Xác định hệ số cố kết cv của đất yếu khu vực nam tp hồ chí minh từ thí nghiệm nén đa trục

Theo lịch sử hình thành trầm tích, lớp trầm tích này đanh trong quá trình thành tạo và có các tính chất đặc trưng của một tầng đất yếu.. Luận văn được trình bày trong 4 chương: chương 1,

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

Trương Ngọc Ánh

XÁC ĐỊNH HỆ SỐ CỐ KẾT C V CỦA ĐẤT YẾU KHU VỰC NAM TP HỒ CHÍ MINH

TỪ THÍ NGHIỆM NÉN BA TRỤC

Chuyên ngành : Địa Kỹ Thuật Mã số ngành : 60.44.68

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2006

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN MẠNH THỦY

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS HUỲNH NGỌC SANG

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS ĐẬU VĂN NGỌ

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Ngày 15 tháng 12 năm 2006

i

- -

TP HCM, ngày tháng năm 2006

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TRƯƠNG NGỌC ÁNH Phái: Nữ

Ngày, tháng năm sinh: 16-05-1978 Nơi sinh: Vĩnh Long

I TÊN ĐỀ TÀI: Xác định hệ số cố kết Cv của đất yếu khu vực nam Tp Hồ

Chí Minh từ thí nghiệm nén ba trục

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- NHIỆM VỤ: Xác định hệ số cố kết Cv và nghiên cứu đặc tính cố kết của đất

yếu khu vực nam Tp Hồ Chí Minh có xét đến sự ảnh hưởng của áp lực hông từ thí nghiệm nén cố kết trên máy ba trục

- NỘI DUNG:

1 Nghiên cứu điều kiện thành tạo và các đặc trưng cơ lý của đất yếu khu vực nam thành phố Hồ Chí Minh

2 Xác định hệ số cố kết thấm Cv từ thí nghiệm nén cố kết trên máy nén một trục

3 Xác định hệ số cố kết thấm Cv từ thí nghiệm nén cố kết trên máy nén ba trục

4 Đánh giá đặc tính cố kết của đất có xét đến ảnh hưởng của áp lực hông dựa trên kết quả thí nghiệm nén cố kết đẳng hướng ba trục

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Mạnh Thủy

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

QL CHUYÊN NGÀNH

TS NGUYỄN MẠNH THỦY PGS.TS LÊ PHƯỚC HẢO TS NGUYỄN MẠNH THỦY

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua

Ngày tháng năm 2006

TRƯỞNG PHÒNG ĐT-SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH

ii

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được Luận Văn Tốt Nghiệp này, tôi đã nhận được sự nhiệt tình giúp đỡ và động viên rất lớn của rất nhiều người Nhân đây, tôi muốn được gửi lời cảm ơn chân thành đến những người đã giúp đỡ tôi

Trước hết, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến TS Nguyễn Mạnh Thủy, người thầy đã rất tận tình hướng dẫn, động viên và truyền đạt cho tôi những kiến thức vô cùng quý báu trong suốt thời gian tôi học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến BLĐ Công ty TNHH Nhà Nước MTV Khảo Sát & Xây Dựng – CN Miền Nam, những người đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được tham dự và hoàn thành khóa học

Tôi cũng không quên gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS Lê Minh Sơn và BLĐ Công ty TNHH Tư Vấn – Khảo Sát – Xây Dựng Tổng Hợp H.A.I, những người đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong công tác thí nghiệm để phục vụ cho đề tài nghiên cứu Tôi cũng xin được ghi nhận những kiến thức quý báu và những bài học bổ ích mà các Thầy, Cô trong Khoa Địa Chất & Dầu Khí của Trường ĐH Bách Khoa TP HCM đã truyền đạt cho tôi, giúp tôi vững vàng hơn về khả năng chuyên môn để thực hiện được luận văn tốt nghiệp này

Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến những người thân, bạn bè, đồng nghiệp, những người đã quan tâm, giúp đỡ và động viên tôi rất nhiều trong suốt thời gian tôi thực hiện đề tài nghiên cứu này

iii

TÓM TẮT

Phần lớn bề mặt địa hình khu vực phía Nam TP Hồ Chí Minh bị phủ bởi lớp trầm tích trẻ Holoxen Theo lịch sử hình thành trầm tích, lớp trầm tích này đanh trong quá trình thành tạo và có các tính chất đặc trưng của một tầng đất yếu Đây là nguyên nhân gây lún làm hư hại các công trình xây dựng bên trên Vì thế, cần phải xác định tốc độ cố kết và tiến hành các biện pháp cải tạo đất nền trước khi xây dựng công trình

Vấn đề cố kết của đất sét bão hòa nước đã được nghiên cứu bởi các nhà khoa học trên thế giới với rất nhiều mô hình thí nghiệm khác nhau Ở nước ta, việc nghiên cứu đặc tính cố kết của đất chủ yếu là dựa trên mô hình cố kết một trục Với mô hình thí nghiệm này, mẫu được cố kết trong điều kiện không có áp lực hông nên kết quả thí nghiệm có nhiều sai lệch so với thực tế hiện trường

Luận văn được trình bày trong 4 chương: chương 1, chương 2 trình bày sơ lược về lịch sử nghiên cứu đặc tính cố kết của đất sét bão hòa nước và lịch sử hình thành trầm tích cũng như đặc điểm địa chất chung của khu vực phía Nam TP Hồ Chí Minh; chương 3, chương 4 trình bày phương pháp và kết quả đạt được của việc nghiên cứu đặc tính cố kết của đất yếu khu vực Nam TP Hồ Chí Minh dựa theo mô hình cố kết đẳng hướng trên máy nén ba trục Kết quả nghiên cứu cho thấy áp lực hông và thời gian gia tải có ảnh hưởng đến quá trình cố kết và giá trị hệ số cố kết Cvcủa đất Đây là lần đầu tiên, giá trị hệ số cố kết Cv của đất yếu khu vực phía Nam thành phố được xác định từ thí nghiệm nén cố kết đẳng hướng bằng máy nén ba trục

iv

SUMMARY

In Ho Chi Minh City South, almost area is covered with Holoxen sediments This is a soft soil layer and a cause of building settlement So, at first, we have to defind the consolidation rate of soil and improve the soft soil layer

The consolidation of saturated clays were being researched by scientists in the world with a lot of testing types In our country, this problem was being researched

by one-dimension compression In this model, without the effect of horisontal pressure in consolidation process Therefore, testing results and actual results are different

This composittion consist of 4 chapter: chapter 1 sum up the research about consolidation properties of saturated clays in world and Viet Nam; chapter 2 sum up the history of geology development, structure, geomorphology, hydrogeology, physical and mechanical properties of soils… in Ho Chi Minh City South; chapter 3 and chapter 4 present the method and results of research about consolidation properties of soft soils in Ho Chi Minh City South, rely on triaxial-isotropic consolidate model The results show that horisontal pressure and time loading influence the consolidation process and Cv values of soft soils This is the first time,

Cv values of soft soils in Ho Chi Minh City South are defined by triaxial-isotropic consolidation

v

MỤC LỤC

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Các nghiên cứu về hệ số cố kết một trục 4

1.2 Các nghiên cứu về hệ số cố kết ba trục 13

2.3 Đặc điểm địa hình – địa mạo – tân kiến tạo 21

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33

3.2 Xác định hệ số cố kết Cv theo mô hình cố kết một phương

3.3 Xác định hệ số cố kết Cv theo mô hình cố kết đẳng hướng

vi

PHUÏ LUÏC

LYÙ LÒCH TRÍCH NGANG

1

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trong những năm gần đây, tốc độ xây dựng mới các cơ sở hạ tầng tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh diễn ra rất nhanh Nhiều khu dân cư, đô thị, nhà máy, khu công nghiệp… đã và đang lần lượt mọc lên ở các vùng ven, đặc biệt là ở các quận, huyện thuộc khu vực phía Nam thành phố Ở khu vực này, theo các tài liệu địa chất, phần lớn bề mặt địa hình bị phủ bởi lớp trầm tích trẻ, chưa cố kết nên đất nền có khả năng chịu tải kém và tính nén lún mạnh Đây chính là các nguyên nhân gây nên hiện tượng lún nhiều và lún lệch làm hư hỏng các công trình xây dựng ở bên trên Vì thế, việc áp dụng các biện pháp cải tạo đất nhằm cải thiện khả năng chịu tải của đất nền và giảm nguy cơ gây lún là nhiệm vụ được đặt ra đầu tiên trước khi tiến hành xây dựng công trình

