Yêu cầu đối với vật liệu đất đắp Đập đồng chất - Đất đắp đập phải đảm bảo một mức độ ít thấm nước nhất định, phải có đủ tính bền để đảm bảo ổn định chống trượt của mái đập.. Các loại đất
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐẬP ĐẤT
Tình hình xây dựng đập đất trên thế giới và Việt Nam
1.1.1 Tình hình xây d ựng đập đấ t trên th ế gi ớ i Đập đất nhỏ là loại công trình thuỷ lợi đơn giản nhất Chỉ cần dùng sức người và những phương tiện rất thô sơ là có thể xây dựng được những đập đất rất nhỏ Vì thế, chắc chắn là đập đất đã có từ xa xưa Tuy nhiên, do vật liệu đất tự nhiên rất dễ bị huỷ hoại theo thời gian nên đến nay hầu như không còn di tích của những đập đất từ thời cổ đại Việc mới phát hiện di tích đập đất cổ ở Thổ Nhĩ Kỳ quả là rất hiếm, nếu chưa nói là duy nhất Những công trình xây dựng từ thời cổ đại còn lưu lại đến ngày nay, như Kim Tự Tháp ở Ai Cập chẳng hạn, đều bằng đá Mặc dầu vậy, các nhà khảo cổ cũng đã thu thập được một số chứng tích Theo tư liệu của ASCE (American Society of Civil Engineering – Hội Xây dựng Hoa Kỳ) thì đập lớn bằng đất lẫn đá cổ xưa nhất là đập Sadd - el - Kafura cao khoảng 22m ở Ai Cập khoảng năm 2850 trước Công nguyên (cách chúng ta gần 5000 năm) Từ thế kỷ XIX, đập đất rất phát triển với những công nghệ ngày càng tiên tiến trong thiết kế và thi công Những đập đất vào loại lớn nhất thế giới như Nurek (Tajikistan, cao 315m), Oroville (Mỹ, cao 262,5m) Theo thống kê năm 1996 từ 63 nước thành viên của ICOLD (International Commission on Large Dams - Hội Đập lớn Thế giới) thì 80% đập lớn (cao trên 15m) là đập đất Theo thống kê của ICOLD cho 58.519 đập trên toàn thế giới thì đập vật liệu địa phương (VLĐP) chiếm 76%, trong đó 63% là đập đất [1]
1.1.2 Tình hình xây d ựng đập đấ t ở Vi ệ t Nam
Việt Nam có một hệ thống hạ tầng thủy lợi (hồ, đập và hệ thống tưới, tiêu) thuộc loại lớn trên thế giới (cùng với Trung Quốc và Mỹ) Hồ chứa nước đóng một vai trò rất quan trọng trong phát triển kinh tế, xã hội, ổn định đời sống của nhân dân Trong những năm qua, được sự quan tâm của Chính phủ, cả nước đã xây dựng được hơn 7.000 đập, hồ chứa thủy lợi - thủy điện tại 45 tỉnh, thành với tổng dung tích trữ khoảng 14,5 tỷ m 3 nước, cấp nước tưới cho 1,1 triệu ha đất nông nghiệp, cấp 1,5 tỷ
2 m 3 nước cho công nghiệp, sinh hoạt Theo số liệu thống kê của Tổng cục Thủy lợi năm 2020, Việt Nam hiện có hơn 7000 hồ chứa thủy lợi – thủy điện và 592 đập dâng có chiều cao từ 5m trở lên Trong số đó thì số lượng hồ chứa thủy điện là 238 hồ (chiếm 3,5%), hồ chứa thủy lợi là 6.750 hồ (chiếm 96,5%, kể cả hồ chứa thủy lợi có công trình thủy điện), hơn 90% số đập tạo hồ thủy lợi ở nước ta hiện nay là đập đất
Khu vực Bắc Bộ sở hữu hệ thống thủy lợi đồ sộ với 391 đập dâng và 2.543 hồ chứa Trong số các hồ chứa, có 325 hồ lớn, 2.218 hồ vừa và nhỏ Đáng chú ý, 19 hồ được trang bị tràn cửa van giúp điều tiết lưu lượng nước, trong khi 2.524 hồ còn lại có tràn tự do Tổng dung tích trữ của hệ thống này lên tới 2,22 tỷ mét khối, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước tưới, kiểm soát lũ và phát triển thủy điện.
