Tương quan sức chống cắt không thoát nước của sét mềm theo độ sâu và mức độ nén chặt

Nội dung text: Tương quan sức chống cắt không thoát nước của sét mềm theo độ sâu và mức độ nén chặt

1. TƯƠNG QUAN SỨC CHỐNG CẮT KHÔNG THOÁT NƯỚC CỦA SÉT MỀM THEO ĐỘ SÂU VÀ MỨC ĐỘ NÉN CHẶT Lê Hoàng Việt1 Bùi Trường Sơn2 Tóm tắt: Trong thực tế, sức chống cắt không thoát nước Su phụ thuộc đáng kể vào độ chặt của đất nên phụ thuộc độ sâu và trạng thái ứng suất. Việc thiết lập tương quan giữa Su và độ chặt của đất là cơ sở giúp dự báo sự thay đổi Su theo thời gian dưới tác dụng của tải trọng ngoài. Kết quả nghiên cứu cho phép xây dựng tương quan sức chống cắt không thoát nước của sét mềm bão hòa nước khu vực khá chặt chẽ theo trạng thái ứng suất và độ chặt. Từ khóa: Sức chống cắt không thoát nước; Đất yếu; Tương quan; Thí nghiệm cắt cánh. 1. MỘT SỐ TƯƠNG QUAN SỨC CHỐNG CẮT thêm và phù hợp cho sét quá cố kết (OC) như KHÔNG THOÁT NƯỚC CỦA ĐẤT LOẠI SÉT1 kết quả nghiên cứu theo SHANSEP. Thí nghiệm nén ba trục theo sơ đồ không cố Các kết quả nghiên cứu khác cho thấy sức kết, không thoát nước (UU) và thí nghiệm cắt chống cắt không thoát nước Su của đất sét bão cánh hiện trường (VST) với hệ số hiệu chỉnh hòa nước khác nhau theo các phương pháp thí thích hợp là cách tốt nhất để xác định sức chống nghiệm khác nhau và phụ thuộc vào hàng loạt cắt không thoát nước của đất sét khi sử dụng để các yếu tố như điều kiện thí nghiệm, lịch sử ứng phân tích ổn định công trình. Nhiều tương quan suất (thông qua giá trị OCR), cơ chế phá hoại giữa sức chống cắt không thoát nước với các chỉ (thông qua giá trị Af), tính bất đẳng hướng (điều tiêu vật lý cơ bản như độ ẩm W, giới hạn chảy kiện trầm tích) [5], [6], [8]. LL, chỉ số dẻo PI đã được nghiên cứu và kiến 2. CƠ SỞ THIẾT LẬP TƯƠNG QUAN ĐỘ CHẶT nghị trong các bài viết của Bjerrum (1972), - ỨNG SUẤT NÉN Azzouz (1983), Duncan (1989), Kulhawy và Để đánh giá và dự báo S theo độ chặt, trước Mayne (1990), Morris và Williams (1994). u tiên cần xây dựng tương quan giữa độ chặt và Trong các tương quan đó, các tác giả đều quan niệm đất nền bão hòa, tức là xem φ~ 0 và sức trạng thái ứng suất. chống cắt được biểu thị bằng lực dính không Từ đường cong nén lún e-p một mẫu đất, có thoát nước cu (hay Su). thể thiết lập được phương trình đường cong nén Sự tăng độ bền sức chống cắt Su theo ứng lún dưới dạng [7]: suất hữu hiệu thường được biểu thị bằng tỷ số e(z) = e(0) – b[1 – exp(-az)] (1) (Su/σ’vo). Tỷ số này có thể được xem là cơ sở Ở đây: a, b – các hệ số xác định từ kết quả thí hữu ích để đặc trưng cho sức chống cắt không nghiệm mẫu đất. thoát nước của đất sét. Các tương quan giữa tỷ e(0)- hệ số rỗng của đất trên bề mặt (hệ số số (Su/ σ’vo) và chỉ số dẻo cho sét cố kết thường rỗng trong điều kiện thí nghiệm vật lý trong (NC) được đưa ra. Đầu tiên là của Skempton phòng). (1948). Sau đó, Bjerrum (1972) đề nghị sức Từ đó có thể xác định được quy luật thay đổi chống cắt không thoát nước Su nên xác định từ tải trọng nén chặt theo độ sâu của lớp đất bằng kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường được quan hệ: hiệu chỉnh theo hệ số . Gần đây, tương quan z ( s  w ) hoàn chỉnh hơn được đưa ra bởi Terzaghi, Peck (z) dz (2) 0 [1 e(z)] và Mersi (1996). Quan niệm tỷ số (S / σ’ ) cho u vo Với γ và γ – dung trọng hạt và dung trọng sét cố kết thường (NC) cũng được mở rộng s w nước 1 Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM Thay (1) vào (2) và giải tích phân: 120 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012)
