Chương 3 – Công tác đất, Đắp thủy lực và Đắp dưới nước

\begin{aligned} \end{aligned}

3-1. GIỚI THIỆU

3-1.1 Phạm vi

Chương này tóm tắt về thiết kế và thi công đất đầm nén, đắp thủy lực và đắp dưới nước. Chương trình bày lý thuyết đầm nén và ứng xử kỹ thuật của vật liệu đắp. Các hướng dẫn về quy trình thi công và kiểm soát chất lượng đất đầm nén được cung cấp, cùng với các yêu cầu đầm nén cho từng loại ứng dụng và thiết bị. Các yêu cầu chung về thiết kế các loại đê/đập đắp khác nhau cũng được đề cập. Công tác thi công và kiểm soát chất lượng đắp thủy lực, cả trên cạn lẫn dưới nước, đều được trình bày.

3-1.2 Quy trình Công tác Đất và Mục đích của Đầm nén.

Công tác đất (Earthwork) là quá trình thay đổi địa hình để phục vụ thi công và tạo thoát nước. Như minh họa trong Hình 3-1, công tác đất là một quá trình sản xuất sử dụng đất hoặc đá, bao gồm đào, vận chuyển, đắp và cải tạo (amendment). Bước cuối cùng của quá trình này là đầm nén (compaction), tức là loại bỏ khí ra khỏi đất bằng cách tác dụng tải trọng cơ học tạm thời, chẳng hạn như lu lèn, đầm hoặc rung.

Như Sowers (1979) đã nhận xét, kỹ sư có khả năng kiểm soát một số khía cạnh của quá trình công tác đất tốt hơn các khía cạnh khác. Ví dụ, độ ẩm của vật liệu đắp có thể được kiểm soát trong quá trình thi công nhưng không thể kiểm soát sau đó. Tương tự, nguồn vật liệu đắp phù hợp thường phụ thuộc vào khả năng sẵn có tại địa phương, nhưng có thể tiến hành đào và xử lý cẩn thận để tạo ra đất hoặc đá đạt yêu cầu chọn lọc.

3-1.3 Các Loại Vật liệu Đắp và Ứng dụng.

Vật liệu đắp có thể được phân thành ba nhóm chính dựa trên phương pháp đắp.

• Vật liệu đắp đầm chặt có kiểm soát (Controlled compacted fill) được tạo ra bằng quy trình tương tự như minh họa trong Hình 3-1. Quy trình này tạo ra vật liệu đắp đầm chặt cứng và đồng nhất hơn hầu hết đất tự nhiên. Vật liệu được đầm chặt đúng cách cũng có xu hướng có cường độ kháng cắt cao hơn và tính nén thấp hơn.
• Vật liệu đắp thủy lực (Hydraulic fill) được đắp bằng dòng nước chảy và không thể đầm chặt trong quá trình đắp. Vì lý do này, loại đất sử dụng cho đắp thủy lực phải được lựa chọn cẩn thận. Vật liệu đắp thủy lực có xu hướng yếu hơn và dễ nén hơn so với vật liệu đắp đầm chặt.
• Vật liệu đắp không kiểm soát (Uncontrolled fills) bao gồm đất, đá, hoặc các vật liệu khác được đắp mà không kiểm soát bất kỳ yếu tố nào được đề cập trong chương này, bao gồm loại vật liệu, chiều dày lớp đắp và năng lượng đầm nén. Vật liệu đắp không kiểm soát có thể chứa chất thải công nghiệp và sinh hoạt, tro, xỉ, chất thải hóa học, gạch vụn xây dựng và phế thải. Cần phân biệt rõ giữa vật liệu đắp không kiểm soát và vật liệu đắp có sử dụng vật liệu tái chế hoặc phế thải một cách có chủ đích và có kiểm soát. Việc sử dụng tro, xỉ và chất thải hóa học phải tuân theo quy định, và các quy định hiện hành của Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA) cùng các quy định liên quan khác phải được xem xét.

Các công dụng chính của vật liệu đắp đầm chặt có kiểm soát bao gồm hỗ trợ kết cấu công trình hoặc mặt đường, đắp đê/đập phục vụ trữ nước hoặc lót hồ chứa và kênh dẫn, và đắp lấp xung quanh kết cấu công trình hoặc công trình ngầm.

Vật liệu đắp thủy lực trước đây được sử dụng trong thi công đập và đê nơi cần vận chuyển khối lượng lớn vật liệu đắp đi xa. Tuy hiện nay ít phổ biến hơn, vật liệu đắp thủy lực vẫn được sử dụng trong một số trường hợp chọn lọc để tạo đập và đê.

Cả vật liệu đắp đầm chặt có kiểm soát và vật liệu đắp thủy lực đều phải được tạo ra theo cách duy trì ổn định mái dốc. Vật liệu đắp không kiểm soát không được tạo ra hoặc sử dụng cho mục đích kỹ thuật khi chưa qua xử lý cải tạo.

3-2 LÝ THUYẾT ĐẦM NÉN.

Phần này tóm tắt các mối quan hệ trọng lượng – thể tích liên quan đến quá trình đầm nén và cách các mối quan hệ này được biểu diễn bằng đồ thị. Các phương pháp xác định mức độ đầm nén được trình bày cho cả đất có và không có hàm lượng đáng kể các hạt mịn. Cuối cùng, phần này khảo sát ảnh hưởng của đầm nén đến các tính chất kỹ thuật của đất.

3-2.1 Quá trình Đầm nén

Đầm nén tập trung vào việc thay đổi dung trọng khô \((\gamma_d)\) của đất và đá, được định nghĩa như sau:

\[
\gamma_d=\frac{W_s}{V_t}=\dfrac{\gamma_t}{\left(1+\dfrac{w}{100}\right)}
\tag{3-1}
\]

trong đó:
\(\qquad W_s =\) trọng lượng hạt đất,
\(\qquad V_t =\) tổng thể tích,
\(\qquad \gamma_t =\) dung trọng tổng, và
\(\qquad w =\) độ ẩm, tính bằng phần trăm.

Độ bão hòa \((S)\), là tỷ lệ phần trăm thể tích lỗ rỗng được nước lấp đầy, cũng rất quan trọng để hiểu ứng xử và thi công vật liệu đắp có kiểm soát. Dung trọng khô liên hệ với \(S\) theo công thức:

\[
\gamma_d=\frac{\gamma_w S}{\left(\dfrac{w}{100}+\dfrac{S}{G_s}\right)}
\tag{3-2}
\]

trong đó:
\(\qquad \gamma_w =\) trọng lượng riêng của nước = 62.4 pcf,
\(\qquad w =\) độ ẩm, tính bằng phần trăm, và
\(\qquad G_s =\) tỷ trọng hạt đất.

Để minh họa quá trình đầm nén, các biểu đồ pha được thể hiện trong Hình 3-2 tại các điểm khác nhau trên mặt phẳng đầm nén (compaction plane), thể hiện mối quan hệ giữa dung trọng khô và độ ẩm. Khi di chuyển từ trái sang phải trên mặt phẳng đầm nén (A→C→E), dung trọng khô không đổi nhưng lượng nước trong lỗ rỗng tăng theo độ ẩm. Nói cách khác, độ bão hòa (S) tăng lên. Để đầm nén đất, cần tác dụng một công đầm nén để loại bỏ thể tích lỗ rỗng dưới dạng khí, theo các đường đi tương tự như A→B hoặc C→D. Không thể đầm nén thêm đất tại các Điểm D hoặc E trừ khi nước được loại bỏ và độ ẩm giảm xuống.

3-2.2 Xác định Đặc tính Đầm nén.

3-2.2.1 Đất có Hàm lượng Hạt mịn Đáng kể.

Đối với đất có hàm lượng hạt mịn (tức là các hạt lọt qua rây #200 kích thước 0.075 mm = 75 µm) khoảng 5% đến 15% trở lên, ứng xử của đất đầm nén thường được lý tưởng hóa bằng các đường cong đầm nén (compaction curves) như thể hiện trong Hình 3-3. Các đường cong này lần đầu tiên được Proctor (1933) giải thích trong nỗ lực cải thiện chất lượng vật liệu đắp cho công trình đập đất.

Một đường cong đầm nén thu được khi đất được đầm nén bằng một công đầm nén (compactive effort) không đổi, tức là lượng công thực hiện lên đất trên một đơn vị thể tích trong quá trình đầm nén.

Hogentogler (1936) sau đó giải thích thêm về đầm nén dưới góc độ bôi trơn và hydrat hóa hạt đất, đồng thời ghi nhận rằng khí bị giữ lại (trapped) khi độ ẩm vượt quá độ ẩm tối ưu. Barden và Sides (1970) sau đó xác nhận rằng đỉnh của đường cong đầm nén xảy ra tại độ bão hòa mà tại đó khí không còn thoát ra khỏi đất một cách tự do trong quá trình đầm nén. Quá trình đầm nén cũng đã được giải thích dưới góc độ ứng suất hữu hiệu phát triển trong quá trình đầm nén (Olson 1963) và áp lực mao dẫn trong trạng thái chưa bão hòa (Hilf 1956).

Tất cả các lý thuyết này cung cấp hiểu biết quan trọng về ứng xử của đất đầm nén. Khi độ ẩm tăng, cần ít công đầm nén hơn để phá vỡ các cục đất. Tuy nhiên, khi khí không còn dễ dàng thoát ra khỏi đất, lượng nước thêm vào chỉ đơn giản chiếm chỗ và ngăn cản mức độ đầm nén cao hơn. Điều này tạo ra một đỉnh trên đường cong đầm nén. Dung trọng khô tại đỉnh của một đường cong đầm nén cụ thể được gọi là dung trọng khô lớn nhất (γ_d,max) ứng với công đầm nén tương ứng. Độ ẩm tương ứng với đỉnh của đường cong đầm nén được gọi là độ ẩm tối ưu (w_opt). Nếu năng lượng đầm nén tăng lên, đường cong đầm nén dịch chuyển về phía độ ẩm thấp hơn và dung trọng khô cao hơn. Mối quan hệ giữa sự thay đổi công đầm nén và sự dịch chuyển của đường cong đầm nén có tính phi tuyến rất cao.

Hai mức công đầm nén phổ biến nhất là Proctor tiêu chuẩn (ASTM D698) và Proctor cải tiến (ASTM D1557). Proctor tiêu chuẩn thường được sử dụng phổ biến hơn làm năng lượng chuẩn để kiểm soát đầm nén. Công đầm nén của Proctor tiêu chuẩn là 12400 lbf-ft/ft³ (≈600 kN⋅m/m³ = 600 kJ/m³). Proctor cải tiến ban đầu được phát triển để đầm nén lớp nền đường của mặt đường sân bay. Công đầm nén của Proctor cải tiến là 56000 lbf-ft/ft³ (≈2700 kN⋅m/m3 = 2700 kJ/m³).

Proctor cải tiến đôi khi được sử dụng làm tiêu chuẩn tham chiếu để đầm nén lớp trên cùng (vài feet trên cùng) của vật liệu đắp chịu tải trọng lớn.

Đỉnh của một loạt các đường cong đầm nén có thể được nối lại để tạo thành đường nối các điểm tối ưu (line of optimums), thường tương ứng với S trong khoảng 75 đến 85%. Trạng thái đầm nén ứng với điểm nằm bên trái đường cong này được gọi là khô hơn tối ưu (dry of optimum), còn trạng thái đầm nén ứng với điểm bên phải được gọi là ướt hơn tối ưu (wet of optimum). Tất cả các trạng thái đầm nén có thể có của một loại đất đều bị giới hạn về phía bên phải bởi đường cong S = 100% (còn gọi là đường không có lỗ rỗng khí – zero air voids curve). Các tính chất thường gắn liền với đầm nén “khô” và “ướt” được tóm tắt trong Hình 3-3.

Dung trọng khô và độ ẩm của đất đầm nén có thể được so sánh với điều kiện tại đỉnh của đường cong đầm nén của cùng loại đất đó. Độ chặt tương đối (Relative compaction – R.C.) được sử dụng cho đất có hàm lượng hạt mịn đáng kể và được xác định như sau:

\[R.C. = \frac{\gamma_{d,field}}{\gamma_{d,max}} \times \text{100%} \tag{3-3}\]

trong đó: γ_d,field = trọng lượng riêng khô của vật liệu đắp đã đầm nén, và γ_d,max = trọng lượng riêng khô lớn nhất ứng với công đầm nén quy định.

Độ ẩm tương đối (Relative water content – Δw) của vật liệu đắp đã đầm nén được xác định như sau:

\[\Delta w = w_{opt} – w_{field} \tag{3-4}\]

trong đó: w_field = độ ẩm của vật liệu đắp đã đầm nén.

Vị trí và hình dạng của đường cong đầm nén có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác ngoài công đầm nén. Ví dụ, các phương pháp tác dụng công đầm nén khác nhau, chẳng hạn như đầm nhào (kneading compaction), đầm va đập (impact compaction) và đầm tĩnh (static compaction), tạo ra cấu trúc đất khác nhau và làm thay đổi đường cong đầm nén. Tương tự, các loại thiết bị đầm nén hiện trường khác nhau cũng dẫn đến ứng xử đầm nén khác nhau.

Một số loại đất và đá trải qua các thay đổi không thể phục hồi trong quá trình sấy khô và đầm nén, và có thể thể hiện đường cong đầm nén khác biệt rõ rệt ngoài hiện trường so với đường cong được xác lập trong phòng thí nghiệm, trừ khi có biện pháp xử lý đặc biệt. Các vật liệu này bao gồm đất sét chứa khoáng halloysite hoặc allophane, là các khoáng bị biến đổi hóa học khi sấy khô (Hilf 1991). Một số loại đá yếu có thể suy giảm khác nhau giữa đầm nén ngoài hiện trường và trong phòng thí nghiệm. Đất sét từ băng tích (glacial till) rất chặt có thể có dung trọng khô đầm nén ngoài hiện trường cao hơn nhiều so với γ_d,max xác định trong phòng thí nghiệm, do quá trình làm tơi xốp đáng kể cần thiết để thực hiện thí nghiệm đầm nén trong phòng thí nghiệm.

3-2.2.2 Đầm nén Đất có Ít Hạt mịn

Đối với đất không có hàm lượng hạt mịn đáng kể (tức là F < 5 đến 15%), ứng xử đầm nén ít nhạy với độ ẩm hơn nhiều. Trong một số trường hợp, đường cong đầm nén được xác định kém rõ ràng ở phía dưới điểm tối ưu (Sowers 1979). Ở một số loại đất khác, giá trị nhỏ nhất của γ_d có thể xuất hiện tại độ ẩm trung bình do hiện tượng “bulking” (tơi xốp/phồng) của các hạt cát hoặc sỏi làm cản trở quá trình đầm nén (Hilf 1991).

Đối với các loại vật liệu này, việc xác định đặc tính theo hệ số rỗng có thể phù hợp hơn. Trạng thái xốp nhất mà đất có thể duy trì với cấu trúc đều đặn được gọi là hệ số rỗng lớn nhất (e_max) và có thể xác định bằng ASTM D4254. Cấu hình chặt nhất của đất được gọi là hệ số rỗng nhỏ nhất (e_min) và có thể xác định bằng bàn rung theo mô tả trong ASTM D4253. Giá trị e_min phụ thuộc vào hình dạng và kích thước hạt. Một số phương pháp đầm nén và mức công đầm nén có thể làm vỡ hạt, từ đó làm giảm e_min (Sowers 1979). Các giá trị dung trọng khô nhỏ nhất (γ_d,min) và dung trọng khô lớn nhất (γ_d,max) tương ứng có thể được tính toán. Giá trị e_min xác định theo ASTM D4253 tương ứng khoảng 100% γ_d,max xác định theo ASTM D698 hoặc 95% γ_d,max xác định theo ASTM D1557.

Đối với đất hạt thô không có hàm lượng hạt mịn đáng kể, độ chặt tương đối theo hệ số rỗng (relative density – D_r) đôi khi được sử dụng để xác định mức độ đầm nén và đánh giá ảnh hưởng của đầm nén đến các tính chất kỹ thuật. Độ chặt tương đối theo hệ số rỗng được định nghĩa như sau:

\[D_r = \frac{e_{max}-e}{e_{max}-e_{min}} \times \text{100%} = \frac{\gamma_{d,field}-\gamma_{d,min}}{\gamma_{d,max}-\gamma_{d,min}}\left(\frac{\gamma_{d,max}}{\gamma_{d,field}}\right) \times \text{100%} \tag{3-5}\]

trong đó:
e = hệ số rỗng của vật liệu đã đầm nén (γ_d,field = dung trọng khô tương ứng),
e_max = hệ số rỗng lớn nhất (γ_d,min = dung trọng khô tương ứng), và
e_min = hệ số rỗng nhỏ nhất (γ_d,max = dung trọng khô tương ứng).

3-2.3 Ảnh hưởng của Đầm nén đến các Thông số Kỹ thuật.

Đầm nén tạo ra vật liệu đắp có kỹ thuật với dung trọng khô tương đối cao hoặc hệ số rỗng thấp. Đầm nén làm thay đổi cường độ, tính nén, và hệ số thấm của vật liệu đắp, đáp ứng ba trong số các mục tiêu nêu trong Hình 3-1.

3-2.3.1 Các Thông số Kỹ thuật của Đất Hạt Thô Đã Đầm nén.

Đất hạt thô, đặc biệt là loại có ít hạt mịn, thường được xác định đặc tính theo độ chặt tương đối theo hệ số rỗng (D_r). Đất hạt thô sẽ có độ chặt tương đối theo hệ số rỗng thấp (0 đến 20%) khi đắp rời (không đầm). Đầm nén đạt yêu cầu sẽ có xu hướng làm tăng D_r lên khoảng 75 đến 100%. Các xu hướng được mô tả trong mục này có thể được sử dụng để thiết lập các yêu cầu kiểm soát đầm nén phù hợp.

Cường độ kháng cắt của đất hạt thô đã đầm nén thường được định lượng theo góc ma sát ứng suất hữu hiệu (ϕ’), tăng khi D_r tăng. Khi D_r tăng từ 0% đến 100%, góc ma sát tăng khoảng 8 đến 12 độ (Hilf 1991, Duncan et al. 2014) như thể hiện trong Hình 3-4(a). Sự gia tăng này cũng được phản ánh trong các tương quan giữa ϕ’ và D_r trình bày trong Duncan et al. (2014) và Chương 8 của DM 7.1 (NAVFAC 2021). Độ ẩm đầm nén có ảnh hưởng không đáng kể đến cường độ kháng cắt của đất hạt thô và thường nên duy trì ở mức cao nhất có thể.

(đất cấp phối tốt là gì?)

Khái niệm well-graded và poorly graded được định nghĩa trong các hệ thống phân loại đất như USCS (Unified Soil Classification System), hiện được quy định trong ASTM D2487 và ASTM D2488.

1. Định nghĩa bản chất

Đất cấp phối tốt (well-graded soil) là đất có:

• Phân bố kích thước hạt rộng.
• Chứa đủ các cỡ hạt từ lớn đến nhỏ.
• Các hạt nhỏ lấp đầy khoảng trống giữa các hạt lớn.
• Do đó có thể đạt độ chặt cao và hệ số rỗng nhỏ.

Đất cấp phối kém (poorly graded soil) là đất có:

• Phạm vi kích thước hạt hẹp (uniformly graded).
• Hoặc thiếu một số nhóm kích thước hạt (gap-graded).
• Các hạt không sắp xếp kín khít bằng đất cấp phối tốt.

2. Tiêu chí định lượng trong USCS

Đối với sỏi:

\[
C_u=\frac{D_{60}}{D_{10}} \ge 4
\]

và

\[
1 \le C_c=\frac{D_{30}^2}{D_{10}D_{60}} \le 3
\]

→ Well-graded gravel (GW).

Đối với cát:

\[
C_u=\frac{D_{60}}{D_{10}} \ge 6
\]

và

\[
1 \le C_c \le 3
\]

→ Well-graded sand (SW).

Nếu không thỏa mãn các điều kiện trên:

→ Poorly graded gravel (GP) hoặc Poorly graded sand (SP).

Trong đó:
\(\qquad D_{10}, D_{30}, D_{60}\) là các đường kính hạt tương ứng với 10%, 30%, 60% lọt sàng.

3. Tài liệu tham khảo kinh điển

• Soil Mechanics in Engineering Practice
• Principles of Geotechnical Engineering
• Foundation Analysis and Design
• ASTM International

(dải hệ số rỗng rộng và áp lực hông nhỏ là gì?)

1. Dải hệ số rỗng rộng (Wide range of void ratios) là gì?

Không phải nói rằng tại một thời điểm đất có “hệ số rỗng rộng”, mà là khoảng giữa hệ số rỗng lớn nhất và nhỏ nhất lớn:

\[
\boxed{\Delta e=e_{\max}-e_{\min}}
\]

trong đó: e_max: hệ số rỗng ở trạng thái rất rời; e_min: hệ số rỗng ở trạng thái rất chặt.

ví dụ: e_max=0.90, e_min=0.40 thì: e_max – e_min=0.50 → khoảng biến thiên hệ số rỗng tương đối lớn.

ngược lại: e_max=0.75, e_min=0.55 thì: e_max – e_min = 0.20 → khoảng biến thiên nhỏ.

Đại lượng này cũng xuất hiện trong công thức độ chặt tương đối:

\[
D_r=
\frac{e_{\max}-e}
{e_{\max}-e_{\min}}\times\text{100%}
\]

Đất cấp phối tốt thường có khả năng sắp xếp hạt hiệu quả khi được đầm chặt, nên sự khác biệt giữa trạng thái rời và chặt có thể đáng kể.

2. Áp lực hông (Confining stress) là gì?

Áp lực hông (confining stress) là ứng suất nén xung quanh khối đất, hạn chế các hạt đất dịch chuyển và giãn nở khi chịu cắt.

Trong thí nghiệm ba trục, có thể hình dung đơn giản là áp lực buồng: σ’₃

Còn đối với đất ngoài hiện trường, nó liên quan đến mức ứng suất hữu hiệu mà lớp đất đang chịu, và thường tăng theo độ sâu.

Ví dụ rất đơn giản:

• Cát gần mặt đất → confining stress thấp.
• Cát ở độ sâu lớn → confining stress cao.

Giả sử dung trọng hữu hiệu γ’ = 10 kN/m³ thì ứng suất hữu hiệu đứng gần đúng σ’_v = γ’z

Ở z=2 m: σ’_v ≈ 20kPa; còn ở z=20 m: σ’_v ≈ 20kPa

Trạng thái ứng suất thực tế không chỉ có (σ’_v), nhưng ví dụ này cho thấy tại sao đất sâu thường chịu mức confining stress lớn hơn.

3. Tại sao confining stress ảnh hưởng đến (ϕ’)?

Đây chính là lý do hình (a) không thể chỉ nhìn vào việc SW hay SP rồi chọn đường.

Ở cát chặt, khi chịu cắt các hạt có xu hướng leo/trượt qua nhau làm đất giãn nở (dilatancy). Hiện tượng này làm góc ma sát huy động, hay góc ma sát đỉnh, tăng lên.

Có thể hình dung:

\[
\boxed{\phi’_{peak}
\approx
\phi’_{basic}+
\text{thành phần do dilatancy}}
\]

Khi confining stress thấp, hạt đất dễ giãn nở → hiệu ứng dilatancy lớn → ϕ’_peak tăng nhiều khi D_r tăng.

Khi confining stress cao, sự giãn nở bị kìm hãm → mức tăng ϕ’ do tăng D_r nhỏ hơn.

Đó là lý do đường trên của hình ghi:

\[
\boxed{\text{well-graded + wide }(e_{\max}-e_{\min})
+\text{ low confining stress}}
\]

và cho mức tăng tối đa khoảng:

\[
\Delta\phi’\approx12^\circ
\quad\text{tại }D_r=\text{100%}.
\]

Khi đất được đầm nén và D_r tăng, đất hạt thô trở nên cứng hơn (stiffer) hoặc kém nén hơn (less compressible). Dựa trên các giá trị mô đun đàn hồi điển hình, cát và sỏi trở nên cứng hơn khoảng bốn lần khi D_r tăng từ 0% lên 100%.

Hệ số thấm k_sat của đất hạt thô tỷ lệ nghịch với hệ số rỗng và sẽ giảm khi D_r tăng. Trong Hình 3-4(b), phần trăm giảm gần đúng của k_sat được ước tính bằng phương trình Kozeny-Carman. Mức giảm k_sat sẽ lớn hơn khi đất có khoảng biến thiên hệ số rỗng rộng hơn (tức là e_max − e_min lớn hơn).

3-2.3.2 Các Thông số Kỹ thuật của Đất Hạt mịn Đã Đầm nén.

Các thông số kỹ thuật của đất hạt mịn đã đầm nén, đặc biệt là đất sét, phụ thuộc vào điều kiện đầm nén ban đầu, lịch sử ứng suất sau khi đầm nén, và thời điểm xét đến điều kiện thiết kế so với thời điểm đầm nén. Đặc biệt, cần xem xét ảnh hưởng của thay đổi thể tích do sụp lún (collapse) hoặc trương nở (swelling). Đất sét bị bão hòa sau khi đầm nén sẽ có xu hướng trương nở trừ khi chịu áp lực hông (confining pressure). Trương nở làm giảm dung trọng khô của đất sét đã đầm nén và có thể làm giảm cường độ kháng cắt cũng như tăng tính nén. Các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm dùng để đo các thông số của đất sét đã đầm nén nên mô phỏng sát điều kiện hiện trường trong phạm vi có thể.

Như minh họa trong Hình 3-3, cả độ ẩm và dung trọng đầm nén đều ảnh hưởng đến cấu trúc của đất sét. Để xác định toàn diện ảnh hưởng của đầm nén đến các thông số của đất hạt mịn, có thể sử dụng phương pháp 15 điểm (15-point method) như minh họa trong Hình 3-5. Trong phương pháp này, ba mức công đầm nén được lựa chọn, và năm mẫu được đầm nén ở mỗi mức công, tạo ra 15 tổ hợp độ ẩm đầm nén và dung trọng khô đầm nén. Thí nghiệm phù hợp (cường độ kháng cắt, tính nén, hệ số thấm, v.v.) được thực hiện trên từng mẫu, cho phép đánh giá sự biến thiên của thông số này trên toàn mặt phẳng đầm nén.

Phương pháp 15 điểm chủ yếu phù hợp với các dự án lớn hoặc công tác nghiên cứu. Đối với các dự án nhỏ hơn, thường cần chọn một giá trị độ chặt tương đối R.C. và độ ẩm cụ thể để thực hiện thí nghiệm nhằm xác định các thông số kỹ thuật. Nếu áp dụng cách tiếp cận này, cần thận trọng để lựa chọn trạng thái đầm nén thiên về an toàn. VandenBerge et al. (2017) cung cấp hướng dẫn về việc lựa chọn điều kiện đầm nén cho thí nghiệm cường độ kháng cắt trên đất sét đã đầm nén.

Trong phạm vi mức đầm nén thực tế, đất sét đã đầm nén có tính quá cố kết mạnh (heavily overconsolidated). Trạng thái đầm nén ban đầu — khô hơn hay ướt hơn tối ưu — ảnh hưởng rõ rệt đến ứng xử cơ học của đất, đặc biệt ở giai đoạn ứng suất/biến dạng thấp.

• Về tính giòn – dẻo: đầm nén khô hơn tối ưu có xu hướng tạo ra ứng xử giòn hơn, trong khi đầm nén ướt hơn tối ưu có xu hướng tạo ra ứng xử dẻo (ductile) hơn. Cụ thể, đất sét đầm nén khô hơn tối ưu thể hiện một ứng suất chảy dẻo biểu kiến (apparent yield stress) khá rõ ràng — tức là đất kháng lại biến dạng cho đến khi đạt một ngưỡng ứng suất nhất định, sau đó mới biến dạng mạnh, như thể hiện trong Hình 3-6(a). Ngược lại, đất sét đầm nén ướt hơn tối ưu có đường cong ứng suất – biến dạng thay đổi từ từ hơn, không có điểm gãy rõ rệt.
• Về độ lún: ở mức ứng suất thấp, đầm nén khô hơn tối ưu thường tạo ra biến dạng hoặc độ lún nhỏ hơn so với đầm nén ướt. Tuy nhiên, ở mức ứng suất cao hơn, biến dạng của cả hai trạng thái đầm nén có xu hướng tiến gần nhau, không còn phân biệt rõ theo trạng thái đầm nén ban đầu nữa. Chỉ số nén (compression indices) của đất đã đầm nén có thể được đo bằng thí nghiệm cố kết một chiều, với điều kiện là độ bão hòa ban đầu trong phòng thí nghiệm được thiết lập phù hợp với điều kiện hiện trường.
• Về cường độ kháng cắt: ứng xử của các mẫu đất sét đã đầm nén bão hòa, thí nghiệm bằng nén ba trục cố kết – không thoát nước (CU), được thể hiện trong Hình 3-6(b). Đầm nén khô hơn tối ưu có xu hướng tạo ra ứng xử ban đầu cứng hơn (stiffer) — tức là đất chịu được ứng suất lớn hơn ở cùng mức biến dạng nhỏ. Tuy nhiên, ở biến dạng dọc trục lớn, cường độ của đất sét đã đầm nén trở nên xấp xỉ bằng nhau, bất kể trạng thái đầm nén ban đầu là khô hay ướt. Các quan sát này áp dụng cho các mẫu có cùng dung trọng khô sau khi cố kết.
• Tóm lại: trạng thái đầm nén ban đầu (khô/ướt hơn tối ưu) chi phối mạnh ứng xử của đất sét đầm nén ở giai đoạn đầu chịu tải (độ cứng, tính giòn/dẻo, độ lún ban đầu), nhưng ảnh hưởng này giảm dần và gần như biến mất khi ứng suất hoặc biến dạng đủ lớn.

Cường độ kháng cắt:

Cường độ kháng cắt theo ứng suất hữu hiệu của đất sét đã đầm nén hầu như không phụ thuộc vào trạng thái đầm nén (Johnson và Lovell 1979, VandenBerge et al. 2015). Tuy nhiên, câu chuyện lại khác đối với cường độ không thoát nước, vì nó phụ thuộc vào áp lực nước lỗ rỗng — mà áp lực nước lỗ rỗng lại thay đổi rất nhiều tùy theo trạng thái đầm nén.

Đối với điều kiện vừa đầm nén xong (thí nghiệm UU, chưa cố kết – không thoát nước), xu hướng ứng xử được thể hiện trong Hình 3-6(c) và (d):

• Lực dính theo ứng suất tổng tăng khi mức đầm nén tăng.
• Góc ma sát theo ứng suất tổng giảm khi độ ẩm hoặc độ bão hòa tăng.

Đối với điều kiện bão hòa, cố kết – không thoát nước (CU), VandenBerge et al. (2015) đã chỉ ra rằng:

• Tỷ số cường độ không thoát nước gần như không đổi cho đến khoảng 70% độ bão hòa (Hình 3-7).
• Sau ngưỡng đó, tỷ số này tăng lên đối với đất sét đầm nén ở độ bão hòa cao hơn.

Nhìn chung, cường độ không thoát nước sau cố kết chịu ảnh hưởng mạnh bởi mức độ trương nở xảy ra trong quá trình bão hòa.

(Cường độ theo ứng suất hữu hiệu VS Cường độ không thoát nước thế nào?)

Đây là hai cách mô tả cường độ chống cắt của đất tương ứng với hai điều kiện thoát nước khác nhau. Chúng không nên được xem là hai giá trị có thể thay thế trực tiếp cho nhau.

1. Cường độ chống cắt theo ứng suất hữu hiệu

Dùng các thông số:

\[
\boxed{c’,\phi’}
\]

và ứng suất hữu hiệu:

\[
\sigma’=\sigma-u
\]

Theo Mohr–Coulomb:

\[
\boxed{\tau_f=c’+\sigma’_n\tan\phi’}
\]

hay:

\[
\tau_f=c’+(\sigma_n-u)\tan\phi’
\]

trong đó:

• c’: lực dính hữu hiệu;
• ϕ’: góc ma sát hữu hiệu;
• u: áp lực nước lỗ rỗng;
• σ’_n: ứng suất pháp hữu hiệu.