Khu vực Bắc Trung Bộ: Có 56 đập dâng (đập có chiều cao từ 5 m trở lên) và 2.323 hồ chứa thủy lợi (3 hồ quan trọng đặc biệt, 171 hồ lớn, 2.149 hồ vừa và nhỏ); trong đó: 52 hồ có tràn cửa van, 2.271 hồ có tràn tự do Tổng dung tích trữ: 6,06 tỷ m 3 Khu vực Nam Trung Bộ: Có 31 đập dâng (đập có chiều cao từ 5 m trở lên) và 517 hồ chứa thủy lợi (175 hồ lớn, 342 hồ vừa và nhỏ); trong đó: 86 hồ có tràn cửa van,
431 hồ có tràn tự do Tổng dung tích trữ: 2,39 tỷ m 3
Khu vực Tây Nguyên: Có 100 đập dâng (đập có chiều cao từ 5 m trở lên) và 1.246 hồ chứa thủy lợi (178 hồ lớn, 1.068 hồ vừa và nhỏ); trong đó: 25 hồ có tràn cửa van, 1.221 hồ có tràn tự do Tổng dung tích trữ: 1,68 tỷ m 3
Khu vực Nam Bộ: Có 14 đập dâng (đập có chiều cao từ 5 m trở lên) và 121 hồ chứa thủy lợi (1 hồ quan trọng đặc biệt, 39 hồ lớn, 81 hồ vừa và nhỏ); trong đó: 4 hồ có tràn cửa van, 117 hồ có tràn tự do Tổng dung tích trữ: 2,14 tỷ m 3
Hiện nay việc xây dựng các hồ chứa mới gần như không còn, chủ yếu là các dự án khôi phục, sửa chữa, nâng cấp nhằm đảm bảo an toàn cho các đập đã xuống cấp sau thời gian dài khai thác Nhận thức được tầm quan trọng của việc đảm bảo an toàn các hồ chứa, nhằm duy trì và tăng trưởng kinh tế, Chính phủ đã đưa ra một Chương trình Quốc gia về an toàn đập vào năm 2003 Chương trình đã rà soát và đánh giá hiện trạng an toàn đập trên cả nước và xác định khoảng 1800 hồ chứa thủy lợi có nguy cơ mất an toàn, cần được sửa chữa nâng cấp (chủ yếu là các hồ chứa có đập đất) Chi
3 phí cho việc khôi phục các công năng thiết kế và cải thiện an toàn đập ước tính khoảng 17.000 tỷ đồng Sau hơn 10 năm thực hiện, bằng nhiều nguồn vốn (trái phiếu Chính phủ, ODA, ngân sách địa phương), chương trình đã sửa chữa, nâng cấp cho khoảng 600 hồ chứa (~30% so với nhu cầu) với kinh phí đầu tư gần 12.000 tỷ đồng, đào tạo cán bộ quản lý và nhân viên vận hành cho một số địa phương và đơn vị quản lý hồ chứa được sửa chữa Chương trình cũng hỗ trợ trang bị các thiết bị giám sát tự động tại 12 hồ chứa thủy lợi: Yên Lập, Cấm Sơn, Kẻ Gỗ, Sông Rác, Cửa Đạt, Phú Ninh, Rào Đá, Định Bình, Núi Một, Đá Bàn, EaSoup thượng, Dầu Tiếng Dự án WB8 được Chính phủ phê duyệt vào năm 2015 Theo số liệu thống kê từ Tổng cục thủy lợi - Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, còn khoảng 1.150 đập cần khôi phục công năng thiết kế hoặc nâng cấp để cải thiện an toàn Ước tính cần khoảng 19.000 tỷ đồng để hỗ trợ cho các hoạt động tổng thể nhằm cải thiện an toàn đập từ cấp Quốc gia đến hệ thống
Từ năm 2003 đến nay, Việt Nam đã sửa chữa được khoảng 1.500 hồ chứa, với tổng kinh phí lên tới 30.000 tỷ đồng Trong đó, giai đoạn 2019-2021, Chính phủ đã hỗ trợ 500 tỷ đồng cho 30 tỉnh, nhằm nâng cấp và sửa chữa 84 hồ Ngoài ra, dự án WB8 cũng hoàn thành việc nâng cấp và sửa chữa 436 hồ, trong khi các địa phương cũng đầu tư sửa chữa thêm 80 hồ thông qua các nguồn vốn khác.
Đặc điểm làm việc và các yêu cầu đối với vật liệu đất đắp
1.2.1 Đặc điể m làm vi ệ c c ủa đập đấ t
Những đặc điểm làm việc chủ yếu của đập đất là:
1 Thấm qua thân đập và nền
Nền đập và thân đập nói chung đều thấm nước Khi mực nước thượng lưu dâng cao trong thân đập sẽ hình thành dòng thấm từ thượng lưu về hạ lưu
Trong thân đập, có mặt bão hoà, trên mặt cắt ngang đập thể hiện là đường bão hoà Phía trên đường bão hoà có khu nước mao dẫn Độ cao khu mao dẫn tuỳ thuộc loại đất Đối với đất cát độ cao mao dẫn 5 ÷ 15cm, đối với loại đất pha sét, đất sét độ cao
4 mao dẫn có thể đạt 0,5 ÷ 1,5m hoặc cao hơn Dưới đường bão hoà đất chịu đẩy nổi của nước và chịu lực thuỷ động do thấm
Lực thuỷ động do thấm phát sinh trong khối đất khi có dòng thấm trong đất gặp lực cản của hạt đất Phương của lực thuỷ động trùng với phương dòng thấm, điểm đặt tại trọng tâm khối đất Đối với bài toán phẳng, diện tích mặt cắt ngang khối đất là ω, gradient trung bình trong diện tích đó là J, lực thấm thuỷ động là: Wt = ω.J.γn, với γn là trọng lượng riêng của nước
Dưới tác dụng của lực thấm thuỷ động, mái đập càng dễ mất ổn định
Hình 1.1 Đường bão hoà và khu mao dẫn trong thân đập
2 Ảnh hưởng của nước thượng hạ lưu đối với mái đập
Mực nước thượng hạ lưu, đập có thể gây phá hoại đất ở mái đập Dưới tác dụng của sóng các kết cấu bảo vệ mái đập có thể bị phá vỡ, gây xói lở thân mái, làm trôi các tầng lọc bảo vệ
Hình 1.2 Tác động của sóng lên mái thượng lưu đập
3 Tác hại của nước mưa và nhiệt độ:
Trong thời gian mưa, một phần nước sẽ thấm vào đập và một phần chảy trên mái đập có thể gây bào mòn và xói đất hoặc làm tan rã đất, hiện tượng này tiếp diễn làm giảm mặt cắt đập, gây biến dạng Trong thiết kế đập đất cần có hệ thống thoát nước mưa ở đỉnh và mái đập nhằm tập trung nước vào các rãnh xây và chuyển xuống hạ lưu
Nếu có lượng nước tràn lan quá mức trên đập, đặc biệt là các loại đất sét hoặc pha sét dễ co ngót, có thể khiến thân đập nứt nẻ do sự thay đổi nhiệt độ.
