Đất san lấp

Công việc san đất (land grading), hay còn được gọi là san lấp mặt bằng, là quá trình làm phẳng nền đất của công trình xây dựng hoặc khu quy hoạch. Việc này bao gồm việc đào đất ở các khu vực cao và đắp vào các khu vực thấp, theo thiết kế định trước, có tính đến độ dốc để thoát nước. Công tác san đất thuộc phạm trù earthwork, thường bao gồm việc đào, vận chuyển và đắp đất.

Trong quá trình san đất, đất chủ yếu được lấy từ ngay trong công trường. Đất thừa hoặc thiếu sẽ được bổ sung từ bên ngoài, nhưng khối lượng thường không lớn, thậm chí có thể không cần nếu quá trình san cân bằng đào đắp.

Phân loại công tác san đất

Công tác san đất thường có hai dạng chính:

• San theo cao độ đã định sẵn, không quá quan tâm đến khối lượng đất thừa hay thiếu,
• San theo khối lượng đất yêu cầu, gồm: san cân bằng giữa khối lượng đất đào và đắp, san để chừa lại một lượng đất sau khi hoàn thành (đào nhiều hơn đắp) hoặc thêm đất trước khi san (đắp nhiều hơn đào).

Thiết kế thi công san đất

Trong cả hai dạng san đất, quy trình thiết kế thi công đều phải trải qua hai bước cơ bản:

• Thiết kế mặt bằng san (bước này nhằm xác định khối lượng đất cần thi công, hướng và khoảng cách vận chuyển đất từ khu vực đào đến khu vực đắp trong công trường.)
• Thiết kế biện pháp thi công san (lập kế hoạch chi tiết về phương pháp thi công san đất sau khi đã xác định khối lượng đất và khoảng cách vận chuyển.)

Thiết kế mặt bằng san lấp

Bản đồ địa hình cung cấp cái nhìn tổng quát về độ cao tự nhiên của khu vực thông qua các đường đồng mức. Tuy nhiên, để tính toán khối lượng đất thi công một cách chính xác, cần xác định chi tiết cao độ của nhiều điểm tự nhiên không thuộc các đường đồng mức.

• Trường hợp đơn giản nhất là khi các đường đồng mức trên bản đồ địa hình gần như thẳng và song song. Khi đó, chỉ cần một mặt cắt vuông góc với các đường đồng mức để thể hiện toàn bộ cao độ của các điểm. Phương pháp này giúp tính toán khối lượng đất dễ dàng qua các thỏi đất có tiết diện không đổi. Đây là phương pháp mặt cắt.
• Trường hợp phức tạp hơn khi các đường đồng mức hơi uốn lượn nhưng vẫn tương đối song song. Lúc này, chia mặt bằng thành lưới ô vuông đủ nhỏ để gần đúng đường đồng mức thành đoạn thẳng, và tính khối lượng đất theo độ cao trung bình của các ô. Đây là phương pháp lưới ô vuông.
• Trường hợp phức tạp nhất là khi các đường đồng mức uốn lượn, không song song và thay đổi liên tục. Khi đó, lưới ô vuông không còn phù hợp và cần chia thành các ô tam giác. Tính khối lượng đất bằng cách lấy độ cao trung bình của các ô tam giác, đây là phương pháp lưới ô tam giác.

• San theo cao độ trung bình đã được chủ đầu tư khống chế trước, nhà thầu không cần tính toán lại.
• San theo yêu cầu về khối lượng đất, phụ thuộc vào khối lượng đào và đắp.

San cân bằng đào đắp (V₀=0): Khối lượng đất đào phải bằng khối lượng đất đắp, nghĩa là toàn bộ khối lượng đất trong khu vực quy hoạch sẽ được phân bố lại trên cùng diện tích, với cao độ trung bình H₀ so với mặt thủy chuẩn.

Phương pháp mặt cắt: H₀=ΣS_i/B, trong đó ΣS_i là tổng diện tích các tiết diện phía trên mặt thủy chuẩn, B là chiều ngang vùng quy hoạch.

Phương pháp lưới ô vuông hay lưới ô tam giác: Cao độ trung bình được tính bằng tổng khối tích của ô lưới chia cho diện tích hình chiếu bằng, tính từ mặt thủy chuẩn.

Lưới ô vuông: H₀=(ΣH_j+2ΣH_j+4ΣH_j)/4m.

Lưới ô tam giác: H₀=(ΣH_j+2ΣH_j+3ΣH_j+...+8ΣH_j)/3n, với m và n là số lượng ô lưới trong khu quy hoạch.

San không cân bằng đào đắp: Độ cao trung bình H₀ được điều chỉnh tùy theo lượng đất bớt đi hoặc thêm vào, theo các công thức tương ứng.