Đối với nhiều loại đất, đặc biệt cát:

\[
c’\approx0
\]

nên:

\[
\boxed{\tau_f=\sigma’_n\tan\phi’}
\]

Cách phân tích này thường dùng cho điều kiện thoát nước hoặc bài toán dài hạn.

2. Cường độ chống cắt không thoát nước (s_u)

Trong điều kiện tải tác dụng nhanh lên đất bão hòa có hệ số thấm nhỏ, nước chưa kịp thoát ra.

Khi phân tích theo ứng suất tổng, thường biểu diễn:

\[
\boxed{\tau_f=s_u}
\]

tương đương với mô hình Mohr–Coulomb:

\[
\boxed{c_u=s_u \qquad\phi_u\approx0^\circ}
\]

Do đó cường độ không thoát nước (s_u) có đơn vị ứng suất, chẳng hạn:

\[
s_u=20\ {\rm kPa}
\]

Không cần tính trực tiếp áp lực nước lỗ rỗng (u) trong phân tích ứng suất tổng.

3. So sánh

	Theo ứng suất hữu hiệu	Không thoát nước
Thông số chính	c’, ϕ’	su
Loại phân tích	Ứng suất hữu hiệu	Thường là ứng suất tổng
Áp lực nước lỗ rỗng	Phải xét (u)	Không cần tính riêng
Thoát nước	Thường drained	Undrained
Đất điển hình	Cát; đất sét dài hạn	Đất sét bão hòa ngắn hạn
Công thức	c’+σ’n tan ϕ’	su
Phụ thuộc ứng suất pháp	Có	Trong mô hình (ϕu = 0): không
Thông số thí nghiệm	c’, ϕ’	su

4. Ví dụ để thấy sự khác nhau

Giả sử đất sét có: c’=5 kPa, ϕ’=25^o

tại một mặt có: σ_n = 150 kPa, u=80 kPa

thì: σ’_n= 150 – 80 = 70 kPa

Cường độ theo ứng suất hữu hiệu: τ = 5 + 70 tan 25^o ≈ 37.6 kPa

Nhưng nếu cùng đất đó được xét trong điều kiện không thoát nước và thí nghiệm cho: s_u=50 kPa

thì phân tích ứng suất tổng sử dụng: τ_f = 50 kPa

Không nên nói 37.6 kPa và 50 kPa cái nào là “cường độ thật” hơn. Chúng ứng với đường ứng suất và điều kiện thoát nước khác nhau.

5. Điểm đặc biệt quan trọng: đất sét có thể dùng cả hai

Ví dụ với một nền đắp trên đất sét bão hòa:

Ngay sau khi đắp: tải tăng nhanh nhưng nước trong lỗ rỗng chưa thoát được:

\[
\boxed{\text{ngắn hạn}\rightarrow s_u}
\]

Sau một thời gian dài, áp lực nước lỗ rỗng dư tiêu tán và đất cố kết:

\[
\boxed{\text{dài hạn}\rightarrow c’ \phi’}
\]

Vì vậy cùng một lớp đất sét, hồ sơ địa kỹ thuật hoàn toàn có thể cung cấp:

\[
s_u=40\ {\rm kPa}
\]

và đồng thời:

\[
c’=5\ {\rm kPa} \qquad\phi’=26^\circ
\]

Hai bộ thông số này không mâu thuẫn.

Một lưu ý nữa: nói “(s_u) = cường độ ngắn hạn, (c’,ϕ’) = cường độ dài hạn” chỉ là cách nhớ đơn giản. Chính xác hơn, việc chọn drained/undrained phụ thuộc vào tốc độ gia tải so với tốc độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng. Với đất cát có độ thấm lớn, ngay cả tải tương đối nhanh thường vẫn có thể gần điều kiện thoát nước.

Hệ số thấm:

Hệ số thấm bão hòa (k_sat) của đất sét đã đầm nén phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái đầm nén ban đầu — trong phạm vi đầm nén thông thường, k_sat có thể biến thiên tới ba đến bốn bậc độ lớn (Hình 3-8(a)).

Một số nghiên cứu liên quan:

• Benson và Trast (1995): nghiên cứu 13 loại đất sét đã đầm nén, phát hiện mối quan hệ tỷ lệ nghịch giữa k_sat và độ bão hòa ban đầu (Hình 3-8(b)) — độ bão hòa ban đầu càng cao, k_sat càng thấp.
• Daniel (1994): nhấn mạnh rằng ở quy mô hiện trường, các yếu tố như nứt nẻ và khuyết tật thi công có ảnh hưởng lớn đến hệ số thấm thực tế của lớp lót đất sét đã đầm nén — chứ không chỉ phụ thuộc vào kết quả thí nghiệm trong phòng.
• Tinjum et al. (1997): nghiên cứu các tính chất của đất sét đã đầm nén ở trạng thái chưa bão hòa.

Trong hầu hết các trường hợp, mẫu vật liệu đắp dự kiến sử dụng nên được đầm nén và thí nghiệm trong phòng thí nghiệm để đo trực tiếp các thông số kỹ thuật mong muốn. Các xu hướng trình bày trong mục này có thể giúp định hướng chương trình thí nghiệm trong phòng.

Ví dụ, đất sét thường có cường độ kháng cắt không cố kết – không thoát nước (UU) thấp nhất khi độ ẩm cao và độ chặt tương đối thấp. Do đó, thí nghiệm UU nên được thực hiện ở độ ẩm cao nhất được cho phép theo yêu cầu kỹ thuật và độ chặt tương đối (R.C.) thấp nhất theo quy định.

Tương tự, k_sat đạt giá trị cao nhất khi độ bão hòa ban đầu thấp. Vì lý do này, mẫu thí nghiệm trong phòng nên sử dụng độ ẩm thấp nhất theo quy định để có được giá trị k_sat thiên về an toàn, nếu mục tiêu là k_sat thấp.

3-3. VẬT LIỆU ĐẮP

Việc lựa chọn vật liệu đắp cho một ứng dụng kỹ thuật cụ thể phải xét đến hai yếu tố: mục đích sử dụng và khả năng sẵn có của vật liệu.

Quy trình lựa chọn có thể gồm 6 bước sau (Sowers 1979):

1. Thu thập mẫu — lấy mẫu từ tất cả các nguồn vật liệu đắp khả thi và sẵn có.
2. Thí nghiệm phân loại — thực hiện thí nghiệm giới hạn Atterberg và phân tích cỡ hạt.
3. Xác định tính chất điển hình — dùng hệ thống phân loại đất, tham chiếu Bảng 3-1, Hình 3-9, Hình 3-10 và Hình 3-11, để ước tính tính chất của các nguồn vật liệu sẵn có.
4. Thu hẹp phạm vi — chọn ra một số ít loại đất phù hợp để lấy mẫu với khối lượng lớn hơn.
5. Thí nghiệm chuyên sâu — xác định các thông số kỹ thuật cần thiết (đầm nén, cường độ, co ngót/trương nở, hệ số thấm) ở các mức đầm nén đại diện cho điều kiện thi công thực tế.
6. Chọn loại đất phù hợp cho ứng dụng cụ thể.

Quy trình đầy đủ này thường phù hợp với các dự án lớn. Tuy nhiên, ở nhiều dự án nhỏ hơn, thực tế thường đơn giản hơn: kỹ sư chỉ quy định loại vật liệu cần dùng, còn nhà thầu tự đề xuất vật liệu cụ thể để kỹ sư phê duyệt — do đó kỹ sư ít có điều kiện tham gia sâu vào từng bước lựa chọn như trên.

3-3.1. Khảo sát Mỏ Vật liệu.

Nguồn cung cấp vật liệu đắp được gọi là mỏ vật liệu (borrow).

Về công tác khảo sát:

• Cần thực hiện đủ số lượng hố khoan hoặc hố đào thí nghiệm để xác định gần đúng trữ lượng và chất lượng vật liệu xây dựng trong phạm vi cự ly vận chuyển kinh tế tính từ công trình.
• Đối với công tác đất khối lượng lớn, khảo sát ban đầu nên bố trí theo lưới 200 feet (khoảng 60m).
• Nếu phát hiện điều kiện đất thay đổi nhiều trong quá trình khảo sát ban đầu, cần bổ sung các hố khoan hoặc hố đào trung gian để làm rõ.

Mục đích của khảo sát mỏ vật liệu gồm hai nhóm:

1. Xác định điều kiện dưới mặt đất:
   • Xây dựng mặt cắt địa chất tương đối chính xác đến độ sâu đào dự kiến, bao gồm cả mực nước ngầm.
   • Ước tính khối lượng gần đúng và các thông số kỹ thuật cho từng loại vật liệu được xem xét sử dụng làm vật liệu đắp.
2. Lấy mẫu phục vụ thí nghiệm và đánh giá chất lượng:
   • Thu thập mẫu để thực hiện thí nghiệm phân loại.
   • Xác định sự có mặt của muối, thạch cao (gypsum), hoặc các khoáng chất không mong muốn khác.
   • Đánh giá mức độ hiện diện của đất hữu cơ hoặc đất bị ô nhiễm, nếu có.

3-3.2 Sơ tuyển Dựa trên Phân loại Đất.

Sử dụng bảng phân loại để sơ tuyển:

• Bảng 3-1, Hình 3-9, Hình 3-10 và Hình 3-11 tóm tắt các tính chất điển hình của đất đầm nén theo hệ thống phân loại USCS, có thể dùng cho bước sơ tuyển và phân tích ban đầu.
• Đối với phân tích cuối cùng, vẫn cần thực hiện thí nghiệm trực tiếp trên mẫu đất đã đầm nén để xác định các thông số kỹ thuật chính xác.

Lưu ý về hệ số thấm trong Bảng 3-1:

• Khoảng giá trị hệ số thấm cho đất sét trong Bảng 3-1 ứng với mẫu đầm nén trong phòng thí nghiệm.
• Trên thực tế, khối đất sét đã đầm nén ngoài hiện trường luôn chứa các vết nứt và điểm gián đoạn (discontinuities).
• Do đó, hệ số thấm thực tế của khối đất (mass value of k) thường cao hơn khoảng hai bậc độ lớn so với giá trị đo trong phòng thí nghiệm (Daniel 1984).

Về mức độ phù hợp của các loại đất (Bảng 3-2):

• Bảng 3-2 tóm tắt mức độ phù hợp tương đối của các loại đất khi dùng cho đập đất, kênh, đường và nền móng.
• Về nguyên tắc, hầu như mọi loại đất vô cơ, không hòa tan đều có thể sử dụng để đắp đê/đập nếu áp dụng thiết bị và tiêu chuẩn kiểm soát đầm nén hiện đại.
• Tuy nhiên, một số loại đất khó sử dụng về mặt kinh tế, hoặc gặp vấn đề kỹ thuật ở một số vùng đắp cụ thể:
  • Đất hạt mịn có thể có cường độ kháng cắt không đủ hoặc tính nén quá lớn.
  • Đất sét dẻo trung bình đến cao (PI > 20 và/hoặc LL > 40) có xu hướng trương nở nếu được đắp ở độ ẩm thấp và sau đó chịu áp lực hông thấp trong thời gian dài.
  • Việc nhận diện loại đất dễ trương nở thể tích được trình bày trong Chương 1 của DM 7.1.
  • Đất dẻo cao có độ ẩm tự nhiên cao thường khó xử lý để đạt độ ẩm phù hợp cho đầm nén.
  • Đất phân lớp (stratified soils) có thể cần trộn kỹ (extensive mixing) để tạo ra vật liệu đắp đồng nhất.

Bảng 3-1   Tính chất Đầm nén Điển hình và Hệ số Thấm theo USCS (theo USACE 1960)

Ký hiệu Nhóm USCS	Loại Đất	ASTM D698
		Dung trọng khô lớn nhất (pcf)	Độ ẩm tối ưu (%)	Hệ số thấm điển hình, k (ft/s)A
GW	Sỏi sạch cấp phối tốt, hỗn hợp sỏi-cát	125 – 135	11 – 8	10-3 – 10-5
GP	Sỏi sạch cấp phối kém, hỗn hợp sỏi-cát	115 – 125	14 – 11	10-2 – 10-4
GM	Sỏi lẫn bụi, sỏi-cát-bụi cấp phối kém	120 – 135	12 – 8	10-5 – 10-7
GC	Sỏi lẫn sét, sỏi-cát-sét cấp phối kém	115 – 130	14 – 9	< 10-8
SW	Cát sạch cấp phối tốt, cát lẫn sỏi	110 – 130	16 – 9	10-3 – 10-5
SP	Cát sạch cấp phối kém, hỗn hợp cát-sỏi	100 – 120	21 – 12	10-2 – 10-4
SM	Cát lẫn bụi, hỗn hợp cát-bụi cấp phối kém	110 – 125	16 – 11	10-5 – 10-7
SM-SC	Hỗn hợp cát-bụi-sét lẫn ít hạt mịn dẻo	110 – 130	15 – 11	10-7 – 10-9
SC	Cát lẫn sét, hỗn hợp cát-sét cấp phối kém	105 – 125	19 – 11	< 10-8
ML	Bụi vô cơ và bụi lẫn sét	95 – 120	24 – 12	10-7 – 10-9
CL-ML	Hỗn hợp bụi và sét vô cơ	100 – 120	22 – 12	< 10-9
CL	Sét vô cơ có tính dẻo thấp đến trung bình	95 – 120	24 – 12	< 10-9
OL	Bụi hữu cơ và bụi-sét hữu cơ, tính dẻo thấp	80 – 100	33 – 21	< 10-9
MH	Bụi sét vô cơ, bụi đàn hồi (elastic silt)	70 – 95	40 – 24	< 10-10
CH	Sét vô cơ có tính dẻo cao	75 – 105	36 – 19	< 10-10
OH	Sét hữu cơ và bụi-sét hữu cơ	65 – 100	45 – 12	< 10-10
A Khoảng giá trị hệ số thấm cho đất sét ứng với mẫu đầm nén trong phòng thí nghiệm. Hệ số thấm của khối đất sét đã đầm nén ngoài hiện trường thường cao hơn khoảng hai bậc độ lớn so với giá trị trong phòng thí nghiệm.

\(\\\)

(Subgrade modulus là gì?)

Subgrade modulus (còn gọi là modulus of subgrade reaction, ký hiệu thường là k hoặc kₛ) là hệ số biểu thị độ cứng của nền đất theo mô hình lò xo Winkler. Được định nghĩa là:

\[
k = \frac{q}{s}
\]

Trong đó:
\(k =\) hệ số nền (subgrade modulus)
\(q =\) áp lực tác dụng lên nền
\(s =\) độ lún tương ứng

Đơn vị thường dùng:

• SI: kN/m³ hoặc MN/m³
• Anh-Mỹ: pci (lb/in³), pci/ft,…

Trong địa kỹ thuật, các cách dịch thường gặp là:

• Hệ số nền
• Mô đun phản lực nền
• Mô đun nền đàn hồi (ít chính xác hơn)

Ý nghĩa

Subgrade modulus không phải là một hằng số vật liệu như mô đun đàn hồi (E). Nó phụ thuộc vào:

• Kích thước bản móng/tấm chịu tải
• Hình dạng móng
• Mức ứng suất
• Điều kiện thoát nước
• Loại đất

Do đó cùng một loại đất có thể có nhiều giá trị subgrade modulus khác nhau.

Ứng dụng

Được dùng nhiều trong:

• Thiết kế móng bè
• Bản đáy công trình ngầm
• Mặt đường cứng
• Mô hình nền Winkler cho cọc và kết cấu ngầm

Quan hệ áp lực – độ lún của đất không thực sự tuyến tính (đất không phải vật liệu đàn hồi lý tưởng), nên nếu lấy k = p/s tại các mức áp lực khác nhau, kết quả sẽ khác nhau. Vì vậy, ngành kỹ thuật quy ước một điểm chuẩn cố định để tính k, chứ không lấy tùy ý.

Quy ước chuẩn (theo ASTM D1196 / AASHTO T222 — thí nghiệm tấm ép):

• Dùng tấm ép tròn cứng, đường kính 30 inch (76 cm) đặt lên bề mặt nền đất.
• Gia tải theo từng cấp, đo đường cong áp lực – độ lún.
• k được xác định tại độ lún chuẩn s = 0.05 inch (1.27 mm) — đây là quy ước kinh điển bắt nguồn từ nghiên cứu của Westergaard và được PCA (Portland Cement Association) áp dụng rộng rãi cho thiết kế mặt đường cứng.

\[k = \frac{p_{(s=0.05″)}}{0.05 \text{ in}}\]

Vì sao chọn đúng 0.05 inch:

• Đây là mức biến dạng nhỏ, gần với phạm vi biến dạng thực tế mà mặt đường cứng (rigid pavement) chịu dưới tải trọng giao thông khi làm việc bình thường (chưa phá hoại).
• Ở mức biến dạng nhỏ này, đường cong áp lực – độ lún gần như tuyến tính, nên k tại điểm đó phản ánh khá tốt độ cứng “hiệu dụng” của nền trong điều kiện làm việc thực tế.
• Nếu lấy k ở mức tải lớn hơn (biến dạng lớn), đường cong bắt đầu cong (phi tuyến, đất bắt đầu chảy dẻo) → k đo được sẽ nhỏ hơn giá trị thực ở tải trọng làm việc, gây sai lệch thiết kế.

Một điểm cần lưu ý thêm: kích thước tấm ép cũng ảnh hưởng đến k đo được (tấm nhỏ hơn cho k lớn hơn, do vùng ảnh hưởng ứng suất nông hơn) — đó là lý do đường kính tấm 30 inch cũng được quy chuẩn hóa, để các kết quả đo ở các dự án khác nhau có thể so sánh được với nhau.

Bảng 3-2 Mức độ phù hợp tương đối của các loại đất dùng cho vật liệu đắp đầm nén theo phân loại USCS
(theo USBR, 1998)

Ký hiệu nhóm USCS	Loại đất	Mức độ phù hợp tương đối cho các mục đích sử dụng khác nhau (1 = rất phù hợp, 2 = phù hợp, 3 = tương đối phù hợp, 4 = ít phù hợp, 5 = không phù hợp)
		Đập đất đắp			Kênh dẫn		Nền móng		Đường
		Nền đắp đồng nhất	Lõi	Vỏ	Khả năng chống xói	Lớp lót bằng đất đầm nén	Thấm quan trọng	Thấm không quan trọng	Không thể xảy ra sương giá nâng	Có thể xảy ra sương giá nâng	Lớp mặt
GW	Sỏi cấp phối tốt, hỗn hợp sỏi-cát, ít hoặc không có hạt mịn	5	5	1	1	5	5	1	1	1	2
GP	Sỏi cấp phối kém, hỗn hợp sỏi-cát, ít hoặc không có hạt mịn	5	5	2	1	5	5	2	2	1	5
GM	Sỏi pha bụi, hỗn hợp sỏi-cát-bụi cấp phối kém	1	2	5	2	2	1	2	2	3	3
GC	Sỏi pha sét, hỗn hợp sỏi-cát-sét cấp phối kém	1	1	5	2	1	1	2	2	2	1
SW	Cát cấp phối tốt, cát lẫn sỏi, ít hoặc không có hạt mịn	5	5	3A	3	5	5	1	1	1	2
SP	Cát cấp phối kém, cát lẫn sỏi, ít hoặc không có hạt mịn	5	5	3A	3A	5	5	2	2	2	5
SM	Cát pha bụi, hỗn hợp cát-bụi cấp phối kém	2	3	5	3A	3B	2	3	3	3	3
SC	Cát pha sét, hỗn hợp cát-sét cấp phối kém	2	1	5	2	1	2	3	3	2	1
ML	Bụi vô cơ và cát rất mịn, bột đá, cát mịn pha bụi hoặc pha sét, hoặc bụi sét có tính dẻo nhẹ	3	3	5	5	3B	3	3	3	3	5
CL	Sét vô cơ có tính dẻo thấp đến trung bình, sét lẫn sỏi, sét lẫn cát, sét pha bụi, sét gầy	2	2	5	4	2	2	3	3	2	4
OLD	Bụi hữu cơ và bụi-sét hữu cơ, tính dẻo thấp	4	4	5	5	3B	3	4	4	4	5
MH	Bụi vô cơ, đất mịn chứa mica hoặc diatom, cát pha bụi hoặc bụi đàn hồi	4	4	5	5	5	3	4	4	4	5
CH	Sét vô cơ có tính dẻo cao, sét béo	3	3	5	4	4C	4	4	4	4	5
OHD	Sét hữu cơ có tính dẻo trung bình đến cao	4	4	5	5	5	4	4	4	4	5
A Phù hợp nếu có lớp lọc bằng sỏi. B Cần đặc biệt xét đến nguy cơ xói. C Cần đặc biệt xét đến biến đổi thể tích. D Kinh nghiệm của USACE cho thấy đất hữu cơ có thể được sử dụng trong nền đắp nếu cần thiết. Xem Chương 1 để biết thêm thông tin.

\(\\\)

Đối với thi công nền đắp thông thường, kích thước hạt lớn nhất không nên vượt quá 3 inch, tức là cỡ hạt sỏi hoặc nhỏ hơn, hoặc không vượt quá 50% chiều dày lớp đã đầm nén. Khi các nguồn vật liệu borrow kinh tế có chứa các hạt lớn hơn, cần thực hiện các thí nghiệm đầm nén thử trước khi chấp thuận.

3-3.3 Đặc Trưng Trong Phòng Thí Nghiệm Của Vật Liệu Đắp.

3-3.3.1 Thí Nghiệm Đầm Nén Chuẩn.

Để định hướng cho việc thi công vật liệu đắp và lựa chọn các thông số kỹ thuật cho vật liệu đắp được đầm nén, cần thực hiện các thí nghiệm xác định đặc tính đầm nén ứng với một công đầm nén nhất định.

• Đối với đất chứa hàm lượng hạt mịn đáng kể: sử dụng thí nghiệm Proctor tiêu chuẩn (ASTM D698) và Proctor cải tiến (ASTM D1557). Chi tiết về hai thí nghiệm này được trình bày trong Chương 3 của DM 7.1.
• Đối với đất và đá không lẫn hạt mịn: khả năng đầm nén có thể được xác định thay thế bằng e_min và e_max (ASTM D4253 và D4254).

Khi dự án sử dụng nhiều loại đất khác nhau làm vật liệu đắp, cần xây dựng một họ đường cong đầm nén đại diện cho các loại vật liệu đắp điển hình của dự án.

Về hạt quá cỡ:

• Nhiều loại đất chứa một tỷ lệ hạt có kích thước lớn hơn kích thước tối đa cho phép của khuôn đầm nén — ví dụ lớn hơn 4.75 mm đối với khuôn 4 inch, hoặc lớn hơn ¾ inch đối với khuôn 6 inch. Các hạt này được gọi là hạt quá cỡ (oversize).
• Trong phòng thí nghiệm, các hạt quá cỡ gây cản trở quá trình đầm nén phần đất hạt mịn hơn trong khuôn.
• Tuy nhiên, ngoài thực địa, các hạt này vẫn hiện diện trong vật liệu đắp được đầm nén và sẽ ảnh hưởng đến dung trọng khô sau đầm nén.

Đối với các loại đất có hơn 5% hạt quá cỡ, có thể thực hiện hiệu chỉnh đối với độ ẩm và dung trọng khô đo được trên phần đất không chứa hạt quá cỡ.¹³ Độ ẩm hiệu chỉnh được xác định như sau:

\[w_T = P_C w_C + P_F w_F \tag{3-6}\]

trong đó:
w_T = độ ẩm kết hợp của phần hạt mịn và phần hạt quá cỡ (dạng thập phân),
P_C = tỷ lệ phần hạt quá cỡ (dạng thập phân),
w_C = độ ẩm của phần hạt quá cỡ (dạng thập phân),
P_F = tỷ lệ phần hạt mịn (dạng thập phân), và
w_F = độ ẩm của phần hạt mịn (dạng thập phân).

¹³ Các hiệu chỉnh này thường chỉ giới hạn ở mức tối đa 40% hạt quá cỡ đối với hạt 4.75 mm và 30% hạt quá cỡ đối với hạt ¾ inch.

Dung trọng khô hiệu chỉnh được xác định như sau:

\[\gamma_{dT} = \dfrac{\gamma_{dF} G_{sC} \gamma_w}{\gamma_{dF} P_C + G_{sC} \gamma_w P_F} \tag{3-7}\]

trong đó:
γ_dT = dung trọng khô kết hợp của phần hạt mịn và phần hạt quá cỡ,
γ_dF = dung trọng khô của phần hạt mịn,
G_sC = tỷ trọng hạt rắn của phần hạt quá cỡ, và
γ_w = dung trong của nước (62.4 pcf, 9.81 kN/m³).

Ngoài việc hiệu chỉnh kết quả thí nghiệm trong phòng đối với hạt quá cỡ như trong các công thức trên, tiêu chuẩn ASTM D4718 còn cho phép loại bỏ ảnh hưởng của phần hạt quá cỡ ra khỏi kết quả thí nghiệm hiện trường bằng cách giải các Công thức 3-6 và 3-7 để tìm w_F và γ_dF. Một ví dụ minh họa cho hai phương pháp hiệu chỉnh hạt quá cỡ được trình bày trong Hình 3-12. Hai phương pháp này không cho ra kết quả hoàn toàn giống nhau, do đó phương pháp được sử dụng cho từng dự án cần được quy định rõ ràng.

(về Rock Fill)

USACE quy định về vật liệu đắp đá (rockfill), vật liệu lọc, thoát nước, lõi chống thấm…, thì tài liệu kinh điển là:

1. EM 1110-2-2300

General Design and Construction Considerations for Earth and Rock-Fill Dams

Đây là “sách gối đầu giường” của USACE về đập đất và đập đá đổ.

Nội dung gồm:

• Phân loại vật liệu đắp
• Rockfill
• Random fill
• Shell
• Core
• Filter
• Drain
• Yêu cầu cấp phối
• Yêu cầu đầm nén
• Kiểm soát thi công
• Lún của rockfill
• Vật liệu phong hóa

2. EM 1110-2-1901

Tập trung vào:

• Filter
• Drain
• Chống piping
• Thiết kế vùng chuyển tiếp trong đập đất và đập đá

Đây là tài liệu bạn đang gặp khá nhiều khi dịch phần:

• backward erosion piping
• blanket drains
• toe drains
• filter criteria

3. EM 1110-2-2302

Bản cũ hơn nhưng có nhiều nội dung thực hành thi công:

• Đầm nén rockfill
• Kiểm soát độ ẩm
• Lu lèn
• Bãi vật liệu

4. USBR

Nếu muốn chi tiết nhất về vật liệu đập:

Design Standards No. 13

và

Earth Manual

Earth Manual của USBR gần như là “kinh thánh” về:

• Borrow materials
• Rockfill
• Compaction
• Filters
• Drains
• Laboratory testing

(quá cỡ bao nhiêu thì không được sử dụng?)

Không có một giới hạn chung kiểu “quá X% hạt quá cỡ thì không được dùng”.

Trong đoạn UFC bạn đang dịch chỉ nói:

Hiệu chỉnh theo ASTM D4718 thường chỉ áp dụng đến:

• 40% hạt quá cỡ đối với cỡ hạt > 4,75 mm (khuôn 4 inch)
• 30% hạt quá cỡ đối với cỡ hạt > 3/4 inch (19 mm) (khuôn 6 inch)

Điều này không có nghĩa là đất bị loại bỏ, mà chỉ có nghĩa là các công thức hiệu chỉnh không còn đáng tin cậy khi tỷ lệ hạt quá cỡ vượt các giới hạn trên.

Khi hạt quá cỡ quá nhiều thì sao?

Thường có 3 hướng:

1. Dùng khuôn lớn hơn
   • ASTM D698/D1557 có các khuôn 4″, 6″, 12″.
   • Mục đích là đưa nhiều vật liệu thực tế hơn vào thí nghiệm.
2. Thí nghiệm ngoài hiện trường
   • Test pad
   • Trial embankment
   • Đầm thử hiện trường
3. Chuyển sang tiêu chí rockfill
   • Nếu vật liệu gần như đá đổ thì không còn kiểm soát bằng Proctor.
   • Kiểm soát bằng:
     • cấp phối,
     • độ rỗng,
     • độ lún,
     • số lượt lu,
     • mật độ hiện trường,
     • thí nghiệm tải thử.

Theo kinh nghiệm đập đất đá

• < 30–40% hạt quá cỡ: thường vẫn xử lý như đất đắp và hiệu chỉnh được.
• 40–60%: phải xem xét đặc biệt.
• 60–70%: thường được coi là rockfill hoặc earth-rock fill, không còn phù hợp với quy trình Proctor thông thường.

Vì vậy câu trả lời chính xác là:

Không có tỷ lệ hạt quá cỡ cố định để loại bỏ vật liệu. Giới hạn 30% hoặc 40% trong ASTM D4718 chỉ là giới hạn áp dụng của phương pháp hiệu chỉnh kết quả đầm nén, không phải giới hạn sử dụng vật liệu đắp.

(cỡ hạt lớn tối đa bao nhiêu thì không được sử dụng?)

Nếu hỏi kích thước hạt lớn nhất của vật liệu đắp, thì câu trả lời phụ thuộc vào loại công trình và chiều dày lớp đắp, chứ không có một giá trị tuyệt đối áp dụng cho mọi trường hợp.

Ngay trong trang UFC bạn vừa gửi có nêu:

The maximum particle sizes should not exceed 3 inches or 50 percent of the compacted layer thickness.

Tức là:

\[
D_{max} \le \min(75\ \text{mm},\ 0.5 \times t)
\]

trong đó:

• \(D_{max}\) = kích thước hạt lớn nhất
• \(t\) = chiều dày lớp đắp sau đầm nén

Ví dụ:

Chiều dày lớp đắp sau đầm nén	Kích thước hạt lớn nhất
150 mm	≤ 75 mm
200 mm	≤ 75 mm
300 mm	≤ 75 mm
500 mm	≤ 75 mm (vẫn bị khống chế bởi 3 inch)

Do đó đối với nền đắp đất thông thường, UFC đang khuyến nghị:

Kích thước hạt lớn nhất không vượt quá 3 inch (≈ 75 mm).

Tuy nhiên, đối với:

• đập đá đổ (rockfill dam),
• nền đắp đá,
• đắp sau tường chắn bằng đá,

thì hạt có thể lớn hơn rất nhiều:

• 150 mm
• 300 mm
• 600 mm
• thậm chí > 1 m

lúc đó vật liệu được xem là rockfill, không còn thuộc phạm vi của các yêu cầu Proctor trong Chương 3 này.

Nói ngắn gọn:

Đắp đá (rockfill): có thể lớn hơn nhiều, giới hạn do thiết kế và thiết bị lu lèn quyết định, không có ngưỡng 75 mm.

Đắp đất thông thường (UFC 3-220-20 Chương 3): \(D_{max} \le 75\ mm\).

3-3.3.2. Thí nghiệm xác định thông số kỹ thuật.

Ngoài các thí nghiệm đầm nén tham chiếu, vật liệu đắp có yêu cầu kỹ thuật thường được thí nghiệm để kiểm tra sự phù hợp với các chỉ dẫn kỹ thuật về vật liệu và để xác định các giá trị đặc trưng theo loại đất về cường độ chống cắt, tính nén lún và hệ số thấm. Mặc dù điều kiện dự án sẽ quyết định các loại thông tin cụ thể cần thiết, các phương pháp thí nghiệm áp dụng cho các vật liệu đắp khác nhau được tóm tắt trong Bảng 3-3. Mô tả thêm về các phương pháp thí nghiệm này có thể xem trong Chương 3 của DM 7.1 (NAVFAC, 2021).