4 Biến dạng của nền và thân đập:
Dưới tác dụng của trọng lượng bản thân, đất thân đập và nền bị biến dạng Chuyển vị đứng làm giảm chiều cao đập Biến dạng làm đập và các thiết bị chống thấm bằng đất nứt nẻ gây nguy hiểm cho đập
1.2.2 Yêu c ầu đố i v ớ i v ậ t li ệu đất đắ p Đập đồng chất - Đất đắp đập phải đảm bảo một mức độ ít thấm nước nhất định, phải có đủ tính bền để đảm bảo ổn định chống trượt của mái đập Tính bền đó thể hiện ở các chỉ tiêu cơ lý như: cường độ chống cắt, góc ma sát trong, lực dính v.v Hàm lượng chất hữu cơ trong đất tính theo trọng lượng không được quá 1% Hàm lượng muối và chất hoà tan không quá 3% Đối với các đập loại vừa và nhỏ tuỳ điều kiện cụ thể có thể cho phép các hàm lượng cao hơn chút ít, nhưng không quá mức, để tránh đập bị lún không đều, tránh sinh thấm tập trung Đập không đồng chất - Đất thân đập phải đảm bảo hai yêu cầu chủ yếu là đủ tính bền và tính chống nước tốt Yêu cầu chủ yếu đối với thiết bị chống thấm là ít thấm nước và có tính dẻo Nếu dùng đất làm tường nghiêng, tường lõi hoặc sân trước phải đảm bảo hệ số thấm nhỏ hơn hệ số thấm của đất thân đập (20 ÷ 50) lần Đồng thời đất làm vật liệu chống thấm phải đủ dẻo, dễ thích ứng với biến hình của thân đập mà không nứt nẻ Tính dẻo biểu thị bằng chỉ số dẻo W n , phải đảm bảo W n < 7 để dễ thi công Đất sét béo Wn > 20 là loại vật liệu không thích hợp vì có hàm lượng nước quá lớn khó thi công, dễ sinh áp lực kẽ rỗng lớn làm mất ổn định mái đập Vật thoát nước phải đảm bảo dễ thoát nước và chống được phong hoá
Các loại đất thường không được sử dụng để đắp đập: Đá vôi, thạch cao và các loại vật liệu thô như sỏi sạn, cát; Vân mẫu, diệp thạch và các nham thạch dễ phong hoá; Đất bùn dễ biến hình; Đất chứa nhiều chất hoà tan; Đất có tính trương nở, tan rã Trong trường hợp đặc biệt, có thể dùng các vật liệu trên nhưng phải nghiên cứu, cải tạo để sử dụng cho thích hợp
Khi lựa chọn vật liệu đắp đập cần căn cứ vào các chỉ tiêu cơ lý sau:
2 Độ rỗng và độ ẩm của đất
3 Khối lượng riêng và tỷ trọng
4 Hệ số thấm sau khi đắp đập
5 Góc ma sát trong và lực dính đơn vị
7 Chỉ số dẻo và giới hạn dẻo của đất dính
8 Độ cao nước mao dẫn trong đất đắp
9 Hàm lượng chất hữu cơ và chất hoà tan Đối với các đập cao trên 25m cần xét kỹ các chỉ tiêu 7, 8, 9
Cấp phối hạt là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của đất Khả năng chịu lực của đất phụ thuộc vào cấp phối, hình dạng hạt và thành phần khoáng vật, trong đó cấp phối hạt là nhân tố chủ yếu Khi đắp đập bằng phương pháp đầm nén, loại đất có thành phần hạt không đều thường dễ thi công, dễ đạt dung trọng lớn, hệ số thấm nhỏ và lực chống cắt cao Đó là do những hạt lớn làm cốt, hạt nhỏ lấp đầy các kẽ hở tạo thành một liên kết chặt chẽ Đất có hệ số không đều η ≤ 30÷100 là loại cấp phối tốt Loại đất có η < 5÷10 có tính thấm nước mạnh và khó đầm nén chặt Hàm lượng hạt sét (d < 0,005mm) là một trong những nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất đất: Đất cát có hàm lượng sét từ 10÷25% là loại vật liệu thích hợp để đắp đập đồng chất; Đất mà hàm lượng sét từ 30÷40% (hoặc hàm lượng sét cao hơn) được dùng để đắp tường nghiêng hoặc tường lõi; Đất có hàm lượng sét > 50÷60% ít được dùng để đắp đập Độ chặt của đất là một trong những nhân tố quyết định sự ổn định của đập Đất càng chặt, dung trọng khô càng lớn và những tính chất cơ lý cũng thay đổi một cách có lợi như giảm được lún, giảm biến hình khi chịu tải trọng (trọng lượng bản thân và ngoại lực) giảm được độ rỗng, đỡ thấm nước, tăng được cường độ chống cắt Như vậy mái đập có thể làm dốc hơn, khối lượng đất đắp cũng giảm nhỏ, nhưng vẫn bảo đảm ổn
7 định Vì những lý do trên, khi điều kiện thi công cho phép và về kinh tế xét thấy hợp lý thì người ta thường cố gắng tăng độ chặt của đất Độ chặt của đất phụ thuộc vào các yếu tố: Phương pháp và loại máy đầm nén; Tải trọng của máy đầm tác dụng lên một đơn vị diện tích mặt đất; Số lần đầm; Tốc độ và thời gian tác dụng của đầm; Loại đất; Lượng ngậm nước; Độ dày lớp đất cần đầm nén.
