Luận án Nghiên cứu điều kiện địa kỹ thuật phục vụ quy hoạch và xây dựng Thành phố Hải Dương

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT ******** ĐỖ HỒNG THẮNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KIỆN ĐỊA KỸ THUẬT PHỤC VỤ QUY HOẠCH VÀ XÂY DỰNG THÀNH PHỐ HẢI DƯƠNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA CHẤT Hà Nội - 2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT ****** ĐỖ HỒNG THẮNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KIỆN ĐỊA KỸ THUẬT PHỤC VỤ QUY HOẠCH VÀ XÂY DỰNG THÀNH PHỐ HẢI DƯƠNG NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA CHẤT Mã số: 9520501 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS Đỗ Minh Toàn 2. TS Nguyễn Văn Phóng Hà Nội - 2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi thực hiện và hoàn toàn trung thực, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan này. Hà Nội, ngày 15 tháng 7 năm 2024 Tác giả ĐỖ HỒNG THẮNG ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Phòng Đào tạo Sau đại học, Khoa Khoa học và Kỹ thuật Địa chất, Bộ môn Địa chất công trình đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án này. Với lòng kính trọng, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến NGƯT.PGS.TS Đỗ Minh Toàn và TS Nguyễn Văn Phóng đã hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận án. Xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo, các đồng nghiệp tại Công ty cổ phần khảo sát thiết kế xây dựng Đất Việt đã tạo điều kiện về thời gian công tác, cung cấp những tài liệu thực tế quý báu để tôi hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn các Chuyên gia, các nhà Khoa học đã hỗ trợ và đóng góp các ý kiến quý báu về chuyên môn, giúp tôi hoàn thiện luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Trung tâm Tư vấn khảo sát thiết kế công trình Quốc phòng - Bộ Tư lệnh Công binh đã tạo điều kiện cho tôi sử dụng phần mềm Geo5, để tính toán trong một phần nội dung chương 3 của luận án. Để hoàn thành được luận án của mình, tác giả đã nhận được sự động viên, ủng hộ kịp thời từ gia đình trong những lúc khó khăn và thuận lợi, xin bày tỏ lòng biết ơn và chia sẻ những thành công có được của bản thân đến gia đình. Tất cả những sự giúp đỡ trên, tôi sẽ ghi nhớ và luôn trân trọng mang theo trong suốt quá trình học tập, công tác và nghiên cứu của mình. Hà Nội, ngày 15 tháng 7 năm 2024 Tác giả ĐỖ HỒNG THẮNG iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................................... vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... viii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ...................................................................... x MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỊA KỸ THUẬT ................................................ 7 1.1. Một số khái niệm và nội dung nghiên cứu Địa kỹ thuật. ................................ 7 1.2. Tổng quan về nghiên cứu Địa kỹ thuật .......................................................... 12 1.2.1. Trên thế giới ........................................................................................... 13 1.2.2. Ở Việt Nam ............................................................................................. 16 1.2.3. Tình hình nghiên cứu ở Hải Dương ........................................................ 20 Kết luận chương 1. ............................................................................................... 22 CHƯƠNG 2. ĐIỀU KIỆN ĐỊA KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HẢI DƯƠNG ..... 23 2.1. Điều kiện địa kỹ thuật thành phố Hải Dương ................................................ 23 2.1.1. Đặc điểm môi trường địa chất. ............................................................... 24 2.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường địa chất ...................................... 36 2.1.3. Đặc điểm hệ thống kỹ thuật công trình thành phố Hải Dương .............. 