Một trong những thông số quan trọng cần phải xét đến khi tính toán cải tạo đất nền bằng phương pháp thoát nước thẳng đứng là hệ số cố kết ngang Ch Tuy nhiên, việc thí nghiệm nhằm xác định trực tiếp giá trị Ch vẫn chưa được quan tâm đúng mức ở nước ta Các nhà thiết kế hầu hết đều xác định gián tiếp giá trị này thông qua mối quan hệ giữa nó và hệ số cố kết thẳng đứng Cv Hiện nay, giá trị của hệ số Cv chủ yếu đuợc xác định dựa trên thí nghiệm nén cố kết một trục Với mô hình thí nghiệm này, ảnh hưởng của áp lực hông lên mẫu trong quá trình cố kết là không được xét đến nên việc thí nghiệm vẫn chưa mô hình hóa được hết điều kiện làm việc thực tế của mẫu ở hiện trường Do đó, kết quả tính lún theo thực tế và lý thuyết có nhiều khác biệt Một trong những nguyên nhân gây nên sự sai khác này có thể là do sự ảnh hưởng của áp lực hông lên mẫu trong quá trình cố kết Vì thế, trong phạm vi đề tài này sẽ tiến hành thí nghiệm cố kết mẫu theo mô hình cố kết đẳng hướng trên máy nén ba trục để nghiên cứu sự ảnh hưởng của áp lực hông lên quá trình cố kết và giá trị hệ số cố kết Cv của mẫu

2

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Mục đích của đề tài là xác định đặc tính cố kết của đất yếu khu vực Nam thành phố Hồ Chí Minh từ thí nghiệm nén cố kết ba trục đẳng hướng

3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Với mục đích nghiên cứu trên, nội dung nghiên cứu bao gồm các công việc sau:

1 Nghiên cứu điều kiện thành tạo và các đặc trưng cơ lý của trầm tích Holoxen khu vực Nam thành phố Hồ Chí Minh;

2 Xác định hệ số cố kết thấm Cv từ thí nghiệm nén cố kết trên máy nén một trục;

3 Xác định hệ số cố kết thấm Cv từ thí nghiệm nén cố kết trên máy nén

ba trục;

4 Đánh giá đặc tính cố kết của đất có xét đến ảnh hưởng của áp lực hông dựa trên kết quả thí nghiệm nén cố kết đẳng hướng ba trục

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Với nội dung trên, việc nghiên cứu sẽ được tiến hành theo các phương pháp sau:

1 Phương pháp địa chất: nghiên cứu điều kiện thành tạo và quy luật phân bố các trầm tích Holoxen tại khu vực Nam thành phố Hồ Chí Minh;

2 Phương pháp thực nghiệm: tiến hành thí nghiệm trong phòng để xác định các chỉ tiêu vật lý đặc trưng và giá trị hệ số cố kết Cv của các mẫu đất trên máy nén một trục và ba trục;

3 Phương pháp tính toán lý thuyết: tính toán xác định giá trị hệ số cố kết

Cv của các mẫu nghiên cứu;

4 Phương pháp xác suất thống kê: xử lý và tổng hợp các kết quả thí nghiệm

3

5 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Theo các tài liệu nghiên cứu địa chất, bề mặt địa hình khu vực Nhà Bè và Quận 7 bị phủ bởi lớp trầm tích khá dày với thành phần chủ yếu gồm bùn sét và bùn sét pha có lẫn xác thực vật Hầu hết các trầm tích này chưa trải qua quá trình nén chặt tự nhiên, có mức độ bão hòa nước cao, khả năng nén lún lớn và hệ số thấm nhỏ Đây cũng là các đặc trưng của trầm tích trẻ Holoxen hệ tầng Cần Giờ

Do đó, trong phạm vi đề tài này sẽ chọn các trầm tích Holoxen ở khu vực Nhà Bè và Quận 7 làm đối tượng nghiên cứu

6 ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI

1 Lần đầu tiên xác định giá trị hệ số cố kết Cv cho đất yếu khu vực Nam

Tp Hồ Chí Minh từ thí nghiệm nén cố kết đẳng hướng trên máy nén ba trục;

2 Bước đầu làm rõ đặc tính cố kết của đất trong điều kiện thí nghiệm nén

ba trục và sự ảnh hưởng của áp lực hông cũng như thời gian gia tải đến quá trình cố kết

4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 CÁC NGHIÊN CỨU VỀ HỆ SỐ CỐ KẾT MỘT TRỤC

Quá trình cố kết của mẫu đất bão hòa nước đã được Terzaghi nghiên cứu từ những năm 20 của thế kỷ XX dựa trên mô hình nén một trục Lý thuyết này đã được xây dựng ngày càng hoàn thiện hơn bởi nhiều nhà khoa học trên thế giới Một trong những đóng góp quan trọng đó là việc xây dựng các bài toán trên cơ sở kết hợp giữa mô hình cố kết một trục với các mô hình lưu biến như: mô hình thể hiện quan hệ tuyến tính giữa hệ số rỗng và logarit của ứng suất hiệu quả (Davis và Raymond – 1965); mô hình thể hiện hệ số rỗng là hàm của ứng suất hiệu quả và thời gian (Koppejan – 1948, Bjerrum – 1967 và Hansem – 1969); mô hình thể hiện tốc độ thay đổi của hệ số rỗng là hàm của ứng suất hiệu quả (Taylor và Merchant – 1940)… [4] Do các thông số lưu biến thường khó xác định nên các lý thuyết này chưa được áp dụng rộng rãi Vì thế, trong thực tế, bài toán cố kết một trục của Terzaghi vẫn là mô hình chính để tính toán các đặc trưng cố kết của đất nền

Theo Terzaghi, quá trình cố kết được bắt đầu ngay sau khi có sự gia tăng ứng suất thẳng đứng tác dụng lên mẫu Đối với mẫu đất sét bão hòa nước, ban đầu ứng suất gia tăng truyền toàn bộ lên nước trong lỗ rỗng làm phát sinh áp lực nước lỗ rỗng thặng dư và tạo nên một gradient thủy lực Sự chênh áp này đã làm cho nước trong lỗ rỗng thoát dần ra bên ngoài kéo theo sự giảm dần của áp lực nước thặng dư đồng thời với sự tăng dần ứng suất hữu hiệu tác dụng lên mẫu [18] Theo tác giả, quá trình lún của mẫu do sự thoát dần nước lỗ rỗng được gọi là quá trình cố kết và quá trình này kết thúc khi áp lực thặng dư bị triệt tiêu hoàn toàn và ứng suất thẳng đứng là ứng suất hữu hiệu truyền toàn bộ lên khung hạt

5

Để giải bài toán cố kết, Terzaghi đã xây dựng lý thuyết cố kết một phương

dựa trên các giả thiết sau [3]:

1 Lớp đất đồng nhất và hoàn toàn bão hòa nước;

2 Nước trong lỗ rỗng và hạt đất không bị nén;

3 Nước di chuyển trong lỗ rỗng và thoát ra ngoài tuân theo định luật

Darcy;

4 Đất cố kết và thoát nước chỉ theo một phương;

5 Hệ số nén lún và hệ số thấm của mẫu không đổi trong quá trình cố kết

Lý thuyết cố kết của Terzaghi được xem là lý thuyết đầu tiên trên thế giới

nghiên cứu về bài toán cố kết thấm một phương cho đất sét bão hòa nước

Phương trình cố kết của bài toán này có dạng thu gọn như sau:

2 2

z

u C t

v e

v

a

e g

∂ : sự thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng thặng dư theo độ sâu;

Cv : hệ số cố kết (cm2/s);

k : hệ số thấm của đất (cm/s);

e0 : hệ số rỗng tự nhiên của đất;

av : hệ số nén lún của đất (cm2/kG);

g

w

ρ : trọng lượng thể tích của nước (kG/cm3)

6

Năm 1948, phương trình cố kết của Terzaghi đã được Taylor đề nghị phương

pháp giải [3] với các điều kiện biên ban đầu: z=0, ue=0; z=2H, ue=0 và t=0,

ue=Δσ Khi đó, nghiệm của phương trình có dạng:

Trong đó:

σ

Δ : số gia ứng suất tác dụng (kG/cm2);

z : độ sâu của điểm đang xét (cm);

H : chiều dài dòng thấm (cm);

Tv : nhân tố thời gian;

t : thời gian cố kết (s)

Các kết quả nghiên cứu tỉ mỉ của các nhà khoa học đã cho thấy trong quá

trình cố kết, cốt liệu đất và nước có thể có một biến dạng nào đó và các đặc

trưng của đất đều thay đổi [2] Cho nên, giá trị của hệ số cố kết Cv cũng sẽ thay

đổi trong suốt quá trình thí nghiệm Phương pháp xác định giá trị của hệ số cố kết

này đã được Cassagrande và Taylor đề nghị dựa trên biến dạng lún của mẫu theo

thời gian trong thí nghiệm nén cố kết một trục

Theo phương pháp của Cassagrande, chiều cao còn lại của mẫu (hay độ lún)