Các sự cố về đập liên quan đến tính chất của vật liệu đất đắp
1.3.1 V ỡ đậ p Su ố i Hành ở Khánh Hoà Đập Suối Hành có một số thông số cơ bản sau:
- Dung tích hồ: 7,9 triệu m3 nước
- Khảo sát: Công ty Sơn Hà, TP Hồ Chí Minh
- Thiết kế: Xí nghiệp KSTK thuộc Sở Thuỷ lợi Khánh Hoà
- Thi công: Công ty Xây dựng Thuỷ lợi 7, Bộ Thuỷ lợi Đập được khởi công từ tháng 10/1984, hoàn công tháng 9/1986 và bị vỡ vào 2h15 phút đêm 03/12/1986
Thiệt hại do vỡ đập:
- Trên 100 ha cây lương thực bị phá hỏng
- 20 ha đất trồng trọt bị cát sỏi vùi lấp
- 20 ngôi nhà bị cuốn trôi
- 4 người bị nước cuốn chết
Nguyên nhân: Khi thí nghiệm vật liệu đất đã bỏ sót không thí nghiệm 3 chỉ tiêu rất quan trọng là độ tan rã, độ lún ướt và độ trương nở, do đó đã không nhận diện được tính hoàng thổ rất nguy hiểm của các bãi từ đó đánh giá sai lầm chất lượng đất đắp đập Công tác khảo sát địa chất quá kém, các số liệu thí nghiệm về đất bị sai rất nhiều so với kết quả kiểm tra của các cơ quan chuyên môn của Nhà nước như Trường Đại học Bách khoa TP HCM, Viện Khoa học Thuỷ lợi Miền Nam
Vật liệu đất có tính chất phức tạp, không đồng đều, khác biệt rất nhiều, ngay trong một bãi vật liệu các tính chất cơ lý lực học cũng đã khác nhau nhưng không được mô tả và thể hiện đầy đủ trên các tài liệu
Thiết kế chọn chỉ tiêu trung bình của nhiều loại đất để sử dụng chỉ tiêu đó thiết kế cho toàn bộ thân đập là một sai lầm rất lớn Tưởng rằng đất đồng chất nhưng thực tế là không Thiết kế γk = 1,7T/m 3 với độ chặt là k = 0,97 nhưng thực tế nhiều nơi khác có loại đất khác có γk = 1,7T/m 3 nhưng độ chặt chỉ mới đạt k = 0,9
Do việc đất trong thân đập không đồng nhất, độ chặt không đều cho nên sinh ra việc lún không đều, những chỗ bị xốp đất bị tan rã khi gặp nước gây nên sự lún sụt trong thân đập, dòng thấm nhanh chóng gây nên luồng nước xói xuyên qua đập làm vỡ đập Việc lựa chọn sai lầm dung trọng khô thiết kế của đất đắp đập là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến sự cố vỡ đập Kỹ sư thiết kế không nắm bắt được các đặc tính cơ bản của đập đất, không kiểm tra để phát hiện các sai sót trong khảo sát và thí nghiệm nên đã chấp nhận một cách dễ dàng các số liệu do các cán bộ địa chất cung cấp
Không có biện pháp xử lý độ ẩm thích hợp cho đất đắp đập vì có nhiều loại đất khác nhau có độ ẩm khác nhau, bản thân độ ẩm lại thay đổi theo thời tiết nên nếu người thiết kế không đưa ra giải pháp xử lý độ ẩm thích hợp sẽ ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả đầm nén và dung trọng của đất Điều này dẫn đến kết quả trong thân đập tồn tại nhiều γ k khác nhau
Sai lầm trong lựa chọn kết cấu đập là một trong những nguyên nhân dẫn đến sự cố Việc coi đập đất là đồng chất khi có nhiều loại đất khác nhau là không hợp lý Thay vào đó, mặt cắt đập phải được phân chia thành nhiều khối với các đặc tính cơ lý khác nhau để đảm bảo tính ổn định và an toàn cho toàn bộ mặt cắt.