Bảng 3-3. Khả năng áp dụng các phương pháp thí nghiệm theo phân loại USCS

\(\\\)

3-3.3.3. Vật liệu Đá đổ (Rock Fill)

Vật liệu đá đổ (rock fill) có thể được định nghĩa là vật liệu chứa ít nhất 30% đá sạch (không lẫn hạt mịn) có kích thước hạt lớn hơn ¾ inch (~19 mm) và chứa dưới 15% hạt mịn (Breitenbach 1993). Vật liệu đá đổ thường được thi công với mục tiêu chính là tạo ra một khối đắp thoát nước tự do (free-draining fill), có sự tiếp xúc trực tiếp giữa các hạt đá (rock-to-rock contacts) xuyên suốt khối đắp.

Như đã đề cập đối với phần hạt quá cỡ trong thí nghiệm đầm nén, việc xác định đặc tính của vật liệu đá đổ trong phòng thí nghiệm gặp nhiều khó khăn do các giới hạn về kích thước hạt do thiết bị và tiêu chuẩn thí nghiệm quy định.

• Ví dụ: kích thước hạt lớn nhất bị giới hạn ở mức bằng 1/10 chiều cao mẫu đối với thí nghiệm cắt trực tiếp (direct shear test), và bằng 1/6 đường kính mẫu đối với thí nghiệm nén ba trục (triaxial test).
• Các giới hạn này khiến thí nghiệm cường độ chống cắt trong phòng thực tế chỉ áp dụng được cho vật liệu có hạt không lớn hơn 1 inch đường kính, ngay cả tại các phòng thí nghiệm địa kỹ thuật thương mại được trang bị tốt nhất.
• Phần lớn vật liệu đá đổ có một tỷ lệ đáng kể hạt lớn hơn 1 inch.
• Các thiết bị thí nghiệm quy mô lớn chuyên dụng đã được phát triển, nhưng chưa được sử dụng phổ biến.

Có hai phương pháp thay thế chính để thí nghiệm cường độ chống cắt cho vật liệu đá đổ (rock fill) có hạt kích thước lớn: cắt bỏ hạt lớn (scalped gradation) và cấp phối song song (parallel gradation) (Marachi và cộng sự 1972).

Về cấp phối cắt bỏ hạt lớn (scalped gradation):

• Loại bỏ hoàn toàn tất cả các hạt lớn hơn một kích thước nhất định.
• Các hệ số cấp phối hạt — hệ số cong (C_c – coefficient of curvature) và hệ số đồng đều (C_u – coefficient of uniformity) — của cấp phối cắt bỏ sẽ thấp hơn so với vật liệu đá đổ gốc.
• Cấp phối cắt bỏ có độ đồng đều kém hơn (more poorly-graded) so với vật liệu đá đổ ban đầu.

Về cấp phối song song (parallel gradation):

• Được tạo ra bằng cách dịch chuyển toàn bộ đường cong cấp phối hạt sao cho 100% lọt qua kích thước hạt lớn nhất cho phép, đồng thời giữ nguyên hình dạng đường cong cùng các giá trị C_c và C_u.
• Việc tạo cấp phối song song đòi hỏi mẫu đất ban đầu lớn hơn đáng kể, và gây ra sự thay đổi mạnh hơn trong phân loại tổng thể của đất.
• Do mức độ công sức và kích thước mẫu yêu cầu, phương pháp cấp phối cắt bỏ (scalped gradation) thường được ưu tiên sử dụng hơn.

Về các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chống cắt:

• Cường độ chống cắt của vật liệu đá đổ (rock fill) chịu ảnh hưởng bởi mức ứng suất tác dụng, độ nhám bề mặt hạt, và kích thước hạt, được tóm tắt trong Bảng 3-4.
• Leps (1970) và các tác giả khác đã mô tả tính phi tuyến trong cường độ chống cắt hoặc góc ma sát của vật liệu đá đổ thông qua nhiều công thức khác nhau.
• Hạt càng lớn càng có nhiều khả năng chứa khuyết tật và dễ bị vỡ hơn. Ảnh hưởng này có thể được xét đến thông qua các thông số S hoặc m trình bày trong Bảng 3-4.
• Marachi và cộng sự (1972) nhận thấy khi tăng kích thước hạt lên 4 lần (tức DB/DA = 4), góc ma sát trong ϕ’ giảm 2–3.5 độ; còn khi DB/DA = 12, mức giảm ϕ’ nằm trong khoảng 3–5 độ.
• Phương pháp của Frossard và cộng sự (2012) cũng dự báo mức giảm ϕ’ tương tự.
• Ảnh hưởng của kích thước hạt thể hiện rõ nhất đối với vật liệu đá đổ có phạm vi cường độ hạt rộng hoặc giá trị m thấp.
• Giá trị m của một loại vật liệu đá đổ có thể được xác định thông qua một số lượng lớn thí nghiệm nghiền hạt trong phòng (laboratory crushing tests) (Marsal 1967, Lee 1992).

(mức ứng suất)

“Mức ứng suất” ở đây dịch từ “stress level” — chỉ độ lớn của ứng suất (áp lực) tác dụng lên hạt đá, cụ thể trong ngữ cảnh này là ứng suất hông/ứng suất nén trong thí nghiệm cắt hoặc ba trục.

Ý câu gốc là: cường độ chống cắt của đá đổ không cố định, mà thay đổi tùy theo áp lực (ứng suất) đang tác dụng lên nó — ứng suất càng cao (ví dụ ở đập càng cao, tầng đắp càng sâu), hạt đá càng dễ bị vỡ, làm góc ma sát trong giảm đi (đây chính là hiện tượng phi tuyến φ’ đã nói ở các đoạn sau). Vì vậy “mức ứng suất” nghĩa là “mức độ áp lực nén/ứng suất hông đang tác dụng lên vật liệu”, chứ không phải một khái niệm gì đặc biệt khác.

Về hai yếu tố bổ sung khó định lượng: Có hai yếu tố khác cần được xem xét đối với vật liệu đá đổ nhưng khó định lượng chính xác:

1. Sự thay đổi cấp phối hạt của đá đổ trong quá trình khai thác và thi công.
2. Hiện tượng suy giảm chất lượng đá sau khi thi công (Sowers 1979).

• Yếu tố thứ nhất có thể được đánh giá thông qua việc thi công một đoạn đập thử nghiệm (test embankment section) và phân tích cấp phối hạt của các mẫu vật liệu đắp sau khi đầm nén.
• Khả năng suy giảm chất lượng đặc biệt quan trọng đối với đá phiến sét (shales), hoặc các loại đá trầm tích chủ yếu gồm sét và bột. Các loại đá này có độ cứng rất khác nhau và có thể suy giảm đáng kể qua các chu kỳ làm ướt–làm khô, hiện tượng này được gọi là hóa mềm do ướt–khô (slaking).
• Các loại đá phiến sét gây vấn đề nhất khi sử dụng làm vật liệu đắp kỹ thuật (engineered fill) là những loại ban đầu cứng chắc nhưng không duy trì được đặc tính này sau khi khai thác và thi công.

Đối với vật liệu đắp có chứa đá phiến sét (shale), cần lựa chọn một hệ thống phân loại phù hợp để xác định độ bền vững (durability) của loại đá này, cũng như khả năng bị suy giảm do tác động hóa học.

Về các hệ thống phân loại độ bền vững của đá phiến sét:

• Huber (1997) đã tổng hợp các hệ thống phân loại hiện có cho độ bền vững của đá phiến sét và khuyến nghị sử dụng các hệ thống do FHWA (1978), Franklin (1981), và Wiles (1988) đề xuất.
• Các hệ thống này dựa trên các thí nghiệm: thí nghiệm hóa mềm trong lọ (jar slake test) (Deo 1972), thí nghiệm độ bền hóa mềm (slake durability test) (ASTM D4644), thí nghiệm cường độ tải trọng điểm (point load strength test) (ASTM D5731), và giới hạn Atterberg (Atterberg limits) (ASTM D4318).

Hệ thống FHWA (1978):

• Phân loại đá phiến sét thành hai nhóm chính: giống đất (soil-like) và giống đá (rock-like).
• Nhóm giống đất cần được đầm nén tương tự như đất thông thường.
• Nhóm giống đá có độ bền vững cao và có thể được xử lý như vật liệu đá đổ (rock fill).

Hệ thống Franklin (1981): Đưa ra một thang đánh giá (rating) cho đá phiến sét, đã được tương quan với nhiều thông số khác nhau của vật liệu đắp bằng đá phiến sét.

Hệ thống Wiles (1988): Xây dựng một thang đánh giá độ bền vững dựa trên mức độ suy giảm cường độ chống cắt do làm ướt trong thí nghiệm ba trục.

Về khả năng bị phong hóa hóa học: Khả năng dễ bị phong hóa hóa học được thể hiện qua độ pH dưới 6 trong nước dùng cho thí nghiệm hóa mềm (slake durability water), cũng như màu sắc xám sẫm, xanh lục, hoặc đen của đá.

Bảng 3-4 Ảnh hưởng của Ứng suất tác dụng và Kích thước Hạt đến Cường độ chống cắt của Vật liệu đá đổ (Rock Fill)

Yếu tố ảnh hưởng	Mô tả	Công thức áp dụng	Tài liệu tham khảo
Tính phi tuyến (Nonlinearity)	Đường bao cường độ chống cắt của vật liệu đá đổ (rock fill) có dạng cong rõ rệt. Góc ma sát giảm khi ứng suất pháp hữu hiệu tăng.	\(\phi’ = {\phi’}_0 − \Delta \phi’ \log\left(\dfrac{\sigma’_f}{P_a}\right)\) \(\tau_f = a \cdot P_a \left(\dfrac{\sigma’_f}{P_a}\right)^b\)	Leps (1970) Charles và Soares (1984) Lade (2010) Duncan và nnk. (2014) VandenBerge và nnk. (2018)
Cường độ và độ nhám hạt (Particle strength and roughness)	Sức kháng ma sát chịu ảnh hưởng bởi độ nhám của vật liệu đá đổ (liên quan đến độ chặt tương đối theo hệ số rỗng, nguồn gốc, độ tròn và độ nhẵn bề mặt hạt) và cường độ hạt, vốn có xu hướng giảm khi kích thước hạt tăng.	\(\phi’ = R \cdot \log\left(\dfrac{S}{\sigma’_f}\right) + \phi’_b\)	Barton và Kjaernsli (1981)
Kích thước hạt	Khi kích thước hạt tăng, khả năng hạt bị phá vỡ cũng tăng. Hiện tượng này có thể được mô tả bằng tham số vật liệu m, đối với vật liệu đá đổ (rock fill) có giá trị từ khoảng 4 đối với vật liệu có dải cường độ hạt rộng đến khoảng 15 đối với vật liệu có cường độ hạt tương đối đồng đều.	\(a_B = a_A\left(\dfrac{D_B}{D_A}\right)^{\dfrac{-3.(1-b_A)}{m}}\)	Marsal (1967) Marachi và nnk. (1972) Frossard và nnk. (2012)
Ký hiệu: \(\phi’_0\) và \(\Delta\phi’\) là các tham số mô tả sự thay đổi của góc ma sát theo ứng suất pháp; \(P_a\) là áp suất khí quyển (dùng để chuẩn hóa); \(\sigma’_f\) là ứng suất pháp hữu hiệu tại phá hoại (mặt phẳng hoặc hướng xác định phụ thuộc vào cách sử dụng); a và b là các tham số của hàm lũy thừa mô tả tính phi tuyến (tương tự aA, aB, bA và bB); R là hệ số độ nhám; S là cường độ nén của hạt; \(\phi’_b\) là góc ma sát cơ sở; DB/DA là tỷ số kích thước giữa hai cấp phối đồng dạng (parallel gradations); và m là tham số phân bố Weibull của cường độ hạt (giá trị trung bình bằng 6 theo số liệu của Marsal, 1967).

\(\\\)

3-3.4 Vật Liệu Đắp Thay Thế

Ngoài đất tự nhiên, có thể sử dụng các loại vật liệu khác làm vật liệu đắp:

• Sản phẩm tái chế (recycled products) từ ngành xây dựng hoặc các ngành công nghiệp khác.
• Sản phẩm nhẹ (lightweight products) được sản xuất chuyên dùng làm vật liệu đắp.

Việc sử dụng vật liệu đắp thay thế thường xuất phát từ các lý do sau: quan tâm về tính bền vững (sustainability), yếu tố kinh tế, tình trạng thiếu vật liệu tự nhiên phù hợp, và nỗ lực giảm áp lực đất theo phương đứng hoặc phương ngang.

Việc lựa chọn vật liệu đắp thay thế cần xem xét nhiều loại chi phí:

• Chi phí vật liệu cơ bản
• Chi phí vận chuyển
• Chi phí thi công

Ngoài ra, cần xem xét thêm các yếu tố: khối lượng vật liệu đắp cần thiết, khả năng sẵn có của vật liệu thay thế, và kinh nghiệm thi công tại địa phương đối với loại vật liệu đó. Cuối cùng, cần giải quyết các vấn đề đặc thù như: yêu cầu về độ bền vững của vật liệu đắp, các vấn đề môi trường, và các thông số nhiệt của vật liệu đắp.

Một số lợi ích khó định lượng (intangible benefits) của vật liệu thay thế có thể bao gồm: rút ngắn thời gian thi công giúp đẩy nhanh tiến độ, giảm mức độ nhạy cảm với thời tiết so với đất tự nhiên, và giảm yêu cầu kiểm soát chất lượng hiện trường (FHWA 2017, Arellano 2019).

3-3.4.1 Vật Liệu Đắp Tái Chế

Đặc tính điển hình của các vật liệu đắp tái chế được tóm tắt trong Bảng 3-5.

• Vật liệu đắp tái chế được sử dụng để thay thế đất tự nhiên nhằm giảm tác động của việc xử lý chất thải và tránh phải xáo trộn đất nền tự nhiên để khai thác vật liệu đắp.
• Trong nhiều trường hợp, vật liệu tái chế có đặc tính kỹ thuật thuận lợi hơn so với đất tự nhiên.

Bảng 3-5. Các tính chất điển hình của các loại vật liệu đắp tái chế thông dụng
(theo Soleimanbeigi và nnk., 2014; Soleimanbeigi và Edil, 2015;
DiGioia và Nuzzo, 1972; Masad và nnk., 1996)

\(\\\)

Một yếu tố môi trường quan trọng cần xem xét đối với vật liệu tái chế là khối vật liệu đắp không được gây ô nhiễm nước ngầm hoặc nước mặt thông qua hiện tượng rửa trôi (leaching) hoặc dòng chảy tràn (runoff).

• Cần lưu ý rằng việc sử dụng vật liệu tái chế không nhất thiết luôn giúp dự án bền vững hơn. Ví dụ, quãng đường vận chuyển xa có thể làm mất đi các lợi ích của việc sử dụng vật liệu tái chế.
• Các vật liệu tái chế mang lại lợi ích cao nhất là những loại: có sẵn tại địa phương, cải thiện đặc tính kỹ thuật của vật liệu đắp, và thân thiện với môi trường (VandenBerge và cộng sự 2015).

3-3.4.2 Vật Liệu Đắp Nhẹ (Lightweight Fill Materials).

Vật liệu đắp có thiết kế kỹ thuật (engineered fill) làm tăng ứng suất trong nền đất bên dưới. Điều này có thể gây ra:

• Hiện tượng lún
• Tăng ứng suất tác dụng lên các công trình hoặc tường hiện hữu
• Giảm độ ổn định của mái dốc

Vật liệu đắp nhẹ, chẳng hạn như các loại được liệt kê trong Bảng 3-6, có thể giảm đáng kể ứng suất do khối đắp hoặc thân đập gây ra. Vật liệu đắp nhẹ thường được sử dụng trong điều kiện nền đất yếu và thường được kết hợp với các phương pháp cải tạo nền như: bấc thấm đứng chế tạo sẵn (prefabricated vertical drains), trộn sâu (deep mixing), và khối đắp có cột chống đỡ (column-supported embankments) (FHWA 2017).

Bảng 3-6. Các vật liệu đắp nhẹ thông dụng
(theo FHWA, 2017; Arulrajah và nnk., 2015)

Vật liệu	Dung trọng (pcf)	Hệ số thấm k (cm/s)	Hệ số áp lực đất ngang, K	Sức kháng cắt	Ghi chú
Geofoam	0.7 đến 3	10⁻⁶ đến 10⁻²	0.1	6 đến 14 psi	Được chế tạo từ polystyrene giãn nở (EPS) hoặc polystyrene đùn ép (XPS), thường được lắp đặt thành các khối lớn, phân tích ổn định phải xét đến đặc tính tiếp xúc giữa đất và giữa các khối, trọng lượng đơn vị tăng theo thời gian khi bị bão hòa nước, có tác dụng cách nhiệt.
Cốt liệu thủy tinh bọt (FGA)	15 đến 20	Cao	Dùng ϕ’ để ước tính	ϕ’ = 36° đến 54°	Cốt liệu tổng hợp được sản xuất bằng cách nung thủy tinh tái chế, có loại tế bào kín và tế bào hở, có tác dụng cách nhiệt, dùng trong lớp thoát nước và mái nhà xanh, có CBR cao hơn hầu hết các vật liệu nhẹ khác.
Bê tông bọt (bê tông tế bào)	20 đến 80	10⁻¹	Không đáng kể đối với trọng lượng bản thân hoặc tải trọng thẳng đứng	10 đến 300 psi	Vật liệu chế tạo sẵn, bọt được trộn với hồ xi măng, bơm vào vị trí thi công, có thể có tính thấm nước, tạo ra áp lực đất ngang không đáng kể.
Vụn lốp xe hoặc cốt liệu từ lốp xe (tire shreds/TDA)	30 đến 73	0.5 đến 60	0.25 đến 0.47	ϕ’ = 19° đến 30°	Lốp xe được cắt vụn thành mảnh, có thể được bó thành kiện, có thể trộn với đất tự nhiên, tham khảo thêm hướng dẫn trong tiêu chuẩn ASTM D6270.
Đá phiến sét nở (ECS)	40 đến 65 (khô)	Cao	Dùng ϕ’ để ước tính	ϕ’ = 35° đến 45°	Cốt liệu tổng hợp, thủy tinh hóa, được sản xuất bằng cách nung đất sét hoặc đá sét, thường dùng làm cốt liệu trong bê tông nhẹ, có thể bị suy giảm chất lượng dưới tác động của thiết bị bánh xích thép.
Dăm gỗ, xơ gỗ và mùn cưa	45 đến 60	≈10⁻⁵	Dùng ϕ’ để ước tính	ϕ’ = 25° đến 49°	Góc ma sát trong tăng theo kích thước hạt, thể tích giảm 40% sau khi đầm nén, thường dùng trong các tuyến đường có lưu lượng giao thông thấp.
Xỉ lò cao	70 đến 94 (toàn phần)	10⁻³ đến 1	Dùng ϕ’ để ước tính	ϕ’ = 35° đến 40°	Là phụ phẩm của quá trình luyện gang, xỉ làm nguội bằng không khí có kết cấu góc cạnh và nhiều lỗ rỗng, xỉ giãn nở được làm rắn bằng nước giúp tăng tính chất tế bào, xỉ dạng hạt được làm nguội nhanh tạo thành sản phẩm dạng thủy tinh, xỉ giãn nở và xỉ dạng hạt nhẹ hơn nhưng đắt hơn, độ pH trong khoảng 8 đến 12.

\(\\\)

Thiết kế vật liệu đắp nhẹ (lightweight fill) cần xác định rõ những loại ứng suất nào phải được giảm bớt. Mục tiêu là đảm bảo thiết kế đạt yêu cầu về hai mặt: ổn định (stability) và độ lún (settlement) (Arellano 2019).

Sau khi xác định được mức độ giảm ứng suất cần thiết, kỹ sư có thể lựa chọn vật liệu đắp nhẹ phù hợp. Việc lựa chọn dựa trên ba yếu tố: trọng lượng đơn vị, khả năng cung cấp trên thị trường, và chi phí.

Các vật liệu khoáng nhẹ (lightweight mineral materials) đạt được trọng lượng đơn vị thấp là nhờ cấu trúc hạt có nhiều lỗ rỗng (porous particle structure). Chính vì đặc điểm cấu trúc này, cần đặc biệt lưu ý đến hai tính chất của vật liệu: khả năng chống nghiền vỡ (crush resistance) và độ bền lâu dài (durability) (TRB 1990).

3-4 THI CÔNG VẬT LIỆU ĐẮP ĐẦM CHẶT

Vật liệu đắp đầm chặt được thi công để đáp ứng các mục tiêu nêu trong Hình 3-1, tùy theo mục đích sử dụng cụ thể — có thể là một phần hoặc toàn bộ các mục tiêu đó.

Quy trình thi công gồm các bước chính sau:

• Thiết lập hệ thống thoát nước phù hợp và chuẩn bị lớp nền (subgrade) của khối đắp;
• Đào, vận chuyển, san rải (place) và đầm nén (compact) vật liệu đắp đã được lựa chọn tại công trường.

Trong suốt quá trình thi công, kỹ sư chịu trách nhiệm bảo vệ đồng thời hai đối tượng: chủ đầu tư (project owner) và môi trường xung quanh (broader environment). Trách nhiệm cụ thể bao gồm:

• Xác nhận vật liệu sử dụng là phù hợp;
• Thực hiện đúng các quy định kỹ thuật về đầm nén (compaction specifications);
• Giám sát nhà thầu tuân thủ quy trình kiểm soát dòng chảy mặt (runoff) và bảo vệ các nguồn nước lân cận (TRB 1990).

3-4.1 Thoát nước (Drainage)

Theo Sowers (1979), thoát nước là một yếu tố quan trọng nhưng thường bị xem nhẹ trong thi công khối đắp chất lượng cao. Thiết lập hệ thống thoát nước tốt tuy có chi phí ban đầu cao, nhưng về lâu dài thường giúp tiết kiệm chi phí cho hầu hết các dự án.

Về nguyên tắc chung: đất càng nhiều nước thì càng yếu và càng khó đầm nén. Nếu thoát nước không đầy đủ, hậu quả là:

• Thi công bị chậm trễ;
• Nền hoặc khối đắp trở nên không ổn định.

Đối với nước mặt (surface water), nguyên tắc xử lý là: nên để nước phân tán thay vì tập trung, nhằm giảm nguy cơ xói mòn (erosion). Khi cần thiết, nước mặt cần được thu gom bằng mương hoặc rãnh thoát nước (ditches or drains) và dẫn ra khỏi khu vực đắp.

Trước khi tiến hành đào — kể cả tại các mỏ vật liệu (borrow areas) — cần lắp đặt mương thoát nước dọc mái dốc tại hai vị trí: gần đỉnh mái và giữa mái dốc. Mục đích là ngăn nước xâm nhập vào khu vực đào và giữ cho khối đắp luôn khô ráo.

Đối với nước dưới mặt đất (subsurface water), cần xem xét dựa trên hai yếu tố: quan sát địa hình công trường và hiểu biết về các nguồn nước ngầm. Có thể áp dụng các phương pháp kiểm soát nước ngầm được mô tả trong Chương 1 và Chương 6 của DM 7.1 (NAVFAC 2021) để hạ thấp mực nước ngầm — dù là bên dưới khu vực đắp hay trong hố đào.

Việc thoát nước — cả nước mặt lẫn nước dưới mặt đất — đặc biệt quan trọng đối với các loại đất đắp dễ bị suy giảm chất lượng khi tiếp xúc với nước, bao gồm: đất sét có tính dẻo cao (high plasticity clays) và vật liệu đắp từ đá phiến sét (shale fills).

3-4.2 Chuẩn Bị Nền (Subgrade Preparation)

3-4.2.1 Chuẩn Bị Mặt Bằng (Ground Preparation)

Sau khi hệ thống thoát nước đã được thiết lập, cần chuẩn bị nền (subgrade) để đánh giá trước khi tiến hành san rải và đầm nén lớp đắp đầu tiên (initial lift).

Có hai công tác chuẩn bị mặt bằng cần phân biệt rõ:

• Dọn dẹp mặt bằng (clearing): loại bỏ thảm thực vật, rác thải, mảnh vụn và lớp đất mặt (topsoil) khỏi bề mặt đất. Công tác này thực hiện trong phạm vi ranh giới thể hiện trên bản vẽ. Lớp đất mặt thường được tập kết tại chỗ để dùng lại sau này.
• Đào gốc rễ (grubbing): loại bỏ sâu hơn — gồm gốc cây, hệ rễ dày đặc và các vật thể chôn vùi. Mức độ đào gốc rễ cần thiết phải được quy định cụ thể trong hồ sơ thiết kế. Với các khối đắp sâu, hoặc những nơi không đòi hỏi khả năng chịu lực quá khắt khe, có thể không cần thực hiện công tác này (TRB 1990).

Ngoài ra: các công trình ngầm hoặc mảnh vụn gây cản trở đầm nén hay thi công về sau cần được loại bỏ. Thành hố sinh ra do đào gốc rễ cần được xử lý theo ba bước: san phẳng, làm xờm bề mặt (scarified), rồi đầm nén đến trọng lượng đơn vị tương đương đất nền (foundation soil) (USACE 1995a).

Vật liệu nền (subgrade) không đạt yêu cầu cần được xác định bằng hai cách: khảo sát địa chất dưới bề mặt (subsurface exploration) và quan sát trực tiếp sau khi dọn dẹp, đào gốc rễ. Các loại đất bị nhiễm chất hữu cơ (Pt, OH và OL) nhìn chung không phù hợp làm nền chịu lực cho khối đắp.

Do hiện tượng đóng băng không đều (differential frost action) gây tác động bất lợi, cần đặc biệt lưu ý hai việc:

• Loại bỏ đất dễ bị đóng băng (frost susceptible soils) gần bề mặt;
• Hạn chế nguồn nước cấp cho vật liệu đắp.

Một số công trường có tồn tại vật liệu đắp cũ, chất thải, tro, bùn thải, xỉ, hoặc đất thải từ khai thác mỏ — những trường hợp này thường cần công tác chuẩn bị đặc biệt. Yêu cầu cụ thể tùy vào thành phần và mức độ đầm nén trước đây của vật liệu cũ đó. Ví dụ: thi công trên nền đắp cũ chất lượng kém thường đòi hỏi cải tạo đất nền (ground improvement) bằng các phương pháp mô tả ở Chương 1. Riêng với chất thải khai thác mỏ, điều kiện có thể rất đa dạng — từ vật liệu đổ rời rạc đến các lớp bùn và quặng đuôi (tailings deposits).

Với các khối đắp thi công sát mái dốc hiện hữu, cần có công tác chuẩn bị mặt bằng riêng. Nguyên tắc: nếu mái dốc dốc hơn tỷ lệ 3H:1V (~18 độ), phải tạo bậc thang (bench) trên mặt dốc. Mỗi bậc gồm hai phần: đoạn cắt ngang nằm ngang, và đoạn bậc thẳng đứng — thường không cao quá 4 feet (1.2m). Kiểu tạo bậc thang dạng cầu thang này có tác dụng ngăn hình thành vùng yếu tại mặt tiếp xúc giữa khối đắp và mái dốc hiện hữu.

Ngoài ra, có thể cần bổ sung biện pháp bảo vệ mái dốc — dưới dạng đá hộc bảo vệ mái dốc (riprap) hoặc lớp phủ thoát nước (drainage blankets) — để xử lý hiện tượng thấm từ khối đắp hoặc từ mái dốc hiện hữu. Biện pháp này giúp ngăn ngừa xói mòn và mất ổn định bề mặt mái dốc (TRB 1990).

Cuối cùng, cần chuẩn bị đặc biệt tại hai loại vị trí chuyển tiếp:

1. Giữa khu vực đào đất và khu vực đắp;
2. Giữa khu vực đào đá và khu vực đào đất.

Mục đích là tạo sự chuyển tiếp dần dần về điều kiện chịu lực của nền (subgrade) giữa hai khu vực khác nhau. Vật liệu tại các vùng chuyển tiếp này cần đồng nhất, không chứa hạt có đường kính lớn hơn 6 inch (TRB 1990). Ở những nơi có khả năng thấm nước từ đá hoặc đất đào ra, có thể dùng vật liệu đắp chuyển tiếp (transition fill) để tạo đường thoát nước, ngăn ngừa bão hòa nước và mất ổn định của khối đắp.

3-4.2.2 Đầm Thử Kiểm Tra Nền (Proof Rolling) và Ổn Định Nền (Subgrade)

Sau khi hoàn tất dọn dẹp, đào gốc rễ và các công tác chuẩn bị khác, cần đánh giá độ ổn định tương đối của nền (subgrade). Phương pháp thường dùng là đầm thử kiểm tra nền (proof rolling) — cho xe tải hoặc lu có tải trọng di chuyển có hệ thống trên bề mặt nền.

Mục đích của proof rolling là:

• Phát hiện các vùng mất ổn định hoặc không đồng nhất trong nền hoặc khối đắp;
• Không nhằm gây ra phá hoại trên diện rộng.

Về thông số kỹ thuật: trọng lượng toàn bộ 30 tấn với áp suất lốp 40 psi thường phù hợp để đầm thử các nền đào (TRB 1990). Sau khi xác định được trọng lượng đầm thử phù hợp, quy trình thực hiện gồm:

• Lu/xe tải đi qua toàn bộ bề mặt nền hai lượt (two complete coverages);
• Đánh dấu các vùng bị võng, lún (deflecting zones).

Trong thi công đường bộ, có thể thực hiện proof rolling ở hai thời điểm: sau khi hoàn tất khối đắp đất chung, và trước khi thi công lớp móng dưới (subbase).

Sau proof rolling, nền cần được xử lý theo trình tự:

1. Làm xờm bề mặt (scarified) và đưa về độ ẩm tối ưu (optimum moisture content), đặc biệt chú ý các vùng bị võng đã phát hiện;
2. Đầm nén lại;
3. Có thể tiến hành thí nghiệm kiểm soát đầm nén (compaction control tests) hoặc proof rolling bổ sung trước khi đắp lớp vật liệu mới.

3-4.2.3 Các Biện Pháp Khắc Phục Mất Ổn Định Nền (Subgrade)

Trường hợp proof rolling cho thấy nền mất ổn định trên diện rộng, hoặc không thể thực hiện được proof rolling do nền quá yếu — đây là dấu hiệu của điều kiện nền yếu (soft subgrade). Khi đó cần một lớp đắp dày ban đầu có tác dụng ổn định hoặc tạo cầu nối (stabilizing/bridging layer), làm từ cát, sỏi, hoặc đá dăm.

Có thể kết hợp thêm các biện pháp sau:

• Lưới địa kỹ thuật hai trục (biaxial geogrid): đặt bên dưới lớp bridging để giảm bớt chiều dày cần thiết của lớp này;
• Vải địa kỹ thuật phân cách (separation geotextile): ngăn nền yếu trồi lên xâm nhập vào lớp bridging;
• Thoát nước tự chảy (gravity drainage): ngăn nước tích tụ trong lớp bridging.

Lưu ý: thiết bị thi công gây rung (vibrating construction equipment) có thể làm trầm trọng thêm tình trạng mất ổn định, do đó cần hạn chế sử dụng cho đến khi đạt được một nền thi công ổn định (stable working platform).

(lớp bridging)

“Lớp bridging” (bridging layer) là lớp vật liệu dày, thô (thường là cát, sỏi, hoặc đá dăm) được rải lên trên nền yếu (soft subgrade) khi nền không đủ ổn định để chịu tải trực tiếp.

Vai trò của lớp này giống như một “cây cầu” — nó phân bổ và truyền tải trọng ra diện rộng thay vì để tải trọng tập trung tác động trực tiếp lên nền yếu bên dưới, từ đó giúp:

• Tạo ra một bề mặt đủ ổn định để thi công tiếp (stable working platform);
• Ngăn thiết bị thi công hoặc khối đắp phía trên bị lún, sụt vào nền yếu.

Trong đoạn văn, lớp bridging thường đi kèm hai biện pháp hỗ trợ:

• Lưới địa kỹ thuật (biaxial geogrid) đặt bên dưới để giảm bớt chiều dày cần thiết của lớp;
• Vải địa kỹ thuật phân cách (separation geotextile) đặt giữa lớp bridging và nền yếu, để ngăn đất yếu bên dưới trồi lên xâm nhập vào lớp vật liệu thô này.