được thể hiện theo logarit của thời gian Trên biểu đồ quan hệ này, Cassagrande

đã đề nghị cách xác định chiều cao của mẫu khi mức độ cố kết là 0%, 100%,

50% và thời gian tương ứng với mức độ cố kết 50% [1] Trong phương pháp này,

giá trị của hệ số cố kết Cv được xác định theo công thức:

50

2

50 197 0

t H

7

Khác với phương pháp Cassagrande, trong phương pháp Taylor, chiều cao

còn lại của mẫu (hay độ lún) được thể hiện theo căn bậc hai của thời gian Trên

biểu đồ quan hệ này, Taylor đã đề nghị cách xác định chiều cao của mẫu khi

mức độ cố kết là 0%, 90% và thời gian tương ứng để mẫu đạt mức độ cố kết là

90% [1] Giá trị của hệ số cố kết Cv theo phương pháp này được xác định như sau:

90

2

90848.0

t

H

Trong hai công thức (1.4) và (1.5), các thông số H50,H90,t50,t90 lần lượt là

chiều dài dòng thấm và thời gian ứng với khi mẫu đạt 50% và 90% cố kết; các

hằng số 0.197 và 0.848 là các giá trị gần đúng của nhân tố thời gian Tv ứng với

từng phương pháp xác định Ngoài ra, Cassagrande (1938) và Taylor (1948) cũng

đưa ra lời giải gần đúng cho việc xác định giá trị của Tv [1] như sau:

Trường hợp U > 60%: T v =1.781−0.933log(100−U) (1.7)

Hai phương pháp của Cassagrande và Taylor đã giúp cho việc xác định giá

trị của hệ số cố kết Cv được dễ dàng Phương pháp Taylor cho phép xác định

điểm bắt đầu của quá trình cố kết thấm Trong khi đó, phương pháp Cassagrande

cho phép xác định điểm kết thúc của quá trình cố kết thấm Tuy nhiên, khi tiến

hành thí nghiệm trên đất sét bão hòa nước, hai phương pháp này còn mắc phải

nhiều hạn chế: trong phương pháp Taylor, việc xác định các điểm ban đầu để vẽ

tiếp tuyến với đường cong là rất khó, cho nên việc xác định điểm bắt đầu cố kết

thấm là không chính xác; còn trong phương pháp Cassagrande cũng gặp trở ngại

khi đường cong quan hệ thường không có dạng chữ S nên gây khó khăn cho việc

xác định điểm uốn, từ đó dẫn đến việc phân chia ranh giới của hai giai đoạn cố

kết thấm và cố kết từ biến cũng không được rõ ràng [7]

8

Hai phương pháp xác định hệ số cố kết Cv của Cassagrande và Taylor có thể được xem là một đóng góp to lớn trong việc nghiên cứu đặc trưng cố kết của mẫu Bên cạnh đó, các kết quả khác đạt được cũng không kém phần quan trọng Với mô hình cố kết một trục, Cassagrande (1936) đã nghiên cứu và đưa ra phương pháp xác định áp lực tiền cố kết dựa trên đường cong quan hệ giữa hệ số rỗng và ứng suất tác dụng Theo ông, áp lực này cho biết tình trạng cố kết của mẫu ở hiện trường trước khi nó được đem lên khỏi mặt đất Áp lực tiền cố kết là áp lực cao nhất mà trước đây mẫu phải chịu [4] Schiffman (1958), Schiffman, Gibson (1964) và Davis, Raymond (1965) đã chứng minh được rằng hệ số biến đổi thể tích và hệ số thấm của đất luôn thay đổi theo ứng suất hữu hiệu tác dụng lên mẫu và là một hàm đa thức hoặc hàm mũ theo độ sâu Năm 1967, Gibson và nnk cũng đã chứng minh được rằng trong quá trình cố kết có xảy ra sự biến dạng và tính nén lún cũng như tính thấm của đất là phi tuyến [11,12]… Nhìn chung, các kết quả này đã làm sáng tỏ hơn về các đặc trưng cố kết của mẫu và được ứng dụng rộng rãi trong việc tính toán, dự báo độ lún cũng như tốc độ lún của đất loại sét bão hòa nước Thế nhưng với mô hình cố kết một trục, sự ảnh hưởng của áp lực hông lên mẫu trong quá trình cố kết là chưa được xét đến và dòng thấm nước lỗ rỗng chỉ được phép diễn ra theo phương thẳng đứng, cho nên mô hình này vẫn chưa thể hiện được hết điều kiện làm việc thực tế của mẫu ở hiện trường

Năm 1966, khi Rowe và Barden sáng chế ra hộp nén Rowe, vấn đề nghiên cứu về đặc tính cố kết của đất đã trở nên dễ dàng và phổ biến hơn Cũng giống như hộp nén cố kết một trục thông thường nhưng hộp nén Rowe cho phép tạo được mô hình dòng thấm theo phương ngang nên cho phép xác định được hệ số cố ngang Ch Ngoài ra, hộp nén Rowe còn được lắp đặt thêm một số các thiết bị đặc biệt nhằm giúp cho các nhà khoa học có thể nghiên cứu đặc trưng cố kết một trục của mẫu với nhiều mô hình thí nghiệm khác nhau [13]

9

Năm 1969, Smith và Wahls đã dùng hộp nén Rowe để nghiên cứu đặc trưng

cố kết của đất theo mô hình tốc độ biến dạng không đổi (CRS) Sau đó, các tác

giả Wissa, Christian, Davis, Heiberg (1971) Sallfors (1975) và Gorman, Hopkins,

Deen, Drnevich (1978) cũng lần lượt nghiên cứu thêm về vấn đề này Trong mô

hình thí nghiệm CRS, ứng suất tác dụng từ từ lên mẫu bằng cách tăng dần sự dịch

chuyển dọc trục (biến dạng thẳng đứng) với tốc độ không đổi Mô hình này dễ

thực hiện nhưng cần phải chọn trước tốc độ biến dạng Giá trị hệ số cố kết Cv

được Wissa đề nghị xác định theo công thức sau [14]:

u

H x t

C v

δδ

δ : số gia ứng áp lực nước lỗ rỗng (kG/cm2);

H : chiều dài dòng thấm trung bình (cm)

Song song với sự xuất hiện của mô hình CRS, mô hình thí nghiệm với tốc độ

gia tải không đổi (CRL) cũng được đề nghị bởi Aboshi, Yoshikuni, Maruyama

(1970), Wissa và nnk (1971) Irwin (1975) và Burghignoli (1979) Trong mô này,

ứng suất tác dụng lên mẫu được gia tăng một cách đều đặn với tốc độ không đổi

cho đến khi đạt được giới hạn lớn nhất của tải quy định Cũng giống như mô hình

CRS, mô hình thí nghiệm CRL rất dễ thực hiện nhưng phải chọn được tốc độ gia

tải phù hợp [14]

Bên cạnh đó, mô hình thí nhgiệm với gradient áp lực nước lỗ rỗng không đổi

(CG) đã được đề nghị bởi Lowe, Jones, Obrician (1969), Sallfors (1975) và

Gorman và nnk (1978) Trong mô hình này, tốc độ tăng tải được điều chỉnh sao

cho áp lực nước lỗ rỗng đo được tại đáy mẫu là một hằng số và tại bề mặt thoát

10

nước thì bằng áp lực ngược hoặc bằng 0 Việc chọn trước gradient áp lực nước lỗ

rỗng là điều kiện tiên quyết đối với mô hình thí nghiệm này [14]

Năm 1981, Janbu, Tokheim và Senneset đã đề nghị mô hình thí nghiệm tỷ

số ứng suất không đổi (CPR) Trong mô hình này, tỷ số giữa áp lực nước lỗ rỗng

và ứng suất tổng được giữ không đổi trong suốt quá trình thí nghiệm Thời gian để

mẫu đạt đến cố kết chỉ trong khoảng nửa ngày Công thức xác định giá trị hệ số

cố kết Cv có dạng như sau [14]:

u

H x dt

d u

δ

σσ

9 0

δ : số gia ứng áp lực nước lỗ rỗng (kG/cm2);

H : chiều dài dòng thấm trung bình (cm)

Cũng trong giai đoạn này, mô hình thí nghiệm với sự giới hạn dòng thấm

(RFC) được đề nghị bởi Lee (1977, 1979), Hoare (1980), Sill, Hoare và Baker

(1985) Trong mô hình này, dòng chảy được liên thông với đường thoát nước và

hệ thống áp lực ngược Ứng suất tác dụng chỉ tăng theo một cấp duy nhất và

không cần điều chỉnh tốc độ gia tăng tải trong quá trình thí nghiệm Thời gian thí

nghiệm ứng với mô hình này cũng chỉ khoảng nửa ngày, nhưng còn phụ thuộc

vào hiệu quả của hệ thống dòng chảy Giá trị hệ số cố kết Cv cũng được xác định

theo công thức (1.8) [14]