2.   s  w b b cắt cánh tới độ sâu hơn 20m ở khu vực Nhà Bè (z) .ln 1 .exp ax  a(1 e b) 1 e 1 e (3) 0 0 0  cho thấy tương quan giữa độ sâu và tỷ số (Su/ Từ đó: 1,686 σ’vo) có dạng: z 2,4717 Su / 'vo với hệ  a0 z 2 e(z) e(0) b 1 exp ln exp b / c  (4) số tương quan R =0,9057. d 0 0  b TƯƠNG QUAN THEO ĐỘ SÂU Với: a0 = (1+e0 – b); e 1 0 1 e 0 KHU ĐÔ THỊ MỚI NHÀ BÈ b 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 b0 ; d0  s  sub 1 e 0.0 0 1,3669 S Như vậy, độ chặt (e) phụ thuộc ứng suất nén z 2,8289. u  ' tác dụng và tuân theo quy luật phi tuyến với vo 2 hàm mũ của cơ số logarit tự nhiên. 5.0 R 0,9438 Một số loại đất sét cấu trúc tự nhiên, quan hệ giữa hệ số rỗng và ứng suất chính hữu hiệu là ln(e+ec) – ln(p’) (trong đó ec là thông số của đất) 10.0 tốt hơn là quan hệ e – ln(p’). Theo đề nghị của J.C. Chai, N. Miura, H.H. Zhu và Yudhbir, sét cấu trúc tự nhiên có độ nhạy >4, quan hệ Độ sâu z(m) 15.0 ln(e+ec) – ln(p’) có thể được sử dụng trong tính toán cố kết và tính lún. Hiệu quả bước đầu của quan hệ ln(e+ec) – ln(p’) được thảo luận trong 20.0 quan hệ ứng xử tính toán từ đường cong tải trọng – lún và nén cố kết của sét cấu trúc tự nhiên. Quan hệ ln(e+ec) – ln(p’) được kết hợp 25.0 chặt chẽ với mô hình Sét Cam bằng cách bổ sung định luật hóa cứng của mô hình [4]. Theo Hình 1. Biểu đồ quan hệ của (Su/ σ’vo) theo đó, khi đã xác định được ứng suất hữu hiệu, độ sâu từ thí nghiệm cắt cánh hoàn toàn có thể xác định độ chặt tương ứng e tại điểm đáng xét. Trong trường hợp này, tiến hành thiết lập Độ chặt của sét mềm bão hòa nước phụ thuộc tương quan theo 2 độ sâu khác nhau: đoạn một đáng kể vào trạng thái ứng suất. Càng xuống sâu, từ mặt đất đến độ sâu 12m, đoạn hai từ 12m trở ứng suất do trọng lượng bản thân càng tăng, độ đi, việc lựa chọn độ sâu này căn cứ trên cơ sở chặt của đất càng tăng. Nếu thiết lập được tương nghiên cứu giá trị OCR theo độ sâu đã có trước quan giữa độ chặt và ứng suất, giữa sức chống cắt đó. Đất yếu của khu vực có đặc điểm quá cố kết không thoát nước và độ chặt thì hoàn toàn có thể trong phạm vi 12m trở lại, còn từ độ sâu này trở đi thì có đặc điểm cố kết thường (theo kết quả xác định được Su từ trạng thái ứng suất. 3. TƯƠNG QUAN SỨC CHỐNG CẮT KHÔNG thống kê 750 mẫu đất của khu vực) [3]. Hệ số THOÁT NƯỚC CỦA SÉT MỀM THEO ĐỘ SÂU VÀ tương quan (Su/σ’vo) và z từ độ sâu 12m trở lại 2 MỨC ĐỘ NÉN CHẶT có giá trị R =0,9438 tỏ ra chặt chẽ hơn. Như đã tổng kết và trình bày trước đó [1], Tổng hợp 96 kết quả thí nghiệm nén cố kết đất sét mềm ở khu vực khảo sát, tương quan quan hệ tỷ số (Su/ σ’vo) và độ sâu thể hiện rõ ràng nhất theo kết quả cắt cánh. Ở đây, từ độ giữa e và σ v’ như sau: ' (*) 0,0017 v sâu 12m trở lên, quan hệ (Su/ σ’vo) và độ sâu có e 2,1503.e (5) đặc điểm phi tuyến và tỷ số (Su/ σ’vo) giảm dần Ở đây: e(*) – hệ số rỗng theo độ sâu. Kết quả tổng hợp từ hơn 30 điểm '  v - ứng suất nén (kPa) KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) 121
