Biến dạng lön của đất dính nhiễm mặn vùng đồng bằng sông Hồng

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 42 BIẾN DẠNG LƯN CỦA ĐẤT DÍNH NHIỄM MẶN VÙNG ĐỒNG BẰNG SƠNG HỒNG NGUYỄN NGỌC TRỰC*,**, TRẦN MẠNH LIỂU*, ĐỖ MINH ĐỨC* Settlement deformation of salt-affected sois in the Red River delta Abstract: Sea level rise related to global warming leads to the plain areas along the coast to be saline intrusion. When the ground is saline, the engineering properties of soil would be changed. This results in changing of settlement deformation of the constructions. The Red River delta is one of two delta plains in Vietnam that is severely impacted by the risk of seawater intrusion. Investigation of the settlement deformation of soft clayey soils in saline conditions in the Red River delta by Finite Element Method with different constitutive models through Plaxis program was conducted. Modeling results pointed out that after intruding with the solutions of different salt concentrations, settlement deformation of the soils increases significantly. The higher salt concentration of solution is, the higher deformations received. 1. GIỚI THIỆU * Trái đất nĩng lên làm gia tăng mực nƣớc biển tồn cầu, đặc biệt là đối với các vùng gần xích đạo. Theo báo cáo đánh giá của Trung tâm Dự báo Khí tƣợng Thủy văn Việt Nam, tốc độ tăng lên của mực nƣớc biển vùng ven biển Việt Nam là 2,9 mm / năm giai đoạn 1993 - 2010. Trong đĩ tốc độ dâng cao mực nƣớc ở phía Đơng cĩ xu hƣớng nhanh hơn so với ở phía Tây. Ở Việt Nam, vào cuối thế kỷ 21, lƣợng nƣớc biển cĩ thể dâng trung bình là khoảng 78 - 95cm (MONRE, 2012). Khi mực nƣớc biển dâng cao, những vùng đất thấp ven biển sẽ dần bị xâm nhập mặn. Quá trình này sẽ dẫn đến các tính chất địa kỹ thuật của đất nền bị thay đổi đáng kể. Hệ quả là nĩ sẽ ảnh hƣởng đến nền mĩng các cơng trình ven biển nhƣ nền đƣờng giao thơng, đê biển, cơng * Bộ mơn Bộ mơn Địa kỹ thuật, Khoa Địa chất, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên ** Trung tâm Nghiên cứu Đơ thị, Đại học Quốc gia Hà Nội ĐT: 0904964168 E-mail: trucgvs@gmail.com trình dân dụng... [1, 2]. Việc nghiên cứu về sự thay đổi các tính chất kỹ thuật của đất nền bị nhiễm mặn trong nghiên cứu này đƣợc xem xét dƣới khía cạnh thuộc tính biến dạng lún. Hình 1 Vị trí lấy mẫu nguyên dạng ở đồng bằng Sơng Hồng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 43 Để thực hiện các nghiên cứu thử nghiệm, mẫu đất nguyên trạng đƣợc lựa chọn phải đảm bảo yêu cầu là trầm tích trẻ nhạy cảm với nƣớc biển dâng và chƣa bị nhiễm mặn. Với các tiêu chí này, nghiên cứu lựa chọn đất loại sét trạng thái dẻo mềm, thuộc hệ tầng Thái Bình. Mẫu đất nguyên dạng đƣợc lấy tại các hố khoan khảo sát địa chất cơng trình khu vực Hà Nội, Ninh Bình, Nam Định và Hải Phịng (hình 1), độ sâu lấy mẫu khơng quá 10m. Mẫu đất đƣợc đƣa về phịng thí nghiệm và xử lý bão hịa với nƣớc biển nhân tạo. Để khảo sát mối liên hệ giữa biến dạng lún và độ mặn trong đất, hay độ mặn của nƣớc lỗ rỗng, mẫu đất sau khi