Tuy nhiên, san theo cao độ trung bình H₀ không đảm bảo thoát nước bề mặt. Cần tạo các mặt dốc thoát nước với độ dốc quy định. Để duy trì khối lượng đất thi công không đổi, san lấp phải được điều chỉnh quanh cao độ trung bình H₀

h_j = H₀ ± i_tkl₀, với i_tk là độ dốc thiết kế và l₀ là khoảng cách từ điểm cần tính tới trọng tâm mặt dốc.

Sau khi san, mọi vị trí trong khu vực quy hoạch sẽ có hai cao độ: Cao độ tự nhiên (h_j) và cao độ thiết kế (h_j của mặt bằng san).

Để đảm bảo sự ổn định của các mái đất sau khi san, cần thiết kế các mái ta-luy với độ dốc tối đa cho phép, nhằm tránh sạt lở trong cả phần đào và đắp đất.

Trong quá trình san lấp mặt bằng, sẽ hình thành ranh giới O-O giữa các khu vực đào và đắp đất. Đây là đường giao nhau giữa mặt địa hình tự nhiên và mặt san đã được thiết kế.

Dựa trên lý thuyết cơ học đất của Nikolai Nikolaevich Maslov (1898-1986), các nguyên tắc tính toán an toàn cho mái dốc được áp dụng.

• Hệ số mái dốc ta-luy được xác định bằng công thức tgα = (tgψ_t)/m

Trong đó, tgψ_t = F_t = tgφ + C/P_tn = tgφ + C/(γH)

Trong đó: φ là góc ma sát trong của đất khi đào hoặc đắp ta-luy; C (T/m²) là lực dính của đất trong quá trình đào hoặc đắp ta-luy; γ (T/m³) là trọng lượng riêng của đất; H (m) là chiều sâu của cột đất từ đỉnh đến chân ta-luy; m (≥1) là hệ số ổn định mái dốc (với đất liền thổ ổn định trên 10 năm, m=1; với ta-luy đắp, m=1,5-1,8).

Độ cao công tác h_j của mỗi điểm là hiệu số giữa cao độ tự nhiên và cao độ thiết kế tại điểm đó: h_j = h_j - h_j. Khu vực có h_j > 0 là khu vực đào đất, và khu vực có h_j < 0 là khu vực đắp đất. Điểm có h_j = 0 nằm trên ranh giới đào đắp.

Với phương pháp mặt cắt, khối lượng đất được tính bằng cách nhân diện tích tiết diện đất với chiều dài thỏi đất. Diện tích tiết diện dưới mặt đất tự nhiên là khối lượng đất đào, trong khi diện tích trên mặt đất tự nhiên là khối lượng đất đắp. Ranh giới đào đắp O-O là giao điểm giữa hai đường cao độ tự nhiên và cao độ thiết kế.

Với phương pháp ô vuông và ô tam giác, khối lượng đất được tính từ độ cao công tác tại các mắt lưới. Có ba loại ô lưới khi tính khối lượng:

• Ô có tất cả các độ cao công tác dương h_j > 0 nằm hoàn toàn trong vùng đào.
• Ô có tất cả các độ cao công tác âm h_j < 0 nằm hoàn toàn trong vùng đắp.
• Ô có độ cao công tác vừa âm vừa dương, chứa cả h_j > 0 lẫn h_j < 0, nằm trên ranh giới đào đắp O-O.

Với ô nằm hoàn toàn trong vùng đào hoặc đắp, khối lượng được tính bằng tích giữa độ cao trung bình tại các mắt lưới và diện tích hình chiếu ô lưới. Khối lượng dương với ô đào, âm với ô đắp.

• Với ô vuông: V_i = (h₁ + h₂ + h₃ + h₄)a²/4
• Với ô tam giác: V_i = (h₁ + h₂ + h₃)a²/6

V_i là khối lượng công tác của ô lưới, h_j là độ cao công tác tại mỗi mắt lưới.

Với ô lưới vắt qua ranh giới O-O: nếu là ô vuông, ta chia nó thành hai ô tam giác. Trong mỗi ô tam giác, sẽ có một đỉnh có độ cao công tác h₁ trái dấu với hai đỉnh còn lại h₂ và h₃. Đường O-O chia ô thành hai nửa.

• Phần có cao độ h₁ tạo thành khối chóp tam giác (V_chópΔ) với chiều cao h₁, được tính qua diện tích hình chiếu bằng S_OO1. S_OO1 phụ thuộc vào các độ cao công tác tại các đỉnh của ô lưới:

S_OO1 = (h₁)²a²/2(h₁ + h₂)(h₁ + h₃).

Vậy nên, V_chópΔ = (h₁)³a²/6(h₁ + h₂)(h₁ + h₃).

