Nghiên cứu tính chất xây dựng của đất loại sét yếu holocen vùng đồng bằng quảng trị thừa thiên huế

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC HOÀNG THỊ SINH HƯƠNG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT XÂY DỰNG CỦA ĐẤT LOẠI SÉT YẾU HOLOCEN VÙNG ĐỒNG BẰNG QUẢNG TRỊ - THỪA THIÊN HUẾ LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA CHẤT HỌC HUẾ, NĂM 2022 ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC HỒNG THỊ SINH HƯƠNG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT XÂY DỰNG CỦA ĐẤT LOẠI SÉT YẾU HOLOCEN VÙNG ĐỒNG BẰNG QUẢNG TRỊ - THỪA THIÊN HUẾ Ngành: Địa chất học Mã số: 44 02 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA CHẤT HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN HỮU TUYÊN PGS.TS TRẦN THANH NHÀN HUẾ, NĂM 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nghiên cứu riêng Tôi hướng dẫn khoa học TS Trần Hữu Tuyên PGS.TS Trần Thanh Nhàn Các số liệu kết nêu luận án trung thực chưa công bố luận văn, luận án khoa học khác Luận án thực Trường Đại học Khoa Học - Đại học Huế Chưa có kết nghiên cứu tương tự cơng bố hình thức trước thực luận án Nghiên cứu sinh Hoàng Thị Sinh Hương LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án, thân nghiên cứu sinh nhận hỗ trợ, giúp đỡ tận tình mặt từ quý thầy cơ, quan, gia đình bạn bè thân thiết Qua đây, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: - Lãnh đạo trường Đại học Khoa học, Đại học Huế, Phòng Đào tạo Sau đại học, Ban Chủ nhiệm Khoa Địa lý - Địa chất - Các thầy, giáo ngồi trường giảng dạy hỗ trợ tri thức suốt thời gian học tập nghiên cứu Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế - Đặc biệt, xin trân trọng cảm ơn TS Trần Hữu Tuyên, PGS.TS Trần Thanh Nhàn - tận tâm hướng dẫn, trang bị cho tri thức kinh nghiệm để hồn thành luận án tốt Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp - người quan tâm, đồng hành động viên vượt qua khó khăn để hồn thành chương trình học tập Nghiên cứu sinh Hoàng Thị Sinh Hương MỤC LỤC MỤC LỤC .i DANH MỤC BIỂU BẢNG iv DANH MỤC HÌNH VẼ v DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC PHỤ LỤC x MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết, ý nghĩa lý luận thực tiễn đề tài luận án Mục tiêu đề tài luận án Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nhiệm vụ đề tài luận án Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu đề tài luận án Các luận điểm bảo vệ Những điểm đề tài luận án Ý nghĩa đề tài luận án 10 Cấu trúc đề tài luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU LÀM NỀN CƠNG TRÌNH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH XÂY DỰNG CỦA ĐẤT 1.1 Đất yếu, cấu trúc đất yếu 1.1.1 Đất yếu 1.1.2 Cấu trúc đất yếu 1.1.3 Sơ lược phương pháp nghiên cứu đất yếu 1.2 Đặc điểm tính xây dựng đất 11 1.3 Tình hình nghiên cứu giới nước 11 1.3.1 