Theo sau sự xuất hiện của các mô hình trên, K H Head (1989) đã đề nghị

mô hình thí nghiệm với việc điều chỉnh áp lực ngược (BPC) Trong mô hình này,

ứng suất cũng được gia tăng theo một cấp duy nhất và áp lực ngược được điều

11

chỉnh để suy giảm theo một tốc độ nhất định Mô hình này có thể thay cho mô hình RFC khi tự động hóa được hệ thống điều chỉnh áp lực ngược mà không cần đến hệ thống giới hạn dòng chảy [14]

Sự xuất hiện của các mô hình thí nghiệm trong hai thập niên 70 và 80 đã đánh dấu một bước tiến mới trong quá trình nghiên cứu đặc trưng cố kết của đất và các mô hình này cũng đã được ứng dụng trong các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học như: năm 1997, Patrick J Fox và Christopher D P Baxter đã dùng buồng nén thủy lực, có các tính năng tương tự như hộp nén Rowe, để xác định các đặc trưng cố kết của đất sét yếu [16]; Thomas C Sheahan và Patrick J Watters cũng ứng dụng mô hình cố kết với tốc độ biến dạng không đổi (CRS) trên buồng nén thủy lực để chứng minh lại lý thuyết cố kết [17] Nhìn chung, các mô hình thí nghiệm này đã giúp làm sáng tỏ hơn đặc tính cố kết của mẫu, nhưng việc thực hiện các quy trình thí nghiệm là rất phức tạp và vẫn chưa có mô hình nào thể hiện được sự ảnh hưởng của áp lực hông lên mẫu trong quá trình cố kết Vì thế, các mô hình thí nghiệm này vẫn chưa được thông dụng và việc giải quyết các bài toán cố kết vẫn tiếp tục dựa trên mô hình cố kết một trục của Terzaghi

Ở nước ta, vấn đề nghiên cứu đặc trưng cố kết của đất sét yếu đã được bắt đầu từ thập niên 70 của thế kỷ XX nhưng nhìn chung vẫn chưa được quan tâm rộng rãi, hầu hết các công trình nghiên cứu của các tác giả đều dựa trên mô hình cố kết một trục của Terzaghi và các kết quả đã được công bố trên thế giới Đến những năm cuối thế kỷ XX, đầu thế kỷ XXI, vấn đế cố kết của đất yếu đã thực sự được quan tâm nhiều hơn và ngày càng có nhiều các công trình nghiên cứu về vấn đề này Năm 1999, tác giả Nguyễn Xuân Hòa dựa trên các kết quả đã được nghiên cứu bằng mô hình cố kết một trục và cho rằng: trong tự nhiên, đất có thể là chưa cố kết, cố kết bình thường hoặc quá cố kết; áp lực cố kết của đất không

12

luôn tăng theo độ sâu mà phụ thuộc vào bản chất của đất, áp lực địa tầng, điều kiện thoát nước; hệ số cố kết Cv không là hằng số mà phụ thuộc vào bản chất của đất và thay đổi không theo quy luật với độ lớn của áp lực tác dụng…[5] Cũng trong thời gian này, tác giả Vương Văn Thành đã chứng minh được việc chọn tỷ số giữa hai hệ số cố kết theo phương hướng tâm và phương thẳng đứng (Cr/Cv) nằm trong khoảng từ 2÷6 sẽ làm thay đổi đáng kể kết quả tính toán thời gian cố kết của đất Do đó việc xác định hệ số cố kết hướng tâm dựa trên hệ số cố kết thẳng đứng sẽ gây ảnh hưởng đến việc tính toán và thiết kế các công trình xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm [6] Năm 2002, tác giả Nguyễn Mạnh Thủy đã nghiên cứu trên đất yếu khu vực thành phố Hồ Chí Minh và cho thấy rằng việc duy trì mỗi cấp áp lực trong vòng 24h là chưa đủ thời gian để kết thúc quá trình cố kết thấm Từ kết quả quan trắc áp lực nước lỗ rỗng tại hiện trường, tác giả cũng đã chứng minh được rằng tốc độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng dư diễn ra theo 2 giai đoạn: giai đoạn 1 mức độ tiêu tán rất nhanh và gần như tuyến tính với thời gian, giai đoạn 2 mức độ tiêu tán giảm theo quy luật hàm hyperbol đối với thời gian Bên cạnh đó, tác giả cũng đã xác định được khoảng giá trị của tỷ số giữa hai hệ số cố kết theo phương ngang và theo phương thẳng đứng (Ch/Cv) đối với đất yếu của khu vực thành phố Hồ Chí Minh là trong khoảng từ 4÷12 [4] Việc ứng dụng mô hình cố kết một trục có đo áp lực nước lỗ rỗng thặng dư để nghiên cứu đặc trưng cố kết của đất cũng đã được tiến hành ở nước ta, nhưng vì thiết bị thí nghiệm chưa thông dụng nên mô hình này cũng chưa được ứng dụng rộng rãi Nhìn chung, vấn đề nghiên cứu đặc trưng cố kết của đất đã được các nhà khoa học trên thế giới rất quan tâm Sự ra đời của các mô hình thí nghiệm đã làm sáng tỏ hơn đặc tính cố kết của đất nền Nhưng do các yêu cầu cao về thiết bị cũng như phương pháp tiến hành thí nghiệm nên việc tính toán và dự báo khả năng cố kết của đất chủ yếu vẫn được dựa trên mô hình cố kết một trục

13

1.2 CÁC NGHIÊN CỨU VỀ HỆ SỐ CỐ KẾT BA TRỤC

Việc đánh giá khả năng cố kết của đất theo mô hình nén một trục đã không xét đến sự ảnh hưởng của áp lực hông lên mẫu Để nghiên cứu quá trình cố kết trong điều kiện có áp lực hông, các nhà khoa học đã tiến hành cố kết mẫu theo mô hình nén ba trục

Lần đầu tiên, việc tiến hành thí nghiệm cố kết ba trục cho bài toán cố kết thấm ba chiều đã được Davis và Poulos đề nghị vào năm 1968 Đến năm 1985, K

H Head đã nghiên cứu và giới thiệu các quy trình thí nghiệm cũng như phương pháp tính toán xác định các đặc trưng cố kết của đất khi tiến hành thí nghiệm cố kết trên máy nén ba trục Theo tác giả, việc thí nghiệm cố kết trên máy nén ba trục có nhiều thuận lợi hơn so với thí nghiệm cố kết trên máy nén một trục thông thường như: có thể tiến hành thí nghiệm trên mẫu có kích thước lớn, các mẫu có tính không liên tục; có thể quan sát được áp lực nước lỗ rỗng dư trong suốt quá trình cố kết và cả quá trình tăng tải trọng ngoài; cho phép xác định được một cách nhanh chóng hệ số cố kết Cv từ việc đo áp lực nước lỗ rỗng dư; có thể đo được biến dạng thể tích khi nén không thoát nước của đất chưa bão hòa; có thể

đo trực tiếp độ thấm của mẫu; cho phép điều chỉnh được áp lực hông và áp lực thẳng đứng theo mong muốn; cho phép tạo điều kiện thoát nước theo phương thẳng đứng hay phương ngang, loại bỏ được các sai số do sự chênh lệch của hệ thống và ma sát thành trong thí nghiệm nén trên máy một trục và thí nghiệm còn cho phép tiến hành theo điều kiện đẳng hướng hay dị hướng… Bên cạnh các yếu tố thuận lợi, theo K H Head, thí nghiệm nén cố kết bằng máy nén ba trục cũng có một vài yếu tố không thuận lợi như: đòi hỏi người thí nghiệm phải có kỹ năng cao và phải tuân thủ nghiêm ngặt các thủ tục cũng như quy trình thí nghiệm; đối với các mẫu có kích thước lớn cần phải tốn nhiều thời gian để thí nghiệm, vì thế thiết bị phải chịu trong tình trạng đang sử dụng trong một thời gian dài; việc ảnh