• Phần có cao độ h₂ và h₃ tạo thành khối V₁. Để tính V₁, giả thiết nâng mặt đất tự nhiên lên một lượng h₁, tạo ra khối trung gian V₂. Khối V₂ kết hợp với V_chópΔ, tạo thành một lăng trụ tam giác có chiều cao h₁. Khối chóp lớn phía trên ranh giới đào đắp O-O được gọi là:

V_{chóp lớn} = V₁ + V₂.

Cộng với V_chópΔ, ta có: V = V_{chóp lớn} + V_chópΔ = V₁ + V₂ + V_chópΔ = V₁ + V_{lăng trụ}.

Suy ra: V₁ = V_{chóp lớn} + V_chópΔ - V_{lăng trụ}.

Với V_{lăng trụ} = a²h₁/2.

Và V_{chóp lớn} = (2h₁ + h₂ + h₃)a²/6.

Vậy là chúng ta đã xác định xong khối lượng đất cần đào hoặc đắp cho ô lưới tam giác nằm trên ranh giới đào đắp, bao gồm một trong hai thể tích: V_chópΔ hoặc V₁.

Sau khi tính toán xong khối lượng đất công tác trong mặt bằng quy hoạch, tiếp theo là xác định khối lượng đất đào và đắp cho các mái ta-luy xung quanh rìa mặt bằng san. Các khối lượng này được chia thành hai loại: khối lượng ta-luy đào và khối lượng ta-luy đắp. Đất từ các mái ta-luy đào sẽ được sử dụng để đắp vào các mái ta-luy đắp. Trong nhiều trường hợp, hai khối lượng này không cân bằng, do đó, lượng đất thừa hoặc thiếu (chỉ là ước tính) sẽ được điều chỉnh: nếu thừa, sẽ tôn đều lên trên toàn bộ mặt bằng san (bao gồm cả các mái ta-luy); nếu thiếu, sẽ bóc đất đều từ mặt bằng san (cả các mái ta-luy) để bù đắp. Điều này sẽ làm thay đổi mặt thiết kế san và khối lượng đào đắp, làm cho mặt thiết kế san mới song song với mặt thiết kế cũ. Bài toán trở thành san với lượng đất V₀ khác 0 và cần tính lặp lại cho đến khi đạt cân bằng đào đắp. Do đó, trong thực tế, bài toán san nền cân bằng đào đắp thuần túy ít khi xảy ra.

Khi san đất theo yêu cầu về cao độ trung bình H₀ đã được xác định trước, mặt bằng thiết kế san được định sẵn, khối lượng đất công tác được tính giống như san theo yêu cầu khối lượng, tức là khối lượng giữa hai mặt đất tự nhiên và mặt thiết kế sau san.

Biểu đồ Cutinop thể hiện khả năng vận chuyển đất từ khu vực đào sang khu vực đắp trên mặt bằng san, bao gồm hai hướng chính: dọc và ngang.

Thiết kế phương án san

Khi thực hiện công tác san đất, các máy móc chuyên dụng có khả năng vừa đào vừa vận chuyển như máy ủi, máy cạp, và máy san là những lựa chọn hợp lý. Tuy nhiên, vì các máy này thường có giới hạn về khả năng đào, nên nếu công việc san đất liên quan đến đào hố móng với chiều sâu (hoặc chiều cao) lớn, cần kết hợp với các máy đào chuyên dụng như máy đào gầu nghịch hoặc máy đào gầu thuận. Trong trường hợp này, nhóm máy san chủ yếu thực hiện công đoạn san và vận chuyển đất từ vùng đào sang vùng đắp, trong khi các máy đào tập trung vào việc đào sâu và đổ đất lên bờ để các máy san tiếp tục vận chuyển.

Phần mềm thiết kế san

Các phần mềm thiết kế san đất bao gồm:

• AutoCAD Land Desktop của Autodesk, phần mềm chuyên dụng cho công tác đất, được tích hợp vào AutoCAD Civil 3D để thiết lập Mô hình thông tin xây dựng (BIM).

• San đất và ổn định mái đất Lưu trữ ngày 25-10-2014 tại Wayback Machine
• Phương pháp san đất Lưu trữ ngày 05-03-2016 tại Wayback Machine
• Thiết kế san đất bằng chương trình phi tuyến, Safa N. Hamad và Ahmed M. Ali, Tạp chí Kỹ thuật thủy lợi, ISSN:1943-4774, xuất bản bởi Hội Kỹ sư Xây dựng Hoa Kỳ, năm 1990.
• AutoCAD® Land Desktop 2009
• Sách Công tác đất và thi công bê tông toàn khối, tác giả Lê Kiều-Nguyễn Duy Ngụ-Nguyễn Đình Thám, nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật.