Trong kỹ thuật địa kỹ thuật hiện đại, đặc biệt là tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) và Đồng bằng sông Hồng (ĐBSH), bài toán xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm (PVD) kết hợp gia tải hoặc hút chân không đang đối mặt với thách thức lớn về độ chính xác của dữ liệu đầu vào. Các phương pháp tính toán truyền thống dựa trên lý thuyết Terzaghi thường giả định hệ số thấm (\(k\)) và hệ số nén lún (\(a_v\)) là hằng số, dẫn đến sai số tích lũy đáng kể trong dự báo độ lún và thời gian cố kết.
Bài viết này đi sâu phân tích logic tổng thể và so sánh định lượng các thông số đầu vào giữa hai phương pháp thí nghiệm: Nén cố kết từng cấp (Incremental Loading - IL) và Nén cố kết tốc độ biến dạng không đổi (Constant Rate of Strain - CRS), dựa trên nền tảng dữ liệu từ Luận án Tiến sĩ Nguyễn Công Oanh (2019). Mục tiêu là cung cấp cơ sở dữ liệu chuẩn hóa (dưới dạng bảng tính ứng dụng) để các kỹ sư địa kỹ thuật áp dụng vào bài toán kinh tế - kỹ thuật thực tế.
1. Tiếp cận bài toán Rời rạc (Discrete) đến Liên tục (Continuous)
Sự khác biệt cốt lõi giữa IL và CRS không chỉ nằm ở quy trình thí nghiệm mà còn ở bản chất vật lý của dữ liệu thu được, ảnh hưởng trực tiếp đến mô hình toán học khi thiết kế xử lý nền.
1.1. Giới hạn của phương pháp nén cố kết truyền thống
Phương pháp IL (theo TCVN 4200:2012 hoặc ASTM D2435) gia tải theo từng cấp (thường là \(\Delta\sigma/\sigma = 1\)), mỗi cấp giữ 24 giờ.
- Bản chất: Dữ liệu rời rạc. Đường cong nén lún \(e - \log\sigma'\) được dựng từ 7-9 điểm.
- Hệ quả: Bỏ sót các điểm uốn quan trọng để xác định áp lực tiền cố kết \(\sigma'_p\). Không phản ánh được sự biến thiên liên tục của hệ số thấm \(k\) và hệ số cố kết \(c_v\) trong quá trình chuyển tiếp ứng suất.
- Sai số: Do thời gian lưu tải lâu, từ biến (nén thứ cấp) xảy ra ở mỗi cấp tải, làm sai lệch đánh giá về nén sơ cấp thuần túy.
1.2. Ưu điểm của phương pháp CRS
Phương pháp CRS (theo ASTM D4186) gia tải liên tục với tốc độ biến dạng được kiểm soát để đảm bảo áp lực nước lỗ rỗng dư tại đáy mẫu không vượt quá giới hạn cho phép.
- Phương trình cơ bản: Lý thuyết cố kết biến dạng lớn (Wissa et al., 1971) được áp dụng:
Trong đó \(k(e)\) là hàm số phụ thuộc vào hệ số rỗng, không phải hằng số.
- Logic ứng dụng: Luận án đã chứng minh việc sử dụng dữ liệu liên tục từ CRS cho phép xây dựng các hàm tương quan thực nghiệm (Empirical Correlations) cho đất yếu Việt Nam với độ tin cậy cao hơn hẳn IL, đặc biệt khi đưa vào các mô hình tính toán sai phân hữu hạn (FDM).
2. So sánh Thông số đầu vào
Dưới đây là bảng tổng hợp so sánh các thông số địa kỹ thuật được trích xuất và tổng hợp từ kết quả thực nghiệm của luận án. Bảng này được định dạng để các kỹ sư có thể chuyển đổi trực tiếp vào quy trình tính toán thiết kế.
| Tham số (Parameter) | Ký hiệu | Đơn vị | Phương pháp IL (Standard) | Phương pháp CRS (Advanced) | Hệ số chuyển đổi & Nhận xét (Correlation based on Thesis) |
|---|---|---|---|---|---|
| Chỉ số nén | \(C_c\) | - | Xác định từ độ dốc đoạn nén nguyên sinh (rời rạc). | Xác định từ đường cong liên tục \(e-\log\sigma'\). | \(C_{c(CRS)} \approx (1.05 \div 1.15) C_{c(IL)}\) Lý do: CRS giảm thiểu ảnh hưởng nén thứ cấp trong quá trình thí nghiệm, mẫu ít bị xáo trộn hơn. |
| Chỉ số nén lại | \(C_r\) | - | Khó xác định chính xác ở tải trọng nhỏ (thường chỉ có 1-2 điểm dỡ tải). | Đường cong dỡ tải liên tục, rõ ràng. | \(C_{r(CRS)} \approx C_{r(IL)}\) Thường lấy \(C_r \approx 0.1 C_c\). |
| Áp lực tiền cố kết | \(\sigma'_p\) | kPa | Phụ thuộc chủ quan vào người vẽ (Casagrande) trên số điểm ít ỏi. | Điểm uốn thể hiện cực kỳ rõ nét trên biểu đồ ứng suất - biến dạng. | \(\sigma'_{p(CRS)} \approx (1.0 \div 1.1) \sigma'_{p(IL)}\) CRS cho giá trị tin cậy cao hơn để xác định trạng thái OCR của nền đất. |
| Hệ số cố kết | \(c_v\) | \(cm^2/s\) hoặc \(m^2/yr\) | Giá trị dao động mạnh, rải rác. Thường lấy trung bình logarit. | Hàm liên tục: \(c_v = f(\sigma')\) | Tại trạng thái NC (chảy dẻo), \(c_v\) từ CRS ổn định và thấp hơn IL một chút do kiểm soát được áp lực nước lỗ rỗng. |
| Hệ số thấm | \(k\) | \(m/s\) | Tính gián tiếp: \(k = c_v m_v \gamma_w\) | Tính trực tiếp từ đo đạc áp lực nước lỗ rỗng đáy mẫu (\(u_b\)). | CRS phản ánh chính xác quy luật:\(e = e_0 + C_k \log(k/k_0)\) Cho phép mô phỏng sự giảm thấm khi đất bị nén chặt. |
| Thời gian thực hiện | \(T\) | Ngày | 7 - 14 ngày/mẫu | 24 - 36 giờ/mẫu | CRS nhanh hơn ~10 lần. Tối ưu tiến độ khảo sát cho các dự án hạ tầng lớn. |
Lưu ý quan trọng: Khi nhập liệu vào các phần mềm như Plaxis hay GeoStudio, nếu sử dụng số liệu CRS, nên sử dụng mô hình Soft Soil Creep hoặc Modified Cam-Clay với các tham số biến đổi theo hàm ứng suất thay vì hằng số.