Trong thi công cũng có rất nhiều sai sót như bóc lớp đất thảo mộc không hết, chiều dày rải lớp đất đầm quá dày trong khi thiết bị đầm nén lúc bấy giờ chưa được trang bị đến mức cần thiết và đạt yêu cầu, biện pháp xử lý độ ẩm không đảm bảo yêu cầu
9 chất lượng, xử lý nối tiếp giữa đập đất và các mặt bê tông cũng như những vách đá của vai đập không kỹ cho nên thân đập là tổ hợp của các loại đất có các chỉ tiêu cơ lý lực học không đồng đều, dưới tác dụng của áp lực nước sinh ra biến dạng không đều trong thân đập, phát sinh ra những kẽ nứt dần dần chuyển thành những dòng xói phá hoại toàn bộ thân đập
1.3.2 V ỡ đậ p Su ố i Tr ầ u ở Khánh Hoà Đập Suối Trầu ở Khánh Hoà bị sự cố 4 lần:
- Lần thứ 1: năm 1977 vỡ đập chính lần 1
- Lần thứ 2: năm 1978 vỡ đập chính lần 2
- Lần thứ 3: năm 1980 xuất hiện lỗ rò qua đập chính
- Lần thứ 4: năm 1983 sụt mái thượng lưu nhiều chỗ, xuất hiện 7 lỗ rò ở đuôi cống Đập Suối Trầu có dung tích 9,3 triệu m3 nước
- Chiều cao đập cao nhất: 19,6m
- Đơn vị tư vấn thiết kế: Công ty KSTK Thuỷ lợi Khánh Hoà
- Đơn vị thi công: Công ty công trình 4-5, Bộ Giao thông Vận tải
Nguyên nhân của sự cố:
Về thiết kế: xác định sai dung trọng thiết kế Trong khi dung trọng khô đất cần đạt γk = 1,84T/m3 thì chọn dung trọng khô thiết kế γk = 1,5T/m 3 cho nên không cần đầm, chỉ cần đổ đất cho xe tải đi qua đã có thể đạt dung trọng yêu cầu, kết quả là đập hoàn toàn bị tơi xốp
Về thi công: đào hố móng cống quá hẹp không còn chỗ để người đầm đứng đầm đất ở mang cống Đất đắp không được chọn lọc, nhiều nơi chỉ đạt dung trọng khô γk 1,4T/m 3 , đổ đất các lớp quá dày, phía dưới mỗi lớp không được đầm chặt
Về quản lý chất lượng:
- Không thẩm định thiết kế
- Giám sát thi công không chặt chẽ, nhất là những chỗ quan trọng như mang cống, các phần tiếp giáp giữa đất và bê tông, không kiểm tra dung trọng đầy đủ
- Số lượng lấy mẫu thí nghiệm dung trọng ít hơn quy định của tiêu chuẩn, thường chỉ đạt 10% Không đánh dấu vị trí lấy mẫu
1.3.3 V ỡ đậ p Am Chúa ở Khánh Hoà Đập Am Chúa ở Khánh Hoà cũng có quy mô tương tự như hai đập đã nói trên đây Đập được hoàn thành năm 1986, sau khi chuẩn bị khánh thành thì lũ về làm nước hồ dâng cao, xuất hiện lỗ rò từ dưới mực nước dâng bình thường rồi từ lỗ rò đó chia ra làm 6 nhánh như những vòi của con bạch tuộc xói qua thân đập làm cho đập vỡ hoàn toàn chỉ trong 6 tiếng đồng hồ Nguyên nhân cũng giống như các đập nói trên
- Khảo sát xác định sai chỉ tiêu của đất đắp đập, không xác định được tính chất tan rã, lún ướt và trương nở của đất nên không cung cấp đủ các tài liệu cho người thiết kế để có biện pháp xử lý
- Thiết kế không nghiên cứu kỹ sự không đồng nhất của các bãi vật liệu nên vẫn cho rằng đây là đập đất đồng chất để rồi khi dâng nước các bộ phận của đập làm việc không đều gây nên nứt nẻ, sụt lún, tan rã, hình thành các vết nứt và các lỗ rò
Thi công không đảm bảo chất lượng, đầm đất không đạt dung trọng khiến đất không được cố kết chặt Khi hồ bắt đầu chứa nước, đất gặp nước thì tan rã do không có sự liên kết chặt chẽ, dẫn đến mất ổn định kết cấu, ảnh hưởng đến toàn bộ công trình và có nguy cơ gây nguy hiểm cho người dân xung quanh.
PHÂN LOẠI ĐẤT TRONG XÂY DỰNG ĐẬP
Các nguyên tắc phân loại
Việc đưa ra cách phân loại đất theo qui ước nhằm miêu tả các vật liệu khác nhau đã gặp trong hiện trường khảo sát là cần thiết, dùng để sắp xếp đất xây dựng thành những nhóm có tính chất tương tự, nhằm định hướng các vấn đề và đặc tính của đất cần phải nghiên cứu Hệ thống phân loại được chấp nhận cần bao trùm tất cả các loại đất, kể cả những loại ít gặp và phải đảm bảo tính hợp lý và có hệ thống Các thuật ngữ và kí hiệu tên đất, thành phần trạng thái được dùng thống nhất theo quy ước quốc tế.
Phân loại theo nguồn gốc và thành phần khoáng vật
Trong những trường hợp khác nhau, thuật ngữ đất được dùng mang sắc thái khác nhau về ý nghĩa Khi nghiên cứu về nguồn gốc của đất, ta thường theo quan điểm của các nhà địa chất coi đất là các lớp vật liệu rời, hình thành do đá bị phong hóa, phân vụn ra không cố kết và phân bố từ mặt đất xuống tới đá cứng Theo nguồn gốc và thành phần khoáng vật, đất được phân thành các loại sau [3]:
- Đá: nguồn gốc macma, trầm tích hay biến chất, chiếm phần đáng kể của vỏ quả đất, có liên kết cứng chắc Trong đó, đá macma thành tạo từ vật liệu nóng chảy lỏng (macma) được nguội lạnh ở trong hay trên mặt vỏ quả đất, như các đá granit, bazan, đolerit, andezit, gabro, sienit, pocfia; đá trầm tích thành tạo ở dạng lớp do các vật liệu lắng đọng trong nước tại biển, hồ như các loại đá vôi, cát kết, đá sét, cuội kết ; đá biến chất thành tạo từ các đá đã tồn tại trước sau bị biến đổi do quá nóng (đá hoa, quaczit ) hay do áp lực quá cao (đá phiến)
- Đất: là bất kỳ vật liệu rời hay dễ đào nào mà ta sẽ tiến hành xây dựng ở trên hay bên trong nó hoặc dùng nó để xây dựng Trong xây dựng, đất phân thành các loại sau:
Đất hữu cơ là sự kết hợp của các hạt khoáng vật và vật chất hữu cơ có nguồn gốc thực vật đang phân hủy ở các giai đoạn khác nhau Đất hữu cơ thường hình thành ở các khu vực như hồ, vịnh, cửa sông, cảng và hồ chứa Vật chất hữu cơ mang lại cho đất đặc điểm là sờ vào thấy trơn, có màu sẫm và có mùi dễ nhận biết.