39 2.2. Phân khu Địa kỹ thuật thành phố Hải Dương ................................................ 51 2.2.1. Mục đích và cơ sở phân khu ................................................................... 51 2.2.2. Tiêu chí và nguyên tắc phân khu Địa kỹ thuật thành phố Hải Dương .... 52 Kết luận chương 2 ................................................................................................. 58 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN, DỰ BÁO CÁC VẤN ĐỀ ĐỊA KỸ THUẬT VÀ KIẾN NGHỊ KHAI THÁC SỬ DỤNG HỢP LÝ MÔI TRƯỜNG ĐỊA CHẤT ........... 59 3.1. Khả năng phát sinh các vấn đề ĐKT công trình thành phố Hải Dương và các phương pháp dự báo. ..................................................................................... 60 3.1.1. Phân tích khả năng phát sinh các vấn đề địa kỹ thuật ............................. 60 3.1.2 Phương pháp tính toán, dự báo ................................................................ 68 3.2. Dự báo các vấn đề địa kỹ thuật thành phố Hải Dương .................................. 72 iv 3.2.1. Dự báo các vấn đề địa kỹ thuật với nhóm 1 - công trình hạ tầng kỹ thuật ................................................................................................................... 72 3.2.2. Dự báo các vấn đề địa kỹ thuật với nhóm 2 - công trình dân dụng và công nghiệp ....................................................................................................... 75 3.2.3. Dự báo vấn đề địa kỹ thuật với nhóm 3- Hố đào sâu .............................. 88 3.2.4. Ảnh hưởng của hiện trạng xây dựng ....................................................... 98 Kết luận chương 3 ................................................................................................. 99 CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG PHẦN MỀM QUẢN LÝ VÀ TRA CỨU THÔNG TIN ĐỊA KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HẢI DƯƠNG ......................................... 101 4.1 Thông tin địa kỹ thuật và nội dung quản lý thông tin địa kỹ thuật ............... 101 4.1.1 Khái niệm thông tin địa kỹ thuật và ý nghĩa đối với quy hoạch đô thị .. 101 4.1.2 Xây dựng hệ thống thông tin địa kỹ thuật .............................................. 102 4.2. Hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information Systems) ............. 105 4.3. Xây dựng phần mềm quản lý thông tin địa kỹ thuật Thành phố Hải Dương ................................................................................................................ 107 4.3.1. Khái niệm về cơ sở dữ liệu GIS ............................................................ 107 4.3.2. Thành phần cơ bản của dữ liệu GIS ...................................................... 108 4.3.3. Số hóa bản đồ địa kỹ thuật Thành phố Hải Dương ............................... 109 4.3.4. Thiết kế cơ sở dữ liệu ............................................................................ 110 4.3.5. Kiến trúc Phần mềm .............................................................................. 112 4.3.6. Một số hình ảnh kết quả của phần mềm ............................................... 114 Kết luận chương 4: .............................................................................................. 115 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................. 117 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ..................................................................................................... 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 121 CÁC PHỤ LỤC ..................................................................................................... 128 Phụ lục 1. Sơ đồ tài liệu thực tế (thu nhỏ) .......................................................... 129 Phụ lục 2. Các mặt cắt địa chất công trình .......................................................... 130 v Phụ lục 3. Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý các lớp đất ........................................... 