San đất

Công tác san đất, ("land grading"), hay còn gọi là san mặt bằng hoặc san lấp mặt bằng, là công việc thi công san phẳng nền đất một công trình xây dựng hay một mặt bằng quy hoạch, từ một mặt đất có địa hình tự nhiên cao thấp khác nhau. San phẳng là việc đào những chỗ đất cao nhất trong nội tại vùng đất đó vận chuyển đến các vùng thầp nhất và đắp vào những chỗ thấp đó, nhằm làm phẳng lại bề mặt địa hình vùng đất đó theo chủ định trước của con người (mặt thiết kế định trước, có kể đến độ dốc thoát nước bề mặt). Như vậy bản thân công tác san đất là một công tác đất ("earthwork"), thường bao gồm các công tác đào đất ("cut or excavating"), vận chuyển đất ("earthmoving") và đắp đất hay lấp đất ("fill").
Trong công tác san đất, đầu tiên, đất thi công chủ yếu được lấy ngay bên trong phạm vi công trường. Lượng đất thừa hay thiếu phải liên hệ với bên ngoài phạm vi công trường, thường chỉ là nguồn bổ trợ hay chỉ chiếm khối lượng nhỏ, hoặc thậm chí không có (như khi san cân bằng đào đắp).
Phân loại.
Thường có hai dạng công tác san đất:
Thiết kế thi công công tác san.
Trong cả hai dạng công tác san, thì việc thiết kế thi công san đất đều đòi hỏi phải được thực kiện lần lượt qua hai bước cơ bản như sau:
Thiết kế mặt bằng san.
Bản đồ địa hình có thể trực tiếp cho biết khái quát độ cao của mặt đất tự nhiên trong vùng địa hình, qua các đường đồng mức trong bản đồ. Tuy vậy, để tính toán khối lượng đất thi công chính xác đến mức có thể chấp nhận được thì cần phải xác định chi tiết cao độ của một loạt các điểm thuộc mặt đất tự nhiên, mà có thể không thuộc các đường đồng mức.
-Xác định mặt bằng thiết kế sau san.
Tuy nhiên, nếu chỉ san toàn bộ mặt bằng theo cùng một cốt cao độ trung bình H0, thì không thể đảm bảo việc thoát nước chảy trên bề mặt khu quy hoạch (như nước mưa...). Cần phải tạo cho khu vực quy hoạch thành những mặt dốc thoát nước, với độ dốc được quy định trước. Để tương quan khối lượng đất thi công không đổi, thì việc chỉnh mặt bằng san theo độ dốc thiết kế quanh cao độ trung bình H0 phải đảm bảo cân bằng đào đắp trong khi chỉnh độ dốc. Tại các điểm trọng tâm của mỗi mặt dốc thiết kế ta lấy cao độ thiết kế đúng bằng cao độ trung bình H0, sau đó chỉnh thêm và bớt các cao độ thiết kế ở hai phía của mỗi điểm trọng tâm trên, những lượng chênh cao tính theo tỷ lệ độ dốc, sao cho đảm bảo điều kiện cân bằng đào đắp. Cao độ thiết kế của các điểm hai bên điểm trọng tâm mặt dốc thiết kế là: 
Như vậy, đến đây đã xác định được chính xác mặt thiết kế sau san. Lúc này tại mọi vị trí của mặt bằng quy hoạch đều có hai cao độ: cao độ tự nhiên (của mặt đất tự nhiên htnj) và cao độ thiết kế (của mặt san thiết kế htkj).
Ngoài ra, để đảm bảo sự ổn định của các mái đất sau khi san ở cả phần đào lẫn phần đắp, tránh sạt lở công trình đất sau san, thì khi thiết kế mặt bằng san, cần phải thiết kế các mái ta-luy viền quanh mặt thiết kế sau san, theo độ dốc cho phép tới hạn. Độ dốc cho phép tới hạn là độ dốc tối đa mà mái ta-luy đất đào hay đắp có thể có, mà không gây ra sự trượt của mái đất.