Ổn định hóa bằng hóa chất (chemical stabilization) cũng là một biện pháp cải thiện độ ổn định của đất nền hiện hữu. Nguyên lý: trộn một phụ gia có tính hút ẩm và/hoặc kết dính (drying and/or cementing admixture) vào đất yếu — ví dụ xi măng, tro bay (fly ash), vôi, hoặc bụi lò nung xi măng (cement kiln dust). Về phương pháp thi công:

• Trộn nông: dùng máy đĩa (discing);
• Trộn sâu (đến 24 inch): dùng máy trộn ổn định đất chuyên dụng (soil stabilizing mill).

Tỷ lệ phụ gia phù hợp có thể được lựa chọn dựa trên kinh nghiệm thực tế, hoặc thông qua thiết kế cấp phối chính thức (formal mix design) có sử dụng thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. Hướng dẫn lựa chọn phụ gia có thể tham khảo trong FHWA (2017).

Đối với đất yếu có nguy cơ cố kết dài hạn (long-term consolidation) hoặc sức kháng cắt thấp bên dưới khối đắp, có thể cần áp dụng:

• Thoát nước thẳng đứng (vertical drains) và/hoặc gia tải trước (preloading) — nhằm đẩy nhanh hoặc kích thích quá trình cố kết, đồng thời tăng sức kháng cắt của đất (xem thêm Mục 5.7.4 của DM 7.1, NAVFAC 2021);
• Cải tạo đất nền (ground improvement) bằng các phương pháp mô tả tại Chương 1, áp dụng cho vật liệu nền yếu.

3-4.3 Đào, Vận Chuyển và San Rải Vật Liệu

3-4.3.1 Phương Pháp Thực Hiện (Methods)

Đào đất (excavation) là công tác quan trọng trong quy trình tạo ra khối đắp chất lượng, và cần được kỹ sư giám sát chặt chẽ. Tại khu vực mỏ vật liệu (borrow area), cần đảm bảo hệ thống thoát nước phù hợp nhằm duy trì độ ẩm thích hợp của vật liệu đắp, giúp việc đào và đầm nén đạt hiệu quả. Ngoài ra, có thể cần thực hiện thêm công tác xử lý vật liệu tại mỏ, ví dụ:

• Bóc bỏ phần vật liệu quá cỡ (scalping oversize);
• Trộn các lớp đất khác nhau để tạo ra vật liệu đồng nhất (homogenous fill).

Việc lựa chọn thiết bị đào phù hợp và hiệu quả thường do nhà thầu quyết định. Các phương pháp đào có thể bao gồm:

• Dụng cụ thủ công (hand tools);
• Máy đào (excavators);
• Máy cạp đất (scrapers);
• Máy san (graders);
• Máy đào gầu kéo (draglines).

Trong một số trường hợp, có thể cần khoan nổ mìn (ripping and blasting) trước khi đào. Hướng dẫn chi tiết hơn về các phương pháp này có thể tham khảo tại Mục 2-5 và FHWA (1991).

Lưu ý: phương pháp đào có thể ảnh hưởng đến mức độ trộn lẫn vật liệu tại mỏ, do đó cần tham vấn kỹ sư trước khi lựa chọn. Đối với công tác nổ mìn, cần có thêm sự tham vấn giữa chủ đầu tư và kỹ sư để xác định các yếu tố:

• Giới hạn rung động cho phép (vibration limitations);
• Yêu cầu kiểm tra, giám sát (inspection requirements);
• Yêu cầu về tình trạng cuối cùng của khu vực mỏ vật liệu sau khai thác (TRB 1990).

Cần đặc biệt lưu ý khi nguồn vật liệu tại mỏ chứa cả hai loại: đá cứng bền (durable rock fill) và đất hoặc đá kém bền (nondurable rock), ví dụ như đá phiến sét dễ phong hóa (degradable shale). Nguyên tắc là:

• Tránh trộn lẫn hai loại vật liệu này, vì hỗn hợp rất khó đầm nén đạt yêu cầu;
• Đặc biệt, không nên trộn đá phiến sét kém bền với đá cứng bền hơn như sa thạch (sandstone) hoặc đá vôi (limestone) trong vật liệu đá đổ (rock fill) (FHWA 1978).

Trường hợp mỏ vật liệu chứa cả hai loại đá, cần tách riêng để sử dụng:

• Đá cứng bền: dùng làm vật liệu đắp thoát nước (drainage fill) và lớp vỏ ngoài của mái dốc (outer shell of slopes);
• Đá kém bền: đầm nén riêng để dùng làm vật liệu đắp thông thường (general fill).

Cuối cùng, cần lựa chọn phương pháp vận chuyển phù hợp cho vật liệu đắp. Bảng 3-7 tổng hợp các phương pháp vận chuyển và cự ly vận chuyển kinh tế (economical haul distances) tương ứng.

Về vấn đề phân tầng vật liệu: quá trình vận chuyển và san rải có thể gây ra hiện tượng phân tầng (segregation) hoặc trộn lẫn (mixing) vật liệu. Do đó:

• Nếu yêu cầu tránh phân tầng vật liệu, cần cân nhắc kỹ phương pháp vận chuyển;
• Trong quá trình đổ và san vật liệu, cần chú ý phá vỡ các cục đất lớn và loại bỏ vật liệu có hại (deleterious materials);
• Có thể trộn thêm vật liệu tại vị trí đắp nếu cần thiết.

Bảng 3-7. Các phương pháp vận chuyển vật liệu đắp và cự ly vận chuyển
(theo Coduto và nnk, 2011)

Phương pháp vận chuyển	Chi tiết vận chuyển	Cự ly vận chuyển kinh tế (ft)
Máy ủi	Vật liệu đắp được ủi đẩy trên mặt đất; chỉ dùng ngoài đường	< 300
Máy xúc lật bánh lốp	Vật liệu đắp được xúc vào gầu xúc lật, dung tích khoảng 15 yd³; chỉ dùng ngoài đường	150 đến 500
Máy cạp	Vật liệu đắp được đào, vận chuyển và rải bằng một máy; dung tích khoảng 25 đến 35 yd³; chỉ dùng ngoài đường	1000 đến 8000
Xe ben	Vật liệu đắp được xúc lên xe tải, vận chuyển và đổ tại vị trí thi công; dung tích từ 15–25 tấn khi chạy trên đường đến 42 tấn khi chạy ngoài đường, hoặc xe khớp nối ngoài đường đến 400 tấn trong khai mỏ	1100 đến 21,000 (4 dặm)
Băng tải	Vận chuyển khối lượng lớn trên địa hình gồ ghề; có thể dùng với các hệ thống xử lý tự động	100 đến 36,000 (7 dặm)
Rơ-moóc kéo bán tải	Vật liệu đắp được đổ, kéo bằng xe kéo ở công trường; có thể kéo trên đường hoặc ngoài đường; dung tích đến 120 tấn	> 10,000 (2 dặm)

\(\\\)

Trong nhiều trường hợp, độ ẩm của vật liệu đắp cần được điều chỉnh để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật về đầm nén (compaction specifications). Việc điều chỉnh này có thể thực hiện tại mỏ vật liệu (borrow area) hoặc tại vị trí đắp, tùy thuộc vào loại đất cũng như phương pháp và cự ly vận chuyển.

Về nguyên tắc chung:

• Đất hạt thô (coarse-grained soils) ít hạt mịn thường cần bổ sung thêm nước để đầm nén đạt yêu cầu — dùng xe tưới nước hoặc vòi phun để tăng độ ẩm ngay trước hoặc trong quá trình đầm nén;
• Đất hạt mịn (fine-grained soils) thì ngược lại — dù vẫn có thể trộn thêm nước, nhưng phổ biến hơn là độ ẩm của loại đất này quá cao so với yêu cầu. Việc làm khô có thể thực hiện bằng cách để bay hơi tự nhiên theo thời gian, hoặc đẩy nhanh quá trình này bằng cách trộn đất với đĩa, bừa, hoặc máy xới (disk, harrow, or tiller).

Ngoài ra, các phụ gia hóa học (chemical admixtures) như xi măng, tro bay (fly ash), vôi, hoặc bụi lò nung xi măng (cement kiln dust) cũng có tác dụng hút ẩm, và có thể dùng khi điều kiện không cho phép làm khô bằng không khí tự nhiên.

3-4.3.2 Khối Lượng Vật Liệu Tại Mỏ và Tại Vị Trí Đắp (Borrow and Fill Quantities)

Tính toán khối lượng vật liệu đắp — tại mỏ vật liệu, trong quá trình vận chuyển, và sau khi đầm nén — là một phần quan trọng trong công tác lập kế hoạch thi công đất (earthwork planning).

Về khái niệm “bulking”¹⁴ (hiện tượng nở thể tích khi đào xới): Tại mỏ vật liệu, đất có dung trọng khô trung bình (γ_d,B). Khi đất hoặc đá được đào lên để vận chuyển, sẽ xảy ra hiện tượng bulking — tức là dung trọng khô giảm đi do thể tích tổng thể tăng lên. Mức độ bulking điển hình:

• Đất hạt thô: khoảng 10% khi đào;
• Đất hạt mịn: khoảng 30% đến 40% (Coduto et al. 2011).

Sau khi vật liệu được san rải và đầm nén, dung trọng khô của khối đắp (γ_d,F) có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn γ_d,B. Giá trị trung bình của γ_d,F có thể ước tính bằng cách sử dụng đường cong đầm nén trong phòng thí nghiệm (laboratory compaction curve), với giả định mức đầm nén tương đối (relative compaction) trung bình cao hơn khoảng 2% so với giá trị tối thiểu theo yêu cầu kỹ thuật (Coduto et al. 2011).

Cuối cùng, trong quá trình thi công đất sẽ có một phần vật liệu bị hao hụt — gọi là “waste” (vật liệu hao hụt). Hao hụt này có thể là:

• Có chủ đích — ví dụ loại bỏ vật liệu quá cỡ;
• Không chủ đích — hao hụt ngoài kế hoạch trong quá trình thi công.

¹⁴ Hiện tượng tăng thể tích này còn được gọi là “swelling” (trương nở). Tuy nhiên, trong tài liệu này, thuật ngữ “bulking” sẽ được dùng riêng để phân biệt với hiện tượng trương nở thể tích xảy ra khi khoáng vật sét bị hydrat hóa (hydrated).

Ví dụ: nếu mỏ vật liệu có tỷ lệ đá cuội (cobbles, đường kính > 3 inch) cao, thì lượng vật liệu hao hụt (waste) có thể rất lớn, do đá cuội thường bị loại bỏ khỏi khối đắp.

Khi so sánh tổng khối lượng vật liệu tại mỏ và tại khối đắp, cần xem xét đồng thời hai yếu tố: sự thay đổi trọng lượng đơn vị và lượng vật liệu hao hụt (waste). Hiện tượng “shrinkage” (co ngót thể tích) xảy ra khi quá trình thi công đất làm giảm tổng thể tích. Ngược lại, hiện tượng bulking (nở thể tích) có thể xảy ra tổng thể nếu γ_d,F nhỏ hơn γ_d,B và lượng vật liệu hao hụt thấp. Lưu ý: tổng trọng lượng phần hạt rắn (solids) không đổi trong suốt quá trình tính toán, dù tổng thể tích có thay đổi.

Tính toán khối lượng mỏ vật liệu cần thiết

Nếu đã biết thể tích khối đắp (V_F) và có thể ước tính tổng trọng lượng vật liệu hao hụt (W_L), thì tổng thể tích mỏ vật liệu cần thiết (V_B) được tính theo công thức:

\[V_B = V_F \frac{\gamma_{d,F}}{\gamma_{d,B}} + \frac{W_L}{\gamma_{d,B}} \tag{3-8}\]

trong đó:

• V_B = tổng thể tích mỏ vật liệu cần thiết;
• γ_d,F = dung trọng khô trung bình của khối đắp;
• γ_d,B = dung trọng khô trung bình của mỏ vật liệu;
• W_L = tổng trọng lượng vật liệu hao hụt.

Trong một số trường hợp, lượng hao hụt cần được ước tính dưới dạng tỷ lệ phần trăm hao hụt (loss percentage, X_L). Khi đó, tổng thể tích mỏ vật liệu được tính theo công thức:

\[V_B = V_F \frac{\gamma_{d,F}}{\gamma_{d,B}} (1 + X_L) \tag{3-9}\]

Hệ số co ngót tổng thể (overall shrinkage factor) được định nghĩa theo công thức:

\[\frac{\Delta V}{V_F} = \frac{\gamma_{d,F}}{\gamma_{d,B}} (1 + X_L) – 1 \tag{3-10}\]

trong đó: ΔV = mức thay đổi tổng thể tích = V_B − V_F.

Nếu không có đủ thông tin chi tiết về trọng lượng đơn vị, có thể sử dụng hệ số co ngót ước tính trong khoảng 10% đến 15% của V_F cho mục đích ước tính sơ bộ.

Trường hợp cần thiết, có thể tính toán thêm khối lượng vận chuyển (transportation volumes) bằng cách thay thế γ_d,B trong các công thức trên bằng dung trọng khô trong quá trình vận chuyển (γ_d,trans). Một ví dụ minh họa về tính toán khối lượng mỏ vật liệu và khối đắp được trình bày trong Hình 3-13.

Do trạng thái tự nhiên tại chỗ (in situ) có độ chặt cao, đá đổ (rock fill) thường sẽ trải qua hiện tượng bulking (nở thể tích) khi chuyển từ trạng thái tại mỏ sang trạng thái khối đắp.

Mức độ bulking lớn nhất thường xảy ra ở mỏ vật liệu chứa đá cứng, đặc chắc (dense, hard rock), có hệ thống khe nứt mịn (fine fracture systems) khiến đá vỡ ra thành các mảnh có kích thước tương đối đồng đều. Trong trường hợp này, hệ số co ngót (shrinkage factor) có thể là −50% — nghĩa là 1 đơn vị thể tích tại mỏ sẽ tạo ra khoảng 1.5 đơn vị thể tích khi vào khối đắp.

Ngược lại, điều kiện bulking tối thiểu (còn gọi là độ nở tối thiểu, minimum expansion) xảy ra ở loại đá xốp, dễ vỡ vụn (porous, friable rock), khi đào vỡ ra thành các mảnh có cấp phối rộng (broadly-graded pieces), kèm theo nhiều mảnh vỡ nhỏ (spalls) và hạt mịn (fines). Trong trường hợp này, hệ số co ngót có thể thấp đến mức −10%.

(cấp phối rộng [broadly-graded pieces] là thế nào?)

“Broadly-graded” (hay “well-graded” trong nghĩa rộng hơn) mô tả một tập hợp các mảnh vỡ có kích thước rất đa dạng — từ hạt rất nhỏ (mảnh vỡ, hạt mịn) đến hạt lớn — trải đều trên một khoảng cấp phối rộng, không tập trung vào một cỡ hạt cụ thể nào.

Trong ngữ cảnh đoạn văn trên, đây là để đối lập với trường hợp đá cứng, đặc chắc bị vỡ thành các mảnh có kích thước tương đối đồng đều (uniform sizes) — tức là cấp phối hẹp, các hạt na ná cỡ nhau.

Cụ thể:

• Đá cứng, đặc chắc, khe nứt mịn → khi vỡ ra cho các mảnh kích thước đồng đều (uniform sizes) → ít khe hở giữa các mảnh khi xếp chồng → bulking lớn (vì các mảnh đá góc cạnh, đồng đều tạo nhiều lỗ rỗng khi chất đống) → shrinkage factor = −50%.
• Đá xốp, dễ vỡ vụn → khi vỡ ra cho các mảnh kích thước đa dạng, trải rộng (broadly-graded), kèm nhiều mảnh vỡ nhỏ và hạt mịn → các hạt nhỏ có thể lấp đầy khoảng trống giữa các hạt lớn hơn → ít lỗ rỗng hơn khi chất đống → bulking ít hơn → shrinkage factor chỉ khoảng −10%.

Về thuật ngữ, “cấp phối rộng (broadly-graded pieces)” để chỉ việc các mảnh vỡ có dải kích thước rộng, phân bố đa dạng — tương tự khái niệm “well-graded” quen thuộc trong phân loại đất (USCS), nhưng ở đây áp dụng cho các mảnh đá vỡ ra từ quá trình đào.

3-4.4 Đầm Nén (Compaction)

Sau khi đất được vận chuyển đến công trường, đất được san rải và đầm nén thành các lớp (layers) hoặc lượt đắp (lifts) có chiều dày tương đối đồng đều, đảm bảo thiết bị đầm nén phủ đều và nhất quán trên toàn bộ bề mặt.

Đây là một khâu quan trọng trong công tác thi công đất, liên quan đến việc kiểm soát các yếu tố chính ảnh hưởng đến hành vi đầm nén của đất (xem Mục 3-2), bao gồm:

• Loại đất;
• Độ ẩm;
• Công đầm nén (compactive effort);
• Loại hình đầm nén (type of compaction).

Ngoài ra, cần chú ý điều phối thiết bị — như máy ủi (dozers) và xe tải ben (dump trucks) — di chuyển đồng đều trên toàn bộ bề mặt khối đắp. Việc này mang lại hai lợi ích:

• Bản thân việc di chuyển của thiết bị cũng tạo ra một phần công đầm nén nhất định, giảm bớt yêu cầu đầm nén từ các thiết bị chuyên dụng khác;
• Giảm nguy cơ tạo vệt hằn bánh xe (rutting) và quá tải cục bộ (overloading) trên bề mặt khối đắp.

3-4.4.1 Ảnh Hưởng Của Loại Đất và Độ Ẩm

Hầu hết các loại đất dùng làm vật liệu đắp đều có mức độ nhạy cảm nhất định đối với độ ẩm trong quá trình đầm nén. Ví dụ:

• Bụi (silts) và một số cát lẫn bụi (silty sands) có đường cong đầm nén dốc (steep compaction curves) — nghĩa là độ ẩm hiện trường phải được kiểm soát trong một khoảng hẹp mới đạt hiệu quả đầm nén tốt;
• Sét (clays) rất nhạy cảm với độ ẩm — nếu quá ẩm thì khó làm khô đến độ ẩm tối ưu, còn nếu quá khô thì khó trộn đều nước vào đất.

Trường hợp cực đoan là sét nhạy (sensitive clays) — loại đất không phản ứng tốt với đầm nén, vì chúng bị mất cường độ khi bị nhào trộn hoặc xáo trộn kết cấu (remolding/manipulation). Với nhóm đất này, phương pháp đầm nén bằng xung lực (impact), đầm tĩnh (static), và đầm nhào (kneading compaction) thường cho hiệu quả tốt hơn.

Đất hạt thô (coarse-grained soils) có hàm lượng hạt mịn dưới 5–15% thì tương đối ít nhạy cảm với độ ẩm đầm nén:

• Giới hạn dưới (5%) áp dụng cho đất cấp phối tốt (well-graded soils);
• Đất cấp phối kém (poorly-graded soils) có thể chứa hàm lượng hạt mịn cao hơn mà vẫn ít nhạy cảm với độ ẩm đầm nén.

Các loại đất này thường có hệ số thấm (hydraulic conductivity) lớn hơn 0.001 cm/s. Vật liệu này nên được san rải ở độ ẩm thực tế cao nhất có thể — lý tưởng là gần mức bão hòa 100%. Đầm nén bằng rung (vibratory compaction) nhìn chung là phương pháp hiệu quả nhất đối với nhóm vật liệu này. Với quy trình đầm nén phù hợp, có thể đạt độ chặt tương đối theo hệ số rỗng (relative density) từ 70% đến 75%, và độ chặt tương đối theo hệ số rỗng nên được dùng làm chỉ tiêu kiểm soát đầm nén (compaction control) đối với nhóm vật liệu này.

Sỏi, đá cuội và đá tảng (gravel, cobbles, and boulders) cũng tương đối ít nhạy cảm với độ ẩm đầm nén. Đầm nén bằng lu rung bánh trơn (smooth wheel vibrating rollers) là phương pháp hiệu quả nhất đối với nhóm vật liệu này.

3-4.4.2 Các Loại Thiết Bị Đầm Nén

Có bốn phương pháp đầm nén chính:

1. Áp lực (pressure);
2. Xung lực (impact);
3. Rung (vibration);
4. Nhào trộn/cắt (manipulation, kneading, or shearing).

Ngoại trừ các thiết bị cỡ nhỏ, hầu hết thiết bị đầm nén đều có trọng lượng đáng kể. Tuy nhiên, áp lực tiếp xúc (contact pressure) có thể dao động rất lớn — từ mức cao đối với lu chân dê (tamping foot, hay còn gọi là “sheepsfoot”)¹⁵ đến mức thấp đối với lu bánh trơn (smooth-drum rollers).

Về phương pháp xung lực (impact compaction): tuy đây là phương pháp chính dùng trong đầm nén thí nghiệm (laboratory compaction), nhưng ngoài hiện trường phương pháp này chủ yếu được thực hiện bằng đầm cóc (power tampers) và một số chế độ vận hành của lu chân dê và lu lưới (tamping and grid rollers).

Về phương pháp rung (vibration): phương pháp này tạo ra lực động (dynamic forces) tác dụng lên các hạt đất, giúp tăng hiệu quả đầm nén. Rung được ứng dụng trong các loại thiết bị: lu chân dê rung và lu bánh trơn rung (vibratory tamping foot and smooth-drum rollers), đầm bàn rung (vibratory base plate compactors), và đầm lu lưới (grid compactors).

Về phương pháp nhào trộn (kneading compaction): phương pháp này tác dụng lực nhào và cắt (manipulates and shears) lên đất, được thực hiện bằng lu chân dê (tamping foot) và lu bánh lốp cao su (rubber-tired rollers).

¹⁵ Mặc dù thuật ngữ “sheepsfoot” (chân dê/chân cừu) được dùng phổ biến, nhưng các loại lu sử dụng răng có hình dạng chân cừu thực sự (true sheepsfoot tines) hiện nay khá hiếm gặp trong thực tế thi công đất.

Bảng 3-8 liệt kê các loại thiết bị đầm nén thông dụng, kèm theo kích thước và trọng lượng tiêu biểu của từng loại. Về nguyên tắc chung, thiết bị đầm nén nên tạo ra áp lực tiếp xúc (contact pressure) cao nhất có thể mà không gây ra hai vấn đề:

• Tạo vệt hằn bánh xe (rutting) — tức phá hoại do vượt quá khả năng chịu tải (bearing capacity failure);
• Hiện tượng “walking out” (Sowers 1979) — tức thiết bị không còn xuyên sâu được vào khối đắp.

“Walking out” mô tả hiện tượng đặc trưng của lu chân dê (tamping foot rollers): khi khối đắp càng được đầm nén chặt, các chân lu càng xuyên vào đất ít hơn qua mỗi lượt lu — nói cách khác, lu dần “trồi lên” khỏi bề mặt đất thay vì cắm sâu vào như ban đầu.

Chiều dày lớp đắp (lift thickness) phù hợp phụ thuộc vào sự kết hợp của ba yếu tố: loại đất, loại thiết bị, và mục đích sử dụng khối đắp. Bảng 3-9 cung cấp hướng dẫn về mức độ phù hợp của từng loại thiết bị đối với các điều kiện đất khác nhau, kèm theo chiều dày lớp đắp điển hình và số lượt lu (number of passes) tương ứng. Về nguyên tắc chung:

• Các giá trị chiều dày trong Bảng 3-9 chỉ là điểm khởi đầu tham khảo hợp lý (satisfactory starting point);
• Lớp đắp dày hơn có thể phù hợp với khối đắp thông thường (general purpose fills), miễn là vẫn đạt được mức đầm nén yêu cầu;
• Đối với khối đắp giữ nước (water retaining fills), có thể cần lớp đắp mỏng hơn để đảm bảo hệ số thấm (hydraulic conductivity) đồng đều trong toàn bộ khối đắp.

(khối đắp giữ nước – water retaining fills)

“Water retaining fill” (khối đắp giữ nước) là loại khối đắp có chức năng ngăn giữ hoặc kiểm soát nước — không cho nước thấm qua tự do — điển hình như:

• Thân đập đất (embankment dam core/zones);
• Đê (levees);
• Bờ hồ chứa (reservoir embankments);
• Lớp lót đáy hồ chứa hoặc bãi chôn lấp (liner systems).

Vì chức năng chính là ngăn nước, yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhất đối với loại khối đắp này là hệ số thấm (hydraulic conductivity) đủ thấp và đồng đều trong toàn bộ khối đắp — khác với khối đắp thông thường (general purpose fill, ví dụ nền đường, nền san lấp) chỉ cần đạt yêu cầu về cường độ và độ ổn định, không nhất thiết phải kiểm soát chặt tính thấm.

Đó là lý do tài liệu nêu rằng khối đắp giữ nước thường cần lớp đắp mỏng hơn (thinner lifts) so với khối đắp thông thường — lớp mỏng giúp đầm nén đạt độ chặt đều và triệt để hơn trên toàn bộ chiều dày, tránh tạo ra các vùng có hệ số thấm không đồng nhất (ví dụ lớp giữa chưa được đầm chặt đủ) — vì chỉ cần một vùng thấm yếu cũng có thể tạo đường thấm ưu tiên (seepage path) xuyên qua toàn bộ khối đắp.

Điều chỉnh thiết bị đầm nén trong quá trình thi công

Việc lựa chọn thiết bị đầm nén phù hợp cần được tiếp tục theo dõi và điều chỉnh trong suốt quá trình thi công đất, thông qua việc quan sát hiện trạng thực tế của khối đắp. Có hai hiện tượng bất thường cần lưu ý:

1. Hiện tượng “weaving” hoặc “pumping” (đất bị lún dẻo/bơm nước):

• Xảy ra khi đất có độ ẩm vượt quá độ ẩm tối ưu (wet of optimum) bị đầm nén quá mức;
• Biểu hiện: đất biến dạng và võng lún theo kiểu đàn hồi (elastic manner) khi chịu tải từ thiết bị;
• Nguyên nhân: đất gần như đã bão hòa nước hoàn toàn, nên việc tiếp tục tác dụng công đầm nén không còn hiệu quả trong việc đẩy khí ra khỏi khối đắp;
• Hậu quả: nếu tiếp tục đầm nén, dung trọng khô của đất có thể giảm đi thay vì tăng lên.

2. Hiện tượng “rutting” (tạo vệt hằn bánh xe):

• Xảy ra khi thiết bị đầm nén quá nặng so với khả năng chịu tải của khối đắp, hoặc khi đất quá ẩm;
• Biểu hiện: thiết bị bị lún sâu vào khối đắp;
• Bản chất: đây là một dạng phá hoại do vượt quá khả năng chịu tải (bearing capacity failure);
• Yêu cầu xử lý: vấn đề này phải được khắc phục trước khi có thể tiếp tục công tác thi công đất (TRB 1990).

Bảng 3-8. Tóm tắt các loại thiết bị đầm nén

Thiết bị	Thông số kích thước và khối lượng	Các biến thể có thể có của thiết bị
Lu chân cừu (Tamping Foot Roller)	Loại đất Diện tích tiếp xúc Áp lực tiếp xúc chân lu Hạt mịn, PI > 30 5 đến 12 ft² 250–500 psi Hạt mịn, PI < 30 7 đến 14 ft² 200–400 psi Hạt thô 10 đến 14 ft² 150–250 psi Đầm nén hiệu quả khi đất ở độ ẩm cao hơn độ ẩm tối ưu cẩn áp lực tiếp xúc nhỏ hơn so với yêu cầu cho cùng loại đất ở độ ẩm thấp hơn.	Đối với công trình đập đất, đường bộ và sân bay, loại lu tự hành có khớp nối (articulated self-propelled rollers) thường được sử dụng. Với dự án nhỏ hơn, dùng loại trống lu kéo theo (towed) đường kính 40–60 inch. Áp lực tiếp xúc chân đầm cần được điều chỉnh để tránh gây cắt trượt đất (shearing) vào lượt lu thứ ba hoặc thứ tư. Lu chân cừu cần xuyên được vào lớp đất tơi (nếu quá nhẹ sẽ không xuyên được) và phải có hiện tượng “walking out” khi đầm nén tiến triển (nếu quá nặng hoặc đất quá ướt sẽ không xảy ra hiện tượng này).
Lu bánh lốp cao su Rubber Tire Roller	Áp suất bơm lốp 35–130 psi dùng cho vật liệu hạt rời sạch (clean granular material) của lớp móng (base curse) và nền (subgrade). Tải trọng bánh xe 18,000–25,000 lb. Áp suất bơm lốp trên 65 psi dùng cho đất hạt mịn có tính dẻo cao. Đối với cát sạch đồng đều hoặc cát mịn lẫn bụi, dùng lốp cỡ lớn với áp suất 40–50 psi.	Có nhiều loại thiết bị đầm nén bánh lốp cao su với đa dạng kích cỡ. Đối với đất hạt mịn, tải trọng nhẹ (light-wheel loads) — ví dụ loại bánh lắc (wobble-wheel) — có thể thay thế cho tải trọng nặng (heavy-wheel) khi giảm chiều dày lớp đắp. Đối với đất hạt rời, nên dùng lốp cỡ lớn để tránh hiện tượng cắt trượt và tạo vệt hằn bánh xe. Nhìn chung, áp suất lốp cao có hiệu quả đầm nén tốt hơn so với tải trọng bánh xe lớn. Tăng kích cỡ lốp trong khi giữ nguyên áp suất sẽ cho hiệu quả đầm nén sâu hơn.
Lu bánh trơn thép nhẵn (Smooth Wheel Rollers)	Lu song hành (tandem) dùng cho đầm nén lớp móng hoặc nền; trọng lượng 10–15 tấn, hoặc tải trọng 300–500 lb trên mỗi inch chiều rộng trống lu phía sau. Lu ba bánh (three-wheel) dùng đầm nén đất hạt mịn; trọng lượng từ 5–6 tấn (đất tính dẻo thấp) đến 10 tấn (đất tính dẻo cao).	Lu ba bánh có nhiều kích cỡ khác nhau. Lu song hành hai trục (two-wheel tandem) có trọng lượng từ 1–20 tấn. Lu song hành ba trục (three-axle tandem) thường dùng trong khoảng trọng lượng 10–20 tấn.
Lu chân cừu rung (Vibrating Tamping Foot Rollers)	Trọng lượng có tải (ballasted weight) 1–20 tấn. Lực động (dynamic force) lên đến 20 tấn.	Có thể có tần số rung cố định hoặc thay đổi được.
Lu bánh trơn thép nhẵn rung (Vibrating Smooth Drum Rollers)	Trọng lượng có tải (ballasted weight) 1–20 tấn. Lực động (dynamic force) lên đến 20 tấn.	Có thể có tần số rung cố định hoặc thay đổi được. Lu nặng, tần số thấp phù hợp với đá đổ (rockfill) và đất sét. Lu nhẹ, tần số cao cho hiệu quả tốt nhất với đất cát ở độ ẩm bằng hoặc hơi cao hơn độ ẩm tối ưu.
Đầm bàn rung (Vibrating Baseplate Compactors)	Bàn đầm hoặc tấm đầm đơn lẻ có trọng lượng tối thiểu 200 lb. Có thể ghép nhiều bàn đầm nếu mặt bằng thi công cho phép. Với đất hạt thô sạch, tần số rung không nên nhỏ hơn 1,600 chu kỳ/phút.	Có nhiều loại đầm bàn rung — loại đẩy tay (hand-propelled), loại đơn hoặc ghép thành cụm (in gangs) — với chiều rộng phủ từ 1.5 đến 15 ft. Cần cân nhắc lựa chọn loại thiết bị đầm rung trống (vibrating-drum equipment) phù hợp khi đầm nén trên diện tích lớn.
Lu lưới (Grid Pattern Roller)	Được kéo bởi máy kéo (tractor) hoặc máy ủi (dozer). Áp lực tiếp xúc 200–900 psi, với 50% diện tích tiếp xúc.	Tạo ra hiệu ứng rung, nghiền vỡ (crushing) và xung lực (impact) khi được kéo ở tốc độ cao
Máy kéo bánh xích hoặc máy ủi	Xe có bánh xích tiêu chuẩn, áp lực tiếp xúc không nhỏ hơn 10 psi.	Trọng lượng máy kéo đến 85 tấn.
Đầm cóc hoặc đầm tay (Power Tamper or Rammer)	Trọng lượng tối thiểu 30 lb. Có thể dao động đáng kể tùy theo loại vật liệu và điều kiện thi công.	Trọng lượng lên đến 250 lb, đường kính chân đầm 4 đến 10 inch.