14

hưởng của đầu thoát nước cũng như các đường dẫn có thể gây nên các sai số

trong việc xác định Cv khi tốc độ thoát nước lớn [15]…

Đến năm 1990, việc thí nghiệm cố kết trên máy nén ba trục đã được quy

định lại chi tiết hơn trong tiêu chuẩn BS 1377-1990 phần 6 Tiêu chuẩn này đã

đặt ra các yêu cầu cụ thể về thiết bị thí nghiệm, các quy định về mẫu thử cũng

như quy định chặt chẽ về các quy trình thí nghiệm Do đó, tiêu chuẩn BS 1377 có

thể được xem là tài liệu chuẩn cho việc tiến hành thí nghiệm cố kết bằng máy

nén ba trục [10] Việc xác định hệ số cố kết Cv theo tiêu chuẩn này cũng được

xác định theo công thức:

t

H T

v

2

Trong đó: Tv : nhân tố thời gian được chọn bằng 0.197 hoặc 0.848

tương ứng với mức độ cố kết 50% hay 90%;

t : thời gian để mẫu đạt cố kết 50% hay 90% (s);

H : chiều dài dòng thấm trung bình (cm)

Công thức xác định hệ số cố kết Cv khi cố kết mẫu bằng máy nén ba trục

cũng tương tự như công thức xác định hệ số cố kết Cv của Cassagrande và Taylor

trong thí nghiệm cố kết một trục Tuy nhiên việc xác định thời gian để mẫu đạt

đến mức độ cố kết quy định được thực hiện đơn giản dựa trên biểu đồ quan hệ

giữa tốc độ thay đổi áp lực nước lỗ rỗng và thời gian thí nghiệm Bên cạnh đó,

chiều dài dòng thấm hay chiều cao mẫu được lấy giá trị trung bình theo công

Trong đó, H1, H2 là chiều cao mẫu trước và sau mỗi giai đoạn cố kết (cm)

Hiện nay, trên thế giới vấn đề nghiên cứu đặc trưng cố kết của đất dựa trên

thí nghiệm nén ba trục đang được các nhà khoa học rất quan tâm Nhiều loại thiết

15

bị thí nghiệm 3 trục được nghiên cứu và chế tạo với các tính năng hiện đại nhằm tạo mọi thuận lợi và đáp ứng được các mô hình nghiên cứu phức tạp Các đặc trưng cố kết xác định từ thí nghiệm cố kết trên máy ba trục càng được các nhà chuyên môn quan tâm và sử dụng vào công tác tính toán, thiết kế các công trình, đặc biệt là các công trình xử lý nền đất yếu Một số các công ty đã nghiên cứu thiết kế các phần mềm tính toán kết hợp với các thiết bị đo ghi nhằm góp phần làm cho công tác thí nghiệm ngày càng đơn giản và tự động hóa hơn… Nhìn chung, đây là một bước tiến mới trong lĩnh vực nghiên cứu về đặc trưng cố kết của đất nền Với phương pháp thí nghiệm này, việc thiết lập mô hình làm việc của đất dễ dàng hơn và có thể khống chế được các sai số so với mô hình thí nghiệm nén cố kết một trục

Ở nước ta, việc nghiên cứu các đặc trưng cố kết của mẫu trên thiết bị nén ba trục mới bắt đầu được quan tâm gần đây Đó là công trình nghiên cứu của GSTS.KH Phạm Văn Tỵ và TS Nguyễn Viết Tình (2004) về độ bền liên kết kiến trúc, áp lực và gradient bắt đầu cố kết thấm cho tầng đất yếu thuộc khu vực Hà Nội Việc nghiên cứu này được tiến hành dựa vào thí nghiệm cố kết đẳng hướng trên máy nén ba trục với các áp lực gia tăng theo từng cấp nhỏ (Δσ3 =0.01÷0.05kG/cm2) [8]

Nhìn chung, việc nghiên cứu đặc tính cố kết của đất đã được thực hiện từ rất lâu trên thế giới Sự ra đời của lý thuyết cố kết thấm một phương của Terzaghi là điểm mốc quan trọng đánh dấu cho sự phát triển này Sau đó, các nhà khoa học cũng đã từng bước nghiên cứu đặc trưng cố kết của đất dưới nhiều dạng mô hình khác nhau và đã đề ra các phương pháp xác định hệ số cố kết ứng với từng mô hình thí nghiệm Các kết quả nghiên cứu đã góp phần làm sáng tỏ hơn lý thuyết cố kết của Terzaghi và đã được ứng dụng rộng rãi cho việc giải quyết các bài toán cố kết của đất nền So với thế giới, vấn đề nghiên cứu đặc trưng cố kết của

16

đất ở nước ta vẫn còn phát triển chậm Việc ứng dụng các mô hình thí nghiệm khác nhau và sử dụng các thiết bị đặc biệt để nghiên cứu quá trình cố kết còn chưa được phổ biến Hầu hết các công trình nghiên cứu đều dựa trên mô hình cố kết một trục không có áp lực hông và sử dụng các kết quả này vào việc tính toán cũng như dự báo tốc độ lún của đất nền

17

CHƯƠNG 2 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT

Khu vực thành phố Hồ Chí Minh nằm trên đơn nguyên địa hình chuyển tiếp giữa 2 kiểu địa hình: đồng bằng cao tích tụ bóc mòn dạng bậc thềm trầm tích phù

sa Đệ Tứ cổ miền Đông Nam Bộ và đồng bằng thấp tích tụ trầm tích phù sa Đệ Tứ trẻ miền Tây Nam Bộ Đơn nguyên này thuộc rìa Bắc của miền võng rộng lớn dạng địa hào Nam Bộ, được phân định ranh giới bởi đứt gãy Bà Rịa – Biên Hòa – Lộc Ninh ở phía Bắc và đứt gãy sông Vàm Cỏ Đông ở phía Nam [9]

2.1 CẤU TRÚC ĐỊA CHẤT

Cấu trúc địa chất trong khu vực được phân chia thành ba tầng cấu trúc chính: tầng cấu trúc dưới, tầng cấu trúc giữa và tầng cấu trúc trên

Tầng cấu trúc dưới được cấu thành từ các loại đá cứng, trầm tích lục nguyên phun trào tuổi Jura – Kreta Bề mặt tầng đá gốc này chỉ lộ ra ở một vài nơi, phần lớn còn lại bị phủ bởi các trầm tích Kainozoi

Tầng cấu trúc giữa được cấu thành từ các trầm tích có nguồn gốc hỗn hợp sông – biển tuổi Pleistoxen và các trầm tích đa nguồn gốc tuổi Plioxen Tầng cấu trúc này được phân chia thành 2 phụ tầng: phụ tầng cấu trúc cấu trúc Plioxen (N2) và phụ tầng cấu trúc Pleistoxen Phụ tầng cấu trúc Plioxen là tập hợp các trầm tích vụn thô tướng biển nông ven bờ của hệ tầng Nhà Bè (N21nb) và hệ tầng Bà Miêu (N22bm), bề mặt của phụ tầng này chính là bề mặt phong hóa của hệ tầng Bà Miêu Phụ tầng cấu trúc Pleistoxen được cấu thành từ các trầm tích có nguồn gốc sông, sông – biển hỗn hợp có tuổi Pleistoxen sớm thuộc hệ tầng Trảng Bom (Q12tb), Pleistoxen giữa – muộn thuộc hệ tầng Thủ Đức (QII-IIItđ) và Pleistoxen muộn thuộc hệ tầng Củ Chi (QIIIcc), bề mặt của phụ tầng cấu trúc này bị phủ bởi các trầm tích trẻ hơn ở một vài nơi

18

Tầng cấu trúc trên được tạo thành bởi các trầm tích hạt mịn có nguồn gốc biển, sông – biển, sông – biển – đầm lầy tuổi Holoxen Thành phần trầm tích chủ yếu gồm sét, bùn sét hoặc bùn sét pha có chứa nhiều xác thực vật và cát hạt mịn thuộc hệ tầng Bình Chánh (QIV1-2bc), hệ tầng Cần Giờ (QIV2-3cg) và các trầm tích hiện đại Tầng cấu trúc này phân bố chủ yếu ở các dạng địa hình đồng bằng thấp và các bãi bồi ven sông [4,9]

Nhìn chung, cấu trúc địa chất trong khu vực được phân chia thành ba tầng rõ rệt, tầng cấu trúc dưới là đá gốc tuổi Jura – Kreta, tầng cấu trúc giữa là các trầm tích Plioxen, Pleistoxen và tầng cấu trúc trên là các trầm tích trẻ Holoxen

Vào đầu thời kỳ giữa – muộn của Pleistoxen sớm (QI2-3), biển lại tiến vào lục địa gây nên quá trình tích tụ trầm tích trên bề mặt bào mòn Theo mặt cắt nghiên cứu ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh, dưới cùng là lớp sạn sỏi, cát thạch anh, bột sét màu xám vàng, chứa thực vật hóa than đen thuộc hệ tầng Trảng Bom (QI2tb), lớp này có bề dày từ 10 đến 16m và phủ bất chỉnh hợp lên bề mặt phong hóa của các trầm tích thuộc hệ tầng Bà Miêu (NII2bm); ở giữa gồm cát bột màu xám trắng chứa sạn sỏi thạch anh, dày từ 10 đến 16m; trên cùng là lớp sét, bột,

