và có thể ngăn chặn lún dưới công trình cũng như nâng các móng đã bị lún). (Coarse-grained soils, collapsible soils, and unsaturated fine-grained soils (may be used to fill voids in sinkholes or abandoned mine shafts and can arrest settlement under a structure and lift foundations that have settled).)	Phụt vữa đầm chặt (Compaction grouting)
	Phù hợp với phạm vi rộng các loại đất, đặc biệt là các loại đất có thể được ổn định bằng xi măng, vôi, xỉ, hoặc các chất kết dính khác (Suitable in large range of soils, particularly those that can be stabilized with cement, lime, slag, or other binders)	Trộn sâu đất (Deep soil mixing)
	Phạm vi rộng các loại đất và điều kiện nước ngầm (Wide range of soil types and groundwater conditions)	Phụt vữa áp lực cao (Jet grouting)
Đất Sét (Clay)	Đất sét bão hòa có tính nén (Compressible saturated clays)	Bấc thấm, có hoặc không gia tải trước để đẩy nhanh cố kết (Prefabricated vertical drains, with and without preloading for accelerated consolidation)
	Nền đất yếu, không giới hạn về chiều sâu lớp đất yếu (Soft soil foundations, with no limitation on depth of soft soils)	Nền đắp có cốt gia cường (Reinforced embankments)
	Đất sét yếu có tính nén, than bùn, và đất hữu cơ khi lún và ổn định tổng thể là mối quan tâm (Soft compressible clay, peats, and organic soils where settlement and global stability are concerns)	Nền đắp có cọc đỡ và sàn truyền tải đất có cốt gia cường (Column supported embankments and reinforced soil load transfer platform)
	Than bùn, đất sét yếu, đất nạo vét, bụi yếu, bùn thải, và đất bị ô nhiễm (Peat, soft clay, dredged soil, soft silt, sludges, and contaminated soils)	Trộn khối đất (Mass soil mixing)
Đất Cát (Sands)	Đất rời thấm nước và bán thấm nước với hàm lượng hạt mịn nhỏ hơn 15%; vật liệu chứa nhiều khoảng trống lớn, đất thải, và khu vực phế thải (Loose pervious and semi-pervious soils with fines contents less than 15%; materials containing large voids, spoils, and waste areas)	Đầm động (DC) (Dynamic compaction (DC))
	Đất hạt thô; cát sạch với hàm lượng bụi nhỏ hơn 15% và/hoặc hàm lượng sét nhỏ hơn 2% (Coarse-grained soils; clean sands with less than 15% silts and/or less than 2% clay)	Đầm rung (Vibro-compaction)
Đất Cứng / Đá (Strong Soil / Rock)	Địa hình dốc đứng, đất dễ mất ổn định, và điều kiện nền kém (Steep-sided terrain, soils subject to instability, and poor foundation conditions)	Tường đất có cốt gia cường (Reinforced soil walls)
	Đất nền chắc (Firm foundation soils)	Mái dốc đất có cốt gia cường (Reinforced soil slopes)
	Đá nứt nẻ (Fractured rock)	Phụt vữa khe nứt đá (Rock fissure grouting)
	Đất hạt rời chặt đến rất chặt có lực dính biểu kiến, đá phong hóa, đất hạt mịn cứng đến rất cứng, đất đắp có thiết kế kỹ thuật, đất tàn tích, và đất tích tụ băng hà (glacial till) (Dense to very dense granular soils with apparent cohesion, weathered rock, stiff to hard fine-grained soils, engineered fill, residual soils, and glacial till)	Tường đinh đất (Soil nail walls)

\(\\\)

1-3.1 Hệ thống lựa chọn tương tác trên trang web GeoTechTools.

Trang web GeoTechTools cho phép người dùng lựa chọn tương tác giữa nhiều công nghệ khác nhau theo bốn nhóm sàng lọc cơ bản. Các nhóm ứng dụng gồm: (1) thi công trên đất không ổn định, (2) thi công trên đất ổn định hoặc đất đã được ổn định, (3) các thành phần mặt đường địa kỹ thuật, và (4) sàn công tác. Bốn nhóm này được thể hiện bằng hình trong Hình 1-1.