\(\\\)

Bảng 3-9. Khả năng áp dụng thiết bị đầm nén cho các loại đất khác nhau

Loại vật liệu đắp	Chiều dày lớp đắp đã đầm nén điển hình (inch) đối với các thiết bị đầm nén khác nhau (phương pháp đầm nén được ghi trong ngoặc)									Số lượt lu hoặc lượt phủ
	Lu chân cừu (đầm nhào)	Lu bánh lốp (đầm nhào)	Lu bánh nhẵn (chỉ tĩnh)	Lu chân cừu rung (nhào, rung)	Lu bánh nhẵn rung (rung)	Đầm bàn rung (rung)	Lu lưới (rung, va đập)	Máy kéo bánh xích	Đầm cóc hoặc đầm nện (va đập)
Đất hạt mịn — thông thường	6 đến 12	6 đến 8	6 đến 8							4 đến 8
Đất hạt mịn — vật liệu đắp giữ nước	6 đến 12	6 đến 8								4 đến 6
Đất hạt thô — thông thường	6 đến 12	6 đến 8	6 đến 8	8 đến 12	6 đến 12	8 đến 10	6 đến 12	6 đến 10		3 đến 5
Đất hạt thô — bẩn, P#200 > 8%	6 đến 12	6 đến 8	6 đến 8	8 đến 12	6 đến 12		6 đến 12			6 đến 8
Lớp móng hoặc móng dưới GW			8 đến 12		6 đến 12		6 đến 12			4
Đất hạt thô — sạch, P#200 = 4–8%		10	8 đến 12		6 đến 12	8 đến 10	6 đến 12	6 đến 10		3 đến 5
Sỏi			8 đến 12		6 đến 12		6 đến 12			3 đến 5
Đá đắp bền lâu					đến 36					4 đến 6
Tất cả các loại đất, khu vực khó tiếp cận như đắp trả hào/rãnh									4 đến 6	2

\(\\\)

3-4.5 Điều Kiện Thi Công Đặc Biệt

3-4.5.1 Vật Liệu Đá Đổ (Rock Fill)

Vật liệu đá đổ (rock fill) cần được san rải và đầm nén đạt trạng thái chặt, không có lỗ rỗng lớn — nhằm ngăn vật liệu bên trên bị lún hoặc xâm nhập (migrate) vào khối đá đổ.

Về chiều dày lớp đắp: vật liệu đá đổ có thể san rải thành các lớp đầm nén (compacted lifts) dày đến 3 ft (~0.9m). Nguyên tắc chung: chiều dày lớp đắp sau đầm nén nên tối thiểu bằng 1.5 lần đường kính hạt lớn nhất (TRB 1990).

Về thiết bị và quy trình đầm nén:

• Máy ủi (dozers) có thể dùng để nghiền vỡ các hạt quá cỡ hoặc cào loại bỏ chúng khỏi khối đắp;
• Đầm nén nên thực hiện bằng lu rung (vibratory rollers) trọng lượng 10–20 tấn, vận hành ở tần số khoảng 20–25 Hz;
• Mức đầm nén phù hợp thường đạt được sau khoảng 4–6 lượt lu (roller passes); các lượt lu bổ sung sau đó chủ yếu chỉ nghiền vụn thêm bề mặt mà không làm tăng thêm mức độ đầm nén.

Riêng đối với phần vật liệu đá đổ có kích thước hạt nhỏ hơn ¾ inch (≈ 1.91 cm), nên đưa về gần độ ẩm tối ưu (optimum moisture content) để đạt hiệu quả đầm nén tốt nhất (Breitenbach 1993).

Lưu ý về độ bền của vật liệu đá đổ

Cần đặc biệt chú ý đến độ bền (durability) của vật liệu đá đổ — như đã trình bày tại Mục 3-3.3.3. Đối với đá kém bền (nondurable rock) khi dùng làm vật liệu đắp, cần xử lý tương tự như đối với đất:

• Đá cần được nghiền vỡ trong quá trình đầm nén, sao cho các lỗ rỗng lớn được lấp đầy;
• Việc này giúp ngăn ngừa hiện tượng di chuyển hạt (particle migration) nếu xảy ra hiện tượng vỡ vụn do phong hóa nước (slaking).

Đây có thể là công việc khó khăn nếu đá phiến sét (shale) tuy cứng nhưng vẫn thuộc loại kém bền (hard but nondurable). Đối với đá phiến sét gây khó khăn trong thi công (problematic shales), thường cần áp dụng quy trình hai bước:

1. Dùng lu chân dê (tamping foot roller) để nghiền vỡ các hạt đá;
2. Sau đó dùng lu bánh lốp cao su cỡ lớn (large rubber-tired roller) để đầm nén khối đắp.

Theo kinh nghiệm thực tế: nếu đạt được mức đầm nén tốt với chiều dày lớp đắp 8 inch (~ 20cm.), thì hầu như không gặp vấn đề nghiêm trọng, và chỉ có một số vấn đề nhỏ phát sinh — bất kể độ bền của vật liệu đắp ra sao (FHWA 1978).

3-4.5.2 Vật Liệu Đắp Sau Tường Chắn

Theo TRB (1990), áp lực đất ngang (lateral earth pressures) tác dụng lên tường chắn có khối đắp sau lưng (fill-type retaining walls) phụ thuộc nhiều vào ba yếu tố:

• Loại đất dùng làm vật liệu đắp sau tường;
• Điều kiện san rải;
• Phương pháp đầm nén.

Việc dự đoán các áp lực này được trình bày chi tiết hơn ở Chương 4.

Về yêu cầu vật liệu: nếu có thể, nên dùng đất sạch, thoát nước tốt (clean, free-draining soil) làm vật liệu đắp sau tường chắn. Việc thay thế vật liệu không được phép thực hiện nếu chưa có sự chấp thuận của kỹ sư. Vật liệu bị đóng băng không được dùng làm vật liệu đắp.

Về phương pháp thi công: vật liệu đắp sau tường chắn nên được san rải đều thành các lớp dày 6–8 inch hoặc mỏng hơn, tùy theo kích cỡ thiết bị đầm nén sử dụng. Độ ẩm cần được kiểm soát chặt chẽ, giữ gần mức tối ưu — nhằm giảm thiểu công đầm nén cần thiết cũng như tải trọng tác dụng lên tường chắn.

3-4.5.3 Các Lưu Ý Khi Thi Công Trong Điều Kiện Thời Tiết Lạnh

Kinh nghiệm thực tế và nghiên cứu cho thấy: việc đầm nén đất ẩm đạt yêu cầu là rất khó khăn trong điều kiện nhiệt độ đóng băng. Nguyên nhân: nước trong đất có độ nhớt (viscosity) cao hơn ở nhiệt độ thấp.

Ngay cả đất hạt thô cũng đòi hỏi công đầm nén lớn hơn đáng kể khi đầm nén ở nhiệt độ gần hoặc dưới điểm đóng băng. Ví dụ: đầm nén cải tiến (Modified effort) ở 30°F cho dung trọng khô thấp hơn so với đầm nén tiêu chuẩn (Standard effort) ở 74°F (TRB 1990).

Ngoài khó khăn về đầm nén, đất đóng băng còn có thể chứa lượng ẩm đáng kể dưới dạng băng. Khi lớp băng này tan chảy sau này, khối đắp có thể bị làm mềm (softened) do lượng ẩm bổ sung — dẫn đến hiệu suất làm việc kém của khối đắp về sau.

3-4.5.4 Vật Liệu Đắp Trong Hào/Rãnh

Vật liệu đắp trong hào (trenches — có chiều sâu lớn hơn chiều rộng, và chiều rộng nhỏ hơn khoảng 15 ft) cần được đầm nén đạt yêu cầu, kể cả khi sử dụng vật liệu có cấp phối kém (poorly graded gravel), ví dụ như cấp phối #57 (theo ASTM D448) .

(cấp phối #57 theo ASTM D448)

“#57” là ký hiệu cấp phối cốt liệu (aggregate gradation) theo tiêu chuẩn ASTM D448 của Hoa Kỳ — quy định phổ biến trong ngành xây dựng đường bộ Mỹ, dùng để chỉ một dải kích thước hạt cụ thể cho đá dăm (crushed stone) hoặc sỏi.

Cụ thể, cấp phối #57 có đặc điểm:

• Kích thước hạt chủ yếu trong khoảng ¾ inch đến #4 sàng (khoảng 4.75mm) — tức là đá dăm cỡ trung bình, khá đồng đều;
• Đây là loại cấp phối hở/hẹp (cấp phối kém — poorly graded, theo hệ phân loại USCS) — vì hầu hết các hạt tập trung trong một khoảng kích thước hẹp, thiếu các cỡ hạt trung gian và hạt mịn để lấp đầy lỗ rỗng;
• Vì thiếu hạt mịn, loại vật liệu này có độ rỗng lớn, thoát nước rất tốt — nên thường dùng trong hệ thống thoát nước (drainage), lớp móng đường, hoặc vật liệu đắp hào quanh đường ống.

Việc nêu ví dụ “#57” nhằm minh họa: dù dùng vật liệu có cấp phối kém — vốn khó đầm chặt hơn vật liệu cấp phối tốt (well-graded) vì thiếu hạt mịn chèn lấp lỗ rỗng — thì vật liệu đắp trong hào vẫn phải đạt yêu cầu đầm nén.

Đầm nén trong hào thường khó thực hiện và đòi hỏi thiết bị chuyên dụng và/hoặc cỡ nhỏ. Ngoài ra, cần tuân thủ các yêu cầu an toàn theo quy định OSHA (Occupational Safety and Health Administration), như trình bày tại Chương 2.

Về phương pháp thi công đặc biệt:

• Đôi khi có thể cần bơm phun nước áp lực (jet) để đưa vật liệu đắp bằng cát vào vị trí xung quanh đường ống công trình ngầm (utility pipes) (Coduto et al. 2011);
• Tuy nhiên, phương pháp ngập nước làm chặt (flooding) vật liệu đắp vào hào không được khuyến nghị (Holtz et al. 2011).

Đối với hào có chiều rộng nhỏ hơn 3–4 ft: vật liệu đắp nên là cát hoặc sỏi sạch, dễ san rải, đầm nén thành các lớp dày 6–12 inch ở độ ẩm cao.

Tài liệu USACE (1995b) cung cấp hướng dẫn chi tiết về đầm nén trong không gian hạn chế (confined areas) áp dụng cho các công trình giữ nước (water retaining structures).

3-5. KIỂM SOÁT VẬT LIỆU ĐẮP ĐẦM NÉN

Đầm nén (compaction) giúp cải thiện hầu hết các chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu đắp bằng đất hoặc đá đổ (rock fill) (xem Hình 3-1). Tuy nhiên, công tác này tốn kém cả về mặt kinh tế lẫn môi trường. Vì vậy, việc xác định xem mức độ đầm nén đạt được đã đủ hay chưa là một bước quan trọng trong quá trình thi công đất (Coduto và cộng sự, 2011).

Quá trình ra quyết định này được gọi là:

• Đảm bảo chất lượng (quality assurance – QA): khi công tác kiểm tra do một đơn vị khác ngoài nhà thầu thực hiện
• Kiểm soát chất lượng (quality control – QC): khi công tác kiểm tra do chính nhà thầu thực hiện

Thuật ngữ kiểm soát đầm nén (compaction control) dùng để chỉ quá trình QA kết hợp với việc giám sát chặt chẽ toàn bộ công tác thi công đất, phù hợp với vai trò của đại diện chủ đầu tư.

Phần lớn nội dung của mục này tập trung vào các khía cạnh định lượng của công tác thí nghiệm hiện trường phục vụ kiểm soát đầm nén. Tuy nhiên, các quan sát trực quan và phép đo đơn giản được tổng hợp trong Bảng 3-10 cũng quan trọng không kém đối với việc kiểm soát đầm nén tốt. Các kỹ sư hiện trường áp dụng những phương pháp giám sát này cần duy trì sự theo dõi liên tục trong suốt quá trình thi công đất, bất kể số lượng thí nghiệm kiểm soát đầm nén được thực hiện là bao nhiêu.

3-5.1 Yêu cầu Đầm nén

Mức độ đầm nén mục tiêu thường được xác định theo một trong hai dạng chỉ dẫn kỹ thuật (specification):

• Chỉ dẫn kỹ thuật theo kết quả cuối cùng (end-result specifications)
• Chỉ dẫn kỹ thuật theo phương pháp thi công (method specifications)

Số lượng và quy mô các thí nghiệm QA thực hiện trên một dự án đất đắp luôn rất nhỏ so với quy mô của khối đắp (USBR, 1987). Chính vì lý do này, cần có một quy trình đầm nén được xác định rõ ràng để đảm bảo việc kiểm soát đầm nén đạt yêu cầu, bất kể loại chỉ tiêu kỹ thuật nào được áp dụng.

Chỉ dẫn kỹ thuật theo kết quả cuối cùng (End-result specifications) yêu cầu vật liệu đắp phải đạt được dung trọng khô (dry unit weight) tối thiểu và/hoặc trung bình, đồng thời có thể kèm theo giới hạn về độ ẩm đầm nén (compaction water content). Loại chỉ dẫn kỹ thuật này thường cho phép nhà thầu có quyền lựa chọn chiều dày lớp đổ tối đa (maximum lift thickness), phương pháp và thiết bị đầm nén.

Do tính biến động của đất và các yếu tố bất định trong quá trình thi công, dung trọng khô yêu cầu thường được thể hiện dưới dạng độ chặt tương đối (relative compaction) hoặc độ chặt tương đối theo hệ số rỗng (relative density), so với một tiêu chuẩn tham chiếu áp dụng.

Phổ biến nhất, các chỉ dẫn kỹ thuật đầm nén sử dụng độ chặt tương đối (relative compaction) (theo Phương trình 3-3), phù hợp với các loại đất có hàm lượng hạt mịn đáng kể. Đối với các loại đất này, có thể cần quy định thêm khoảng độ ẩm tương đối chấp nhận được (theo Phương trình 3-4).

Độ chặt tương đối theo hệ số rỗng (relative density, D_r) (theo Phương trình 3-5) đôi khi được sử dụng để xác định mức độ đầm nén của đất hạt thô không lẫn hạt mịn.

Tuy nhiên, cần lưu ý một điểm quan trọng: trong khi D_r dao động từ 0% đến 100%, thì khoảng dung trọng khô tương ứng với độ chặt tương đối (relative compaction, R.C.) từ 80% đến 100% lại tương đối hẹp. Vì lý do này:

• D_r nhạy hơn nhiều đối với những thay đổi nhỏ trong dung trọng khô thực tế tại hiện trường
• Do đó, nếu sử dụng D_r, cần dự trù mức độ biến động lớn hơn trong kết quả các thí nghiệm kiểm soát đầm nén (compaction control tests)

Đối với đất hạt thô không lẫn hạt mịn, một phương án thay thế hữu ích là kết hợp khái niệm độ chặt tương đối (relative compaction) với tiêu chuẩn ASTM D4253 để xác định dung trọng khô lớn nhất, thay vì sử dụng thí nghiệm đầm nén Proctor (Proctor compaction test).

Bảng 3-10. Các phương pháp kiểm soát đầm nén đơn giản cho kỹ sư hiện trường
(theo TRB 1990, USACE 1995a)

Thông số Đầm nén Cần Theo dõi	Phương pháp Kiểm soát Đơn giản
Phương pháp đầm nén (Compaction method)	Ghi lại loại thiết bị được sử dụng để rải và đầm nén đất, bao gồm cả model hoặc trọng lượng thiết bị.
Công đầm nén (Compactive effort)	Đếm và ghi lại số lượt đầm (passes) của thiết bị đầm nén.
Chiều dày lớp đắp sau đầm nén (Compacted lift thickness)	Xác định cao độ tại mỗi vị trí thí nghiệm bằng hệ thống định vị toàn cầu (GPS), đo đạc thông thường (conventional surveying), hoặc thước thủy bình và mốc chuẩn (hand level and benchmark).
Loại đất (Soil type)	Thường xuyên ghi lại mô tả và phân loại đất bằng quan sát trực quan (visual soil description and classification) theo ASTM D2488. Nếu có thể, nhờ kỹ sư hiện trường hỗ trợ xác định đặc tính vật liệu đắp trong phòng thí nghiệm (ví dụ: giới hạn Atterberg và thí nghiệm Proctor).
Độ ẩm đất (Soil moisture) (đất có hàm lượng hạt mịn đáng kể)	Sử dụng phương pháp thí nghiệm trực quan – bằng tay (Visual-Manual tests) để đánh giá mức độ gần với Giới hạn dẻo (Plastic Limit), thường lấy độ ẩm tối ưu (optimum water content) là wopt = PL − 2%±.
	Đất quá ẩm: Thiết bị bánh lốp cao su sẽ lún sâu tới 50% bề rộng lốp. Bề mặt vật liệu đắp gợn sóng hoặc trồi nước khi thiết bị đầm nén tác dụng lực. Đất bám dính vào bánh lu.
	Độ ẩm phù hợp: Bánh lu để lại vệt lún sâu 3 đến 4 inch ở lượt đầu tiên, sau đó độ lún giảm dần qua từng lượt tiếp theo (tức là “đi ra” khỏi lớp đất – walks out). Chân đầm của bánh lu chân dê (tamping foot roller) trở nên sạch sau vài lượt đầm.
	Đất quá khô: Bề mặt vật liệu đắp trở nên cứng và khô sau vài lượt đầm. Vật liệu đắp có phản ứng rất ít hoặc không phản ứng dưới trọng lượng của thiết bị đầm nén.
Phản ứng của đất khi vận chuyển và đầm nén (Soil response to hauling and compaction equipment)	Đất có hàm lượng hạt mịn đáng kể: Hiện tượng gợn sóng và tạo vệt hằn (weaving and rutting) cho thấy đất quá ẩm hoặc thiết bị đầm nén quá nặng. Có thể xuất hiện hiện tượng đàn hồi hoặc biến dạng (springing or deformation) ngay dưới thiết bị.
	Đất hạt thô không lẫn hạt mịn: Bánh lu rung (vibratory rollers) chỉ nên đẩy một lượng nhỏ đất về phía trước; nếu không, có thể do tần số rung không phù hợp, hoặc vật liệu chứa hàm lượng hạt mịn quá cao.
Sức kháng xuyên (Penetration resistance)	Đất có hàm lượng hạt mịn đáng kể: Sử dụng que thăm T (T-Probe), kim Proctor (Proctor needle), hoặc xuyên kế cầm tay (pocket penetrometer) để đánh giá bán định lượng mức độ đầm nén của vật liệu đắp. Cảm nhận khi thăm dò hoặc các giá trị đo được sẽ cho tương quan phù hợp với điều kiện cụ thể tại công trường về mức độ đầm nén.
	Đất hạt thô không lẫn hạt mịn: Ấn gót giày vào bề mặt đất đã đầm nén. Đối với đất đã đầm nén tốt, gót giày sẽ gây ra dạng phá hoại cắt tổng quát xoay (rotational general shear type of bearing capacity failure). Đối với đất đầm nén kém, gót giày sẽ đơn giản lún sâu xuống.

\(\\\)

Bảng 3-11 tổng hợp các chỉ tiêu kỹ thuật đầm nén theo kết quả cuối cùng (end-result compaction specifications) thường được áp dụng, thể hiện dưới dạng độ chặt tương đối (relative compaction), cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau.

Các chỉ tiêu kỹ thuật này có thể được điều chỉnh để phù hợp với điều kiện thực tế và loại vật liệu tại từng công trường cụ thể.

Riêng đối với đập đất (earth dams), các yêu cầu theo USBR (1987) được tổng hợp trong Bảng 3-12, thể hiện dưới cả hai dạng: độ chặt tương đối (relative compaction-R.C) và độ chặt tương đối theo hệ số rỗng (relative density-D_r).

Bảng 3-11. Chỉ dẫn kỹ thuật đầm nén điển hình cho đất có lượng hạt mịn đáng kể

Mục đích sử dụng vật liệu đắp	R.C. nhỏ nhất điển hình	ΔwA	Chiều dày lớp đắp đã đầm nén	Yêu cầu đặc biệt
Đỡ kết cấu (Structural Support)	100% (D698) 95% (D1557)	-2% đến +2%	Đến 12 inch (~30cm)	Vật liệu đắp phải đồng nhất. Có thể cần trộn hoặc xử lý vật liệu khai thác từ mỏ. Đối với đất sét dẻo, cần khảo sát khả năng trương nở do bão hòa hoặc các điều kiện chất tải khác, với tải trọng tương đương tải trọng do kết cấu gây ra, để xác định điều kiện hạn chế trương nở. Đất sét có xu hướng trương nở thường phải được đầm nén ở độ ẩm bằng hoặc lớn hơn độ ẩm tối ưu đến khối lượng thể tích phù hợp với yêu cầu về cường độ và tính nén lún thấp của khối đắp.
Lớp lót cho kênh hoặc hồ chứa nhỏ (Lining for canal or small reservoir)	95% (D698) 90% (D1557)	-2% đến +2%	Đến 6 inch (~15cm)	Đối với lớp lót dày, GW-GC, GC và SC được ưu tiên hơn để đạt ổn định và chống xói. Cát pha bụi hoặc cát lẫn sét đơn cấp phối có PI nhỏ hơn 5 thường không phù hợp. Loại bỏ các mảnh lớn hơn 6 inch trước khi đầm nén.
Đỡ mặt đường (Support of pavements)	100% (D698) 95% (D1557)	-2% đến +2%	—	Bố trí vật liệu mượn (borrow materials) có cỡ hạt thô nhất tại phần trên cùng của khối đắp (fill). Đối với sét dẻo (plastic clays) được bố trí gần lớp nền đường (pavement subgrade), cần nghiên cứu khả năng trương nở (expansion) của vật liệu để xác định độ ẩm đầm nén (compaction moisture) và dung trọng (unit weight) phù hợp, nhằm giảm thiểu trương nở và đạt được giá trị CBR ngâm nước (soaked CBR) theo yêu cầu.
Đắp trả sau kết cấu (Backfill surrounding structure)	95% (D698) 90% (D1557)	-2% đến +2%	Đến 8 inch (~20cm)	Đối với vật liệu đắp sau tường (backfill) cần được thoát nước, phải sử dụng đất hạt thô có tính thấm tốt (pervious coarse-grained soils). Đối với tường thấp, không cho phép thiết bị đầm nén lu bánh nặng (heavy rolling compaction equipment) hoạt động ở khoảng cách gần tường hơn khoảng bằng hai phần ba chênh cao đắp hai bên tường (unbalanced height of fill) tại bất kỳ thời điểm nào. Đối với tường cao (highwalls) hoặc tường có thiết kế đặc biệt, cần đánh giá tải trọng phụ (surcharge) phát sinh do thiết bị đầm nén hạng nặng theo các phương pháp nêu tại Chương 4, đồng thời quy định khoảng cách an toàn tính từ tường cho hoạt động của thiết bị này.
Đắp trả trong rãnh đặt ống hoặc rãnh tiện ích (Backfill in pipe or utility trenches)	95% (D698) 90% (D1557)	-2% đến +2%	Đến 8 inch đối với thi công thông thường; 12 inch hoặc lớn hơn đối với đường ống	Vật liệu đào từ hào (trench) thường phù hợp để làm vật liệu đắp lấp hào (trench backfill) nói chung, nếu không chứa chất hữu cơ hoặc rác thải. Tuy nhiên, vật liệu đào thường không phù hợp để làm lớp đệm ống (pipe bedding). Thay vào đó, vật liệu đệm ống thường là đất hạt thô (coarse-grained soil) hoặc vật liệu cường độ thấp có kiểm soát (controlled low-strength material, hay còn gọi là flowable fill). Trường hợp sử dụng cát và sỏi thoát nước tự do (free draining sand and gravel): – Đáy hào có thể được hoàn thiện phẳng – Vật liệu hạt rời được đặt bão hòa nước (saturated) xung quanh và bên dưới ống, sau đó đầm nén bằng phương pháp rung (compacted by vibration) Có thể cần áp dụng yêu cầu đầm nén nghiêm ngặt hơn đối với lớp đất trong khoảng 1 foot phía trên cùng của hào, đặc biệt tại các khu vực có mặt đường (pavement areas). Tại các vùng có động đất (seismic zones), có thể cần áp dụng quy trình đắp lấp đặc biệt.
Thảm thoát nước hoặc lớp lọc (Drainage blanket or filter)	95% (D698) 90% (D1557)	Ướt	Đến 8 inch	Thông thường, sử dụng thiết bị đầm rung (vibratory compaction equipment). Có thể cần trộn lẫn (blending) các loại vật liệu để đảm bảo tính đồng nhất (homogeneity). Phải ngăn ngừa hiện tượng phân tầng vật liệu (segregation) trong quá trình rải và đầm nén. Đối với công tác đầm nén tại khu vực tiếp giáp và phía trên ống thoát nước (drainage pipe), sử dụng phương pháp đầm tay (hand tamping) hoặc đầm rung di động loại nhẹ (light travelling vibrators).
Đào nền kết cấu (Structure subgrade excavation)	100% (D698) 95% (D1557)	-2 đến +2	—	Để đạt được khả năng chịu tải đồng đều (uniform bearing) hoặc phá vỡ các túi vật liệu dễ bị ảnh hưởng bởi sương giá (frost susceptible material), cần cày xới (scarify) lớp trên cùng dày 8 đến 12 inch của nền đường (subgrade), làm khô hoặc làm ẩm khi cần thiết, rồi đầm nén lại (recompact). Đối với một số loại vật liệu đặc biệt — như sét đã cố kết trước ở mức độ cao (heavily preconsolidated clays) vốn không cải thiện đáng kể khi đầm nén, hoặc bùn bão hòa nước và cát mịn lẫn bùn (saturated silts and silty fine sands) có xu hướng hóa lỏng cục bộ (become quick) khi đầm nén — nên phủ một lớp đệm làm việc (working mat) bằng bê tông nghèo (lean concrete) hoặc vật liệu hạt thô lên trên, nhằm ngăn ngừa xáo trộn hoặc làm mềm vật liệu bên dưới. Tùy thuộc vào điều kiện nền móng (foundation conditions) phát hiện được qua công tác khảo sát (exploration), có thể cần phải: – Bóc bỏ một chiều dày đáng kể lớp đất rời (loose soils) bên dưới nền đường và đầm nén lại, hoặc – Đầm nén tại chỗ (compacted in place) bằng phương pháp rung (vibration), hoặc – Đóng cọc (pile driving)
Kết cấu giữ nước (Water retaining structures)	Xem Bảng 2-12		Đến 12 inch	Vật liệu lõi (core material) và các đới không thấm nước khác (impervious zones) cần được rải và đầm nén để tạo thành khối đắp đồng nhất (homogeneous fill), không bị phân lớp theo phương ngang (horizontal stratification). Bề mặt đã đầm nén của mỗi lớp đổ (lift) cần được cày xới kỹ (heavily scarified) trước khi rải lớp đổ tiếp theo.
A Độ ẩm tương đối, Δw = wfield − wopt.

(ASTM D698 và ASTM D1557)

ASTM D698 và ASTM D1557 là hai tiêu chuẩn thí nghiệm đầm nén Proctor (Proctor compaction test) của Mỹ, dùng để xác định quan hệ giữa dung trọng khô (dry unit weight) và độ ẩm (water content) của đất, từ đó xác định dung trọng khô lớn nhất (maximum dry unit weight) và độ ẩm tối ưu (optimum water content).

ASTM D698 — Standard Proctor (Proctor tiêu chuẩn):

• Còn gọi là Standard Proctor hoặc thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn
• Công đầm nén (compactive effort) thấp hơn
• Búa đầm 5.5 lb (2.5 kg), chiều cao rơi 12 inch (305 mm)
• Đầm 3 lớp, mỗi lớp 25 hoặc 56 chày tùy loại khuôn
• Tương đương gần với TCVN 4201 (đầm nén tiêu chuẩn) trong hệ tiêu chuẩn Việt Nam

ASTM D1557 — Modified Proctor (Proctor cải tiến):

• Còn gọi là Modified Proctor hoặc thí nghiệm đầm nén cải tiến
• Công đầm nén cao hơn nhiều (gấp khoảng 4.5 lần so với Standard Proctor)
• Búa đầm 10 lb (4.54 kg), chiều cao rơi 18 inch (457 mm)
• Đầm 5 lớp
• Thường dùng cho các công trình chịu tải trọng lớn hoặc lặp (đường băng sân bay, đường cao tốc, nền móng công trình quan trọng)

\(\\\)

Bảng 3-12 Tiêu chí Kiểm soát Đầm nén cho Đập Đất Đắp
(Compaction Control Criteria for Compacted Earth Dams)
(theo USBR 1987)

Vật liệu	Tỷ lệ đất lọt sàng #4 (P#4)	Tiêu chí kiểm soát đầm nén (dựa trên phần lọt sàng #4)
		Chiều cao đập < 50 ft (~15.2m)			Chiều cao đập > 50 ft(~15.2m)
		Tối thiểu	Trung bình	ΔwA	Tối thiểu	Trung bình	ΔwA
Đất có lượng hạt mịn đáng kể	P#4 > 75%	R.C. ≥ 95%	R.C. ≥ 98%	-2% đến +2%	R.C. ≥ 98%	R.C. ≥ 100%	-2% đến 0%
	P#4 = 50% đến 75%	R.C. ≥ 93%	R.C. ≥ 95%		R.C. ≥ 95%	R.C. ≥ 98%
	P#4 < 50%	R.C. ≥ 90%	R.C. ≥ 93%		R.C. ≥ 93%	R.C. ≥ 95%
Đất không có lượng hạt mịn đáng kể	Cát mịn P#4 > 75%	Dr ≥ 75%	Dr ≥ 90%	Đất phải ở trạng thái rất ướt	Dr ≥ 75%	Dr ≥ 90%	Đất phải ở trạng thái rất ướt
	Cát trung bình P#4 > 75%	Dr ≥ 70%	Dr ≥ 85%		Dr ≥ 70%	Dr ≥ 85%
	Cát thô và sỏi	Dr ≥ 65%	Dr ≥ 80%		Dr ≥ 65%	Dr ≥ 80%
A Độ ẩm tương đối, \(\Delta W = W_{field} – W_{olt}\).

(sàng #4)

Sàng #4 (No. 4 sieve) theo hệ tiêu chuẩn Mỹ (ASTM) có kích thước mắt sàng là 4.75 mm.

Đây là ranh giới phổ biến dùng để phân biệt giữa cuội sỏi/sạn (gravel) — hạt giữ lại trên sàng #4 — và cát (sand) — hạt lọt qua sàng #4, theo hệ phân loại đất USCS (Unified Soil Classification System).

\(\\\)

Chỉ dẫn kỹ thuật theo phương pháp thi công (method specifications) yêu cầu nhà thầu phải sử dụng một quy trình thi công đất (earthwork process) cụ thể — bao gồm các yếu tố như: phương pháp rải (placement), chiều dày lớp đổ (lift thickness), loại thiết bị (equipment type), độ ẩm (water content), số lượt đầm (number of passes), v.v. — đã được xác định trước là mang lại kết quả đầm nén mong muốn cho vật liệu đắp.