bão hịa mặn đƣợc thí nghiệm với thiết bị cố kết một trục. 2. CHUẨN BỊ MẪU ĐẤT Cơng tác hiện trƣờng nhằm thu thập mẫu đất nguyên dạng cũng nhƣ tiến hành một số thí nghiệm hiện trƣờng tại các hố khoan khảo sát. Đất đƣợc lựa chọn là sét và sét pha, trạng thái dẻo mềm, tƣơng đƣơng với sức kháng cắt khơng thốt nƣớc dao động từ 25 - 50kPa. Tại khu vực Hà Nội, chín địa điểm nghiên cứu đều nằm trong và xung quanh khu vực nội thành của Hà Nội. Các khu vực khác ở đồng bằng Sơng Hồng cũng đều là đất loại sét hệ tầng Thái Bình (bảng 1). Bảng 1: Vị trí lấy mẫu và đặc điểm cơ bản của chúng Vị trí khảo sát Độ sâu lấy mẫu (m) Mơ tả Thái Thụy, Thái Bình 2,2 – 3,0 Sét xen lẫn hữu cơ Giao Thủy, Nam Định 2,0 – 2,8 Sét chứa xác sinh vật Kim Sơn, Ninh Bình 0,0 – 1,0 Sét bột, dẻo mềm Đình Vũ, Hải Phịng 4,0 – 4,8 Sét bùn, dẻo mềm-dẻo chảy Đơng Hải, Hải Phịng 12,0–12,8 Sét, dẻo mềm Thủy Nguyên, Hải Phịng 6,0 – 6,8 Sét, dẻo mềm Khu vực Hà Nội 1,5 - 8,0 Sét, sét bột, dẻo mềm Để mơ phỏng quá trình xâm nhập mặn mẫu đất trong phịng thí nghiệm đƣợc làm bão hịa với nƣớc biển nhân tạo với bốn nồng độ muối là Sa = 0,0g/L; 9,9g/L; 19,8g/L và 33,0g/L, tƣơng đƣơng với Sa = 0%, 30%, 60% và 100% độ mặn của nƣớc biển tự nhiên. Quá trình xâm nhập mặn đƣợc thực hiện theo một chu trình khép kín gồm hai pha, bão hịa tự nhiên dựa trên nguyên lý mao dẫn, và bão hịa áp lực. Mỗi pha bão hịa kéo dài trung bình 5 - 7 ngày để đảm bão mẫu đất đƣợc bão hịa hồn tồn bởi nƣớc mặn. Sau khi bão hịa, mẫu đất đƣợc tiến hành thí nghiệm nén cố kết tại 4 buồng nén tƣơng ứng với 4 nồng độ muối. Các cấp áp lực nén đƣợc thực hiện bao gồm 25 kPa, 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa và 400 kPa. Mỗi cấp áp lực đƣợc thực hiện trong 24 giờ. Tƣơng tự, thí nghiệm cắt phẳng xác định khả năng kháng cắt dƣ cũng đƣợc thực hiện nhằm xác định đặc trƣng kháng cắt của đất trong các trƣờng hợp nhiễm mặn khác nhau. Trƣớc khi thực hiện các thí nghiệm cắt phẳng và nén lún, một số thí nghiệm xác định tính chất vật lý cơ bản cũng đã đƣợc tiến hành. 3. PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG LÚN CỦA ĐẤT NHIỄM MẶN THEO PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 3.1 Số liệu đầu vào Để tiến hành nghiên cứu chi tiết về biến dạng lún của đất nhiễm mặn, bài báo tính tốn cho một nền đƣờng đắp giả định nằm trên lớp đất loại sét trong các trƣờng hợp bão hịa với 4 nồng độ muối nhƣ đã đề cập ở trên. Việc tính tốn đƣợc thực hiện cho tất cả các trƣờng hợp đất nền của các địa điểm nghiên cứu nhằm xác định ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 44 độ lún theo thời gian ngồi hiện trƣờng. Cấu trúc của nền đắp giả định và các thơng số hình học đƣợc thể hiện trên hình 2: khối đắp cao 5m nằm trên nền đất cấu trúc 3 lớp. Lớp đất chịu nén lún nằm giữa dày 2,4m, đỉnh và đáy của nĩ là cát hạt vừa. Nhƣ đã đề cập, việc nghiên cứu đƣợc thực hiện trên đất sét và sét pha chƣa bị nhiễm mặn thuộc hệ tầng Thái bình. Trong bài báo này, tác giả xem xét hai trƣờng hợp: 1) nền đất với lớp nén