+ Than bùn: Than bùn tạo thành hoàn toàn từ vật chất hữu cơ, có tính xốp, ép co mạnh và có khả năng đốt cháy cao Các khoáng vật vô cơ cũng có thể có mặt và khi hàm lượng tăng lên, nó chuyển thành đất hữu cơ Theo quan điểm xây dựng, than bùn có nhiều vấn đề do có hệ số rỗng, độ ẩm lớn, khả năng ép co cao, một số trường hợp có tính axit
+ Đất tàn tích: là tàn dư của đá bị phong hóa và chưa bị di chuyển Thường là cát hay cuội, hàm lượng oxit cao do quá trình rửa đất Các ví dụ như đất laterit, boxit, đất sét làm đồ sứ
+ Đất bồi (aluvi): là các vật liệu như cát, cuội được trầm đọng từ sông, suối Đặc trưng của đất bồi là tuyển lựa (cỡ hạt) tốt nhưng chúng cũng thường hình thành các tầng không liên tục và bất thường
+ Đất dính: Đất chứa các hạt sét hay bụi vừa đủ để tạo được rõ tính dính và dẻo + Đất không dính: các đất như cát và cuội, bao gồm các hạt tròn hay góc cạnh (không có dạng tấm), không biểu hiện tính dẻo và tính dính
+ Đất sét chứa đá tảng (sét tảng): là đất có nguồn gốc băng hà, gồm các hạt có kích thước trong phạm vi rộng từ bụi đá mịn tới đá tảng
+ Trầm tích mới: Là các trầm tích trên mặt còn mới, chưa cố kết như đất bồi, băng tích và đất sét chứa đá tảng nguồn gốc sông băng, cát do gió, hoàng thổ
Phân loại theo thành phần hạt
Theo TCVN 5747: 1993 đất xây dựng - phân loại [4] (hoặc TCVN 8217-2009), trình tự phân loại được thực hiện lần lượt như sau :
- Dựa trên thành phần kích thước hạt chiếm ưu thế trong đất để phân chia nó thành hai nhóm lớn là hạt thô và hạt mịn;
- Dựa trên hàm lượng các hạt để phân chia nhóm đất hạt thô thành các phụ nhóm;
- Dựa trên các giá trị giới hạn chảy, giới hạn dẻo, chỉ số dẻo để phân chia nhóm đất hạt mịn thành các phụ nhóm
Bảng 2.1 Định nghĩa và kí hiệu qui ước các nhóm hạt
Tên Định nghĩa Kí hiệu Tên gọi quốc tế thông dụng (tiếng Anh) Đá tảng Hạt có kích thước lớn hơn 300mm B Boulfer
Cuội (dăm) có kích thước từ 300 đến 150mm Co Cobble
Sỏi (sạn) có kích thước từ 150 đến 2 mm G Gravel
Cát có kích thước từ 2 đến 0,06 mm S Sand
Bụi có kích thước từ 0,06 đến 0,02 mm M Silt (Mo, Mjala, tiếng Thuỵ Điển) Sét có kích thước từ < 0,002 mm C Clay
Hạt mịn tập hợp của các hạt bụi và hạt sét
Hạt thô các hạt có kích thước đường kính lớn hơn hạt bụi
2.3.1 Đấ t h ạ t m ị n Định nghĩa: là đất gồm hơn 50% trọng lượng là những hạt có kích thước nhỏ hơn 0,08 mm Đất hạt mịn được phân loại dựa trên kết quả thí nghiệm xác định giới hạn chảy (W1) và giới hạn dẻo (Wp) hoặc chỉ số dẻo Ip; dựa vào biểu đồ dẻo trong Hình 2.1, sẽ xác định được loại đất
Hình 2.1 Phân loại đất hạt mịn trong phòng thí nghiệm – Biểu đồ dẻo
Mỗi phụ nhóm trong đất hạt mịn được kí hiệu bằng hai chữ cái; chữ cái đầu là tên gọi của đất, chữ cái sau mô tả tính nén của đất Sau đây là ý nghĩa của các kí hiệu:
- Đất bụi được kí hiệu bằng chữ M;
- Đất sét được kí hiệu bằng chữ C;
- Đất hữu cơ được kí hiệu bằng chữ O
Mỗi loại đất đặc trưng kể trên được phân chia thành 2 phụ nhóm dựa theo giá trị giới hạn chảy W1 Nếu W1 < 50% , đất có tính nén từ thấp đến trung bình, được kí hiệu bằng chữ L Kết hợp với các tên đất, sẽ có 3 phụ nhóm: CL, ML và OL Khi W1 > 50%, đất có tính nén cao, được kí hiệu bằng chữ H Ba phụ nhóm tương ứng là CH,
Nhóm đất CL và CH bao gồm các sét vô cơ Nhóm CL nằm ở vùng trên của đường thẳng "A", được xác định bởi các giá trị W1 nhỏ hơn 50% và Ip > 7% Nhóm CH cũng nằm trên đường thẳng “A", được xác định bởi giá trị W1 > 50%
Nhóm đất ML và MH Nhóm ML nằm ở vùng dưới đường thẳng “A", có giá trị W1
< 50% và có Ip < 4 Nhóm MH tương ứng với vùng nằm dưới đường thẳng “A” có
Nhóm đất có độ ẩm giới hạn dẻo (W1) lớn hơn 50% bao gồm đất bụi vô cơ và đất bụi sét, trong đó đất hoàng thổ có W1 nằm trong khoảng 25% - 35% Đối với đất hạt mịn có Ip nằm trong khoảng 4% - 7% trên đường thẳng "A" được coi là trường hợp biên và được ký hiệu là CL-ML.
Nhóm OL và OH phân bố gần trùng với hai nhóm ML và MH; khi trong các đất này có chứa một hàm lượng hữu cơ, chúng nằm gần sát với đường thẳng “A”
Nhóm Pt (than bùn) có giá trị W1 từ 300 ÷ 500% và Ip từ 100 ÷ 200%, không nằm trong biểu đồ dẻo Đất hạt mịn được phân loại nhanh ở hiện trường dựa theo các thử nghiệm ước lượng sau:
- Sức bền của đất ở trạng thái khô khi bị bóp vỡ được đánh giá theo cảm tính;
- Độ bền của đất - được tiến hành giống như thí nghiệm xác định giới hạn dẻo, nhưng không nhằm xác định giá trị độ ẩm của đất, mà đánh giá độ bền của đất ở lân cận giới hạn dẻo;
- Sự ứng xử của đất dưới tác động rung, nhằm xác định khả năng xuất hiện và biến mất của nước khi nhào nặn và đập một miếng đất dẻo trong lòng bàn tay;
- Màu sắc và mùi vị của đất - đặc biệt quan trọng đối với đất hữu cơ
Bảng 2.2 Phân loại nhanh nhất đất hạt mịn
Hơn 50% trọng lượng của đất là các loại có kích thước < 0,08mm
Nhận dạng đất qua thành phần các hạt có kích thước <
Độ bền của đất ở trạng thái khô khi bị bóp vỡ là chỉ số phản ánh khả năng chịu lực nén của đất khi ở trạng thái khô Độ bền của đất ở giới hạn dẻo là độ bền của đất ở trạng thái đất đạt độ sệt lân cận giới hạn dẻo Ứng xử của đất dưới tác động rung là phản ứng của đất khi chịu tác động của lực rung, thể hiện khả năng chống lại sự thay đổi hình dạng và tính chất cơ lý của đất Các thông số này có ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá khả năng chịu tải, độ ổn định của đất nền và thiết kế các công trình xây dựng.
W 1 < 50% Bằng không hoặc gần bằng không
Không có Từ nhanh đến rất chậm
Từ trung bình đến lớn
Trung bình Từ không đến rất chậm
CL Đất sét ít dẻo
Từ nhỏ đến trung bình
Yếu Chậm OL Đất bụi và sét hữu cơ ít dẻo
W1 >50% Từ nhỏ đến trung bình
Từ yếu đến trung bình
Từ lớn đến rất lớn Lớn Từ không đến rất chậm
Từ trung bình đến lớn
Từ yếu đến trung bình
O N Đất bụi và sét hữu cơ rất dẻo
Thành phần chủ yếu là hữu cơ
Có mùi phân biệt, màu tối, vệt đen có tàn tích thực vật sợi, nhẹ, ẩm
Pt Than bùn hay đất có hàm lượng hữu cơ lớn
2.3.2 Đấ t h ạ t thô Định nghĩa: là đất gồm hơn 50% trọng lượng là những hạt có kích thước lớn hơn 0,08 mm Đất hạt thô được phân loại từ các kết quả thí nghiệm phân tích hạt trong phòng thí nghiệm
Mỗi phụ nhóm trong đất hạt thô được kí hiệu bằng hai chữ cái Chữ đầu tiên mô tả tên của loại đất, chữ sau mô tả đặc tính của đất, ý nghĩa của các nhóm chữ được biểu hiện như sau:
- Đất sỏi sạn: đất, gồm phần lớn là các hạt sỏi sạn, được kí hiệu bằng chữ G
- Đất cát: đất, gồm phần lớn là các hạt cát, được kí hiệu bằng chữ S Đất cuội sỏi và đất cát được chia thành 4 phụ nhóm:
- Đất chứa ít hoặc không chứa hạt mịn, không có loại hạt nào chiếm ưu thế về hàm lượng; cấp phối tốt, được kí hiệu bằng chữ W Kết hợp với hai chữ cái của tên đất, có GW và SW;
- Đất chứa ít hoặc không chứa hạt mịn, có một loại hạt chiếm ưu thế về hàm lượng; cấp phối kém, được kí hiệu bằng chữ P Kết hợp với các chữ của tên đất có GP và
- Đất hạt thô có chứa một lượng đáng kể hạt mịn, (chủ yếu là hạt bụi) không có tính dẻo, được kí hiệu bằng chữ M Kết hợp với chứ cái của tên đất có GM và SM
- Đất hạt thô có một lượng đáng kể hạt sét được kí hiệu bằng chữ C Kết hợp với các chữ cái tên đất, có GC và SC
Bảng 2.3 Phân loại đất hạt thô
Hơn 50% trọng lượng của đất là các hạt có kích thước 0,08 mm Định nghĩa Kí hiệu Điều kiện nhận biết Tên gọi Đất cuội sỏi
Hơn 50% trọng lượng thành phần hạt thô có kích thước >2mm Đất sỏi sạn sạch
Trọng lượng hạt có kích thước <
C c = D =1÷3 Đất sỏi, sạn Cấp phối tốt
GP Một trong hai điều kiện của GW không thoả mãn Đất sỏi, sạn cấp phối kém Đất sỏi sạn có lẫn hạt mịn
Trọng lượng hạt có kích thước <
GM Giới hạn Atterberg nằm dưới đường A (xem biểu đồ Hình 2.1) hay Ip < 4
Sỏi lẫn bụi Hỗn hợp sỏi lẫn cát- sét, cấp phối kém
GC Giới hạn Atterberg nằm trên đường A (xem biểu đồ Hình 2.1) hay Ip > 7