Trên giới 11 1.3.2 Ở Việt Nam 21 CHƯƠNG ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÙNG NGHIÊN CỨU 30 2.1 Vị trí, giới hạn phạm vi vùng nghiên cứu 30 i 2.2 Đặc điểm địa hình - địa mạo 31 2.3 Đặc điểm khí hậu 33 2.4 Đặc điểm mạng thủy văn, hải văn 34 2.4.1 Đặc điểm mạng thủy văn 34 2.4.2 Hải văn 36 2.5 Đặc điểm địa chất Đệ tứ 36 2.5.1 Pleistocen thượng, phần (Q1 ) 37 2.5.2 Holocen hạ-trung (Q2 1-2 ) 40 2.5.3 Holocen trung-thượng (Q2 2-3 ) 42 2.5.4 Holocen thượng (Q2 ) 46 2.6 Địa chất thủy văn 46 CHƯƠNG ĐẶC TÍNH XÂY DỰNG CỦA CÁC ĐẤT LOẠI SÉT YẾU HOLOCEN VÙNG ĐỒNG BẰNG QUẢNG TRỊ - THỪA THIÊN HUẾ 52 3.1 Đặc điểm phân bố đất loại sét yếu Holocen 52 3.2 Đặc điểm thành vật chất (khoáng vật, hóa học, hữu cơ) đất 58 3.2.1 Phương pháp lựa chọn mẫu thí nghiệm 58 3.2.2 Phương pháp kết nghiên cứu 59 3.3 Các đặc trưng vật lý đất 65 3.4 Các đặc trưng học đất 70 3.4.1 Sức kháng cắt 70 3.4.2 Tính biến dạng lún đất 74 3.5 Nghiên cứu bổ sung đặc trưng học động đất 80 3.5.1 Thiết bị thí nghiệm phương pháp nghiên cứu 81 3.5.2 Kết thí nghiệm cắt trượt động 83 3.5.3 Nghiên cứu tính nén lún đất bùn sét hệ tầng Phú Bài chịu cắt trượt động chu kỳ khơng nước 88 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU, KHAI THÁC SỬ DỤNG HỢP LÝ CÁC ĐẤT LOẠI SÉT YẾU HOLOCEN 92 4.1 Phân chia kiểu cấu trúc đất yếu Holocen đặc trưng kiến nghị sử dụng đất làm cho công trình xây dựng 92 ii 4.1.1 Phân chia kiểu cấu trúc đặc trưng vùng nghiên cứu 92 4.1.2 Kết nghiên cứu 106 4.2 Kiến nghị bổ sung phương pháp nghiên cứu đất yếu vùng nghiên cứu 106 4.2.1 Các nghiên cứu trường 107 4.2.2 Cơng tác thí nghiệm phịng 108 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 110 Các kết đạt luận án 110 Những tồn hướng nghiên cứu 111 Kiến nghị 112 CÁC CƠNG BỐ TRÊN TẠP CHÍ 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 PHỤ LỤC 124 iii CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU LÀM NỀN CÔNG TRÌNH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH XÂY DỰNG CỦA ĐẤT 1.1 Đất yếu, cấu trúc đất yếu 1.1.1 Đất yếu Đất yếu gồm loại đất, nhìn chung không thuận lợi cho việc sử dụng chúng xây dựng (làm nền, mơi trường bố trí cơng trình xây dựng vật liệu xây dựng), thường nhạy cảm với điều kiện môi trường tác dụng tải trọng cơng trình Nghiên cứu đất yếu có nhiều quan điểm khác nhau, phổ biến hai quan điểm [47]: - Quan điểm thứ nhất: “Đất yếu” loại đất có sức kháng cắt nhỏ, biến dạng lớn xây dựng cơng trình bắt buộc phải xử lý có giải pháp kết cấu cơng trình đặc biệt Điều thể rõ qua tiêu chuẩn xây dựng ban hành nước ta như: TCVN 9355:2012, tiêu chuẩn 22TCN 262:2000 [41], [43] Theo quan điểm này, thuộc vào đất yếu bao gồm: bùn loại, đất loại sét (sét, sét, cát) trạng thái chảy dẻo chảy Những loại đất thường có độ sệt lớn (I s > xấp xỉ 1), hệ số rỗng tự nhiên lớn (thường e > 1), góc ma sát