Tất cả các nhóm này đều có ứng dụng đối với các thành phần thiết kế được trình bày trong tài liệu này. Nếu người dùng chọn nhóm số 1, họ sẽ có nhiều lựa chọn về các điều kiện nền không ổn định khác nhau, chẳng hạn như (a) đất hạt mịn ướt và yếu, (b) đất hạt rời chưa bão hòa, (c) đất hạt rời bão hòa, (d) khoảng trống – hố sụt và mỏ bỏ hoang, và (e) đất và khu vực có vấn đề (problem soils and sites). Nếu chọn (a) đất hạt mịn ướt và yếu, người dùng sẽ được yêu cầu chỉ ra độ sâu tính từ mặt đất cần xử lý, và các phương án xử lý khác nhau sẽ được đề xuất dựa trên độ sâu đã chọn. Trong ví dụ này, nếu chọn độ sâu xử lý từ 10 đến 30 ft (≈ 3.05–9.14 m), các công nghệ xử lý sau đây sẽ được đề xuất:

• Cột Vật liệu Hạt (Aggregate columns)
• Nền đắp có cọc đỡ (Column-supported embankments)
• Ổn định hóa đất kết hợp với cột thẳng đứng (Combined soil stabilization with vertical columns)
• Cọc khoan xoắn liên tục (Continuous flight auger piles)
• Phương pháp trộn sâu (Deep mixing methods)
• Điện thẩm thấu (Electro-osmosis)
• Nền đắp có cốt gia cường địa kỹ thuật tổng hợp (Geosynthetic reinforced embankments)
• Cột bọc vải địa kỹ thuật (Geotextile encased columns)
• Phụt vữa áp lực cao (Jet grouting)
• Vật liệu đắp nhẹ (Lightweight fill)
• Phương pháp trộn khối (Mass mixing methods)
• Cọc vi mô (Micropiles)
• Bấc thấm và vật liệu đắp (Prefabricated vertical drains and fill)
• Cọc đầm chặt cát (Sand compaction piles)
• Gia tải trước bằng chân không (Vacuum preloading)
• Đầm rung (Vibrocompaction)

Khi chọn một trong các công nghệ được đề xuất, người dùng sẽ được liên kết đến thông tin tổng quát và chi tiết về lựa chọn đó. Hệ thống cung cấp phần tổng quan ngắn gọn, bảng thông tin tóm tắt (fact sheet), hình ảnh minh họa công nghệ, các trường hợp thực tế đã áp dụng (case histories), hướng dẫn thiết kế, thông tin QA/QC, thông tin chi phí, ví dụ về đặc điểm kỹ thuật (specifications), và tài liệu tham khảo để nghiên cứu thêm.

1-3.2 Ví dụ về các công nghệ địa kỹ thuật tại hiện trường.

Trong các trang tiếp theo, các ví dụ về một số công nghệ địa kỹ thuật hiện trường phổ biến được trình bày. Từ Hình 1-2 đến Hình 1-16 tóm tắt các lợi ích của từng công nghệ và quy trình thi công cơ bản. Các ưu điểm và nhược điểm được trình bày cùng với các điều kiện hiện trường phù hợp nhất đối với từng công nghệ cụ thể.

Các thông số thiết kế chủ yếu được liệt kê, đồng thời các công nghệ thay thế khác cũng được giới thiệu. Thông tin chi tiết hơn về hầu hết các công nghệ này có thể được tìm thấy trong FHWA (2017) hoặc trong các tài liệu tham khảo khác được nêu trong từng hình.

1-4 CÁC KÝ HIỆU

Biến	Định nghĩa
\(\bar{A}\)	Tham số áp lực nước lỗ rỗng của Skempton ứng với thay đổi ứng suất cắt
\(c’\)	Lực dính thoát nước hoặc lực dính theo ứng suất hữu hiệu
\(C_\varepsilon c\)	Chỉ số nén hiệu chỉnh, tính theo biến dạng
\(c_h\)	Hệ số cố kết theo phương ngang
\(c_v\)	Hệ số cố kết theo phương đứng
\(K_0\)	Hệ số áp lực đất ngang ở điều kiện tại trạng thái nghỉ
\(LL\)	Giới hạn chảy
\(N\)	Số búa thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn, chưa hiệu chỉnh
\(PI\)	Chỉ số dẻo
\(S_t\)	Độ nhạy
\(\phi’\)	Góc ma sát thoát nước hoặc góc ma sát theo ứng suất hữu hiệu

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