131 Phụ lục 4. Bản đồ phân chia cấu trúc nền thành phố Hải Dương, tỷ lệ 1/20.000 ............................................................................................................... 134 Phụ lục 5. Bản đồ phân khu quy hoạch thành phố Hải Dương, tỷ lệ 1/20.000 ... 135 Phụ lục 6. Bản đồ phân cấp hệ thống kỹ thuật thành phố Hải Dương, tỷ lệ 1/20.000 ............................................................................................................... 136 Phụ lục 7. Bản đồ phân khu địa kỹ thuật thành phố Hải Dương, tỷ lệ 1/20.000 137 Phụ lục 8. Bản đồ Đệ tứ tỉnh Hải Dương, tỷ lệ 1/100.000 .................................. 138 Phụ lục 9. Bản đồ địa chất Thủy văn tỉnh Hải Dương, tỷ lệ 1/100.000 .............. 139 Phụ lục 10. Tổng hợp các phương án thiết kế địa kỹ thuật tối ưu của thành phố Hải Dương ........................................................................................................... 140 vi DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT Ký hiệu, chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ 1 a, am, mQ13 Trầm tích Pleistocen trên, nguồn gốc sông, sông - biển, biển 2 a, am, mQ21-2 Trầm tích Holocen dưới - giữa, nguồn gốc sông, sông - biển, biển 3 a1-2 Hệ số nén lún ở cấp áp lực từ 100 đến 200kPa 4 ab, mb, bQ23 Trầm tích Holocen trên, nguồn gốc sông - đầm lầy,biển - đầm lầy, đầm lầy; 5 amQ22-3 Trầm tích Holocen giữa - trên, nguồn gốc hỗn hợp sông - biển 6 c, c’, cu, ccu Lực dính kết, lực dính kết hữu hiệu, lực dính kết không thoát nước theo sơ đồ UU, CU 7 Cc Chỉ số nén 8 cv Hệ số cố kết theo phương thẳng đứng 9 e0 Hệ số rỗng; hệ số rỗng tự nhiên 10 Eo Mô đun tổng biến dạng 11 Eoed Mô đun biến dạng 12  Khối lượng thể tích tự nhiên của đất 13 c Khối lượng thể tích khô của đất 14 n Khối lượng riêng của nước 15 s Khối lượng riêng của đất 16 IP Chỉ số dẻo 17 Ir Chỉ số độ cứng 18 Is Độ sệt 19  Góc ma sát trong 20 ' Góc ma sát trong hiệu quả 21 k Hệ số thấm 22 n Độ lỗ rỗng tự nhiên 23 N30 Chỉ số SPT 24 SPT Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn vii TT Ký hiệu, chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ 25 UU Không thoát nước - không cố kết 26 W Độ ẩm tự nhiên 27 WL Độ ẩm giới hạn chảy 28 Wp Độ ẩm giới hạn dẻo 29  Hệ số poisson 30 ĐCCT Địa chất công trình 31 ĐCCT - ĐKT Địa chất công trình - Địa kỹ thuật 32 ĐCTV Địa chất thuỷ văn 33 ĐKĐKT Điều kiện địa kỹ thuật 34 ĐKT Địa kỹ thuật 35 FEM Finite Element Method 36 GIS Geographic Information System 37 HTKT Hệ thống kỹ thuật 38 MTĐC Môi trường địa chất 39 MTXQ Môi trường xung quanh 40 NCS Nghiên cứu sinh 41 nnk Những người khác 42 TBĐKT Tai biến địa kỹ thuật 43 TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam 44 TPHD Thành phố Hải Dương 45 UBND Uỷ ban nhân dân 46 QCVN Quy chuẩn Việt Nam 47 AI Trí tuệ nhân tạo 48 GPS Hệ thống định vị toàn cầu 49 ISSMGE Hội cơ học đất quốc tế viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1.Các phân vị địa tầng Đệ tứ thành phố Hải Dương .................................... 25 Bảng 2.2. Kết quả phân loại đất đá nền thành phố Hải Dương................................. 28 Bảng 2.3. Phân loại đất trong phạm vi nghiên cứu theo chất lượng xây dựng ......... 32 Bảng 2.4. Các kiểu và phụ kiểu địa hình thành phố Hải Dương............................... 34 Bảng 2.5. Chiều sâu phân bố và chiều dày tầng chứa nước qh ................................. 35 Bảng 2.6. Hiện trạng sử dụng đất thành phố Hải Dương .......................................... 39 Bảng 2.7. Hiện trạng mật độ xây dựng trung bình ở thành phố Hải Dương ............. 41 Bảng 2.8. Quy định số tầng cao tối đa đối với các công trình cao tầng [49] ............ 44 Bảng 2.9. Kết quả phân cấp HTKT của các phân khu. ............................................. 50 Bảng 2.10. Thuyết minh phân khu ĐKT thành phố Hải Dương ............................... 55 Bảng 3.1.Tổng hợp đặc điểm phân bố các lớp đất nền ở các khu địa kỹ thuật ......... 61 Bảng 3.2. Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất dùng trong tính toán .................. 63 Bảng 3.3. Tổng hợp đặc điểm hệ thống kỹ thuật xây dựng và vấn đề địa kỹ thuật theo quy hoạch xây dựng thành phố Hải Dương đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050 ............................................................................................. 67 Bảng 3.4. Các bài toán địa kỹ thuật và lý thuyết, phương pháp được áp dụng ........ 71 Bảng 3.5. Tổng hợp kết quả kiểm toán ổn định, lún của nền đường ........................ 74 Bảng 3.6. Tổng hợp các phương án gia cố, cải tạo nền đường ................................. 74 Bảng 3.7. Tổng hợp kết quả đánh giá các vấn đề địa kỹ thuật với công trình dân dụng công nghiệp loại nhỏ ......................................................................... 77 Bảng 3.8. Kết quả dự tính và thí nghiệm kiểm tra khả năng chịu tải của cọc thử .... 79 Bảng 3.9. Tổng hợp kết quả dự tính sức chịu tải của cọc ......................................... 83 Bảng 3.10. Tổng hợp dự báo kết quả tính toán thiết kế móng cọc cho công trình dân dụng ..................................................................................................... 85 Bảng 3.11. Tổng hợp các phương án đề xuất thiết kế móng cọc hợp lý cho công trình dân dụng ............................................................................................ 88 Bảng 3.12. Tổng hợp kết quả tính toán ổn định hố đào sâu ...................................... 93 ix Bảng 3.13. Tổng hợp đánh giá, khuyến cáo và kiến nghị khi thi công hố đào sâu tại các khu, khoảnh ĐKT ........................................................................... 96 Bảng 4.1. Layers ..................................................................................................... 111 Bảng 4.2. Users ....................................................................................................... 111 x DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ từ hệ thống Địa hệ tự nhiên- kỹ thuật, đến hệ thống địa- kỹ xây dựng ...................................................................................................... 9 Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống Địa kỹ thuật xây dựng ........................................................ 9 Hình 2.1. Sơ họa vị trí thành phố Hải Dương ........................................................... 33 Hình 2.2. Sơ đồ mạng lưới thủy văn ở thành phố Hải Dương .................................. 37 Hình 2.3. Bản đồ vị trí các phân khu xây dựng, tỷ lệ 1/20.000 (thu nhỏ) [49] ......... 44 Hình 2.4. Bản đồ phân khu cấp HTKT thành phố Hải Dương ................................. 51 Hình 2.5. Bản đồ phân khu ĐKT thành phố Hải Dương, ......................................... 55 Hình 3.1. Vị trí các điểm lựa chọn nghiên cứu ......................................................... 62 Hình 3.2. Địa tầng điển hình dùng trong tính toán ................................................... 62 Hình 3.3. Chứng nhận giấy phép phần mềm Geo5 ................................................... 70 Hình 3.4. Kết quả kiểm toán ổn đinh và lún nền đường (theo phần mềm Geo5) tại VT1 ...................................................................................................... 73 Hình 3.5. Kết quả kiểm toán ổn đinh và lún nền đường (theo phần mềm Geo5) tại VT2 ...................................................................................................... 73 Hình 3.6. Kết quả kiểm toán ổn đinh và lún nền đường ........................................... 73 Hình 3.7. Kết quả thí nghiệm nén tĩnh nền tại vị trí VT1 ......................................... 76 Hình 3.8. Kết quả tính toán nền bằng Spread Footing với móng mô phỏng bàn nén tại vị trí VT1............................................................................................... 76 Hình 3.9. Kết quả kiểm toán các vấn đề địa kỹ thuật với giải pháp móng nông trên nền tự nhiên ở VT1. ................................................................................... 