3. cũng khác biệt nên không thể bỏ qua vai trò của độ chặt. Do đó, để dự báo sự gia tăng Su của sét mềm trong quá trình xây dựng, nhất thiết phải xét đến sự thay đổi ứng suất tác dụng gây ra quá trình cố kết cho sét mềm (làm tăng độ chặt của đất). Từ đó có thể rút ra rằng tương quan giữa ứng suất tác dụng (’) – độ chặt tương ứng (e) của sét mềm và sức chống cắt không thoát nước (S ) rất chặt chẽ và quan hệ mật thiết lẫn nhau Hình 2. Đặc điểm nén ép của đất sét mềm và u (quan hệ ’- e – S ). tương quan độ chặt theo trạng thái ứng suất. u Tương quan giữa sức chống cắt không thoát nước S với độ chặt (thể hiện thông qua giá trị e Từ (5), lấy đạo hàm: u và ’ tác dụng) là tương quan hợp lý được lựa 0,0017 ' e' 0,0017 .2,1503.e v chọn để áp dụng có ý nghĩa thực tiễn cao trong Hay hệ số góc của tiếp tuyến: công tác dự báo Su. Các tương quan Su từ 30 ' e' 0,00366.e 0,0017 v (6) điểm thí nghiệm cắt cánh với hơn 400 kết quả thí nghiệm được thể hiện ở hình 3 và 4. Chọn 2 điểm trên biểu đồ để tính giá trị ec. Điểm M1(96,763;1,824) là điểm tương đương Thiết lập được mối tương quan giữa 3 đại áp lực tiền cố kết. Điểm M2(200; 1,533) là điểm lượng này cho phép dự báo được sự gia tăng Su có áp lực lớn nhất đang xét. Lần lượt thay các dưới tác dụng của quá trình gia tải xây dựng. giá trị từ các điểm M1, M2 vào biểu thức trên, các giá trị 1, 2 được tính toán lần lượt là - TƯƠNG QUAN Su/e THEO ĐỘ SÂU 0.0031 và -0.0026. Từ đó: ec=(e12 21  1 2). Giá trị ec tính toán là: ec KHU ĐÔ THỊ MỚI NHÀ BÈ =-0,0154. Như vậy, khi xác định được ứng suất 0.0 10.0 20.0 30.0 S z 15.741ln u 27,448 nén tác dụng có thể xác định được e. 0.0 e Khi xây dựng tương quan mức độ nén chặt, R2 0,9602 chúng tôi nhận thấy rằng tương quan (5) của đất khu vực có giá trị hệ số tương quan rất cao: 5.0 R2=0,9975 nên việc xét thêm các tương quan theo hàm ln bổ sung là không cần thiết vì các hệ số tương quan đó cũng có giá trị tương tự. 10.0 Các kết quả nghiên cứu tương quan sức chống cắt không thoát nước chỉ ra rằng Su phụ Độsâu z(m) 15.0 thuộc vào nhiều yếu tố: điều kiện và phương pháp thí nghiệm; lịch sử ứng suất (giá trị OCR); Tính giãn nở (thông qua Af). Việc xét các yếu tố 20.0 này nhằm dự tính Su gặp nhiều khó khăn do không thể dự báo được các giá trị Af, OCR trong quá trình xây dựng. Ngoài ra, tương quan 25.0 giữa Su và độ chặt của đất (e) cũng chưa cho phép xác định được Su do kết quả thí nghiệm Hình 3. Tương quan giữa Su/e theo độ sâu và cho thấy sự thay đổi mạnh mẽ Su theo độ sâu ứng suất hữu hiệu. trong cùng một lớp đất. Tuy nhiên, trong các loại đất khác nhau ở cùng độ sâu thì giá trị Su 122 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012)