φ < 10°, lực dính kết khơng nước C < 0,15 kg/cm , lực dính kết theo kết cắt cánh 2 trường Su < 0,35 kg/cm , sức kháng mũi (xuyên tĩnh) q c < 10 kg/cm giá trị xuyên tiêu chuẩn SPT N 30 < Trong thực tế ĐCCT, quan điểm thường sử dụng lập đồ chuyên môn, phục vụ quy hoạch khai thác lãnh thổ - Quan điểm thứ hai: “Đất yếu” phụ thuộc vào mối tương quan khả chịu lực đất với tải trọng cơng trình truyền xuống Vì thế, loại đất nền, cơng trình đất khơng có khả chịu tải gọi đất yếu; với cơng trình khác đất đáp ứng khả chịu tải đất lại khơng phải đất yếu Trong thực tế ĐCCT, quan điểm thường sử dụng nghiên cứu cho đối tượng xây dựng cụ thể Theo tác giả luận án: đất yếu loại đất có khả chịu tải trọng cơng trình thấp có tính chất lý đặc trưng như: khối lượng đơn vị thể tích tự nhiên nhỏ γw, ≤ 1,7 g/cm , hệ số rỗng lớn e ≥ 1, độ ẩm cao W ≥ 40%, độ bão hòa nước SR, ≥ 80 %, sức chịu tải bé: R = (50-100) kPa, mô đun tổng biến dạng thấp E ≤ 5000 -1 kPa, hệ số nén lớn a ≥ 10 kPa , góc ma sát bé : φ ≤ 10 , lực dính nhỏ: c ≤ 10 kPa Do đó, xây dựng cơng trình bắt buộc phải xử lý cải tạo phải có giải pháp cơng trình đặc biệt 1.1.2 Cấu trúc đất yếu +) Khái niệm đất nền, đất - Đất nền: đất nghiên cứu sử dụng làm cho cơng trình xây dựng - Nền đất: đất (mềm dính, mềm rời) nằm phạm vi ảnh hưởng cơng trình xây dựng +) Cấu trúc đất yếu Trong phạm vi cơng trình - phạm vi đới hoạt động nén ép - có mặt nhiều lớp "đất yếu" ảnh hưởng đến ổn định cơng trình (có nguy gây biến dạng lớn ổn định công trình) gọi “Nền đất yếu” [47] Khi cơng trình xây dựng đất đá xảy tương tác cơng trình xây dựng đất Hình dạng, quy mơ, kết cấu cơng trình, đặc điểm đất đá làm giải pháp móng định đến phạm vi vùng tương tác cơng trình nền, q trình - lý, hóa - lý diễn chúng Mặt khác, cơng trình, nền, mơi trường địa chất lại có quan hệ mật thiết tác động qua lại lẫn theo thời gian không gian Khái niệm “Cấu trúc nền” không phản ánh đặc điểm cấu trúc địa chất tồn cách khách quan phạm vi ảnh hưởng cơng trình mà phản ánh đặc điểm ĐCCT khác đất đá mối quan hệ biến đổi thời gian không gian chúng Như vậy, CTN phản ánh đầy đủ mối quan hệ địa tầng với thành tạo đất đá; kết tương tác yếu tố cơng trình - CTN mơi trường địa chất, lớp đất đá đóng vai trị định đặc trưng thành phần, kiến trúc, cấu tạo, trạng thái tính chất riêng biệt Tổ hợp đất hình thành nên kiểu cấu trúc Về mặt không gian, CTN cơng trình giới hạn phạm vi ảnh hưởng cơng trình chủ yếu theo chiều sâu Nếu chiều sâu nghiên cứu khác nhau, việc phân chia CTN không thống Vì vậy, tùy theo vùng nghiên cứu, tùy mục đích, nhiệm vụ nghiên cứu, tùy số lượng chiều sâu cơng trình thăm dị có, xác lập chiều sâu cần đạt đến để phân chia kiểu CTN khác Trên sở đó, CTN đất yếu hiểu CTN có liên quan trực tiếp với thành tạo đất yếu, có ý nghĩa quan trọng đến ổn định công trình Các lớp đất