Sỏi lẫn sét Hỗn hợp sỏi lẫn cát – sét, cấp phối kém Đất cát
Hơn 50% trọng lượng thành phần hạt thô có kích thước 7
Cát lẫn sét, hỗn hợp cát – sét cấp phối kém
Cu - Hệ số đồng nhất = D60/D10
Cc - Hệ số đường cong (hệ số cấp phối) = (D30) 2 /(D60 x D10)
Dn - Kích thước đường kính hạt mà lượng chứa các cỡ nhỏ hơn nó chiếm n%
Các đất hạt thô được phân loại nhanh ở hiện trường, dựa trên cách nhận dạng các hạt đất ở hiện trường bằng mắt và kinh nghiệm
Bảng 2.4 Bảng phân loại nhanh đất hạt thô
Loại thô có kích thước > 60 mm, dựa trên trọng lượng ước lượng của các loại hạt
50% trọng lượng đất có kích thước hạt >
0,08m m là kích thước nhỏ nhất có thể nhận thấy được bằng mặt thườn g) Đất sỏi sạn hơn 50% trọng lượng phần cát thô có kích thước >2mm
Sạch không có hoặc có ít thành phần hạt mịn
Có tất cả các loại kích thước hạt và không có loại hạt nào chiểm ưu thế về hàm lượng
GW Đất sỏi, sạn cấp phối tốt
Có một loại hạt chiếm ưu thế về hàm lượng
GP Đất sỏi, sạn cấp phối kém
Có thành phần hạt mịn
Có chứa thành phần hạt mịn, không có tính dẻo
GM Đất sỏi, sạn cấp phối tốt lẫn bụi
Có chứa thành phần hạt mịn, có tính dẻo
GC Đất sỏi, sạn lẫn sét Đất sỏi sạn hơn 50% trọng lượng phần cát thô có kích thước < 2mm
Sạch không có hoặc có ít thành phần hạt mịn
Có tất cả các loại kích thước hạt nào chiểm ưu thế về hàm lượng
SW Đất cát sạch cấp phối tốt
Có một loại hạt chiếm ưu thế về hàm lượng
SP Đất cát cấp phối kém
Có thành phần hạt mịn
Có chứa thành phần hạt mịn, không có tính dẻo
SM Đất cát lẫn bụi
Có chứa thành phần hạt mịn, có tính dẻo
SC Đất cát lẫn sét
Phân loại theo các tính chất của đất trong xây dựng
Là đất mà giữa các hạt có sự bám dính, dính kết lẫn nhau bởi sự hiện diện đáng kể của vật liệu hạt bụi và hạt sét (vật liệu kết dính) Khi khô thì thành khối cứng chắc, khi ẩm ướt thì thể hiện tính dẻo dính Đó là các đất hạt mịn, đất cát và đất sỏi sạn có chứa hơn 10% hàm lượng hạt bụi và sét, trong đó hàm lượng hạt sét chiếm hơn 3% khối lượng
Thường dùng giới hạn Aterrberg và chỉ tiêu độ sệt B để đánh giá độ cứng mềm (trạng thái) của đất dính (Bảng 2.5)
Giới hạn Aterrberg là những độ ẩm quá độ khi đất chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác Aterrberg phân biệt ba loại độ ẩm quá độ là giới hạn chảy, giới hạn dẻo và giới hạn co Giới hạn chảy (ωch) là độ ẩm quá độ khi đất chuyển từ trạng thái dẻo sang trạng thái chảy; Giới hạn dẻo (ωd) là độ ẩm quá độ khi đất chuyển từ trạng thái nửa rắn sang trạng thái dẻo; Giới hạn co (ωc) là độ ẩm quá độ khi đất chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái nửa rắn Độ sệt B được định nghĩa như sau: o d o d ch d
Với ωo là độ ẩm tự nhiên của đất; ωd là độ ẩm giới hạn dẻo của đất; ωch là độ ẩm giới hạn chảy của đất;
A = ω ch - ω d là chỉ số dẻo
Bảng 2.5 Tiêu chuẩn đánh giá trạng thái của đất dính
Tên đất Trạng thái Độ sệt B Á cát
Rắn Nửa rắn Dẻo Dẻo mềm Dẻo chảy Chảy
Là đất cấu thành từ các hạt rời mà ở trạng thái khô cũng như ở trạng thái ẩm ướt hoàn toàn không có hoặc có không đáng kể các liên kết keo nước, liên kết ion tĩnh điện giữa các hạt rắn tạo đất; bao gồm các hạt đất thô có thành phần thuần túy là cát hoặc sỏi (sạn), cuội (dăm), hòn tảng hoặc hỗn hợp của chúng và cũng có thể là các hạt đất thô nhưng có hàm lượng hạt bụi và hạt sét ít hơn 10%, trong đó hàm lượng hạt sét ít hơn 3% khối lượng Để đánh giá trạng thái vật lý của đất rời thường dùng khái niệm về độ chặt Đất rời càng chặt thì khả năng chịu lực càng lớn, tính ép co và tính thấm càng nhỏ Trong thực tế, thường dùng độ chặt D làm chỉ tiêu đánh giá trạng thái của đất rời ax 0 ax min m m
- Hệ số rỗng của đất cát ở trạng thái tự nhiên là ε0.- Hệ số rỗng của đất cát ở trạng thái xốp nhất là ε max.- Hệ số rỗng của đất cát ở trạng thái chặt nhất là εmin.
Trong xây dựng chia độ chặt D thành 3 mức tương ứng với 3 trạng thái của đất: Đất cát chặt D>0,67 Đất cát chặt vừa 0,33≤D≤0,67 Đất cát xốp D