lún là sét dẻo mềm đƣợc lấy ở độ sâu 6m, tại trạm bơm Cự Khối, P. Thống Nhất, Q. Long Biên, Hà Nội (ký hiệu GL2) và 2) lớp nén lún là đất sét pha chứa hữu cơ, trạng thái dẻo mềm đƣợc lấy ở độ sâu 7m, tại cổng khu đơ thị Lideco, Hồi Đức, Hà Nội (ký hiệu HD1). Các thơng số địa kỹ thuật của các lớp đất chịu nén đƣợc lấy từ thí nghiệm trong phịng, chúng đƣợc sử dụng làm bộ thơng số đầu vào cho phân tích mơ hình (bảng 1). Ở đây, các ký hiệu λ* và κ* là các thơng số chuẩn hĩa của thí nghiệm nén đơn trục và nén lại sau dỡ tải. Hình 2. Sơ đồ cấu trúc nền đắp giả định Bảng 1. Các thơng số địa kỹ thuật của các lớp đất nén lún (thơng số đầu vào cho mơ hình) Thơng số Đơn vị Sét pha chứa hữu cơ (HD1) Đất sét ( GL2) Độ mặn (Sa, g/L) Độ mặn (Sa, g/L) Sa=0,0 Sa=9,9 Sa=19,8 Sa=33,0 Sa=0,0 Sa=9,9 Sa=19,8 Sa=33,0 γ kN/m3 18,20 18,12 17,95 18,08 19,20 19,15 19,19 19,10 e0 - 0,996 0,999 1,027 1,037 0,824 0,825 0,831 0,846 φ độ 12,42 11,97 11,53 10,93 3,50 3,31 3,12 2,87 c kPa 14,72 13,92 13,13 12,07 32,47 31,20 29,94 28,25 Eoed kPa 3717 3515 3390 3234 4742 4495 4256 3992 ν - 0,35 0,35 0,35 0,35 0,42 0,42 0,42 0,42 Cc kPa -1 0,179 0,189 0,199 0,209 0,128 0,135 0,143 0,154 λ* kPa-1 0,0390 0,0410 0,0427 0,0446 0,0305 0,0322 0,0340 0,0363 κ* kPa-1 0,0099 0,0103 0,0107 0,0112 0,0076 0,0080 0,0085 0,0091 k ×10 -5 m/ng 5,79 5,31 5,20 4,99 1,01 0,950 0,959 0,942 Ứng dụng mơ hình số theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn với sự hỗ trợ của phần mềm Plaxis để tính tốn phân bố tải trọng của nền đắp (hình 3). Phân tích cố kết cặp đơi theo lý thuyết tuyến tính của Biot M.A. (1941, 1956) [3,4] đã đƣợc tiến hành nhằm thu đƣợc kết quả về mối quan hệ độ nén lún theo thời gian của nền đắp. Theo đĩ, bài báo đã tính tốn biến dạng lún cho các lớp đất chịu nén với ba mơ hình thành phần là Đàn hồi tuyến tính (Linear Elastic), Đàn - dẻo (Elastoplatic) theo Mohr- Coulomb, và mơ hình Đất yếu (Soft Soil). Trong nghiên cứu này, các tác giả chỉ tập trung phân tích cố kết sơ cấp theo thời gian, đặc biệt là thời gian kết thúc cố kết đĩ. Nghiên cứu cố gắng tìm ra câu trả lời nƣớc mặn ảnh hƣởng nhƣ thế nào đến quá trình biến dạng lún của nền đất yếu ở đồng bằng sơng Hồng. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 45 Hình 3. Sơ đồ mơ hình tính tốn theo phương pháp phần tử hữu hạn: (a) lưới phần tử hữu hạn; (b) Sơ đồ biến dạng điển hình 3.2 Phân tích độ lún - thời gian với mơ hình 2D theo Mohr-Coulomb và Hooke Kết quả phân tích mơ hình đƣợc thể hiện trực quan dƣới dạng hình ảnh và số liệu dạng bảng. Hình 4 là kết quả về phân tích nén lún theo mơ hình Đàn - dẻo và Đàn hồi tuyến tính (Elastoplastic và Elastic) cho trƣờng hợp lớp chịu nén dày 2,4m; tuy nhiên, tác giả chỉ đƣa hình ảnh minh họa phân tích với nồng độ mặn Sa = 0% và 100%. Trên hình cũng cĩ các thơng tin chi tiết về nền đắp trên đất yếu với tƣơng quan độ lún (cm) - thời gian (ngày) của mỗi địa điểm nghiên cứu. Đĩ là giá trị cực đại của độ lún trên mặt cắt ngang nền đắp. Việc tính tốn mơ hình hĩa