76 Hình 3.10. Cột địa tầng tại các vị trí thí nghiệm cọc ................................................ 79 Hình 3.11. Sức chịu tải của cọc TN1: ....................................................................... 80 Hình 3.12. Sức chịu tải của cọc TN2: ....................................................................... 80 Hình 3.13. Sức chịu tải của cọc TN3: ....................................................................... 80 Hình 3.14. Sức chịu tải của cọc TN4: ....................................................................... 81 Hình 3.15. Sức chịu tải của cọc nhận được theo các phương pháp khác nhau ......... 81 xi Hình 3.16. Số liệu và đường cong quan hệ P - S theo phương pháp Spring method. ...................................................................................................... 82 Hình 3.17. Các tham số sức chịu tải của cọc phát triển theo chiều dài cọc .............. 82 Hình 3.18. Tải trọng đầu cọc của móng cọc (4 cọc) chịu tải trọng 3000kN ............. 84 Hình 3.19. Các thông số của cừ LarsenIV (a) và văng chống (b) ............................. 89 Hình 3.20. Các hệ số ổn định được sử dụng để kiểm toán trong chương trình Sheeting Check ở VT1 (trình đơn Select Setting) ..................................... 90 Hình 3.21. Các bước đào và thông số hệ chắn giữ.................................................... 90 Hình 3.22. Kết quả tính toán nội lực của hệ chắn giữ tại VT1 (Bước 3) ................. 91 Hình 3.23. Kết quả tính toán nội lực của hệ chắn giữ tại VT2 (Bước 3) .................. 91 Hình 3.24. Kết quả tính toán nội lực của hệ chắn giữ tại VT3 (Bước 3) .................. 92 Hình 3.25. Biểu đồ áp lực đất, mức độ và biến dạng của tường cừ ở 3 khu địa kỹ thuật ...................................................................................................... 92 Hình 3.26. Lực chống của hai tầng văng chống ở các vị trí nghiên cứu ................... 94 Hình 3.27. Lực cắt lớn nhất của tường cừ theo độ sâu đào ....................................... 94 Hình 3.28. Mô men lớn nhất của tường cừ theo độ sâu đào ..................................... 95 Hình 3.29. Chuyển vị lớn nhất của tường cừ theo độ sâu đào .................................. 96 Hình 4.1. Kiến trúc hệ quản trị PostgressSQL / PostGIS ....................................... 107 Hình 4.2. Minh họa một phần bản đồ quy hoạch sử dụng đất Thành phố Hải Dương . 109 Hình 4.3. Biểu đồ DFD mức ngữ cảnh ................................................................... 112 Hình 4.4. Biểu đồ DFD mức chi tiết ....................................................................... 113 Hình 4.5. Kiến trúc phần mềm ................................................................................ 114 Hình 4.6. Tra cứu thông tin ĐKT tại vị trí ô đất số ODT-40 .................................. 115 Hình 4.7. Kết quả tra cứu thông tin ĐKT ở vị trí ô đất CC-71 ............................... 115 1 MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài: Thành phố Hải Dương được vua Gia Long khởi lập năm Giáp Tý (1804) với tên gọi là Thành Đông, mục đích vừa là trấn thành vừa án ngữ phía Đông kinh thành Thăng Long. Trải qua nhiều thăng trầm với lịch sử của đất nước, đến này thành phố đã là đô thị loại I thuộc tỉnh Hải Dương và tương lai trở thành đô thị loại I trực thuộc Trung ương vào năm 2050. Thành phố Hải Dương là trung tâm hành chính, kinh tế, văn hoá và giáo dục, khoa học kỹ thuật, y tế, dịch vụ, của tỉnh Hải Dương, nằm trong vùng thủ đô Hà Nội và tam giác kinh tế Hà Nội - Hải Phòng - Quảng Ninh. Diện tích tự nhiên của thành phố theo quy hoạch cũ năm 2009 là 36,2 km2, dân số 143.895 người. Thành phố là đầu mối giao thông, giao lưu trong Vùng tỉnh, góp phần thúc đẩy sự phát triển kinh tế, xã hội đối với tỉnh, vùng đồng bằng sông Hồng. Chính vì vậy, tỉnh Hải Dương nói chung và thành phố Hải Dương nói ri