4. Ví dụ tính toán: Ở độ sâu 8m trong nền, hệ TƯƠNG QUAN Su/e THEO ỨNG SUẤT BẢN THÂN HỮU HIỆU số rỗng trung bình: eo= 2,104; dung trọng đẩy nổi trung bình: ’=5,2kN/m3. Ứng suất do trọng KHU ĐÔ THỊ MỚI NHÀ BÈ lượng bản thân ’.z=41,6kN/m2. 0.0 10.0 20.0 30.0 ' 0.0 Tính e: Theo quan hệ giữa  vo và e; giá trị hệ ' Su  v 8,1852ln 142,73 e số rỗng tương ứng với ứng suất nén: 2 ' 20.0 R 0,9602 Từ biểu thức (5): e(*) 2,1503.e 0,0017 v , tính (-0,0017x41,6) (kPa) được: e =2,1503.e = 2,003 vo ' s 40.0 Tính Su: Cách 1: Theo tương quan trực tiếp từ thí 60.0 nghiệm cắt cánh hiện trường: Su= 1,386z+8,081. 2 80.0 Từ đó: Su= 1,386x8+8,081=19,17 kN/m . Cách 2: Theo tương quan thiết lập: Ứng suất bản thân hữu hiệu hiệu hữu thân bản suất Ứng  ' 100.0 1,386 vo 8,081 S  u ' 120.0 e 2,1503.exp( 0,0017. vo ) 2 Tính được: Su= 20,14kN/m . Hình 4. Tương quan giữa Su/e theo ứng hiệu. So sánh eo: Rõ ràng tương quan (Su/e) theo độ sâu hay Xét một số mẫu trong khu vực khảo sát có theo ứng suất hữu hiệu mang đặc điểm phi tiến hành thí nghiệm mẫu tại độ sâu 8m, kết quả tuyến rõ rệt với giá trị hệ số tương quan rất cao như sau: R2=0,9602. Ở đây, giá trị hệ số rỗng tương ứng Bảng 1. Giá trị eo từ kết quả thí nghiệm trong được xác định từ tương quan (5), giá trị Su được phòng ở độ sâu 8m lấy trung bình từ 30 điểm thí nghiệm cắt cánh Độ sâu Hệ số STT Lỗ khoan hiện trường tương ứng ở độ sâu đó. (m) rỗng eo Kết quả cắt cánh hiện trường cho thấy sức 1 BH-20 8,0-8,6 2,052 chống cắt không thoát nước của sét mềm tăng 2 BH-31 8,0-8,6 2,057 tuyến tính theo độ sâu và được biểu diễn bằng 3 BH-32 8,0-8,6 2,087 phương trình Su=1,386z+8,081 [2]. Từ các 4 BH-34 8,0-8,6 2,071 tương quan sức chống cắt theo độ chặt và độ 5 BH-40 8,0-8,6 2,027 sâu, tương quan (Su/e) được xây dựng từ các hệ 6 BH-43 8,0-8,6 2,248 số thu được từ kết quả thí nghiệm có thể biểu Giá trị trung bình 2,093 diễn dưới dạng: So sánh hệ số rỗng eo thực tế và eo phân tích, sai số tính toán là: Su 1,386.z 8,081 2,003 2,093 e 2,1503.exp( 0,0017. '.z) 0,43%  ' 2,093 1,386 vo 8,081 S  So sánh Su :Kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện Hay: u ' trường từ các thí nghiệm thực hiện tại độ sâu e 2,1503.exp( 0,0017. ) vo 8,0m cho kết quả như sau: Bảng 2. Giá trị Su từ kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường độ sâu 8m STT Vị trí cắt cánh Su(kPa) STT Vị trí cắt cánh Su(kPa) 1 VST1 19,60 15 VST15 18,05 2 VST2 17,60 16 VST16 17,21 3 VST3 20,20 17 VST17 20,60 4 VST4 17,99 18 VST18 19,62 5 VST5 19,29 19 VST20 24,29 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) 123
5. STT Vị trí cắt cánh Su(kPa) STT Vị trí cắt cánh Su(kPa) 6 VST6 18,19 20 VST21 20,65 7 VST7 16,27 21 VST22 26,26 8 VST8 18,88 22 VST24 17,86 9 VST9 20,81 23 VST25 25,79 10 VST10 24,17 24 VST26 24,05 11 VST11 20,67 25 VST27 25,79 12 VST12 12,38 26 VST29 16,84 13 VST13 24,10 27 VST30 25,45 14 VST14 18,05 Trung bình 20,39 So sánh theo cách 1 tính Su: Tương quan giữa sức chống cắt không thoát 19,17 20,39 nước và độ chặt của đất sét mềm bão hòa khu 6,0% 20,39 vực khảo sát có thể hiểu dưới dạng:  ' So sánh theo cách 2 tính Su: 1,386 vo 8,081 20,14 20,39 Su  1,2% ' . 