đƣợc thực hiện cho tất cả các nền đất giả định nhiễm mặn với các nồng độ muối thực hiện trong phịng thí nghiệm, tức là Sa = 0%, 30%, 60% và 100%. Kết quả phân tích chi tiết theo các mơ hình với 4 trƣờng hợp độ mặn nền đất đƣợc thể hiện trên bảng 2. Hình 4. Kết quả dạng hình ảnh về phân tích biến dạng lún theo thời gian với chiều dày lớp nén lún h = 2,4m ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 46 3.3 Phân tích theo mơ hình đất yếu Mơ hình đất yếu (Soft Soil model) đƣợc phát triển tích hợp trong chƣơng trình Plaxis. Nĩ cĩ thể áp dụng đƣợc cho đất cố kết thƣờng cĩ tính nén lún cao (Eoed = 1 ÷ 4 MPa) [5]. Mơ hình đất yếu dựa vào số liệu thí nghiệm trong phịng theo Janbu [6]. Các đặc điểm chính của mơ hình này là: ứng suất phụ thuộc vào độ cứng của đất; cĩ sự khác nhau giữa tải trọng sơ cấp với dỡ tải - tái nén, ứng suất tiền cố kết đƣợc lƣu giữ; thuộc tính phá hủy tuân theo các tiêu chuẩn Mohr-Coulomb. Nghiên cứu thực hiện lời giải 2D với mơ hình Đất yếu để phân tích so sánh với lời giải truyền thống theo Đàn hồi Tuyến tính và Đàn dẻo. Quá trình phân tích đã thu đƣợc kết quả nhƣ trên bảng 2. Ở đây, nghiên cứu cũng đƣa ra tỉ lệ phần trăm biến đổi về độ lún và thời gian kết thúc cố kết sơ cấp, thể hiện bởi ∆S (%) và ∆t100 (%). Kết quả cho thấy, các giá trị này gia tăng dần theo độ mặn của dung dịch nƣớc lỗ rỗng (Sa). Bảng 2. Độ lún cực đại (S, cm) và thời gian kết thúc nén sơ cấp của nền đất nhiễm mặn theo các mơ hình Đàn hồi, Đàn-Dẻo và mơ hình Đất yếu Độ mặn (Sa, g/L) HD1 GL2 t100(ngày) ∆ t100% S (cm) ∆S% t100(ngày) ∆ t100% S (cm) ∆S% Mơ hình Đàn hồi Tuyến tính 0,0 167 7,10 815 6,31 9,9 207 23,95 7,52 5,92 946 16,07 6,63 5,07 19,8 209 25,15 7,79 9,72 985 20,86 6,99 10,78 33,0 228 36,53 8,16 14,93 1039 27,48 7,50 18,86 Mơ hình Đàn dẻo 0 175 7,44 827 6,31 30 196 12,00 8,31 11,69 913 10,40 6,64 5,23 60 227 29,71 9,15 22,98 914 10,52 6,98 10,62 100 282 61,14 11,72 57,53 1044 26,24 7,45 18,07 Mơ hình Đất yếu 0 327 15,40 1187 13,36 30 339 3,67 17,62 14,42 1350 13,73 14,41 7,86 60 351 7,34 18,66 21,17 1368 15,25 15,38 15,12 100 369 12,84 23,42 52,08 1465 23,42 16,74 25,30 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 47 Hình 5. Đường cong độ lún theo thời gian của nền đắp tại khu vực nghiên cứu HD1 và GL2 4. THẢO LUẬN Kết quả phân tích theo mơ hình 2D Đàn hồi tuyến tính, Đàn dẻo và Đất yếu với chƣơng trình Plaxis ở các hình ảnh trên đƣợc thể hiện trong bảng 2. Nhìn chung, các kết quả này phù hợp với mỗi loại đất đƣợc nghiên cứu. Từ các kết quả thu đƣợc, cĩ thể nhận thấy sự khác nhau đáng kể về cƣờng độ lún và thời gian kết thúc nén lún sơ cấp (t100) giữa các nền đất nhiễm mặn. Cụ thể: - Chuyển vị thẳng đứng của nền đắp tỉ lệ thuận với độ mặn của nƣớc lỗ rỗng. Nồng độ muối trong đất càng cao, chuyển vị thẳng đứng của nền đất càng lớn. Khi độ mặn tăng từ 0 lên 30% độ mặn nƣớc biển, tỉ lệ gia tăng độ lún ∆S dao động từ 5,07 đến 14,42%; khi độ mặn nƣớc lỗ rỗng tƣơng đƣơng nƣớc biển (Sa = 100%), tỉ lệ gia tăng độ lún ∆S đạt 