khác có khả chịu lực cao thường vị trí lựa chọn tựa cọc giới hạn xử lý cơng trình Ngồi ra, biến đổi mơi trường có ảnh hưởng đến làm việc đất cần xem xét Khái niệm “cấu trúc nền” mang ý nghĩa bao gồm nội dung địa tầng cấu tạo địa chất CTN sở địa chất để giúp nhà thiết kế lựa chọn giải pháp móng hợp lý Do đó, nghiên cứu CTN đất yếu cần phải xác định phạm vi nghiên cứu, đặc điểm cấu trúc địa chất, phân bố không gian lớp đất đá đặc trưng TCXD chúng, yếu tố ĐCTV môi trường xung quanh có ảnh hưởng đến ổn định cơng trình Như vậy, cấu trúc đất yếu phạm vi đất, địa tầng có phân bố nhiều lớp đất yếu, cần phải có giải pháp móng cơng trình thích hợp 1.1.3 Sơ lược phương pháp nghiên cứu đất yếu Để nghiên cứu đất đá yếu xây dựng, ngồi cơng tác thí nghiệm trường cịn sử dụng cơng tác thí nghiệm phịng Cơng tác thí nghiệm trường phổ biến nghiên cứu đất yếu bao gồm thí nghiệm: xuyên tiêu chuẩn SPT, cắt cánh trường VST, xuyên tĩnh CPT, xuyên tĩnh có đo áp lực nước lỗ rỗng CPTu, nén hơng hố khoan (ít sử dụng) [47] - Thí nghiệm SPT: để với cơng tác khoan phân chia địa tầng, đánh giá độ chặt đất rời, sử dụng số liệu thiết kế Số lượng điểm thí nghiệm quy định theo tiêu chuẩn, thơng thường 1-3m thí nghiệm lần tiến hành Áp lực lỗ rỗng, 2(10 kPa) Phụ lục 25 Quan hệ áp lực lỗ rỗng biến dạng trục cấp áp lực 1-2 pb) Ứng suất lệch, 2(10kPa) hông khác tác dụng lên mẫu (bùn sét ambQ2 Phụ lục 26 Quan hệ ứng suất lệch biến dạng trục cấp áp lực hông 1-2 pb) Ứng suất cắt, 2(10 kPa) khác tác dụng lên mẫu (bùn sét ambQ2 Phụ lục 27 Đường bao phá hoại Mohr - Coulomb (CU) với tốc độ cắt 0,024%/phút 1-2 (bùn sét ambQ2 pb) 144 Phụ lục 28 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm cắt trượt động đơn giản chu kỳ đa phương [23] Thiết bị thí nghiệm cắt trượt động đơn giản chu kỳ đa phương Phụ lục 29 Mẫu bùn sét hệ tầng Phú Bài hộp cắt Phụ lục 30 Bảng so sánh tiêu lý đất bùn sét hệ tầng Phú Bài với loại đất sét khác Tính chất Tỷ trọng, ρs Giới hạn chảy, LL (%) Giới hạn dẻo, PL (%) Chỉ số dẻo PI Hệ số nén Cc Phụ lục 31 Mơ hình biến dạng mẫu thí nghiệm cắt trượt động chu kỳ đơn phương (a, b) đa phương (c, d) [24] Phụ lục 32 Bảng tổng hợp kết áp lực nước lỗ rỗng thí nghiệm cắt trượt động chu kỳ đơn phương n 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 146 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 147 Phụ lục 33 Bảng kết hệ số áp lực nước lỗ rỗng mẫu đất bùn sét Phú Bài thí nghiệm cắt trượt động chu kỳ đa phương n γ = 0.1%0 γ = 0.1% 0,0 θ=0 0,00000 θ=45 0,00000 0,1 0,00198 0,00216 0,2 0,00112 0,00105 0,3 0,00319 -0,00087 0,4 0,00052 0,00370 0,5 0,00233 0,00017 0,6 0,00453 0,00466 0,7 0,00254 0,00511 0,8 0,00481 0,00297 0,9 0,00114 0,00649 1,0 0,00609 0,00351 1,1 0,00294 0,00224 1,2 0,00382 0,00863 1,3 0,00624 0,00752 1,4 0,00500 0,00786 1,5 0,00870 0,00897 1,6 0,00591 0,00905 