Loại chỉ dẫn kỹ thuật này thường được áp dụng phổ biến nhất trong hai trường hợp:

• Các dự án có quy mô lớn
• Các vị trí hoặc loại vật liệu mà việc xác định dung trọng khô thực tế tại hiện trường (γ_d,field) gặp khó khăn, ví dụ: không gian hạn chế (confined spaces) hoặc vật liệu đá đổ (rock fills)

Quy trình thi công đất áp dụng trong Chỉ dẫn kỹ thuật theo phương pháp thi công (method specifications) thường được xác định thông qua đoạn thí nghiệm hiện trường (field test section) — tức một khối đắp thử nghiệm (embankment) có quy mô nhỏ hơn, được đầm nén bằng nhiều phương án thiết bị và phương pháp khác nhau để lựa chọn ra quy trình phù hợp nhất (xem Mục 3-5.2).

Trong một số trường hợp, có thể quy định sử dụng thiết bị đặc biệt (special equipment), dựa trên kinh nghiệm thực tế đối với điều kiện địa phương và loại vật liệu đắp sẵn có tại khu vực.

3-5.2 Đoạn Thí nghiệm Hiện trường

Đoạn thí nghiệm hiện trường (field test section) có thể được sử dụng để xác định một quy trình đầm nén cụ thể và phù hợp cho một tổ hợp điều kiện công trường và vật liệu đắp nhất định.

Tùy trường hợp, đoạn thí nghiệm hiện trường được dùng với hai mục đích khác nhau:

• Xây dựng một chỉ dẫn kỹ thuật theo phương pháp thi công (method specification)
• Hoặc hiệu chỉnh, cải tiến quy trình đầm nén đã có

Ví dụ minh họa về quy trình thực hiện đoạn thí nghiệm hiện trường được trình bày tại Hình 3-14.

Trong quá trình thí nghiệm, các thông số đầm nén — như độ ẩm (water content), thiết bị đầm nén (compaction equipment), chiều dày lớp đổ (lift thickness), và số lượt đầm (equipment passes) — được thay đổi có hệ thống theo nhiều tổ hợp khác nhau. Kết quả thường được thể hiện dưới dạng biểu đồ quan hệ giữa dung trọng khô (dry unit weight) và số lượt đầm.

Đoạn thí nghiệm hiện trường tạo cơ hội để kiểm tra các chỉ tiêu kỹ thuật (engineering parameters) của vật liệu đắp ở quy mô thực tế ngoài công trường. Có thể lấy mẫu bằng ống Shelby (Shelby tubes) hoặc mẫu khối (block samples) từ vật liệu đắp đã đầm nén để phục vụ các thí nghiệm trong phòng như: cường độ kháng cắt (shear strength), tính nén lún (compressibility), hoặc hệ số thấm (hydraulic conductivity).

Nếu phát hiện sự khác biệt giữa các thông số đầm nén thực tế ngoài hiện trường so với giả định thiết kế, kết quả này có thể được dùng để hiệu chỉnh lại thiết kế dự án.

Ngoài ra, có thể thực hiện thí nghiệm thấm vòng đôi cỡ lớn (large double-ring infiltrometer test) theo tiêu chuẩn ASTM D3385 để đánh giá hệ số thấm (hydraulic conductivity) ngoài hiện trường của đất hạt mịn đã đầm nén, dùng làm lớp ngăn thấm (seepage barriers). Kết quả từ các thí nghiệm hiện trường này có thể được:

• Dùng trực tiếp để lựa chọn quy trình đầm nén phù hợp, hoặc
• Đối chiếu tương quan (correlated) với kết quả thí nghiệm trong phòng, vốn dễ thực hiện hơn

Đoạn thí nghiệm hiện trường (field test sections) đặc biệt quan trọng đối với vật liệu đá đổ (rock fills) (USACE, 1994b), nhất là đối với các loại đá kém bền vững (nondurable rock) như đá phiến sét (shale).

Có mấy lý do chính giải thích tầm quan trọng này:

• Khó xác định dung trọng khô sau đầm nén: Việc đo dung trọng khô sau đầm nén (compacted dry unit weight) của vật liệu đá đổ tốn nhiều thời gian và chi phí, nên thường không khả thi để đo thường xuyên trong quá trình thi công đất.
• Khó đo trong phòng thí nghiệm: Các thông số kỹ thuật (engineering parameters) của vật liệu đá đổ khó đo trong phòng thí nghiệm mà không làm thay đổi cấp phối hạt (grain-size distribution) của mẫu.
• Đo trực tiếp một số thông số: Đoạn thí nghiệm hiện trường cho phép đo trực tiếp một số thông số, ví dụ hệ số thấm sau đầm nén (compacted hydraulic conductivity). Việc xác định dung trọng chuẩn (reference unit weights) hoặc hệ số rỗng (void ratios) trong phòng thí nghiệm là không khả thi đối với vật liệu này.

Đoạn thí nghiệm hiện trường cung cấp cơ sở định lượng để xác lập quy trình đầm nén phù hợp cho vật liệu đá đổ. Mặc dù đôi khi cần thực hiện thí nghiệm cấp phối hạt (gradation tests) trước và sau đầm nén để đánh giá mức độ vỡ hạt (particle breakage) (USACE, 1994b), việc kết hợp đoạn thí nghiệm hiện trường với chỉ dẫn kỹ thuật theo kết quả vận hành (performance specification) có thể giúp loại bỏ nhu cầu thực hiện loại thí nghiệm này.

Hướng dẫn chi tiết và các ví dụ về đoạn thí nghiệm hiện trường được trình bày trong USACE (1994b).

Một số nguyên tắc khi bố trí đoạn thí nghiệm hiện trường:

• Vị trí: Nên đặt gần mỏ đá (quarry) hoặc bãi vật liệu vay mượn (borrow area) vì lý do kinh tế, và nên có nền móng (foundation) tương tự với khối đắp thực tế theo thiết kế.
• Phương tiện và phương pháp thi công: Nên sử dụng phương tiện và phương pháp thi công (means and methods) tương tự với phương án dự kiến áp dụng trong thi công thực tế. Ví dụ, vật liệu đắp chỉ nên được chất đống tạm thời (temporarily stockpiled) phục vụ đoạn thí nghiệm nếu việc chất đống đó cũng sẽ diễn ra trong quá trình thi công sản xuất thực tế (production).
• Hình học đoạn thí nghiệm: Cần được lập kế hoạch cẩn thận, đảm bảo đủ không gian để bố trí các tổ hợp khác nhau về thiết bị đầm nén (compaction equipment), chiều dày lớp đổ (layer thickness), và độ ẩm (water content). Cũng cần xem xét không gian cho làn xe di chuyển (traffic lanes) và mái dốc bên (side slopes).
• Bố trí nhiều đoạn thí nghiệm song song: Việc bố trí nhiều đoạn thí nghiệm cạnh nhau (side-by-side test sections) đã được áp dụng thành công để giảm bớt yêu cầu về mái dốc bên (side slope requirements).

Về công tác đo đạc, kiểm tra:

• Tối thiểu cần thực hiện đo lún (settlement measurements) bằng phương pháp trắc đạc (surveying) sau mỗi lượt đầm của lu (roller pass).
• Đối với đoạn thí nghiệm vật liệu đá đổ: dung trọng khô (dry unit weight) của vật liệu đắp có thể được đo định kỳ (occasionally).
• Đối với đoạn thí nghiệm vật liệu đất: có thể kết hợp thí nghiệm dung trọng khô hiện trường thông thường (conventional field dry unit weight tests) và lấy mẫu nguyên dạng (intact samples) để đánh giá quá trình đầm nén cũng như các đặc tính của vật liệu đắp sau đầm nén.

3-5.3 Thí Nghiệm Kiểm Soát Đầm Nén

Thí nghiệm kiểm soát đầm nén được dùng trực tiếp với chỉ dẫn kỹ thuật theo kết quả cuối cùng (end-result specifications). Về nguyên tắc, việc kiểm soát này dựa trên đo đạc ngoài hiện trường hai đại lượng: dung trọng khô đầm nén (γ_d,field) và độ ẩm (w_field) của vật liệu đắp.

Các phương pháp xác định hai giá trị này được trình bày trong Chương 2 của DM 7.1 (NAVFAC 2021). Một số phương pháp phổ biến được so sánh trong Bảng 3-13, đặc biệt tập trung vào độ biến thiên (variability) điển hình của từng phương pháp. Trong tất cả các nghiên cứu dùng để thu thập số liệu này, rất khó tách riêng ảnh hưởng của biến thiên trong bản thân vật liệu đắp với biến thiên trong phép đo γ_d,field và w_field.

3-5.3.1 Các Phương Pháp Thí Nghiệm Kiểm Soát

Các phương pháp phổ biến để xác định dung trọng khô hiện trường hoặc độ chặt tương đối (relative compaction) thường có độ lệch chuẩn (standard deviation) trong khoảng 1 đến 2 pcf (≈ 0.157–0.314 kN/m³), hoặc 1% đến 2%. Điều này cho thấy khoảng biến thiên của giá trị γ_d đo được có thể lên tới 5–10 pcf (≈ 0.79–1.57 kN/m³), chỉ riêng do sai số đo (measurement error).

Như DM 7.1 đã lưu ý, phương pháp phễu cát (sand cone test) vẫn được xem là phương pháp chính xác nhất — với điều kiện cát dùng để thí nghiệm còn mới, khô, đã hiệu chuẩn tốt, và kỹ thuật viên có kinh nghiệm. Tuy nhiên, McCook và Shanklin (2000) phát hiện rằng trong điều kiện thi công thực tế, phễu cát có độ biến thiên tương đương với máy đo phóng xạ (nuclear gauge) — nguyên nhân được cho là do khó hiệu chuẩn phễu cát một cách chính xác.

Thời gian cần thiết để hoàn thành một thí nghiệm kiểm soát đầm nén (tổng hợp trong Bảng 3-13) cũng là một yếu tố quan trọng khi lựa chọn phương pháp. Máy đo phóng xạ là phương pháp nhanh nhất, nhanh hơn phễu cát khoảng sáu lần. Nhờ tốc độ này, có thể thực hiện được số lượng thí nghiệm máy đo phóng xạ nhiều hơn trong cùng một khoảng thời gian hợp lý.

Với điều kiện máy đo phóng xạ được hiệu chuẩn đúng, việc thực hiện nhiều thí nghiệm máy đo phóng xạ sẽ làm giảm đáng kể độ bất định (uncertainty) trong các giá trị đo được của γ_d,field và w_field — độ bất định này vốn phát sinh từ cả biến thiên thực tế của vật liệu đắp lẫn biến thiên của bản thân phương pháp đo. Đáng tiếc, quan điểm này không phải lúc nào cũng được nhìn nhận đúng mức, và tốc độ của thí nghiệm thường chỉ được xem như một cách để đẩy nhanh tiến độ thi công.

Bảng 3-13. So sánh các phương pháp thí nghiệm kiểm soát đầm nén thông dụng

Phương pháp (ASTM)	Ghi chú	Thời gian yêu cầu cho mỗi thí nghiệm	Độ biến động trong phép đo
			Dung trọng hoặc R.C.	Độ ẩm
Rót cát (D1556)	Noorany và nnk. (2000) nhận thấy phương pháp này chính xác hơn thí nghiệm dao vòng hoặc thiết bị đo hạt nhân nhưng vẫn có thể có R.C. sai lệch từ 5% trở lên. McCook và Shanklin (2000) nhận thấy phương pháp này có độ tin cậy cao hơn nhưng cần hiệu chuẩn cẩn thận hơn.	30 đến 45 phút	Độ biến động báo cáo khác nhau tùy nghiên cứu. Noorany et al: SD(R.C.) = 1.5 đến 2% McCook và Shanklin: SD(\(\gamma_d\)) = 1.4 đến 5.8 pcf	Các phương pháp này dùng sấy tủ (ASTM D2216) cho mẫu hiện trường. Độ biến động báo cáo khác nhau tùy nghiên cứu: Noorany et al: SD(w) = 0.1 đến 0.5% McCook và Shanklin: SD(w) = 1.3 đến 3.6%
Bóng cao su (D2167)	Có xu hướng nén đất yếu, có thể không phải là vấn đề đối với khối đắp được đầm nén tốt, dẫn đến dung trọng thấp.	15 đến 30 phút	ASTM D2167 cho biết hai thí nghiệm do cùng một người thực hiện không nên chênh lệch quá 1 pcf.
Dao vòng đóng (D2937)	Có xu hướng kém chính xác hơn thí nghiệm rót cát hoặc thiết bị đo hạt nhân. Một số loại đất có thể bị rời lỏng trong quá trình đóng dao vòng, trong khi các loại khác có thể bị nén chặt thêm.	10 đến 15 phút	ASTM D2937: SD(\(\gamma_d\)) = 2 pcf Noorany et al: SD(R.C.) = 1.5 đến 2.5% McCook và Shanklin: SD(\(\gamma_d\)) = 1.6 đến 2.1 pcf
Thiết bị đo hạt nhân (D6938)	Phương pháp truyền trực tiếp chính xác hơn phương pháp tán xạ ngược. Noorany et al. (2000) nhận thấy độ biến động cao hơn và chênh lệch đến 10% về R.C. so với giá trị đã đầm nén. McCook và Shanklin (2000) nhận thấy phương pháp này chính xác bằng hoặc hơn thí nghiệm rót cát, nếu có hiệu chỉnh độ ẩm. Có thể có độ lặp lại tốt nhưng thiếu độ chính xác do hiệu chuẩn không đúng.	5 đến 10 phút	Độ biến động báo cáo khác nhau tùy nghiên cứu: Noorany et al: SD(R.C.) = 1 đến 3% ASTM D6938: SD(\(\gamma_t\)) = 0,3 đến 1,2 pcf đối với truyền trực tiếp; SD(\(\gamma_t\)) = 2 pcf đối với tán xạ ngược McCook và Shanklin: SD(\(\gamma_d\)) = 0.5 đến 3.9 pcf	SD(w) = 0.3 đến 1.0% Có thể quan sát thấy giá trị cao hơn nếu đất biến đổi nhiều. Độ biến động giữa hai thiết bị và người vận hành lớn khoảng gấp đôi độ biến động giữa các thí nghiệm trên cùng thiết bị và cùng người vận hành.
Carbide canxi (a.k.a. Speedy) (D4944)	Thường được dùng thay thế cho phương pháp sấy tủ với các phương pháp thay thế thể tích hoặc để kiểm tra hiện trường cho thiết bị đo hạt nhân.	5 đến 10 phút	Không áp dụng	McCook và Shanklin: SD(w) = 1.6 đến 2.1% Sotelo et al (2014): COV(w) = 5%
eGauge (D8167)	Thiết bị hạt nhân được miễn giấy phép. Đo độ ẩm bằng phương pháp điện tử, thường kém chính xác hơn thiết bị đo hạt nhân. Không có tùy chọn tán xạ ngược. Cần hiệu chuẩn bức xạ nền riêng cho từng công trường. Bursey et al (2016) nhận thấy có tương quan tốt giữa khối lượng thể tích đo bằng eGauge và thiết bị đo hạt nhân.	5 đến 10 phút	Troxler (2019): SD(\(\gamma_t\)) = 0.3 pcf	Không có dữ liệu độ biến động. Độ chính xác được cải thiện đáng kể khi sử dụng hiệu chuẩn hoặc hiệu chỉnh độ ẩm riêng cho từng loại đất.
Ghi chú: SD(●) biểu thị độ lệch chuẩn của biến số; COV(●) biểu thị hệ số biến thiên của biến số.

\(\\\)

3-5.3.2 Tần Suất Thí Nghiệm Kiểm Soát

Tần suất thí nghiệm tối thiểu cho từng loại vật liệu đắp được tổng hợp trong Bảng 3-14.

Khi khối lượng thi công đất lớn và áp dụng quy trình thi công ổn định, tần suất thí nghiệm có thể thấp. Ngược lại, với các khu vực nhỏ mà quy trình đầm nén kém đều đặn hơn, cần thí nghiệm thường xuyên hơn. Không được thi công nhiều lớp đắp (lifts) liên tiếp mà không có thí nghiệm kiểm soát ở giữa.

Ngoài ra, cần tăng tần suất thí nghiệm vào giai đoạn đầu dự án, khi quy trình đầm nén còn đang trong quá trình xác lập (USACE 1995a).

Một số cơ quan còn yêu cầu lấy mẫu lưu (record samples) với tần suất thưa hơn so với thí nghiệm kiểm soát thông thường. Mẫu lưu là mẫu khối (block sample) hoặc các loại mẫu nguyên dạng (intact samples) khác của vật liệu đắp, dùng cho thí nghiệm cường độ kháng cắt (shear strength) hoặc thí nghiệm cố kết (consolidation) trong phòng thí nghiệm. Ví dụ, USACE (1995a) yêu cầu lấy mẫu lưu với tần suất mỗi 30.000 đến 50.000 C.Y (khoảng 23.000 đến 38.000 m³).

Bảng 3-14. Yêu cầu thí nghiệm kiểm soát đối với các loại vật liệu đắp khác nhau
(theo Hilf 1991, USBR 1998, USACE 1995a, Sowers 1979)

Loại vật liệu đắp đã đầm nén	Tần suất thí nghiệm tối thiểu
Công tác đất khối lượng lớn / nền đắp	1 thí nghiệm / 2000 yd³ (~1500 md³)
Các kết cấu đắp mỏng (kênh và lớp lót hồ chứa)	1 thí nghiệm / 1000 yd³
Vật liệu thấm nước	1 thí nghiệm / 1000 yd³
Khu vực đắp lớn	1 thí nghiệm / lớp đắp / 10000 đến 20000 ft² (~900-1800 m²)
Đắp trả rãnh và xung quanh kết cấu	1 thí nghiệm / 200 yd³, đến 1 thí nghiệm / 500 yd³
Khu vực đắp nhỏ	2 đến 3 thí nghiệm / lớp đắp / khu vực
Tối thiểu đối với công tác đất khối lượng lớn	1 thí nghiệm / ca làm việc
Khu vực nghi ngờ chất lượng	1 thí nghiệm / khu vực
Vị trí lắp đặt thiết bị quan trắc	1 thí nghiệm / thiết bị

\(\\\)

Thí nghiệm kiểm soát đầm nén nên được thực hiện tại các khu vực nghi ngờ chất lượng (regions of doubtful quality). Các khu vực này bao gồm: vị trí chuyển tiếp giữa các loại vật liệu; khu vực máy đầm quay đầu (areas where rollers turn); lớp đắp (lift) quá dày; lớp đắp có độ ẩm không đạt; lớp đắp được đầm với số lượt đầm không đủ hoặc dùng máy đầm quá nhẹ; vật liệu đắp được đầm bằng máy đầm bị bám dính đất (clogged rollers); vật liệu đắp có lẫn đá cỡ lớn (oversize rock) hoặc lớp băng giá mỏng (minor frost); và vật liệu đắp khác biệt so với vật liệu trung bình của khu vực.

Các thí nghiệm tại những vị trí này cần được ghi nhãn riêng biệt, phân biệt rõ với các thí nghiệm điểm thông thường (routine spot tests).

Ngoài ra, có thể dùng lu kiểm tra (proof rolling) để xác định các khu vực nghi ngờ chất lượng, tuy nhiên phương pháp này thường chỉ khả thi ở lớp đắp cuối cùng (final lift) của một dự án đất đắp, hoặc bên dưới lớp mặt đường (below pavements).

3-5.3.3 So Sánh Kết Quả Thí Nghiệm Kiểm Soát Với Giá Trị Tham Chiếu

Kết quả các thí nghiệm điểm hiện trường được so sánh với các giá trị tham chiếu: γ_d,max và w_opt, hoặc hệ số rỗng lớn nhất và nhỏ nhất (minimum and maximum void ratios). Các giá trị tham chiếu này có thể lấy từ thí nghiệm đầm nén trong phòng (laboratory compaction tests) trên cùng loại đất, hoặc từ các đoạn thử nghiệm hiện trường (field test sections). Chi tiết hơn về quy trình thí nghiệm đầm nén trong phòng được trình bày ở Chương 3 của DM 7.1.

Thông thường, người ta thực hiện một loạt các thí nghiệm này trên các loại đất dự kiến dùng làm vật liệu đắp, từ đó xây dựng một bộ đường cong đầm nén chuẩn (standard compaction curves) cho dự án. Kỹ sư hiện trường sẽ lựa chọn đường cong đầm nén phù hợp cho từng lớp đắp, dựa trên phân loại đất bằng quan sát trực quan (visual classification), sau đó tính toán độ chặt tương đối (relative compaction) hoặc độ chặt tương đối theo hệ số rỗng (relative density).

Trong quá trình thi công, cần thực hiện thêm các thí nghiệm đầm nén trong phòng trên mẫu vật liệu đắp, tùy theo mức độ biến thiên của vật liệu.

Thí nghiệm đầm nén trong phòng có thể được bổ sung bằng thí nghiệm đầm nén nhanh một điểm (rapid one-point compaction test), thực hiện ngay tại hiện trường. Đã có nhiều quy trình được đề xuất cho loại thí nghiệm này (ví dụ: Hilf 1991, AASHTO T272). Như thể hiện trong Hình 3-15, đường cong đầm nén của nhiều loại đất khác nhau có xu hướng nằm dọc theo một đường tối ưu chung (line of optimums) ứng với một công đầm nén (compactive effort) nhất định.

Sau khi thực hiện thí nghiệm kiểm soát đầm nén hiện trường, kỹ sư hiện trường tiến hành đào lấy mẫu đất tại vị trí thí nghiệm. Mẫu đất này được đầm nén trong phòng theo quy trình thí nghiệm phù hợp (ví dụ: ASTM D698 hoặc ASTM D1557), cho ra kết quả dung trọng tổng (total unit weight, γ_t) và độ ẩm (w) tương ứng.

Điểm (γ_{t, w}) này sau đó được vẽ lên một tập hợp các đường cong đầm nén điển hình (family of typical compaction curves) đã có sẵn (ví dụ: Hình 3-15a). Đường cong gần nhất với điểm đó sẽ được chọn, hoặc có thể nội suy (interpolate) một đường cong có hình dạng tương tự.

Giá trị γ_d,max và w_opt được cung cấp sẵn cho từng đường cong điển hình — lưu ý các giá trị này không trùng với đỉnh của đường cong dung trọng tổng (total unit weight curves), do dung trọng tổng và dung trọng khô là hai đại lượng khác nhau (dung trọng tổng bao gồm cả nước, còn dung trọng khô thì không).

Để phương pháp đầm nén nhanh này có hiệu quả, đất thí nghiệm phải ở trạng thái khô hơn độ ẩm tối ưu (dry of optimum), vì các đường cong đầm nén có xu hướng hội tụ lại gần nhau ở phần độ ẩm cao hơn tối ưu — khiến việc phân biệt và chọn đúng đường cong trở nên khó khăn hơn.

Nếu cần làm rõ thêm, có thể đầm nén thêm một mẫu thứ hai, bằng cách làm ẩm hoặc làm khô thêm một mẫu đất khác.

Vì đặc tính đầm nén phụ thuộc vào địa chất và thành phần khoáng vật của khu vực, các bộ đường cong đầm nén điển hình tốt nhất nên được xây dựng dựa trên kinh nghiệm thực tế của các phòng thí nghiệm địa kỹ thuật địa phương, hoặc từ các cơ quan khu vực như sở giao thông vận tải các bang (state departments of transportation). Khoảng biến thiên điển hình của các giá trị đỉnh đường cong đầm nén được trình bày trong Hình 3-15b.

Khi sử dụng các giá trị đầm nén tham chiếu (reference compaction values), kỹ sư hiện trường cần thận trọng, tránh việc chọn đường cong tham chiếu theo hướng có lợi — tức chọn sao cho thí nghiệm kiểm soát hiện trường dễ đạt yêu cầu (pass), thay vì chọn đường cong phản ánh đúng thực tế.

Trong một số trường hợp, có thể cần xác định trực tiếp tại hiện trường hệ số rỗng lớn nhất và nhỏ nhất (minimum and maximum void ratios), phục vụ đánh giá độ chặt tương đối theo hệ số rỗng (relative density). Theo USACE (1995a), đã có những tương quan (correlations) được xây dựng thành công dựa trên phần trăm lọt qua sàng số 16 (percent passing the #16 sieve).

3-5.4 Phân Tích Số Liệu Thí Nghiệm Kiểm Soát Đầm Nén

Cần lựa chọn một quy trình báo cáo kết quả thí nghiệm kiểm soát đầm nén thống nhất, có tính hệ thống. Tối thiểu, báo cáo phải bao gồm: mô tả đất, đường cong đầm nén tham chiếu (reference compaction curve), vị trí và cao độ thí nghiệm, giá trị R.C. (hoặc D_r), và Δw — kèm theo kết quả thí nghiệm cụ thể.

Mỗi kết quả thí nghiệm cần được đánh giá dựa trên chỉ dẫn kỹ thuật theo kết quả cuối cùng (end-result specification) của dự án. Trường hợp có quy định giá trị R.C. trung bình tối thiểu, cũng cần tính toán giá trị trung bình theo khoảng (interval) do kỹ sư dự án chỉ định hoặc yêu cầu.

Bên cạnh việc đánh giá từng kết quả thí nghiệm riêng lẻ, việc phân tích toàn bộ tập số liệu kiểm soát đầm nén sẽ giúp phát hiện các xu hướng chung trong quá trình đầm nén, từ đó gợi ý liệu có cần điều chỉnh phương pháp đầm nén hay không.

Kỹ sư hiện trường hoặc kỹ sư dự án có thể áp dụng hai phương pháp đơn giản:

1. Vẽ kết quả thí nghiệm lên mặt phẳng đầm nén (compaction plane) cùng với đường cong đầm nén tham chiếu.
2. Lập bảng tần suất (tabulate frequency) của γ_d và w (hoặc R.C. và Δw).

Hình 3-16 minh họa cách kết hợp hai phương pháp này. Việc vẽ biểu đồ có thể thực hiện thủ công hoặc bằng phần mềm.

Các thí nghiệm kiểm soát khi vẽ trên mặt phẳng đầm nén cũng nên bao gồm đường cong S = 100% (đường bão hòa hoàn toàn) và các giới hạn của chỉ dẫn kỹ thuật (specification limits).

• Nếu các điểm thí nghiệm tập trung gần biên giới hạn, đó là dấu hiệu cho thấy cần điều chỉnh độ ẩm, công đầm nén (compactive effort), hoặc cả hai.
• Nếu các điểm thí nghiệm tập trung gần đường S = 100%, vật liệu đắp có thể bị đầm quá mức (overcompacted), dẫn đến cường độ kháng cắt (shear strength) thấp hơn — ngay cả khi giá trị R.C. và độ ẩm vẫn đạt yêu cầu chỉ dẫn kỹ thuật. Đây là vấn đề đặc biệt đáng lưu ý đối với các đập đất cao (high embankments) và đập đất (earth dams) (Turnbull và Foster 1956).

Về mặt lý thuyết, không thể có kết quả thí nghiệm nằm phía trên đường S = 100% — nếu xảy ra, đó là dấu hiệu của: sự không chắc chắn (uncertainty) trong phương pháp thí nghiệm kiểm soát, sai số trong quá trình thí nghiệm, hoặc có sự thay đổi loại đất và giá trị tỷ trọng hạt (G_s) dùng để vẽ đường S = 100%.

Các thí nghiệm kiểm soát cho kết quả tính toán S > 100% không nên bị loại bỏ một cách máy móc, mà cần được đánh giá cẩn thận (Schmertmann 1989).

(đường cong S 100% là gì, vẽ nó thế nào?)

Đường cong S = 100% (còn gọi là đường cong bão hòa hoàn toàn hay đường cong không có bọt khí — zero air voids curve, ZAV curve) là đường biểu diễn dung trọng khô lý thuyết tối đa mà đất có thể đạt được tại một độ ẩm cho trước, nếu như tất cả các lỗ rỗng trong đất đều chứa đầy nước, hoàn toàn không còn bọt khí (độ bão hòa S = 100%).

Ý nghĩa:

Đây là một giới hạn vật lý về mặt lý thuyết — không phải là mục tiêu đầm nén, mà là đường biên trên (upper bound) mà đường cong đầm nén thực tế (compaction curve) không bao giờ có thể chạm tới hay vượt qua, vì trong thực tế luôn còn sót lại một ít bọt khí trong đất dù đầm nén kỹ đến đâu. Đường cong đầm nén thực tế luôn nằm bên dưới và bên trái đường S = 100%, và càng gần đường này ở phần độ ẩm cao hơn tối ưu (wet of optimum) — đó là lý do tại sao đoạn văn trước nói đường cong “hội tụ” lại gần nhau ở vùng ẩm cao.

Công thức để vẽ đường cong S = 100%:

\[\gamma_d = \frac{G_s \cdot \gamma_w}{1 + w \cdot G_s}\]

Trong đó:

• γ_d — dung trọng khô (dry unit weight), trục tung
• w — độ ẩm (water content, theo tỷ lệ thập phân, không phải phần trăm), trục hoành
• G_s — tỷ trọng hạt (specific gravity of solids) của đất, thường lấy khoảng 2.65–2.75 tùy loại đất
• γ_w — dung trọng của nước (unit weight of water), thường lấy γ_w = 62.4 pcf (hệ Anh) hoặc γ_w = 9.81 kN/m³ (hệ SI)

Cách vẽ thực tế:

1. Xác định G_s của loại đất đang xét (từ thí nghiệm tỷ trọng hạt, ASTM D854).
2. Chọn một dải giá trị w (ví dụ từ 5% đến 30%, phủ hết phạm vi biểu đồ đầm nén).
3. Với mỗi giá trị w, tính γ_d theo công thức trên.
4. Vẽ các cặp điểm (w, γ_d) lên cùng mặt phẳng đầm nén (compaction plane) với đường cong đầm nén thực tế — đường S = 100% sẽ có dạng cong lõm xuống dần khi w tăng, luôn nằm phía trên bên phải đường cong đầm nén.

Vì công thức phụ thuộc vào G_s — mà G_s có thể thay đổi theo loại đất — nên đoạn văn trước mới lưu ý: nếu kết quả thí nghiệm cho ra S > 100% (tức điểm nằm phía trên đường lý thuyết này), rất có thể nguyên nhân là do dùng sai giá trị G_s khi vẽ đường S = 100%, chứ không hẳn là sai số đo đạc.

Bảng số liệu hoặc biểu đồ tần suất (histogram) của γ_d và w có thể dùng để hiểu rõ phân bố (distribution) của các đặc trưng đầm nén.

Khi đã có đủ số lượng kết quả thí nghiệm (từ 40 kết quả trở lên), có thể bắt đầu ước tính giá trị trung bình (mean) và độ lệch chuẩn (standard deviation) của γ_d và w (hoặc của R.C. và Δw) từ các phân bố này (xem Chương 7 để biết cách tính toán cụ thể).

Có thể áp dụng các phương pháp lập bảng đơn giản theo Davis (1953) và USBR (1998) để xây dựng biểu đồ tần suất hiện trường (field histograms) và biểu đồ phân bố tích lũy (cumulative distribution plots), tương tự như minh họa trong Hình 3-16.

Độ lệch chuẩn có thể được ước tính dựa trên nguyên tắc: khoảng hai phần ba số liệu nằm trong phạm vi một độ lệch chuẩn quanh giá trị trung bình, và 95% số liệu nằm trong phạm vi hai độ lệch chuẩn quanh giá trị trung bình (áp dụng cho phân bố chuẩn — normal distribution).

Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của R.C. giúp đánh giá công đầm nén (compactive effort) đang được sử dụng. Vì dung trọng khô đầm nén của vật liệu đắp luôn có tính biến thiên, giá trị R.C. trung bình phải cao hơn giá trị R.C. tối thiểu quy định trong chỉ dẫn kỹ thuật (specification) — có như vậy toàn bộ khối vật liệu đắp mới đạt yêu cầu.

Đối với công tác đầm nén được kiểm soát tốt, độ lệch chuẩn của R.C. thường nhỏ hơn khoảng 3%. Độ lệch chuẩn cao hơn mức này là dấu hiệu cho thấy công tác đầm nén chưa đủ hoặc không đồng đều, và cần cải thiện ở các khía cạnh: độ đồng đều trong kiểm soát độ ẩm, trọng lượng và áp lực của thiết bị đầm nén, hoặc mức độ bao phủ (coverage) của thiết bị khi thi công.

Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của Δw giúp đánh giá công tác kiểm soát độ ẩm (moisture control). Giá trị Δw trung bình nên gần với điểm giữa của khoảng độ ẩm quy định trong chỉ dẫn kỹ thuật.

• Nếu độ lệch chuẩn của Δw ≤ 1.5%, đó là bằng chứng cho thấy công tác kiểm soát độ ẩm tốt.
• Nếu độ lệch chuẩn của Δw > 3%, công tác kiểm soát độ ẩm không đồng đều (erratic), và có thể cần trộn đều vật liệu mỏ (borrow materials) tốt hơn, đồng thời xử lý điều chỉnh độ ẩm (moisture conditioned) kỹ hơn trước khi đắp.

Sự biến thiên trong γ_d,max và w_opt của vật liệu mỏ cũng có thể dẫn đến biến thiên “ảo” (apparent variation) trong R.C. và Δw — tức là biến thiên do bản thân đường cong tham chiếu thay đổi, chứ không phải do thi công không đều. Ví dụ, Hilf (1991) xem xét hai loại đất có đặc tính trung bình tương tự nhau: một loại đất phong hóa gió (aeolian soil) có tính đồng nhất, và một loại đất bồi tích (alluvial soil) biến thiên nhiều hơn. Độ lệch chuẩn của γ_d,max là 1.5 pcf đối với đất phong hóa gió, và khoảng 2.8 pcf đối với đất bồi tích.

Nếu bỏ qua sự biến thiên này trong đường cong đầm nén tham chiếu (reference compaction curve), giá trị R.C. báo cáo có thể có độ lệch chuẩn lớn hơn thực tế mức biến thiên thật sự tồn tại trong vật liệu đắp. Điều này càng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc lấy mẫu định kỳ để thí nghiệm đầm nén trong phòng, đồng thời đối chiếu bằng các thí nghiệm đầm nén nhanh (rapid compaction tests).

Một phần kết quả kiểm soát đầm nén chắc chắn sẽ rơi ra ngoài giới hạn chỉ dẫn kỹ thuật (specification limits). Hilf (1991) đưa ra một cách tiếp cận ra quyết định (decision-making approach) để xác định liệu các kết quả đó có phản ánh một lớp đắp không đạt yêu cầu (unacceptable compacted lift) hay không — cách tiếp cận này phụ thuộc vào giới hạn chỉ dẫn kỹ thuật cụ thể. Hình 3-17 minh họa một bộ chỉ dẫn kỹ thuật đầm nén (compaction specifications) mẫu.

Theo cách tiếp cận của Hilf: thí nghiệm kiểm soát đầu tiên được so sánh với biên ngoài (outer bounds) của chỉ dẫn kỹ thuật.

• Thí nghiệm được chấp nhận (accepted) nếu cả γ_d và w đều nằm trong khoảng quy định.
• Thí nghiệm bị từ chối (rejected) nếu cả γ_d và w đều không đạt.
• Ở các khu vực mà kết quả cho thấy độ ẩm hoặc γ_d không đạt, cần thực hiện thí nghiệm lại (retest).

Kết quả thí nghiệm lại có thể được so sánh với một giới hạn chặt hơn (tighter specification), vì khi có hai thí nghiệm kiểm soát cùng một khu vực, cơ sở thống kê (statistical case) để chấp nhận hoặc từ chối sẽ vững chắc hơn.

Trong một số trường hợp, chỉ dẫn kỹ thuật kiểm soát đầm nén (compaction control specifications) có quy định giá trị độ chặt tương đối trung bình (mean relative compaction) tối thiểu phải đạt được hoặc vượt qua.

Cách tiếp cận này thừa nhận rằng luôn tồn tại một mức độ biến thiên nhất định trong khối vật liệu đắp. Vì vậy, có thể sẽ hữu ích khi quy định giá trị R.C. trung bình sao cho chỉ một tỷ lệ phần trăm nhất định của khối vật liệu đắp có R.C. thấp hơn một ngưỡng dưới (lower threshold) nào đó.

Trong Bảng 3-15, ngưỡng dưới này được gọi là R.C.₁₀ — tức ngưỡng mà chỉ 10% các giá trị R.C. nằm thấp hơn.

Dựa trên giá trị R.C.₁₀ đã chọn và mức độ biến thiên ước tính của khối vật liệu đắp, có thể xác định được giá trị R.C. trung bình cần thiết. Ví dụ: nếu muốn chỉ 10% khối vật liệu đắp có R.C. thấp hơn 95%, thì đối với vật liệu đắp có mức biến thiên trung bình (medium variability), giá trị R.C. trung bình cần đạt là 100%.

Bảng 3-15. Cách tiếp cận thống kê để lựa chọn yêu cầu độ đầm chặt tương đối trung bình

Mức độ biến đổi của vật liệu đắp	R.C. trung bình yêu cầu để đạt giá trị R.C.10 chỉ định
	R.C.10 = 90%	R.C.10 = 93%	R.C.10 = 95%	R.C.10 = 98%
Thấp COV(R.C.) = 2%	92%	95%	97%	101%
Trung bình COV(R.C.) = 4%	95%	98%	100%	103%
Cao COV(R.C.) = 6%	97%	101%	103%	106%
Ghi chú: R.C.10 = độ đầm chặt tương đối mà chỉ 10% giá trị thấp hơn. Cần thực hiện đủ số lượng thí nghiệm kiểm soát đầm nén để xác định đầy đủ R.C. trung bình. Giả định R.C. tuân theo phân bố chuẩn. COV(R.C.) = hệ số biến thiên của độ đầm chặt tương đối (xem Chương 7).

\(\\\)

3-5.5 Kiểm Soát Đầm Nén Đối Với Vật Liệu Đá Đổ

Trong hầu hết các trường hợp, nên sử dụng đoạn thử nghiệm hiện trường (field test sections) và chỉ dẫn kỹ thuật theo phương pháp thi công (method specifications) làm phương thức kiểm soát chính đối với vật liệu đá đổ (rock fill) (Breitenbach 1993). Đoạn thử nghiệm hiện trường sẽ xác định số lượt đầm (number of passes) cũng như loại thiết bị cần thiết để đạt được mức đầm nén phù hợp cho vật liệu đá đổ.

Nên thực hiện định kỳ các thí nghiệm dung trọng quy mô lớn (large-scale unit weight tests) để kiểm chứng quy trình đầm nén. Các thí nghiệm này đòi hỏi đào một hố có đường kính tối thiểu gấp bốn lần kích thước hạt lớn nhất, và lấy ra khoảng 1000 đến 2000 pound vật liệu đá đổ (Breitenbach 1993, Holtz và cộng sự 2011).

(tài liệu liên quan)

Quy trình xác định độ dày lớp Rockfill và lực đầm nén trong các thí nghiệm đắp thử quy mô lớn

Thí Nghiệm Dung Trọng và Thành Phần Hạt Quy Mô Lớn Đối Với Đá Đổ Đầm Chặt (Large Scale Density & Gradation Tests in Compacted Rockfills)

3-5.6 Hệ Thống Đầm Nén Thông Minh

Hệ thống đầm nén thông minh (intelligent compaction, IC) là hệ thống có khả năng giám sát liên tục các đặc trưng của đất dựa trên rung động của máy đầm (roller vibrations), tự động phản hồi điều chỉnh độ rung của máy đầm, và sử dụng GPS để ánh xạ các kết quả đo lên mô hình GIS của công trường (NCHRP 2010).

Máy đầm ghi nhận một giá trị đo (measurement value, MV) — đây là chỉ số phản ánh mức độ đầm nén ở độ sâu khoảng 3 đến 4 ft. Tùy theo hệ thống và nhà sản xuất, giá trị MV có thể phản ánh độ cứng của đất (soil stiffness), mô đun đàn hồi (modulus), hoặc đặc tính rung động của máy đầm.

NCHRP (2010) đã tổng hợp mối tương quan giữa MV và điều kiện đất/nền (subgrade conditions). Phản ứng của đất bên dưới máy đầm mang tính phi tuyến rõ rệt (highly nonlinear). Giá trị MV đối với các lớp đắp mỏng (thin layers) bị ảnh hưởng đáng kể bởi độ cứng khác nhau của lớp đất bên dưới. Đã có nhiều tương quan được xây dựng giữa MV và các thông số của đất, chẳng hạn như dung trọng khô và mô đun thí nghiệm bàn nén (plate load test moduli).

Hình 3-18 minh họa cách đơn giản nhất để sử dụng đầm nén thông minh trong việc giám sát công tác đầm nén. Giá trị MV được thể hiện trên mặt bằng (plan view) để xác định các khu vực yếu hoặc mềm (weak or soft regions) trong khối vật liệu đắp, dựa trên giá trị MV thấp. Thí nghiệm kiểm soát đầm nén sau đó được thực hiện tại các khu vực này.

Một cách tiếp cận nâng cao hơn đối với đầm nén thông minh là giám sát sự thay đổi của giá trị MV qua các lượt đầm tiếp theo (subsequent passes), và so sánh mức thay đổi này với một ngưỡng quy định trước. Các phương pháp khác thì tương quan giá trị MV với kết quả thí nghiệm kiểm soát đầm nén hiện trường hoặc thí nghiệm trong phòng, nhằm xác định các giá trị ngưỡng (threshold values) cho MV.

3-5.7 Đánh Giá Gián Tiếp Vật Liệu Đắp Sâu (Indirect Evaluation of Deep Fills)

Vật liệu đắp ở độ sâu lớn có thể được đánh giá bằng các kỹ thuật khảo sát dưới mặt đất (subsurface exploration techniques), như đã trình bày ở Chương 2 của DM 7.1 (NAVFAC 2021). Cụ thể, các phương pháp sau hữu ích để đánh giá vật liệu đắp đã thi công từ trước:

• Khoan lấy mẫu đất kèm thí nghiệm SPT (soil borings with SPT)
• Xuyên tĩnh CPT (CPT soundings)
• Khảo sát địa vật lý (geophysical surveys)

Đối với vật liệu đắp hạt mịn (fine-grained soil), có thể lấy mẫu ống Shelby (Shelby tube samples) để đo dung trọng khô của khối đắp.

Cần lưu ý: độ ẩm của khối đắp có thể thay đổi sau khi đầm nén, vì vậy các mẫu lấy sau một khoảng thời gian đáng kể kể từ khi đầm nén nên được sử dụng một cách thận trọng.

Một vấn đề đáng quan tâm khi đánh giá vật liệu đắp sâu là khả năng đánh giá được tính đồng đều (uniformity) của công tác đầm nén thông qua các thí nghiệm hiện trường (in situ testing) vốn được bố trí thưa và cách xa nhau.

Có thể áp dụng biện pháp cải tạo nền đất (ground improvement) để làm tăng độ chặt cho vật liệu đắp sâu (xem Chương 1 để biết các phương pháp cụ thể). Thí nghiệm hiện trường thực hiện cả trước và sau khi cải tạo nền có thể dùng để đo lường hiệu quả của biện pháp này.

3-6 THIẾT KẾ KHỐI ĐẮP (DESIGN OF EMBANKMENTS)

Việc thiết kế khối đắp (embankment) đạt chất lượng và có tính năng làm việc thỏa đáng phụ thuộc vào một chương trình khảo sát dưới mặt đất và chương trình thí nghiệm trong phòng xác định đặc tính vật liệu chất lượng cao. Chương 2 của DM 7.1 và NCHRP (2018) cung cấp hướng dẫn chuyên sâu về các chủ đề này.

Các loại khối đắp (embankment) chính được minh họa trong Hình 3-19 và sẽ được trình bày trong các mục tiếp theo.

3-6.1 Các Điều Kiện Thiết Kế Chính

3-6.1.1 Ổn Định Mái Dốc

Độ ổn định của mái dốc khối đắp (embankment) chủ yếu chịu chi phối bởi: cường độ kháng cắt (shear strength) của vật liệu đắp và nền móng đỡ bên dưới, điều kiện nước ngầm, và hình dạng hình học của mái dốc.

Một số loại đất dễ bị mềm hóa (softening) do phong hóa, ảnh hưởng khí hậu, và phá hoại tiến triển (progressive failure). Cần xem xét đến sự thay đổi tính chất của các loại đất này theo thời gian.

Các phương pháp tính toán ổn định mái dốc được trình bày ở Chương 7 của DM 7.1. Hướng dẫn lựa chọn thông số cường độ kháng cắt phù hợp được trình bày ở Chương 1.

3-6.1.2 Lún

Lún của khối đắp (embankment) phát sinh từ ba nguồn: cố kết nền móng (foundation consolidation), cố kết của chính vật liệu đắp, và nén thứ cấp (secondary compression) trong khối đắp (embankment) sau khi thi công hoàn tất.

Cố kết nền móng xảy ra do trọng lượng của vật liệu đắp gây ra. Chương 5 của DM 7.1 tổng hợp các phương pháp tính toán lún nền móng, cũng như các biện pháp giảm lún nền và/hoặc đẩy nhanh quá trình cố kết.

Bản thân khối đắp (embankment) đã đầm nén cũng có thể xảy ra hiện tượng cố kết. Áp lực nước lỗ rỗng dư (excess pore pressures) đáng kể có thể phát sinh trong quá trình thi công đối với các khối đắp cao hơn khoảng 80 ft (~24.4 m), hoặc đối với các khối đắp thấp hơn được đầm nén bằng đất sét ở trạng thái ẩm hơn độ ẩm tối ưu (wet of optimum).

Khi áp lực nước lỗ rỗng dư này tiêu tán sau khi thi công, khối đắp sẽ bị lún. Theo kinh nghiệm thực tế, độ lún thường vào khoảng 1% đến 2% chiều cao khối đắp. Có thể ước tính giá trị lún dựa trên số liệu kinh nghiệm trong Hình 3-10.

Đối với đập đất và các khối đắp cao khác, nơi vấn đề lún mang tính then chốt, cần giám sát áp lực nước lỗ rỗng trong quá trình thi công bằng các phương pháp trình bày ở Chương 2 của DM 7.1.

Ngay cả với các khối đắp được đầm nén tốt, hiện tượng nén thứ cấp (secondary compression) và biến dạng trượt (shear strain) vẫn có thể gây ra một lượng lún nhỏ sau khi thi công hoàn tất. Thông thường, hiện tượng này chỉ có ý nghĩa đáng kể đối với các khối đắp cao.

Nén thứ cấp thường vào khoảng 0.1% đến 0.2% chiều cao khối đắp sau ba đến bốn năm, và tăng lên 0.3% đến 0.6% sau 15 đến 20 năm. Các giá trị lớn hơn ứng với đất sét.

(giám sát áp lực nước lỗ rỗng trong quá trình thi công)

Giám sát áp lực nước lỗ rỗng trong quá trình thi công (monitoring construction pore pressures) là việc lắp đặt các thiết bị đo — chủ yếu là piezometer (đầu đo áp lực nước lỗ rỗng) — vào bên trong thân khối đắp trong lúc đang thi công, để theo dõi liên tục sự phát sinh và tiêu tán của áp lực nước lỗ rỗng dư (excess pore pressure) theo thời gian và theo tiến độ đắp cao dần.

Tại sao cần làm việc này:

Khi đắp đất sét ẩm (đặc biệt là đắp nhanh, đắp cao, hoặc đất ở trạng thái ẩm hơn độ ẩm tối ưu — wet of optimum), nước trong lỗ rỗng của đất chưa kịp thoát ra ngoài trong khi tải trọng đắp phía trên tăng lên nhanh. Điều này khiến áp lực nước lỗ rỗng trong đất tăng cao — gọi là áp lực nước lỗ rỗng dư.

Nếu áp lực này tăng quá cao, nó sẽ làm giảm ứng suất hữu hiệu (effective stress) trong đất — tức là làm giảm cường độ kháng cắt thực tế của đất (theo nguyên lý ứng suất hữu hiệu của Terzaghi: σ’ = σ – u). Cường độ kháng cắt giảm có thể dẫn đến mất ổn định mái dốc (slope instability) ngay trong lúc đang thi công — đây là một trong những nguyên nhân phổ biến gây sự cố trượt mái trong quá trình đắp đập hoặc khối đắp cao.

Cách thực hiện trên thực tế:

1. Lắp đặt các piezometer (loại ống đứng, loại điện tử, hoặc loại dây rung — vibrating wire) ở nhiều độ sâu và vị trí khác nhau trong thân khối đắp và nền móng, ngay trong quá trình đắp.
2. Đo áp lực nước lỗ rỗng định kỳ (hàng ngày hoặc hàng tuần tùy tốc độ thi công).
3. So sánh áp lực đo được với giá trị ngưỡng cho phép (threshold) đã tính toán trước trong thiết kế — thường biểu diễn qua hệ số áp lực lỗ rỗng (pore pressure ratio, r_u = u / σ_v).
4. Nếu áp lực nước lỗ rỗng tăng vượt ngưỡng an toàn, kỹ sư hiện trường có thể yêu cầu tạm dừng thi công hoặc giảm tốc độ đắp để cho đất có thời gian cố kết (tiêu tán bớt áp lực nước lỗ rỗng) trước khi tiếp tục đắp thêm.

3-6.2 Khối Đắp Trên Nền Móng Ổn Định

Nền móng ổn định cho khối đắp là loại nền có tính nén lún (compressibility) thấp và có cường độ bằng hoặc lớn hơn vật liệu đắp dự kiến sử dụng, như minh họa trong Hình 3-19(a).

Trong trường hợp này, độ ổn định của thiết kế chủ yếu do mái đắp (side slopes) khống chế — yếu tố này chịu ảnh hưởng bởi loại đất dùng để đắp và điều kiện thấm.

Đối với mái dốc không chịu lực thấm đáng kể, góc mái đắp phù hợp thường nằm trong khoảng 1.5H:1V đến 3H:1V. Mái dốc hơn (steeper) phù hợp với đất hạt thô đã đầm nén, trong khi mái thoải hơn (flatter) có thể cần thiết đối với đất sét đã đầm nén.

Hình dạng hình học của mái đắp và bệ (berms) còn chịu chi phối bởi các yêu cầu về kiểm soát xói mòn (erosion control), bảo trì (maintenance), và cắt cỏ (mowing).

Cần đặc biệt thận trọng khi thi công khối đắp bằng đất sét có tính dẻo cao. Các loại đất này chịu ảnh hưởng bất lợi từ hiện tượng co ngót-trương nở (shrink-swell) do phong hóa và thay đổi độ ẩm — dẫn đến phá hoại tiến triển (progressive failure) và hình thành trạng thái mềm hóa hoàn toàn (fully softened conditions).

Việc lựa chọn góc mái đắp phù hợp cho các loại đất này phụ thuộc vào việc lựa chọn thông số cường độ kháng cắt ở trạng thái mềm hóa hoàn toàn (fully softened shear strength) áp dụng được (Duncan và cộng sự 2011, Castellanos và cộng sự 2015).

3-6.3 Khối Đắp Trên Nền Móng Yếu

Khối đắp thi công trên nền móng yếu cần được xem xét về cả vấn đề lún và mất ổn định thông qua lớp đất nền, như minh họa trong Hình 3-19(b). Đất nền yếu có thể cần được loại bỏ một phần hoặc toàn bộ, hoặc được làm chặt tại chỗ (densified in situ).

Hình 3-20 minh họa một loạt các phương pháp xử lý tình trạng mất ổn định nền móng dưới khối đắp. Một số biện pháp — như gia cường mái dốc (slope reinforcement) và làm thoải mái dốc (flattening of slopes) — chỉ cải thiện được độ ổn định mái dốc, nhưng không làm giảm lún.

Các biện pháp khác cải thiện được cả độ ổn định mái dốc lẫn độ lún, bao gồm:

• Giảm trọng lượng khối đắp bằng vật liệu đắp nhẹ (lightweight fill)
• Truyền tải trọng xuống lớp đất sâu hơn (transferring the load to deeper strata)
• Đào bỏ và thay thế vật liệu có vấn đề (removing and replacing problem materials)
• Áp dụng biện pháp cải tạo nền đất (ground improvement)

Đối với các trường hợp mà vấn đề lún là mối quan tâm chính, các phương pháp gia tải trước (preloading methods) kết hợp với tải trọng chất thêm (surcharges) và bấc thấm đứng (vertical drains) là phù hợp.

Chương 1 tổng hợp các phương pháp xử lý đất có vấn đề bằng biện pháp cải tạo nền đất. Hướng dẫn chi tiết hơn có thể tham khảo tại FHWA (2017).

3-6.4 Khối Đắp Có Cốt Gia Cường

Khối đắp có cốt gia cường được thi công bằng cách bố trí các lớp cốt chịu kéo (tensile reinforcement) theo phương ngang, xen giữa các lớp vật liệu đắp đã đầm nén (Hình 3-19(c)).

Phổ biến nhất là mái dốc đất có cốt gia cường (reinforced soil slopes, RSS) — sử dụng cốt địa kỹ thuật tổng hợp (geosynthetic reinforcement).

• Đối với khối đắp trên nền móng ổn định, cốt gia cường giúp cải thiện độ ổn định bên trong khối đắp, đồng thời cho phép sử dụng mái đắp dốc hơn (steeper side slopes).
• Đối với khối đắp trên nền móng yếu, cốt gia cường có thể được dùng để ngăn ngừa mất ổn định lan truyền qua thân khối đắp và vào tận lớp đất nền.

Cốt gia cường đòi hỏi toàn bộ khối đắp RSS phải làm việc như một khối thống nhất (act as a unit) — nhờ đó làm giảm hiệu quả áp lực đáy móng (bearing pressure) tác dụng lên nền móng yếu.

Nhiều khối đắp có hệ cột chống đỡ (column-supported embankments) chỉ bố trí cốt gia cường cục bộ (partial reinforcement) ở các lớp dưới cùng, nhằm hỗ trợ truyền tải trọng xuống các cột chống đỡ.

Chương 7 của DM 7.1 tổng hợp nội dung thiết kế RSS; hướng dẫn toàn diện hơn về chủ đề này có thể tham khảo tại FHWA (2009).

Trường hợp cần bố trí cốt gia cường trong khối đắp đóng vai trò làm màn chắn thấm (seepage barrier) — ví dụ như đập đất — cần áp dụng kỹ thuật đầm nén đặc biệt cho các lớp vật liệu tiếp giáp với lớp cốt gia cường (Gregory 1993)¹⁶.

Có thể sử dụng phụ gia sợi (fiber admixtures) để sửa chữa các sự cố trượt mái nông (shallow slope failures) và gia cường mái dốc (Gregory 2006, Hatami và cộng sự 2018).

¹⁶ Cần kiểm tra các quy định địa phương. Một số khu vực pháp lý không cho phép sử dụng cốt gia cường trong đập đất và các lớp ngăn thấm khác.

Tính năng làm việc phù hợp của RSS phụ thuộc vào hiệu quả làm việc của bản thân lớp cốt gia cường — điều này liên quan đến việc lựa chọn vật liệu đắp phù hợp, thi công lắp đặt cốt gia cường đúng cách, và thực hành công tác đất cẩn thận.

Nhìn chung, vật liệu đắp dùng cho RSS nên là đất hạt thô (coarse-grained) (hàm lượng hạt mịn dưới 50%), và phần hạt mịn nếu có phải có chỉ số dẻo (PI) không vượt quá 20. Đất hạt thô mang lại cường độ kháng cắt tương đối cao — điều cần thiết cho RSS — cũng như mức độ tương tác đất-cốt gia cường (soil-reinforcement interaction) cao, cần thiết để phát huy khả năng chịu lực của cốt.

Để tránh làm hư hỏng cốt gia cường trong quá trình thi công đất, việc lắp đặt cốt và đắp vật liệu phải tuân theo chỉ dẫn kỹ thuật của nhà sản xuất, tối thiểu bao gồm:

• Giới hạn về loại thiết bị được phép vận hành trên hoặc gần khu vực cốt gia cường
• Chiều dày lớp đắp (lift thickness) phù hợp phía trên cốt gia cường

Các hạn chế thi công cũng có thể ngăn không cho thiết bị đầm nén quay đầu đột ngột hoặc dừng/khởi động đột ngột ngay phía trên cốt gia cường.

Chỉ dẫn kỹ thuật của nhà sản xuất cũng sẽ cung cấp thông tin về yêu cầu nối ghép (seams) hoặc chồng mí (overlap). Cần đặc biệt lưu ý căn chỉnh hướng của cốt gia cường cho đúng, vì các đặc tính của cốt thường phụ thuộc vào hướng (direction dependent).

3-6.5 Khối Đắp Sâu và/hoặc Khối Đắp Thung Lũng

Các khối đắp tương đối sâu, như minh họa trong Hình 3-19(d), sẽ bị lún theo thời gian. Độ lún này có thể do cố kết của cả nền móng lẫn bản thân vật liệu đắp gây ra, cũng có thể liên quan đến hiện tượng nén thứ cấp (secondary compression) theo thời gian.

Hiện tượng này đặc biệt quan trọng đối với đập đất — vì cao độ đỉnh đập lâu dài (long-term crest elevation) là một yếu tố thiết kế then chốt — và đối với khối đắp thung lũng (valley fills), nơi chiều sâu khối đắp biến đổi đáng kể theo mặt cắt ngang.

Duncan và Bursey (2006) phát hiện rằng khối đắp thung lũng có xu hướng lún khoảng 0,1% đến 2% trong vòng 50 năm. Vì độ lún tỷ lệ với chiều dày khối đắp, nên khối đắp thung lũng có thể xảy ra chuyển vị lún lệch đáng kể (significant differential movement).

Theo thời gian, khối đắp sâu sẽ trải qua sự thay đổi độ ẩm do ảnh hưởng của khí hậu xung quanh và hoạt động của con người, chẳng hạn như tưới tiêu (irrigation). Đối với đập đất, hiện tượng ngập nước (inundation) sẽ làm bão hòa một phần khối đắp. Các lớp vật liệu đắp nông (shallow layers) có thể trương nở (swell) khi bị làm ướt, trong khi các lớp sâu hơn có thể bị cố kết hoặc sụp đổ cấu trúc (collapse) (Brandon và cộng sự 1990). Do đó, hiện tượng trương nở này có thể làm trầm trọng thêm tình trạng chuyển vị lún lệch.

Một mức độ nén lún và chuyển vị lún lệch nhất định là điều không thể tránh khỏi đối với khối đắp sâu. Thực hành thi công phù hợp là biện pháp thiết kế chính để đối phó với các ảnh hưởng này (Coduto và cộng sự 2011).

• Phần dưới của khối đắp sâu nên được thi công với độ chặt tương đối (relative compaction) quy định cao hơn, nhằm giảm khả năng tiếp tục cố kết sau này.
• Độ ẩm đầm nén (compaction water content) cũng có thể cần được điều chỉnh khác nhau theo chiều sâu — với độ ẩm thấp hơn phù hợp hơn ở phần đáy khối đắp.
• Ở các vùng nông hơn của khối đắp sâu hoặc khối đắp thung lũng, nên tránh sử dụng vật liệu đắp có tính trương nở (expansive fill), nếu có thể.

Trong mọi trường hợp, khối đắp sâu nên được thiết kế có xét đến một mức độ làm ướt nhất định (degree of wetting), sử dụng các phương pháp như đề xuất bởi Brandon và cộng sự (1990) hoặc Noorany và Stanley (1994).

3-6.6 Khối đắp Đập Đất (Earth Dam Embankments)

USACE (2004), USBR (2012), và Chương 6, 7 của DM 7.1 cung cấp hướng dẫn thiết kế đập đất về mặt ổn định (stability) và thấm (seepage) trong nhiều điều kiện khác nhau.

Các điều kiện này bao gồm: cuối giai đoạn thi công (end of construction), thấm ổn định (steady state seepage), rút nước nhanh (rapid drawdown), và tải trọng động đất (seismic loading).

Đập đất có thể là loại đồng nhất (homogeneous) hoặc loại phân vùng (zoned), như minh họa ở Hình 3-19(e).

Các yếu tố sức kháng cắt và hệ số thấm sẽ chi phối cả hình dạng mặt cắt ngang của khối đắp lẫn các thông số yêu cầu đối với vật liệu đắp được thiết kế kỹ thuật trong từng vùng của đập.

Mục này tập trung vào các tính chất chung yêu cầu đối với vật liệu đắp dùng cho đập.

Sức kháng cắt của vật liệu đắp sau đầm nén cần được xác định thông qua thí nghiệm trong phòng trên các mẫu đã đầm nén. Ảnh hưởng của đầm nén đến sức kháng cắt của đất và đá đã đầm nén được tóm tắt tại Mục 3-2.3.

Ngoại trừ đập đồng nhất, hầu hết đập đất đều có cả vùng đất thoát nước tự do với hệ số thấm (k) rất cao và vùng đất gần như không thấm với k rất thấp.

Các vùng lọc và tiêu nước (filter and drain zones) có k cao được dùng để chặn và dẫn dòng thấm qua thân đập; các vùng này gồm cát và sỏi có hàm lượng hạt mịn thấp. Trong quá trình thi công, cần giữ các vùng này không bị nhiễm hạt mịn hoặc đất lõi.

Các phương pháp ước tính hệ số thấm của các loại đất khác nhau, cũng như thiết kế lớp lọc giữa các vùng, được trình bày tại Chương 6 của DM 7.1.

Ngược lại, đất hạt mịn đã đầm nén với k thấp được dùng để giữ nước. Vật liệu đắp cho phần lõi đập cần không có thấu kính (lenses), túi vật liệu (pockets), hoặc lớp vật liệu thấm nước xen kẹp; các lớp đắp liên tiếp cần được liên kết tốt với nhau. Nếu nguồn vật liệu mỏ có hơn 1% hạt quá cỡ tính theo khối lượng, cần loại bỏ trước khi đưa vào khối đắp.

Đất được lựa chọn cho các vùng của đập đất không được xói mòn dưới tác dụng của lực thấm.

Điều này bao gồm cả xói mòn bề mặt (external erosion) tại bề mặt vật liệu đắp đã đầm nén, lẫn xói mòn nội bộ (internal erosion) của các hạt đất bên trong khối đắp.

Vị trí then chốt đối với xói mòn bề mặt do thấm gây ra là mái hạ lưu của đập đồng nhất.

Xói mòn nội bộ xảy ra khi các hạt mịn hơn di chuyển vào các khoảng rỗng lớn hơn, và có thể chia thành các dạng: xói cục bộ (scour), xói ngầm lùi dần (backward erosion piping – BEP), di chuyển nội bộ (internal migration), và mất ổn định nội bộ (internal instability) (USBR and USACE 2019).

Trong bối cảnh đập đất, xói cục bộ (scour) chỉ hiện tượng các hạt đất bị dòng nước cuốn đi dọc theo một mặt tiếp xúc không được bảo vệ, phổ biến nhất là do xói mòn theo dòng thấm tập trung (concentrated leak erosion – CLE).

Dòng thấm tập trung có thể hình thành qua các vết nứt hoặc khuyết tật trong vật liệu đắp, cũng như dọc theo các điểm gián đoạn không được bảo vệ, chẳng hạn như các đường ống dẫn xuyên qua khối đắp, hoặc các khuyết tật/khe nối trong nền móng.

Việc lựa chọn vật liệu đắp để kháng lại CLE có thể tham khảo theo các nhóm phân loại tại Bảng 3-16.

Hình 3-21(a) trình bày các dải cấp phối hạt điển hình của đất thuộc các nhóm có khả năng kháng CLE tốt hơn.

Các loại đất dễ bị CLE bao gồm đất cấp phối gián đoạn (gap-graded soils) và đất có cấp phối tốt nhưng có đuôi hạt mịn phẳng (well-graded soils with a flat tail), như minh họa ở Hình 3-21(b).

Vì CLE có thể xảy ra ngay tại các vết nứt trong bản thân vật liệu đắp, nên khả năng kháng nứt của vật liệu đắp cũng cần được xem xét đối với đập đất. Hình 3-21(c) có thể được dùng để đánh giá khả năng xuất hiện vết nứt.

Bảng 3-16. Các nhóm sức kháng xói
(theo USBR và USACE, 2019)

\(\\\)

Cơ chế của xói ngầm lùi dần (BEP) và mất ổn định nội bộ được trình bày chi tiết tại Chương 6 của DM 7.1, cùng với hướng dẫn lựa chọn vật liệu đắp cho lớp lọc.

Ngoài ra, các đường chéo thể hiện trên Hình 3-21 có thể được dùng làm công cụ đánh giá sơ bộ khả năng mất ổn định nội bộ.

Nếu đường cong cấp phối hạt của một loại đất có đoạn thoải hơn so với các đường chéo này, đất đó có thể bị mất ổn định nội bộ.

Các phương pháp khác để đánh giá khả năng mất ổn định nội bộ của đất được tổng hợp trong USBR and USACE (2019).

Đất sét phân tán (dispersive clays) là các khoáng sét có hàm lượng natri hòa tan cao trong nước lỗ rỗng, và rất dễ bị xói mòn.

Dòng nước chảy qua các lỗ hổng và vết nứt sẽ nhanh chóng gây xói mòn loại sét này.

Đất sét phân tán có thể được nhận diện bằng các phương pháp thí nghiệm trong phòng, như: thí nghiệm tỷ trọng kép (double hydrometer – ASTM D4221), phân tích dịch chiết nước lỗ rỗng (pore water extract – ASTM D4542), thí nghiệm lỗ kim (pinhole test – ASTM D4647), hoặc thí nghiệm vụn đất (crumb test – ASTM D6572).

Đất sét phân tán không nên được sử dụng làm vật liệu đắp cho đập, vì loại đất này rất dễ bị xói mòn nội bộ.

Các nhóm phân loại theo mức độ phân tán, cùng các phương pháp thí nghiệm trong phòng tương ứng, được tổng hợp tại Bảng 3-17.

\(\\\)

Bảng 3-17. Xu hướng phân tán từ các thí nghiệm tỷ trọng kế kép, lỗ kim và vụn đất
(theo ASTM D4221, D4647, D6572)

Xu hướng phân tán	Phần trăm phân tán theo thí nghiệm tỷ trọng kế kép (ASTM D4221, 2018)	Phân loại phân tán theo thí nghiệm lỗ kim (ASTM D4647 Phương pháp B)				Cấp phân tán theo thí nghiệm vụn đất (ASTM D6572)
		Cấp	Cột nước tác dụng (mm)	Độ đục từ phía bên	Kích thước lỗ sau thí nghiệm (mm)
Phân tán	\(\dfrac{P_{2\mu m, nd}}{P_{2\mu , d}} > \text{50%}\)	D	50	Tối đến hơi tối	≥ 1.5	Cấp 4 – đám mây keo đặc xuất hiện trong nước
Phân tán trung bình đến nhẹ	\(\text{30%} ≤ \dfrac{P_{2\mu m, nd}}{P_{2\mu , d}} ≤ \text{50%}\)	SD	180 đến 380	Vừa nhìn thấy	≥ 1.5	Cấp 3 – đám mây keo nhìn thấy được xuất hiện trong nước
Không phân tán	\(\dfrac{P_{2\mu m, nd}}{P_{2\mu , d}} < \text{30%}\)	ND	380	Trong	< 1.5	Cấp 2 – đám mây keo mờ xuất hiện quanh đất trong nước Cấp 1 – không phản ứng với nước; đất có thể phân rã hoặc vỡ vụn, nhưng không gây đục nước

P_2µm,nd = phần trăm lọt cỡ 2 µm trong huyền phù đất–nước không dùng chất phân tán và khuấy trộn tối thiểu.
P_2µm,d = phần trăm lọt cỡ 2 µm trong huyền phù đất–nước có dùng chất phân tán trong thí nghiệm tỷ trọng kế thông thường.

Ghi chú: Trước đây, xu hướng phân tán được đo bằng cỡ hạt 5 micron. Kỹ sư cần thận trọng khi so sánh kết quả thí nghiệm sử dụng các tiêu chuẩn mới hơn với các hướng dẫn và kinh nghiệm lịch sử.

\(\\\)

3-6.7 Khối Đắp Trên Sườn Dốc

Ở những khu vực có địa hình đồi núi, khối đắp trên sườn dốc (side hill fills) là phương pháp thường được sử dụng để tạo mặt bằng cho đường và công trình. Như minh họa ở Hình 3-19(f), một khối đắp trên sườn dốc được hình thành bằng cách đầm nén vật liệu đắp trên một sườn dốc có sẵn, trong đó một phần vật liệu đắp thường lấy từ phần đào liền kề.

Khối đắp trên sườn dốc thường dễ bị mất ổn định ngay cả khi vật liệu đắp đã được đầm nén đúng yêu cầu, dẫn đến hiện tượng trượt lặp lại hoặc trượt theo mùa. Nhiều trường hợp trượt đất dạng này chỉ gây phiền toái về mặt bảo trì, nhưng cũng có trường hợp gây thiệt hại nghiêm trọng hoặc thiệt hại về người.

Các điều kiện của sườn dốc tự nhiên thường dẫn đến các vấn đề nêu trên bao gồm: mực nước ngầm cao hoặc dao động mạnh, và vật liệu nền móng tương đối yếu, chẳng hạn như đất sườn tích (colluvial soils), đất tàn tích (residual soils), hoặc đá dễ phong hóa (degradable rock).

Mặc dù khối đắp ven sườn dốc thường khó tránh khỏi các vấn đề nêu trên, nhưng vẫn có thể áp dụng các hướng dẫn thiết kế phù hợp. Các vấn đề điển hình nêu trên gợi ý các nội dung thiết kế chính cần xem xét, và khối đắp trên sườn dốc nên được xem như một vùng chuyển tiếp (transition zone) (TRB 1990).

(vùng chuyển tiếp)

“Nên được xem như một vùng chuyển tiếp (transition zone)” ở đây có nghĩa là: khối đắp trên sườn dốc không nên được thiết kế như một khối đắp thông thường (nơi vật liệu đắp đồng nhất, nằm trên nền tương đối ổn định), mà cần được nhìn nhận như một khu vực trung gian — nơi có sự tương tác phức tạp giữa ba yếu tố khác biệt về bản chất:

• Vật liệu đắp (fill) mới, đã đầm nén
• Sườn dốc tự nhiên (natural slope) bên dưới, với đất/đá nền có thể yếu hoặc dễ phong hóa
• Mặt tiếp xúc (interface) giữa hai lớp trên — chính là điểm yếu nhất về mặt ổn định và cũng là đường thấm nước ưu tiên

Nói cách khác, đoạn văn dùng khái niệm “vùng chuyển tiếp” để nhấn mạnh rằng thiết kế không thể chỉ áp dụng các nguyên tắc của đập/khối đắp thông thường, mà phải xử lý riêng phần tiếp giáp này — cụ thể là kiểm soát nước ngầm và tạo bậc cấp (benching) như đoạn sau đó nêu.

3-7. VẬT LIỆU ĐẮP BẰNG THỦY LỰC VÀ ĐẮP DƯỚI NƯỚC.

3-7.1. Mục đích và ứng dụng của vật liệu đắp bằng thủy lực.

Từ khi các phương pháp đào, vận chuyển và đầm nén hiện đại xuất hiện vào thập niên 1930, vật liệu đắp bằng thủy lực chủ yếu được sử dụng trong các trường hợp đặc biệt, như đắp dưới nước và lấn biển. Tuy nhiên, việc hiểu quá trình đắp bằng thủy lực có thể hữu ích khi diễn giải ứng xử của các công trình hiện hữu, đặc biệt là các đập cũ được xây dựng bằng phương pháp này.

Đắp bằng thủy lực là một phương pháp thi công đất sử dụng nước để đào, vận chuyển và rải vật liệu đắp. Đất có thể được đào bằng thủy lực bằng tia nước, nạo vét hoặc đầu cắt. Hỗn hợp bùn đất–nước sau đó được bơm bằng đường ống từ vị trí đào đến khu vực đắp.

Khi có nguồn nước dồi dào và cần khối lượng vật liệu lớn, ưu điểm chính của đắp bằng thủy lực là khả năng vận chuyển đất đi xa một cách kinh tế. Hỗn hợp bùn được xả ra từ ống vận chuyển như minh họa trong Hình 3-22, sau đó đất lắng đọng tại khu vực đắp bằng thủy lực, tạo thành dạng quạt với sự phân tầng hạt đáng kể và khác biệt về độ dốc của khối đắp (Sowers, 1979).

Việc đào hoặc rải đất bằng phương pháp thủy lực phải tuân thủ các quy định kiểm soát ô nhiễm nước áp dụng. Các khối đắp được đào bằng phương pháp thông thường nhưng rải bằng nước, như lõi đất sét đầm lầy hoặc đá đổ xả bằng dòng nước, có thể được phân loại là đắp bán thủy lực (semi-hydraulic fill) (USBR, 1998).

3-7.2. Rải vật liệu đắp bằng thủy lực.

Vật liệu đắp bằng thủy lực có thể được rải trên cạn hoặc dưới nước. Khi sử dụng, vật liệu đắp bằng thủy lực cần được rải theo cách tạo ra diện tích sử dụng yêu cầu, đồng thời giảm thiểu tác động môi trường.

Trên cạn, vật liệu đắp bằng thủy lực thường được rải bằng đường ống, nhưng cũng có thể được tạo bằng gầu ngoạm hoặc gầu dây kéo. Khi vật liệu đắp bằng thủy lực được xả ra từ đường ống, nó tạo thành dạng quạt khi hỗn hợp bùn đất–nước lan ra. Các hạt sẽ phân tách theo kích thước, trong đó các hạt lớn nhất lắng trước. Khối đắp sẽ rộng, với mái dốc thay đổi từ 5H:1V đến 40H:1V. Tương tự như dưới nước, cần có đê bao để tạo mái dốc lớn hơn. Lưu lượng có thể được dùng để kiểm soát cấp phối của vật liệu đắp. Hạt mịn sẽ lơ lửng lâu hơn và có thể được loại bỏ nếu thời gian lắng ngắn được sử dụng (Sowers, 1979).

Vật liệu đắp bằng thủy lực có mái dốc bên lớn hơn đòi hỏi dùng hỗn hợp cát–sỏi làm vật liệu đắp hoặc áp dụng phương pháp kiểm soát trong quá trình rải. Dưới nước có thể đạt được mái dốc dốc đến 3H:1V hoặc 2.75H:1V bằng cách rải cẩn thận vật liệu có lượng cát và sỏi xấp xỉ bằng nhau. Có thể tạo đê bao bằng cát bờ hoặc đá xung quanh chu vi khối đắp để khống chế khối đắp theo phương ngang. Các lỗ rỗng trong đá rải dưới nước được lấp bằng cát thông qua xả nước nhằm giảm tính nén lún và tránh mất vật liệu đắp thủy lực vào trong đá.

3-7.3. Hiệu năng của vật liệu đắp bằng thủy lực.

Đất hạt thô có dưới 15% hạt mịn không dẻo hoặc dưới 10% hạt mịn dẻo tạo ra vật liệu đắp bằng thủy lực đạt yêu cầu nhất. Chúng gây độ đục thấp nhất trong quá trình rải, thoát nước nhanh hơn và phù hợp hơn để đỡ kết cấu so với vật liệu hạt mịn. Có thể đạt độ chặt tương đối từ 50% đến 60% mà không cần đầm nén, với hệ số biến thiên khoảng 25%. Áp lực chịu tải cho phép thường nằm trong khoảng 500 đến 2000 psf, tùy mức lún cho phép. Vật liệu đắp thủy lực hạt thô có thể biến đổi và có thể chứa các vùng có hệ số thấm thấp, nơi phát sinh áp lực nước lỗ rỗng cao dưới tải trọng động đất (USBR, 1998). Độ chặt tương đối, áp lực chịu tải cho phép và khả năng chống hóa lỏng do động đất có thể được tăng đáng kể bằng các phương pháp cải tạo nền được mô tả trong Chương 1.

Vật liệu đắp bằng thủy lực được thi công từ đất hạt mịn mềm, chẳng hạn bùn bụi và sét đáy do nạo vét bảo trì, ban đầu sẽ được rải ở độ ẩm rất cao. Tùy theo các biện pháp được áp dụng để tạo thoát nước bề mặt, cần khoảng 2 năm trước khi hình thành lớp vỏ đủ khả năng đỡ thiết bị nhẹ và độ ẩm của vật liệu bên dưới tiến gần giới hạn chảy. Để có thể sử dụng sớm hơn, có thể rải một lớp đất hạt thô dày 1 đến 3 ft lên trên vật liệu đắp thủy lực hạt mịn. Lớp này sẽ nhanh chóng cải thiện điều kiện bề mặt để có thể đỡ khối đắp gia tải trước, có hoặc không có bấc thấm đứng để gia tốc cố kết.

Cần thận trọng khi áp dụng tải gia tải trước để không vượt quá cường độ chống cắt của đất.

Kinh nghiệm về các khối đắp bằng thủy lực hiện hữu đã được tích lũy thông qua các thí nghiệm hiện trường. Tại một đập được thi công bằng cách xả hỗn hợp bùn từ các đường ống dọc theo hai bên đập, vật liệu đắp bằng thủy lực thu được gồm lớp vỏ hạt thô thoát nước tự do bằng cát bụi lẫn sỏi, với lõi bằng bụi cát và bụi không dẻo pha cát.¹⁷ Lớp vỏ nhìn chung từ rời đến chặt vừa, với \(N_{1,60}\) từ 5 đến 30, trung bình 17, có các vùng rời cục bộ với \(N_{1,60}\) dưới 5. Góc ma sát theo ứng suất hữu hiệu được xác định trong khoảng 31° đến 34°. Các vùng rời trong lớp vỏ được xác định là có ứng xử cắt không thoát nước và cường độ chống cắt trong khoảng 150 đến 500 psf.

Lõi đắp bằng thủy lực có trạng thái rất rời đến rời, với \(N_{1,60}\) dưới 5, trung bình 3; góc ma sát theo ứng suất hữu hiệu được ước tính và đo được trong khoảng 29° đến 32°. Trong điều kiện không thoát nước, lõi ứng xử như đất hạt mịn cố kết thường. Vận tốc sóng cắt từ CPT địa chấn chủ yếu nằm trong khoảng 400 ft/s đến 800 ft/s và tăng theo chiều sâu, tức là tăng theo ứng suất hữu hiệu thẳng đứng. Dựa trên các quan sát này, vật liệu đắp bằng thủy lực mới hoặc hiện hữu có thể được đánh giá bằng các kỹ thuật thí nghiệm in situ thông thường, miễn là kỹ sư dự đoán được sự phân bố không gian của thành phần đất và độ chặt tương đối do quá trình đắp bằng thủy lực tạo ra.

3-7.4. Cố kết của vật liệu đắp bằng thủy lực.

Vật liệu đắp bằng thủy lực hạt thô có hệ số thấm cao và hệ số cố kết lớn sẽ cố kết nhanh chóng và đạt cường độ chống cắt khi áp lực nước lỗ rỗng dư tiêu tán. Có thể ước tính hợp lý cường độ chống cắt dựa trên độ chặt tương đối ước tính.

Vật liệu đắp bằng thủy lực có k < 0.001cm/s, tức cát mịn và đất hạt mịn, sẽ mất thời gian dài để cố kết; việc dự đoán ứng xử của khối đắp hoàn thành sẽ khó khăn. Có thể sử dụng quan trắc lún và áp lực nước lỗ rỗng để đánh giá trạng thái cố kết của vật liệu đắp bằng thủy lực dưới trọng lượng bản thân và dưới tải gia tải trước bất kỳ. Có thể lắp đặt bàn đo lún cả trên mặt đất tự nhiên bên dưới và bên trong vật liệu đắp bằng thủy lực để quan sát tốc độ và độ lớn lún.

Sau khi cố kết do trọng lượng bản thân, vật liệu đắp bằng thủy lực sẽ ở trạng thái cố kết thường và có thể cần tiếp tục cố kết thêm. Như Sowers (1979) đã nêu, quá trình nén này có thể được hoàn thành bằng nhiều phương pháp cải tạo nền khác nhau. Đối với đất hạt thô, có thể dùng đầm rung, đóng cọc và đầm chấn động nổ mìn để tăng độ chặt tương đối. Rung tại bề mặt khối đắp có thể có hiệu quả đến độ sâu khoảng 10 ft. Vật liệu đắp bằng thủy lực dạng bụi có thể được cố kết bằng giếng hạ nước.

¹⁷ Vị trí bảo mật (trao đổi cá nhân).

Quá trình cố kết của vật liệu đắp bằng thủy lực hạt mịn phụ thuộc vào đặc tính của nguồn vật liệu đắp. Vật liệu có nguồn gốc từ đất sét cứng sẽ có cấu trúc gồm các cục đất sét cứng nằm trong nền đất sét mềm, khiến các thí nghiệm trong phòng không còn áp dụng được. Vật liệu đắp bằng thủy lực có nguồn gốc từ đất sét mềm có thể được đánh giá bằng thí nghiệm cố kết một chiều. Hệ số nén lún \((m_v)\) của vật liệu đắp bằng thủy lực hạt mịn dao động từ \(3 \times 10^{-6}\) đến \(5 \times 10^{-5}\ \text{psf}^{-1}\). Trong cả hai trường hợp, gia tải trước vật liệu đắp bằng thủy lực hạt mịn đều có hiệu quả để giảm lún. Tốc độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng của vật liệu đắp bằng thủy lực dao động từ vài giờ đến vài năm, tùy theo hàm lượng cát, và không thể ước tính từ các thí nghiệm trong phòng (Whitman, 1970).

3-7.5. Đắp dưới nước.

Một số dự án yêu cầu rải vật liệu đắp dưới nước, việc này đặt ra các thách thức riêng. Trong hầu hết trường hợp, kinh nghiệm với rải đắp dưới nước chỉ giới hạn ở độ sâu khoảng 100 ft hoặc nhỏ hơn. Kiểm soát ô nhiễm, bao gồm sử dụng màn chắn đục, là rất quan trọng trong thi công đắp dưới nước.

Nạo vét là một phần quan trọng của quá trình rải đắp dưới nước, tương tự như chuẩn bị nền cho vật liệu đắp thông thường. Nạo vét có thể được dùng để loại bỏ đất không phù hợp, cắt mái dốc trong vật liệu ngập nước hiện hữu và làm sạch khu vực đắp. Tối thiểu, cần nạo vét để loại bỏ vật liệu hạt mịn lắng đọng do hoạt động thi công (Johnson và nnk., 1972).

Các phương pháp chính để rải vật liệu đắp dưới nước được tóm tắt trong Bảng 3-18. Phương pháp rải sẽ phụ thuộc vào thiết bị sẵn có, độ sâu nước và mái dốc bên yêu cầu. Khối lượng vật liệu đắp được theo dõi bằng các phương pháp đo sâu hồi âm. Cần xét đến ảnh hưởng của lún trong quá trình thi công đối với khối lượng vật liệu đắp đo được.

Việc kiểm soát vật liệu đắp dưới nước thường được thực hiện bằng các kỹ thuật thí nghiệm hiện trường, như SPT hoặc CPT. Cần thực hiện thí nghiệm khi quá trình rải vật liệu đắp tiến triển, đặc biệt để kiểm tra các vật liệu không phù hợp bị mắc kẹt bên dưới hoặc bên trong khối đắp. Có thể dùng thiết bị lấy mẫu nếu cần để lấy mẫu vật lý của vật liệu đắp dưới nước. Kinh nghiệm cho thấy các kỹ thuật lấy mẫu lớn, thô, có hiệu quả hơn các kỹ thuật tinh vi, phức tạp (Bazett và Foxall, 1972).

Độ chặt tương đối của vật liệu đắp dưới nước thường đạt đến 50% đến 60% và biến đổi nhiều. Các vùng có độ chặt tương đối thấp có thể gây lo ngại về lún dưới tải trọng vừa đến lớn và hóa lỏng. Đầm rung sâu là phương pháp chính dùng để làm chặt các khối đắp bằng thủy lực và khối đắp dưới nước sau khi rải. Các ví dụ gồm ụ tàu khô, đập và đảo nhân tạo.

3-8. ĐẤT CÓ VẤN ĐỀ VÀ CÔNG TÁC ĐẤT.

Chương 1 tóm tắt nhiều loại điều kiện đất có vấn đề có thể ảnh hưởng đến thiết kế nền móng và kết cấu đất. Bảng 3-19 tóm tắt các điều kiện quan trọng đối với thiết kế công tác đất trong đất có vấn đề.

Bảng 3-19. Các vấn đề cần xem xét đối với đất có vấn đề trong công tác đất

Loại đất	Các vấn đề chính cần xem xét khi thiết kế công tác đất
Đất sét mềm	\(\ \)* Đất sét mềm không tạo được mặt bằng ổn định để đầm nén vật liệu đắp. Giải pháp có thể gồm: \(\qquad \)+ Ổn định cơ học bằng đá nghiền, có thể gia cường bằng địa lưới; hoặc \(\qquad \)+ Ổn định hóa học lớp trên. \(\ \)* Có thể cần thi công theo giai đoạn để cho phép tăng cường độ do cố kết.
Đất sét trương nở có tính dẻo cao và đá phiến sét	\(\ \)* Nền đắp bằng đất sét đầm nén có thể co ngót và trương nở do thay đổi độ ẩm theo mùa, dẫn đến phá hoại lũy tiến. \(\ \)* Thiết kế mái dốc cần dựa trên các thông số cường độ chống cắt ở trạng thái mềm hóa hoàn toàn.
Đất lún sập	\(\ \)* Tải trọng công tác đất có thể gây nén lún đất lún sập tự nhiên, chẳng hạn hoàng thổ, đặc biệt khi kết hợp với thay đổi độ ẩm. \(\ \)* Đất sét đầm nén có thể có cấu trúc lún sập nếu được đầm nén ở phía khô của độ ẩm tối ưu; hiện tượng này có thể giảm bằng cách đầm nén ở phía ướt của độ ẩm tối ưu. Nội dung này đặc biệt quan trọng đối với nền đắp sâu.
Đất sét nhạy	\(\ \)* Tải trọng công tác đất tác dụng lên đất sét nhạy có thể gây biến dạng dẫn đến nhào trộn lại và phá hoại nghiêm trọng. \(\ \)* Thiết kế cần duy trì hệ số an toàn cao, sao cho ứng suất cắt gây ra luôn nhỏ hơn cường độ chống cắt đỉnh tại mọi điểm trong đất sét nhạy.
Đất tàn tích và đất sườn tích	\(\ \)* Đất tàn tích và/hoặc đất sườn tích thường gây vấn đề nếu nằm bên dưới khối đắp trên sườn dốc. \(\ \)* Có thể có cường độ chống cắt thấp hơn so với vật liệu đắp đã đầm nén, tạo ra lớp yếu. \(\ \)* Vật liệu tàn tích có thể có các mặt yếu bất lợi, có thể xử lý bằng quy trình đào bậc phù hợp.
Đá ong Talus	\(\ \)* Tính đỡ của nền đắp trên đá ong có thể kém nếu bị phong hóa theo chu kỳ hoặc tiếp xúc với nước ngầm chảy. \(\ \)* Cần xem xét ổn định tổng thể khi thiết kế công tác đất trên các trầm tích talus.
Cát rời	\(\ \)* Cát rời có thể không tạo được mặt bằng ổn định cho vật liệu đắp đã đầm nén, đặc biệt nếu bão hòa. \(\ \)* Cần dự kiến nén lún đáng kể do tải trọng nền đắp. \(\ \)* Trong vùng động đất, cát rời có thể gây nguy cơ hóa lỏng cho nền đắp. \(\ \)* Khi có cát mịn, rời trong nền móng hoặc nền đắp, cần xem xét nguy cơ xói.
Đất băng tích	\(\ \)* Có thể xảy ra xói có vấn đề trong đất băng tích cỡ cát và bụi.
Đất hữu cơ, than bùn và bùn hữu cơ	\(\ \)* Đất hữu cơ không tạo được mặt bằng ổn định để đầm nén vật liệu đắp (xem đất sét mềm ở trên). \(\ \)* Đất hữu cơ có tính nén lún rất cao và có thể có cố kết sơ cấp và thứ cấp đáng kể do tải trọng công tác đất. \(\ \)* Hàm lượng hữu cơ của vật liệu đắp kết cấu thường được kiểm soát chặt chẽ trong chỉ dẫn kỹ thuật.
Đất phân tán	\(\ \)* Đất phân tán dễ bị xói trong do nước chảy, đặc biệt khi dùng làm lớp ngăn thấm trong đập đất hoặc đê. \(\ \)* Cần tránh sử dụng đất sét phân tán trong đập vì rất khó bảo vệ, ngay cả khi có bộ lọc được thiết kế tốt.
Đất nạo vét	\(\ \)* Hầu hết đất nạo vét sau khi lắng đọng sẽ ở trạng thái rời hoặc mềm, và thi công đất sẽ cần xem xét đến đất sét mềm hoặc cát rời. \(\ \)* Vật liệu nạo vét thường có độ ẩm cao, cần được giảm trước khi sử dụng làm vật liệu đắp.
Bụi và sét có tính dẻo thấp	\(\ \)* Đất bụi có thể rất không ổn định, cả khi làm mặt bằng công tác cho công tác đất và khi nằm trong khối đắp. \(\ \)* Một số đất sét gầy có tính dẻo thấp, có khoảng 9 đến 15% đất sét và tỷ lệ hạt cỡ bụi cao từ 60 đến 80%, có thể gây thay đổi cường độ đáng kể. Khối đắp hoặc nền đặt khối đắp thi công bằng các loại đất này bị giảm đáng kể khả năng đỡ khi bị thấm ướt và mất khả năng đỡ thiết bị
Chất thải rắn đô thị	\(\ \)* Công tác đất thực hiện trên MSW hoặc kết hợp với bãi chôn lấp MSW phải xét đến cường độ chống cắt và tính nén lún của chất thải. Có một số tương quan sẵn có. \(\ \)* Cần xem xét sự thay đổi tính chất của MSW theo thời gian.

\(\\\)

3-9 CÁC KÝ HIỆU

Ký hiệu	Định nghĩa
a	Tham số cường độ dạng hàm lũy thừa xác định độ dốc của đường cong
b	Tham số cường độ dạng hàm lũy thừa xác định mức độ cong của đường cong
aΔ	Tham số nén lún của vật liệu đắp, kiểm soát độ lớn nén lún theo ứng suất hữu hiệu thẳng đứng
bΔ	Tham số nén lún của vật liệu đắp, kiểm soát tính phi tuyến của nén lún theo ứng suất hữu hiệu thẳng đứng
c	Giao điểm lực dính theo ứng suất tổng hoặc lực dính không thoát nước
Cc	Hệ số độ cong của đường cấp phối hạt (coefficient of gradation)
Cu	Hệ số đồng đều
Dr	Độ chặt tương đối
emax	Hệ số rỗng lớn nhất
emin	Hệ số rỗng nhỏ nhất
Gs	Tỷ trọng hạt đất
Gs,C	Tỷ trọng của phần hạt quá cỡ (giới hạn kích thước hạt quá cỡ phụ thuộc phương pháp thí nghiệm)
k	Hệ số thấm
ksat	Hệ số thấm bão hòa
LL	Liquid limit
m	Tham số phân bố Weibull dùng để xét ảnh hưởng của kích thước hạt đến cường độ chống cắt
mv	Hệ số nén lún
N1,60	Số búa SPT đã hiệu chỉnh theo ứng suất phủ và hiệu suất thiết bị
Pa	Áp suất khí quyển
PC	Tỷ lệ hạt quá cỡ (giới hạn kích thước hạt quá cỡ phụ thuộc phương pháp thí nghiệm)
PF	Tỷ lệ hạt mịn (giới hạn kích thước hạt mịn phụ thuộc phương pháp thí nghiệm)
pH	Đại lượng định lượng độ axit
PI	Plasticity index
PL	Plastic limit
R	Hệ số độ nhám dùng cho cường độ làm việc của vật liệu đắp đá
R.C.	Độ đầm chặt tương đối
S	Độ bão hòa
su/σ′c	Tỷ số cường độ không thoát nước
Vt	Tổng thể tích
w	Độ ẩm
wC	Độ ẩm của phần hạt quá cỡ
wF	Độ ẩm của phần hạt mịn
wF,opt	Độ ẩm tối ưu của phần hạt mịn
wfield	Độ ẩm của đất đầm nén tại hiện trường
wopt	Độ ẩm tối ưu ứng với một công đầm nén xác định
Ws	Khối lượng hạt rắn
wT	Độ ẩm của hỗn hợp phần hạt mịn và hạt quá cỡ
\(\Delta \phi’\)	Tham số mô tả sự thay đổi của góc ma sát theo ứng suất hữu hiệu khi tăng áp lực bao
ΔV/VF	Hệ số co ngót tổng thể
Δw	Độ ẩm tương đối
\(\gamma\)	Dung trọng tự nhiên (hoặc dung trọng ẩm)
\(\gamma_{d,B}\)	Dung trọng khô trung bình của vật liệu tại khu vực lấy đất
\(\gamma_{d,F}\)	Dung trọng khô của phần hạt mịn
\(\gamma_{d,field}\)	Dung trọng khô của đất đầm nén tại hiện trường
\(\gamma_{d,max}\)	Dung trọng khô lớn nhất ứng với hệ số rỗng nhỏ nhất
\(\gamma_{d,min}\)	Dung trọng khô nhỏ nhất ứng với hệ số rỗng lớn nhất
\(\gamma_{dT}\)	Dung trọng khô của hỗn hợp phần hạt mịn và hạt quá cỡ
\(\gamma_{dT,field}\)	Dung trọng khô của hỗn hợp phần hạt mịn và hạt quá cỡ sau khi đầm nén tại hiện trường
\(\gamma_w\)	Dung trọng nước
\(\phi\)	Góc ma sát theo ứng suất tổng
\(\phi’\)	Góc ma sát theo ứng suất hữu hiệu hoặc góc ma sát thoát nước
\(\phi’_{0}\)	Góc ma sát theo ứng suất hữu hiệu tại ứng suất tham chiếu (thường là một áp suất khí quyển)
μ	Giá trị trung bình
σ′c	Ứng suất cố kết hữu hiệu
σ′f	Ứng suất pháp hữu hiệu tại phá hoại
σ	Độ lệch chuẩn
σ′z	Ứng suất hữu hiệu thẳng đứng

\(\\\)

3-10 TÀI LIỆU ĐỌC THÊM

Chủ đề	Tài liệu tham khảo
Công tác đất tổng quát	TRB 1990. Guide to Earthwork Construction, State of the Art Report 8, National Research Council, Washington, D.C. Hướng dẫn thi công công tác đất, Báo cáo tổng quan kỹ thuật số 8
	Hilf, J. W. 1991. “Compacted fill.” Foundation Engineering Handbook, 2nd Edition, Ed. H.-Y. Fang, Springer Nature, 249–316. Vật liệu đắp đầm nén
Thi công đập đất	USACE, 2004. General Design and Construction Considerations for Earth and Rock-Fill Dams, EM 1110-2-2300, Department of the Army, Washington, D.C. Các nguyên tắc chung trong thiết kế và thi công đập đất và đập đá đắp
	USBR, 2012. “Chapter 10: Embankment Construction.” Design Standards No. 13 Embankment Dams, Technical Service Center, United States Bureau of Reclamation. Chương 10: Thi công đập đắp
Vật liệu đắp đá	Breitenbach, A. J. 1993. “Rockfill placement and compaction guidelines.” Geotechnical Testing Journal, 16(1), 76–84. Hướng dẫn rải và đầm nén vật liệu đắp đá
Đắp dưới nước	Underwater Soil Sampling, Testing, and Construction Control, ASTM Special Technical Publication 501, ASTM International. Lấy mẫu đất dưới nước, thí nghiệm và kiểm soát thi công

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