20,39 e 2,1503.exp( 0,0017. vo ) Như vậy, Su tính theo cách 2 hợp lý với giá Như vậy, sử dụng các tương quan chặt chẽ trị tính toán gần với giá trị thực tế hơn. của sức chống cắt không thoát nước cho phép 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ dự báo sức chống cắt gia tăng trong xử lý nền. ' Từ kết quả thí nghiệm, tổng hợp phân tích và Nếu biết độ cố kết (xác định được  v ) và độ thiết lập các tương quan giữa sức chống cắt biến dạng do nén ép (xác định được hệ số rỗng) không thoát nước của sét mềm với độ chặt, có có thể xác định nhanh giá trị Su trên cơ sở các thể rút ra các kết luận chính như sau: tương quan đã thiết lập. Su Trên cơ sở các tương quan chặt chẽ đã thiết Tỷ số ' có đặc điểm phi tuyến theo độ  v lập, sử dụng lý thuyết cố kết thấm để tính toán sâu, từ độ sâu 12m trở lại tương quan này có áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tại một điểm cho dạng: phép xác định được giá trị Su ở độ sâu đó tại 1,3669 S thời điểm bất kỳ. Đây cũng là ý tưởng cho các z 2,8289. u , với R2=0,9438. ' nghiên cứu ứng dụng tiếp theo.  vo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. 22TCN 262-2000 (2001), Qui trình khảo sát thiết kế nền đường ô tô đắp trên đất yếu, NXB Giao thông vận tải. [2]. Bùi Trường Sơn, Lê Hoàng Việt (2011). Chọn lựa sức chống cắt không thoát nước của sét mềm để tính toán nền công trình đắp. Tập 14. Tuyển tập kết quả khoa học công nghệ, NXB Nông nghiệp. Trang 469-477. [3]. Bùi Trường Sơn, Nguyễn Trùng Dương (2007). Ổn định lâu dài của nền đất yếu bão hòa nước dưới công trình san lấp khu vực Thành phố Hồ Chí Minh và Đồng Bằng Sông Cửu Long trên cơ sở mô hình Camclay, Tạp chí địa kỹ thuật, số 1, trang 25-30. [4]. J.-C.Chai, N. Miura, H.-H. Zhu, and Yudhbir (2004). Compression and consolidation characteristics of structured natural clay. Can. Geotech. J.41. p.1250–1258. [5]. Paulus P.Rahardjo (2001). In situ testings and soil properties correlations. Geotechnics laboratory Parahyangan Katolik University. 124 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012)
6. [6]. T.S.Nagaraj, N.Miura (2001). Soft clay behaviour, analysis and assessment. A.A. Balkema/ Rotterdam/ Brookfield. [7]. Ter-Martirosyan Z.G. (1992). Rheological parameters of soils and design of foundations. Oxfort and IBS publishing Co. Pvt. Ltd. [8]. Yit-Jin Chen, Fred H. Kulhawy (1993). Undrained strength interrelationship among CIUC, UU and UC tests. Journal of Geotechnical Engineering, Vol.119, No. 11, November. Abstract UNDRAINED SHEAR STRENGTH CORRELATION OF SOFT SOIL ON THE DEPTH AND DEGREE OF DENSITY In fact, undrained shear strength Su depends significantly on the density of soil, the depth and the stress state. Establishing a correlation between Su and the density of soil is a facility of Su forecast changes over time under the effect of external load. The research results allow to establish undrained shear strength correlation of saturated soft clay of the area on the stress state and density. Key word: Undrained shear strength; Soft soil; Correlation; Vane shear test. Người phản biện: TS. Bùi Văn Trường BBT nhận bài: 20/9/2012 Phản biện xong: 22/11/2012 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) 125