1,7 0,00615 0,01083 148 1,8 0,00699 0,01129 1,9 0,00627 0,01167 2,0 0,00833 0,02126 2,2 0,00551 0,01251 2,4 0,00642 0,01292 2,6 0,00696 0,01527 2,8 0,00958 0,01564 3,0 0,01574 0,01787 3,5 0,01256 0,02185 4,0 0,01315 0,01852 5,0 0,01604 0,02676 6,0 0,01546 0,02687 7,0 0,01717 0,03088 8,0 0,01805 0,03534 9,0 0,02293 0,03456 10,0 0,02343 0,03907 11,0 0,03079 0,04294 12,0 0,02985 0,04827 13,0 0,03030 0,05220 14,0 0,03375 0,05395 15,0 0,03563 0,06115 20,0 0,03858 0,07755 149 25,0 0,05141 0,08909 30,0 0,05335 0,09992 35,0 0,06133 0,10702 40,0 0,05873 0,10973 45,0 0,05910 0,11838 50,0 0,06083 0,11515 60,0 0,06113 0,12270 70,0 0,06405 0,12819 80,0 0,06483 0,13510 90,0 0,06786 0,13957 100,0 0,07425 0,14780 110,0 0,07820 0,15584 120,0 0,08243 0,15451 130,0 0,08148 0,15952 140,0 0,08748 0,16539 150,0 0,09101 0,17049 160,0 0,09556 0,17460 170,0 0,09635 0,18078 180,0 0,09856 0,18649 190,0 0,10063 0,19056 200,0 0,10526 0,18805 150 Phụ lục 34 Bảng kết quan trắc lún sau cắt trượt mẫu đất bùn sét Phú Bài chịu cắt trượt động chu kỳ đơn phương γ = 0,05% γ = 0,1% t (phút) εv (%) t (phút) 0 0,1 0,1 0,167 0,167 0,25 0,004967463 0,25 0,5 0,004967463 0,5 0,009934926 1,5 0,014902389 1,5 0,014902389 0,019869852 0,024837316 0,029804779 0,034772242 0,034772242 0,034772242 0,034772242 10 0,034772242 10 15 0,039739705 15 20 0,039739705 20 151 25 0,044707168 25 30 0,044707168 30 40 0,054642094 40 50 0,074511947 50 50 0,074511947 60 50 0,074511947 90 50 0,074511947 135 Phụ lục 35 Bảng kết quan trắc lún sau cắt trượt mẫu đất bùn sét Phú Bài chịu cắt trượt động chu kỳ đa phương (θ = 90 ) γ = 0,05% γ = 0,1% t (phút) εv (%) t (phút) 0 0,1 0,00491 0,1 0,166667 0,00491 0,166667 0,25 0,00491 0,25 0,5 0,00491 0,5 0,009819 1,5 0,014729 1,5 0,014729 0,014729 152 0,014729 0,014729 0,014729 0,014729 0,014729 0,014729 10 0,014729 10 15 0,019638 15 20 0,024548 20 25 0,029457 25 30 0,039276 30 30 0,039276 30 30 0,039276 30 30 0,039276 30 30 0,039276 30 30 0,039276 30 153 Phụ lục 36 Biểu đồ so sánh quan hệ εv γ đất bùn sét hệ tầng Phú Bài với loại đất sét khác điều kiện cắt trượt động chu kỳ đơn phương (a) đa phương (b) Phụ lục 37 Biểu đồ so sánh kích thước hạt mẫu đất bùn sét Phú Bài với loại đất sét thí nghiệm cắt trượt động khác 154 ... cơng trình nghiên cứu cịn ít, đặc tính xây dựng đất loại sét yếu Holocen chưa nghiên cứu cách có tính hệ thống đồng Đặc biệt nghiên cứu tính chất xây dựng động học đất loại sét yếu Holocen cịn... 2.6 Địa chất thủy văn 46 CHƯƠNG ĐẶC TÍNH XÂY DỰNG CỦA CÁC ĐẤT LOẠI SÉT YẾU HOLOCEN VÙNG ĐỒNG BẰNG QUẢNG TRỊ - THỪA THIÊN HUẾ 52 3.1 Đặc điểm phân bố đất loại sét yếu Holocen ... Đặc điểm tính xây dựng đất Tính chất xây dựng (TCXD) đất đá tất tính chất đất nghiên cứu xác định để phục vụ cho xây dựng Khi đất có tính chất đặc biệt (ở đất: than bùn, đất than bùn hóa, đất chứa