8,16-57,53%. - Thời gian kết thúc cố kết sơ cấp cũng tỉ lệ thuận với nồng độ muối. Do các thơng số đầu vào của mơ hình thay đổi tƣơng ứng với nồng độ muối trong đất nên các kết quả về thời gian cố kết thu đƣợc nhƣ trên là phù hợp. - Kết quả thu đƣợc giữa các mơ hình 2D Đàn ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 48 hồi Tuyến tính, Đàn dẻo và Đất yếu cĩ sự khác nhau đáng kể. Nền đất giả định với sét dẻo mềm nhƣ tại GL2 cĩ cƣờng độ chuyển vị thẳng đứng giữa hai mơ hình 2D Đàn hồi Tuyến tính và Đàn dẻo hầu nhƣ giống nhau, trong khi đĩ với nền đất giả định là sét pha nhƣ HD1 cƣờng độ chuyển vị cĩ sự thay đổi đáng kể (∆SElastic = 5,9- 14,9%, ∆SElastoplastic = 11,7-57,5%). Chuyển vị thẳng đứng theo mơ hình Soft Soil cĩ giá trị lớn hơn hẳn so với theo mơ hình Elastic và Elastoplastic. - Thời gian kết thúc cố kết sơ cấp đƣợc phân tích theo mơ hình Soft Soil cho tất cả các loại đất nghiên cứu là dài hơn so với theo mơ hình Đàn hồi Tuyến tính và Đàn dẻo. Giá trị thời gian kết thúc cố kết sơ cấp t100 cũng gia tăng tỉ lệ với độ mặn trong đất. Điều này chứng tỏ rằng xâm nhập mặn làm các lớp đất dính dẻo mềm ở đồng bằng Sơng Hồng trở nên “yếu” hơn. 5. KẾT LUẬN Nghiên cứu này cho thấy rằng quá trình xâm nhập mặn liên quan đến biến đổi khí hậu và nƣớc biển dâng tại những vùng đồng bằng ven biển dẫn đến những thay đổi quan trọng về các tính chất địa kỹ thuật của đất, cụ thể là độ biến dạng lún của nền đất. Kết quả phân tích mơ hình hĩa theo 2D Đàn hồi Tuyến tính, Đàn dẻo và mơ hình Đất yếu cho thấy biến dạng lún theo thời gian của nền đất gia tăng tỉ lệ với độ mặn của nƣớc lỗ rỗng trong đất. Bên cạnh đĩ, thời gian kết thúc cố kết so cấp tính tốn theo các mơ hình cũng gia tăng tỉ lệ với độ mặn của dung dịch bão hịa. Về cơ bản, đất dính trạng thái dẻo mềm ở đồng bằng Sơng Hồng cĩ ứng xử tiêu cực khi bị nhiễm mặn, đất bị biến dạng nhiều hơn, thời gian kết thúc cố kết kéo dài hơn, và nền đất trở nên yếu hơn. Trong nghiên cứu này, sự thay đổi của đất sét thể hiện ít hơn so với đất sét pha. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Truc N.N., Granie R.J. (2008). Global Warming - Related Sea Level Rise and The Change of Some Mechanical Characteristics of Soil Foundation Due to Salty Intrusion, Case Study Thai Binh Formation Sediment in The RRD, Vietnam. Proc. of Int. Sym. on Climate Change and the Sustainability, Hanoi, pp. 131-140. [2] Truc N.N., et al. (2007). The Issue of Sea Level Rise Due to Global Warming and Its Impacts on The Coastal Zone of Vietnam. Proc. of Int. Sym. on Hanoi Geoengineering, Hanoi, pp. 124-130. [3] Biot, M. A. 1956. General solutions of equations of elasticity and consolidation for a porous material. Journal Applied Mechanics, 23. [4] Biot, M. A. 1941. General theory of three dimensional consolidation. Journal of Applied Physics, 12. [5] Plaxis. (2012). Material Models Manual. [6] Janbu, N. (1985). Soil Models in Offshore Engineering. 25 th Rankine Lecture. Géotechnique, 35. Người phản biện: PGS,TS ĐỖ MINH TỒN