Đầu thời kỳ Pleistoxen giữa (QII), hoạt động nâng tân kiến tạo kèm theo các phun trào bazan Xuân Lộc, Lộc Ninh, Hớn Quảng một lần nữa đã phủ một lớp cuội sỏi thuộc hệ tầng Trảng Bom lên bề mặt địa hình ở một số nơi tạo và nên các bãi bồi hay đồng bằng trước núi [4]

Cuối Pleistoxen giữa, đầu Pleistoxen muộn (QII-III), khu vực thành phố và các vùng lân cận từ từ hạ xuống, biển lại tiến vào lục địa, trên bề mặt địa hình xảy ra hiện tượng trầm đọng các trầm tích thuộc tướng ven bờ của hệ tầng Thủ Đức Tại hố khoan 817 ở xã Linh Xuân – Thủ Đức, trầm tích thuộc hệ tầng này phân bố từ mặt đất xuống độ sâu 27m và chia thành 2 lớp: lớp dưới gồm cát sạn sỏi màu vàng xen lẫn sét bột xám trắng, dày 14m, có nguồn gốc sông biển; lớp trên gồm cát thạch anh chứa sạn đỏ, dày 13m, kích thước hạt giảm dần theo chiều từ dưới lên Ở độ sâu từ 2 đến 5m có tồn tại lớp laterit Các trầm tích thuộc hệ tầng này tạo nên các dạng bậc thềm cao từ 25 đến 45m có dạng lượn sóng thoải và phân bố rộng rãi ở khu vực Đông Nam Bộ [4,9]

Cuối giai đoạn Pleistoxen muộn (QIII3), biển lại tiến vào và tạo nên các trầm tích hệ tầng Củ Chi phân bố ở phía Đông Bắc Củ Chi và dạng các dãy hẹp ở khu vực Thủ Đức Thành phần trầm trầm tích cấu tạo nên hệ tầng này gồm cát thạch anh và sét kaolin màu xám trắng có nguồn gốc sông, sông – biển [4]

Vào khoảng cuối Pleistoxen muộn đến đầu Holoxen sớm, hoạt động nâng lại xảy ra, biển lại dần dần rút ra khỏi lãnh thổ, khu vực thành phố Hồ Chí Minh

Từ cuối Holoxen giữa cho đến nay, hoạt động nâng kiến tạo vẫn xảy ra nhưng rất yếu, biển từ từ lùi dần theo hướng Đông Nam để lại trên bề mặt địa hình khu vực thành phố Hồ Chí Minh các trầm tích thuộc hệ tầng Cần Giờ (QIV2-

3cg) nằm chỉnh hợp bên trên hệ tầng Bình Chánh Thành phần trầm tích của hệ tầng này được chia thành 2 lớp: lớp dưới gồm sét màu xám đen, xám nâu chứa các di tích thực vật, lớp trên gồm sét, sét cát xám đen lẫn mùn thực vật hay các trầm tích sét lẫn than bùn Trầm tích thuộc hệ tầng Cần Giờ có nguồn gốc sông biển, đầm lầy biển, đầm lầy sông và phân bố rộng rãi ở các huyện Cần Giờ, Nhà Bè, Bình Chánh, Nam Thủ Đức, dọc theo thung lũng sông Sài Gòn và trũng Lê Minh Xuân [4]

21

Như vậy, trong giai đoạn Đệ Tứ, các đợt biển tiến, biển lùi do hoạt động nâng hạ kiến tạo đã tạo nên một lớp trầm tích trên bề mặt bào mòn của địa hình khu vực thành phố Thời kỳ Pleistoxen, trầm tích chủ yếu có nguồn gốc sông hay sông – biển thuộc các hệ tầng Trảng Bom, Thủ Đức và Củ Chi Thành phần trầm tích trong mỗi hệ tầng gồm các vật liệu hạt thô nằm bên dưới và vật liệu hạt mịn nằm bên trên Đồng thời, sự lắng đọng phù sa qua các giai đoạn biển triệt thoái

ra khỏi lãnh thổ cũng tạo nên dạng địa hình đồng bằng ở phía Nam thành phố Thời kỳ Holoxen, các trầm tích trẻ có nguồn gốc chủ yếu là sông, sông – biển, đầm lầy – sông và đầm lầy – biển Các trầm tích này thuộc hệ tầng Bình Chánh và hệ tầng Cần Giờ với thành phần trầm tích chủ yếu là cát hạt mịn và sét có chứa nhiều di tích thực vật, phân bố hầu như toàn bộ bề mặt địa hình đồng bằng và các thung lũng sông của khu vực nghiên cứu Chúng được phân cách với các trầm tích Pleistoxen bởi lớp laterit hóa của hệ tầng Củ Chi

2.3 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÌNH – ĐỊA MẠO – TÂN KIẾN TẠO

Do nguồn gốc và điều kiện thành tạo trầm tích như trên nên khu vực thành phố Hồ Chí Minh tồn tại các dạng địa hình chính sau: dạng địa hình xâm thực – tích tụ, dạng địa hình tích tụ – xâm thực và dạng địa hình tích tụ Dạng địa hình tích tụ hầu như chiếm toàn bộ diện tích bề mặt khu vực Nam thành phố với các trầm tích Holoxen có nguồn gốc biển, sông – biển hỗn hợp, đầm lầy – biển, đầm lầy – sông và được phân bố ở các dạng đồng bằng cao, đồng bằng thấp và các bãi bồi ven sông [9]

Dạng địa hình đồng bằng và bãi bồi cao thường phân bố ở độ cao từ 1 đến 2m và được cấu thành từ các trầm tích có tuổi Holoxen giữa – muộn nguồn gốc sông, sông – biển và đầm lầy – sông Đồng bằng cao nguồn gốc sông phân bố dọc theo 2 bờ sông Sài Gòn và khu vực Nam Thủ Đức Thành phần trầm tích cấu tạo nên dạng địa hình này gồm cát, bột, sét màu xám trắng, xám đen có lẫn mùn

22

thực vật Các trầm tích này còn cấu tạo nên các dạng bãi bồi cao phân bố dọc theo 2 bờ sông Sài Gòn với bề rộng bãi bồi từ 500 đến 2500m Đồng bằng cao nguồn gốc sông – biển phân bố ở khu vực Nhà Bè và một phần khu vực Bình Chánh với thành phần cấu tạo gồm cát, bột, sét có chứa mùn thực vật Đồng bằng cao nguồn gốc đầm lầy sông phân bố dọc theo thung lũng sông Sài Gòn và sông Đồng Nai với thành phần cấu tạo gồm sét pha bột màu xám đen có chứa nhiều xác thực vật phân hủy tốt Các dạng địa hình trên đều có bề mặt tương đối bằng phẳng và bị chia cắt mạnh bởi mạng lưới sông ngòi [9]

Trong giai đoạn Holoxen muộn, quá trình tích tụ trầm tích tạo nên các dạng đồng bằng và bãi bồi thấp Đồng bằng thấp nguồn gốc sông – biển thường phân bố chủ yếu ở khu vực Nhà Bè ở độ cao từ 1 đến 2m và có thành phần cấu tạo gồm sét, bột cát thuộc hệ tầng Cần Giờ Đồng bằng thấp nguồn gốc đầm lầy – biển thường phân bố ở khu vực Nhà Bè và Cần Giờ ở độ cao từ 1 đến 1.5m, thành phần trầm tích cấu tạo nên dạng địa hình này gồm sét, sét bột chứa mùn thực vật và than bùn Đồng bằng thấp nguồn gốc đầm lầy – sông thường bắt gặp

ở phía Tây Nam Thủ Đức ở độ cao từ 0 đến 0.7m và được cấu tạo từ các trầm tích hiện đại gồm sét, bột, cát có chứa xác thực vật đang phân hủy Bề mặt của các dạng đồng bằng này bằng phẳng, thường bị ngập nước khi triều lên và cũng

bị chia cắt mạnh bởi mạng lưới dòng chảy [9]

Bên cạnh dạng địa hình đồng bằng thấp, các trầm tích trong giai đoạn này còn tạo nên các dạng bãi bồi ven sông và đầm lầy ven biển Các bãi bồi thường phân bố ở độ cao từ 0 đến 1m ở các khu vực Bình Chánh, Nhà Bè, Cần Giờ và dọc theo các thung lũng sông Trầm tích cấu tạo nên các dạng địa hình này gồm sét, bột, cát có nguồn gốc sông biển hỗn hợp Các đầm lầy ven biển cũng phân bố ở độ cao từ 0 đến 1m và xuất hiện chủ yếu ở khu vực Cần Giờ Thành phần trầm tích cấu tạo gồm sét, bột sét màu xám đen chứa các tàn tích thực vật có mức