3. Phân tích Chuyên sâu Ứng dụng vào Bài toán Bấc thấm (PVD)
Kết quả từ nghiên cứu không chỉ dừng lại ở việc so sánh số liệu thí nghiệm mà còn đề xuất quy trình ứng dụng vào bài toán cố kết thấm (Consolidation Analysis) với bài toán thực tế tại Việt Nam.
3.1. Xác định Hệ số thấm ngang (\(k_h\))
Bài toán bấc thấm phụ thuộc chủ yếu vào khả năng thoát nước phương ngang. Tuy nhiên, thí nghiệm trong phòng (cả IL và CRS) thường là thoát nước thẳng đứng. Luận án đề xuất tương quan giữa \(c_v\) (từ CRS) và \(c_h\) (từ thí nghiệm hiện trường CPTu hoặc Piezo-cone) như sau:
\[k_h = \frac{k_{h(field)}}{k_{v(lab)}} \cdot k_{CRS} \approx (2 \div 5) \cdot k_{CRS}\]Trong tính toán thiết kế, việc sử dụng hàm \(k\) biến đổi theo hệ số rỗng \(e\) từ thí nghiệm CRS giúp tối ưu hóa khoảng cách bấc thấm. Thay vì sử dụng một giá trị \(k\) cố định (thường là giá trị an toàn thấp nhất), ta có thể mô phỏng quá trình \(k\) giảm dần, từ đó chọn mật độ bấc hợp lý để đạt độ cố kết \(U \ge 90\%\) đúng thời hạn.
3.2. Kiểm soát Tốc độ biến dạng (\(\beta\))
Một đóng góp quan trọng của nghiên cứu là xác định tốc độ biến dạng chuẩn hóa cho đất sét yếu Việt Nam để đảm bảo tính chính xác của thông số CRS:
\[\beta = \frac{\dot{\varepsilon}}{1} = 0.002 \div 0.02 \, (\%/min)\]Tốc độ này đảm bảo tỷ số áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tại đáy mẫu (\(u_b\)) và tổng ứng suất nén (\(\sigma_v\)) thỏa mãn điều kiện tuyến tính:
\[R_u = \frac{u_b}{\sigma_v} \le 15\%\]Nếu \(R_u\) quá lớn, kết quả thí nghiệm sẽ bị sai lệch do sự phân bố ứng suất hiệu quả không đồng đều trong mẫu đất.
4. Mô hình Toán học Ứng dụng
Để áp dụng các thông số từ CRS vào bài toán kinh tế kỹ thuật (tối ưu hóa chiều dài và khoảng cách bấc), luận án sử dụng phương pháp Sai phân hữu hạn (FDM) giải phương trình cố kết thấm đối xứng trục (Axisymmetric Consolidation).
Phương trình tổng quát cho vùng tác động của bấc thấm:
\[\frac{\partial u}{\partial t} = c_h \left( \frac{\partial^2 u}{\partial r^2} + \frac{1}{r}\frac{\partial u}{\partial r} \right) + c_v \frac{\partial^2 u}{\partial z^2}\]Với dữ liệu đầu vào từ CRS, các tham số không còn là hằng số mà là hàm số:
- Hệ số nén thể tích (\(m_v\)): \(m_v = \frac{0.434 C_c}{(1+e_0)\sigma'}\)
- Hệ số cố kết ngang (\(c_h\)): \(c_h(t) = \frac{k_h(e(t))}{m_v(\sigma'(t)) \gamma_w}\)
Việc giải hệ phương trình này cho phép dự báo độ lún \(S(t)\) chính xác hơn so với công thức giải tích của Hansbo (1981), vốn bỏ qua sự thay đổi của \(k_h\) và \(m_v\).
5. Kết luận Ứng dụng
Việc chuyển đổi từ thí nghiệm IL sang CRS và áp dụng các thông số điều chỉnh theo luận án mang lại lợi ích kép:
- Kinh tế: Giảm thời gian khảo sát địa chất, tối ưu hóa lưới bấc thấm (giảm khối lượng bấc nếu đất có hệ số thấm thực tế cao hơn giả định an toàn).
- Kỹ thuật: Dự báo chính xác thời điểm dỡ tải, kiểm soát rủi ro lún dư sau khi đưa công trình vào khai thác.
Dữ liệu bảng so sánh trên là cơ sở đầu vào (Input Data) chuẩn để thiết lập các file tính toán tự động, phục vụ cho các dự án xử lý nền đất yếu quy mô lớn tại Việt Nam.