Trong vùng mặt bằng san sẽ xuất hiện những đường ranh giới giữa các khu vực đào đất với các khu vực đắp đất, được gọi là ranh giới đào đắp O-O. Ranh giới O-O này là giao tuyến của mặt địa hình tự nhiên với mặt san thiết kế.
-Thiết kế an toàn mái dốc ta-luy.
Theo lý thuyết cơ học đất của Nikolai Nikolaevich Maslov (1898-1986): 
Trong đó: φ (o) là góc ma sát trong của đất đào hay đất thiết kế đắp ta-luy; C (T/m²) là lực dính của đất đào hay đất thiết kế đắp ta-luy; γ (T/m³) là dung trọng riêng của đất đào hay đất thiết kế đắp ta-luy; H (m) là chiều sâu cột đất đào hay đắp ta-luy (tính từ cao độ thiết kế đỉnh ta-luy đến cao độ chân ta luy (cũng là điểm xét hệ số mái dốc ta-luy), m (≥1) là hệ số ổn định mái dốc (trong trường hợp đào mái ta-luy đất liền thổ ổn định trên 10 năm lấy m=1, còn trường hợp đắp ta-luy lấy m=1,5-1,8).
-Tính toán khối lượng công tác.
Độ cao công tác hctj của mỗi điểm trên mặt bằng quy hoạch là hiệu số giữa cao độ tự nhiên của điểm đó với cao độ thiết kế của điểm đó: hctj = htnj - htkj. Khu vực nào đó của mặt bằng quy hoạch là khu vực đào đất nếu như tất cả mọi độ cao công tác của các điểm trong khu vực đều có giá trị dương hctj &gt; 0 (trong khu vực đó, mặt đất tự nhiên cao hơn mặt san thiết kế), và ngược lại, các khu vực đắp có độ cao công tác âm: hctj &lt; 0 (trong khu vực đó, mặt đất tự nhiên thấp hơn mặt san thiết kế). Những chỗ có hctj = 0 thì nằm trên ranh giới đào đắp. Như vậy, tùy phương pháp mô phỏng mà ta có thể xác định được khối lượng đất công tác, theo đặc trưng của hình mô phỏng.
Với phương pháp mặt cắt, việc xác định khối lượng đất đào và đất đắp đơn giản là việc nhân từng phần diện tích tiết diện đất công tác, chính là các phần kẹp giữa hai đường: đường cao độ mặt đất tự nhiên và đường cao độ mặt đất thiết kế sau san, với lại chiều dài các thỏi đất (chiều dài dọc theo đường đồng mức của thửa đất cần san). Nếu phần diện tích tiết diện công tác nằm dưới đường cao độ mặt đất tự nhiên thì phần khối lượng đất đó là đất đào, còn ngược lại, phần diện tích này nằm trên đường cao độ tự nhiên thì là khối lượng đất đắp. Ranh giới đào đắp O-O, trong phương pháp này, chỉ là những giao điểm, trên mặt cắt điển hình, của hai đường: đường cao độ mặt đất tự nhiên và đường cao độ mặt đất thiết kế sau san.
Các phương pháp chia mạng ô vuông và mạng ô tam giác, khối lượng đất công tác được tính qua độ cao công tác ở vị trí các mắt ô lưới. Khi tính khối lượng công tác trên từng ô lưới, kể cả mạng ô vuông hay mạng ô tam giác, thì đều sẽ thấy rằng có ba loại ô lưới:
Với hai loại ô nằm hoàn toàn trong vùng đào hay vùng đắp, thì khối lượng công tác, (được tính như nhau nhưng trái dấu: ô đào thì dương còn ô đắp thì âm), bằng tích số giữa độ cao trung bình của 3 (trường hợp ô tam giác) hay 4 (trường hợp ô vuông) độ cao công tác tại các mắt lưới ở góc ô nhân với diện tích hình chiếu bằng của ô lưới.