23

độ phân hủy kém Trầm tích có nguồn gốc biển, đầm lầy biển hay hỗn hợp sông biển Cả 2 dạng địa hình trên đều có bề mặt bằng phẳng và thường xuyên bị ngập nước thủy triều [4,9]

Ngoài ra, các hoạt động tân kiến tạo cũng góp phần hình thành nên các đặc trưng cơ bản của bề mặt địa hình Các biểu hiện của hoạt động tân kiến tạo thể hiện rất rõ trên bề mặt địa hình thông qua sự hoạt động trở lại của các đứt gãy trong Kainozoi tạo nên các kiểu dòng chảy hay hình thành nên các khối nâng hạ làm uốn lượn các bề mặt thềm [9] Bên cạnh đó, hoạt động đứt gãy trẻ cũng xảy

ra trên khu vực Theo hướng Đông Bắc – Tây Nam, hoạt động của đứt gãy Bình Chánh – Thủ Đức gắn liền với sự xuất hiện của bazan phun trào Phước Tân, Xuân Lộc Theo hướng Tây Bắc – Đông Nam, hoạt động của đứt gãy Bà Rịa – Biên Hòa – Lộc Ninh gây nên biểu hiện của sự động đất dọc theo đứt gãy Hầu hết các đứt gãy này mang tính chất dịch chuyển yếu ở hai cánh, vừa nâng, vừa hạ, vừa dịch chuyển ngang nhưng sự dịch chuyển không đáng kể [4,9]

Nhìn chung, các dạng địa hình thành tạo trong khu vực nghiên cứu là tương đối thấp, có bề mặt bằng phẳng và bị chia cắt bởi mạng lưới dòng chảy Trầm tích cấu tạo nên các bề mặt địa hình chủ yếu là trầm tích trẻ Holoxen thuộc các hệ tầng Bình Chánh, Cần Giờ có nguồn gốc sông, sông – biển, đầm lầy – sông, đầm lầy – biển và được thành tạo do quá trình lắng đọng và bồi tụ từ các hoạt động nâng hạ của bề mặt địa hình Do đó, đặc điểm chung của các trầm tích này là mới được thành tạo, chưa có tính nén chặt, khả năng nén lún rất cao và khả năng chịu tải rất thấp Cho nên đây sẽ là đối tượng sẽ gây nhiều bất lợi cho việc xây dựng các công trình bên trên

2.4 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT THỦY VĂN

Do các đặc điểm thành tạo trầm tích, nước dưới đất trong các trầm tích bở rời Kainozoi ở khu vực nam thành phố Hồ Chí Minh được phân chia thành bốn

24

phân vị chứa nước chính bao gồm: tầng chứa nước lỗ hổng trong các trầm tích Holoxen, tầng chứa nước lỗ hổng trong các trầm tích Pleistoxen, tầng chứa nước lỗ hổng trong các trầm tích Plioxen trên và tầng chứa nước lỗ hổng trong các trầm tích Plioxen dưới [4]

Tầng chứa nước lỗ hổng các trầm tích Holoxen phân bố ngay trên bề mặt địa hình và có bề dày thay đổi từ vài mét đến vài chục mét Tầng chứa nước không áp hoặc có áp yếu và chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi thủy triều Mực nước tĩnh cách mặt đất từ 0 đến 2m Tầng nghèo nước, tỷ lưu lượng q = 0.2l/s.m, chất lượng nước không tốt, hầu hết bị nhiễm phèn, nhiễm mặn với độ tổng khoáng hóa trong khoảng từ 1.25 đến 12.43g/l Loại hình nước chủ yếu là Cl – Na [4,9]

Tầng chứa nước lỗ hổng các trầm tích Pleistoxen nằm ngay dưới tầng chứa nước lỗ hổng các trầm tích Holoxen và được phân chia thành hai lớp chứa nước bởi các lớp sét, sét pha không liên tục Nước thuộc dạng có áp hoặc có áp yếu và chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi thủy triều Tại khu vực Bình Chánh, tầng giàu nước với tỷ lưu lượng q dao động trong khoảng từ 1.1 đến 4.5l/s.m, nước nhạt với độ tổng khoáng hóa từ 0.1 đến 0.9g/l và loại hình nước chủ yếu là HCO3–Cl, HCO3–Cl–HCO3 Các khu vực còn lại, tầng giàu nước trung bình, tỷ lưu lượng q từ 0.25 đến 0.85l/s.m Ở Cần Giờ và Nhà Bè nước lợ với độ tổng khoáng hóa từ 0.2 đến 10.64g/l và loại hình nước chủ yếu là Cl–HCO3, Cl–Na [4,9]

Tầng chứa nước lỗ hổng các trầm tích Plioxen trên không lộ ra trên bề mặt địa hình và là tầng chứa nước có áp với mức độ giàu nước trung bình với tỷ lưu lượng q từ 0.21 đến 0.96l/s.m, độ tổng khoáng hóa từ 1 đến 25g/l và loại hình nước chủ yếu là Cl–Na Tầng không có quan hệ thủy lực với các tầng khác [9] Tầng chứa nước lỗ hổng các trầm tích Plioxen dưới cũng là tầng chứa nước có áp và không lộ trên bề mặt Tầng giàu nước trung bình, tỷ lưu lượng q từ 0.36 đến 0.80l/s.m và không có quan hệ thủy lực với các tầng khác Chất lượng nước

2.5 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH

Đối tượng địa chất công trình chủ yếu của khu vực Nam thành phố Hồ Chí Minh là thuộc tầng cấu trúc trên của khu vực Như đã trình bày trong phần 2.1.1, tầng cấu trúc này bao gồm các trầm tích trẻ Holoxen thuộc hệ tầng Bình Chánh và Cần Giờ Do điều kiện thành tạo, các trầm tích chủ yếu có nguồn gốc biển, sông – biển, đầm lầy – sông và đầm lầy – biển

2.5.1 Trầm tích hệ tầng Bình Chánh (Q IV 1-2 bc)

Trầm tích thuộc hệ tầng Bình Chánh được hình thành trong giai đoạn biển tiến cực đại của thời kỳ Holoxen giữa Phần lộ ra trên bề mặt địa hình của hệ tầng này chủ yếu là các trầm tích có nguồn gốc biển và sông – biển hỗn hợp Trầm tích có nguồn gốc biển (mQIV1-2bc) lộ ra ở vùng Bình Chánh, Duyên Hải và Nhà Bè dưới dạng bậc thềm cao từ 2 đến 5m Tại mặt cắt của các vùng lộ cho thấy thành phần trầm tích được chia thành hai lớp như sau: lớp bên dưới là cát pha, cát sạn lẫn ít sét bột màu xám đen phân bố ở độ sâu từ 15 đến 20m và phủ bất chỉnh hợp lên hệ tầng Củ Chi (QIII3), nhưng lớp này chỉ xuất hiện ở một vài nơi; lớp bên trên là lớp sét, sét pha màu xám xanh, trạng thái từ dẻo mềm đến chảy, phần trên của lớp sét này bị phong hóa yếu có màu vàng loang lổ và

26

có chứa các kết vón nhỏ, trạng thái lớp phong hóa này đôi khi đạt đến dẻo cứng nhưng nhìn chung vẫn không làm cải thiện được độ bền của tầng đất này Theo các tài liệu nghiên cứu, các đặc trưng cơ lý của tầng đất sét này có thể được trình bày như trong bảng 2.1 [4]

Bảng 2.1: Giá trị đặc trưng các chỉ tiêu cơ lý của trầm tích sét

nguồn gốc biển hệ tầng Bình Chánh (mQ IV 1-2 bc)

Tên đất

hiệu Đơn vị

Sét xám xanh dẻo mềm

Sét xám xanh dẻo chảy

Bùn sét hữu

cơ xám xanh

Khối lượng thể tích

Khối lượng thể tích khô

Khối lượng riêng

Hệ số rỗng

Độ lỗ rỗng

Độ bão hòa

Giới hạn chảy

Giới hạn dẻo

Chỉ số dẻo

Độ sệt

Lực dính

Góc ma sát trong

Hệ số nén lún

cm2/kG

44.8 1.71 1.18 2.65 1.222

6018’

0.156

50.2 1.64 1.09 2.63 1.439

5030’

0.308

101.6 1.37 0.68 2.54 2.703

3006’ 0.472

27

Trầm tích nguồn gốc sông - biển hỗn hợp (amQIV1-2bc) phân bố hầu hết diện tích khu vực thành phố Hồ Chí Minh và lộ ra ở các quận 4, 5, 6, 8, 11, Thủ Đức và Bình Chánh Các trầm tích thuộc hệ tầng này chủ yếu là sét, bùn sét, bùn sét pha và đôi chỗ có lẫn cát hạt mịn Trên bề mặt lộ ra của tầng trầm tích này cũng xảy ra quá trình phong hóa tạo nên các trầm tích màu vàng loang lổ chứa các kết vón nhưng quá trình này xảy ra tương đối yếu nên cũng không làm cải thiện được trạng thái của đất nền Giá trị đặc trưng cơ lý của các trầm tích này được thể hiện như trong bảng 2.2 [4]

Nhìn chung, các trầm tích thuộc hệ tầng Bình Chánh phân bố trên phần lớn diện tích khu vực phía Nam thành phố Trầm tích chủ yếu là đất loại sét có trạng thái từ dẻo mềm đến chảy với hệ số rỗng lớn, độ bão hòa cao Đây là các trầm tích được bồi lắng trong giai đoạn biển tiến cực đại nên nhìn chung mức độ nén chặt cũng chưa cao Cụ thể là khoảng dao động phổ biến của hệ số nén lún trong khoảng từ 0.3 đến 0.5 cm2/kG, điều này cho thấy khả năng nén lún của các trầm tích thuộc hệ tầng này là rất lớn

2.5.2 Trầm tích hệ tầng Cần Giờ (Q IV 2-3 cg)

Các trầm tích thuộc hệ tầng Cần Giờ đã và đang được hình thành trong giai đoạn từ cuối Holoxen giữa đến nay và phủ chỉnh hợp lên các trầm tích của hệ tầng Bình Chánh Nguồn gốc thành tạo trầm tích chủ yếu là nguồn gốc sông – biển, đầm lầy - sông và đầm lầy - biển

Trầm tích có nguồn gốc sông biển (amQIV2-3cg) phân bố chủ yếu ở khu vực Bình Chánh, Bình Thạnh, Nam Thủ Đức, Nhà Bè và hạn chế ở một vài nơi thuộc khu vực Cần Giờ Thành phần trầm tích chủ yếu là bùn sét, bùn sét pha màu xám đen lẫn xác thực vật, vài nơi bị phủ bên trên bởi lớp cát lẫn bột màu nâu, nâu vàng bão hòa nước Giá trị đặc trưng cơ lý của các trầm tích này được trình bày như trong bảng 2.3 [4]

Bùn sét màu xám xanh

Bùn sét pha màu xám xanh

Cát pha sét màu xám xanh

Khối lượng thể tích

Khối lượng thể tích khô

Khối lượng riêng

Hệ số rỗng

Độ lỗ rỗng

Độ bão hòa

Giới hạn chảy

Giới hạn dẻo

Chỉ số dẻo

Độ sệt

Lực dính

Góc ma sát trong

Hệ số nén lún

cm2/kG

58 1.64 1.04 2.62 1.564

5012’

0.324

64 1.59 0.97 2.61 1.702

3058’

0.427

42 1.75 1.23 2.64 1.128

4028’

0.305

31 1.83 1.40 2.66 0.923

18034 0.092

29

Bảng 2.3: Giá trị đặc trưng các chỉ tiêu cơ lý của trầm tích sét

nguồn gốc sông – biển hệ tầng Cần Giờ (amQ IV 2-3 cg)

Khối lượng thể tích

Khối lượng thể tích khô

Khối lượng riêng

Hệ số rỗng

Độ lỗ rỗng

Độ bão hòa

Giới hạn chảy

Giới hạn dẻo

Chỉ số dẻo

Độ sệt

Lực dính

Góc ma sát trong

Hệ số nén lún

cm2/kG

82 1.46 0.80 2.61 2.225

3005’

0.368

54 1.67 1.08 2.63 1.439

4016’

0.184

Trầm tích có nguồn gốc đầm lầy - biển (bmQIV2-3cg) phân bố chủ yếu ở khu vực Cần Giờ và Nhà Bè với thành phần trầm tích gồm bùn sét, bùn sét pha có chứa nhiều tạp chất hữu cơ Giá trị đặc trưng cơ lý của các trầm tích này được trình bày trong bảng 2.4 [4]:

30

Bảng 2.4: Giá trị đặc trưng các chỉ tiêu cơ lý của trầm tích sét

nguồn gốc đầm lầy – biển hệ tầng Cần Giờ (bmQ IV 2-3 cg)

Tên đất

hiệu Đơn vị

Bùn sét hữu

cơ màu xám đen

Bùn sét pha hữu cơ màu xám đen

Khối lượng thể tích

Khối lượng thể tích khô

Khối lượng riêng

Hệ số rỗng

Độ lỗ rỗng

Độ bão hòa

Giới hạn chảy

Giới hạn dẻo

Chỉ số dẻo

Độ sệt

Lực dính

Góc ma sát trong

Hệ số nén lún

cm2/kG

78 1.57 0.88 2.58 1.941

3020’

0.698

68 1.61 0.96 2.62 1.778

5012’

0.546

Trầm tích có nguồn gốc đầm lầy - sông (baQIV2-3cg) phân bố chủ yếu ở Nhà Bè, trũng Lê Minh Xuân, thung lũng sông Sài Gòn và Bắc Hóc Môn với thành phần chủ yếu là bùn sét màu xám đen đến xám nâu có chứa mùn thực vật Ở một vài nơi, giữa lớp bùn sét này có tồn tại một lớp than bùn màu nâu đen Giá trị đặc trưng cơ lý được thể hiện trong bảng 2.5 [4]

31

Bảng 2.5: Giá trị đặc trưng các chỉ tiêu cơ lý của trầm tích sét

nguồn gốc đầm lầy – sông hệ tầng Cần Giờ (baQ IV 2-3 cg)

Tên đất

hiệu Đơn vị

Bùn sét hữu

cơ màu xám đen

Hệ số rỗng Độ lỗ rỗng Độ bão hòa Giới hạn chảy Giới hạn dẻo Chỉ số dẻo Độ sệt Lực dính Góc ma sát trong Hệ số nén lún

cm2/kG

70 1.51 0.89 2.62 2.030

2014’

0.434

Nhìn chung, các trầm tích thuộc hệ tầng Cần Giờ cũng được phân bố trên diện rộng ở khu vực phía Nam thành phố Do được thành tạo trong thời kỳ biển triệt thoái từ từ ra khỏi lãnh thổ nên nguồn gốc thành tạo có liên quan đến sự lắng đọng của các trầm tích đầm lầy, do đó trong thành phần trầm tích thường có mặt của các tạp chất hữu cơ Điều này đã làm tăng độ ẩm, hệ số rỗng và tính nén

32

lún của đất Từ đó cho thấy, các trầm tích thuộc hệ tầng Cần Giờ là trầm tích yếu, khả năng biến dạng của các trầm tích này là rất lớn đồng thời khả năng chịu tải rất nhỏ nên cũng gây nhiều bất lợi cho công tác xây dựng các công trình bên trên

Tóm lại, bề mặt địa hình khu vực Nam thành phố Hồ Chí Minh được thành tạo bởi các trầm tích trẻ Holoxen thuộc tầng cấu trúc trên trong cấu trúc địa chất Các trầm tích này được phân chia thành hai hệ tầng: Bình Chánh và Cần Giờ Theo lịch sử hình thành, trầm tích được thành tạo theo phương thức bồi tụ và lắng đọng của các trầm tích nguồn gốc biển, sông – biển, đầm lầy – sông và đầm lầy – biển nên thành phần vật liệu chủ yếu là trầm tích hạt mịn và các tạp chất hữu cơ Bề mặt địa hình chủ yếu thuộc dạng đồng bằng và các bãi bồi với mực nước dưới đất nằm nông, ở một vài nơi mực nước dưới đất nằm ngang với bề mặt địa hình Theo tài liệu mặt cắt tại các vùng lộ, trầm tích của hệ tầng Cần Giờ phủ chỉnh hợp lên trầm tích của hệ tầng Bình Chánh Do nguồn gốc và điều kiện thành tạo, các trầm tích trong khu vực này có độ bão hòa cao với hệ số rỗng tương đối lớn Đặc biệt là sự có mặt của các vật chất hữu cơ và sự xuất hiện của lớp than bùn trong hệ tầng Cần Giờ đã làm gia tăng độ ẩm và khả năng nén lún của đất nền, đồng thời cũng thể hiện rõ tính dị hướng trong bản chất của đất Theo quan điểm địa chất công trình, đây là tầng đất yếu, khả năng biến dạng là rất cao, khả năng chịu tải là rất thấp và là đối tượng gây nhiều bất lợi cho các công trình xây dựng