Với loại ô nằm vắt ngang ranh giới đào đắp O-O: trường hợp mạng lưới ô vuông, khối lượng công tác ở mỗi ô vuông tính toán như tổ hợp của hai ô tam giác thông thường, như vậy ta chỉ cần xét tới mạng ô lưới tam giác mà thôi. Trong trường hợp này, chắc chắn một trong 3 đỉnh mắt ô lưới sẽ có độ cao công tác (gọi cao độ công tác đỉnh này là hct1) trái dấu với các cao độ công tác tại hai đỉnh còn lại (hct2, hct3). Đường ranh giới đào đắp O-O chia ô tam giác đang xét thành hai nửa: 
Như vậy là đã xác định xong từng phần khối lượng đất đào hoặc đắp của ô lưới tam giác nằm trên ranh giới đào đắp, đó là một trong hai thể tích: VchópΔ, V1.
Sau khi tính khối lượng đất cần công tác bên trong mặt bằng quy hoạch xong, thì cần phải xác định từng phần khối lượng của đất đào hoặc đắp của các mái ta-luy nằm xung quanh bên rìa mặt bằng san. Các khối lượng này cũng được phân làm hai loại: khối lượng ta-luy đào và khối lượng ta-luy đắp. Đất công tác của hai loại này được bù trừ lẫn nhau, lấy đất ở ta-luy đào để đắp sang ta-luy đắp. Tuy nhiên trong phần lớn các trường hợp, hai khối lượng này thường không cân bằng với nhau, khi đó lượng đất ta-luy thừa hay thiếu (thực ra mới chỉ là trong tính toán) được giả thiết là đem tôn đều lên trên toàn bộ mặt bằng san nếu thừa (kể cả trên mặt các mái ta-luy) hay bóc đất ở mặt bằng san đi đều một lượt chiều dày nhất định (kể cả trên các mái ta-luy) để bù vào nếu thiếu. Khi đó mặt thiết kế san, và khối lượng đào đắp tính toán cùng với ranh giới đào đắp sẽ thay đổi. Mặt thiết kế san mới song song với mặt thiết kế san cũ. Bài toán san trở thành san với một lượng V0 khác 0, và phải tính lặp nhiều lần cho đến khi đạt tới sự cân bằng đào đắp. Do đó trong thực tế thường ít có bài toán san nền cân bằng đào đắp thuần túy.
San đất theo điều kiện khống chế trước cao độ trung bình H0, mặt bằng thiết kế san đã được định trước, khối lượng đất công tác cũng được tính hoàn toàn giống như dạng san theo yêu cầu về khối lượng: đó chính là khối lượng kẹp giữa hai mặt đất tự nhiên và thiết kế sau san.
-Xác định cự ly vận chuyển trung bình.
Biểu đồ Cutinop là biểu đồ thể hiện công năng vận chuyển đất từ vùng đào sang vùng đắp của mặt bằng san theo 2 hướng dọc và ngang của mặt bằng.
Thiết kế biện pháp san.
Trong công tác san đất, các loại máy móc chuyên dụng vừa có khả năng đào vừa có khả năng vận chuyển, là nhóm máy san như: máy ủi, máy cạp, máy san... là những sự lựa chọn thích hợp. Tuy nhiên, những máy này thường hạn chế bởi khả năng đào, nên nếu công việc san có kết hợp với việc đào đất hố móng với chiều sâu (hay chiều cao) đào lớn thì cần phải kết hợp các máy này với máy đào chuyên dụng, như máy đào gầu nghịch hay máy đào gầu thuận. Khi đó nhóm các máy san chủ yếu làm công đoạn san và vận chuyển đất từ vùng đào sang vùng đắp, còn các máy đào tập trung đào các hố đào sâu đổ đất lên bờ cho các máy san vận chuyển.
Phần mềm thiết kế san.
Các phần mềm thiết kế san đất gồm: