CHỌN LỰA HỢP LÝ ỨC CHỐNG CẮT KHÔNG THOÁT NƯỚC CỦA ÉT MỀM ĐỂ TÍNH TOÁN NỀN CÔNG TRÌNH ĐẮP BÙI TRƯỜNG ƠN a, LÊ HOÀNG VIỆT b a Kha Kỹ Thật Xây Dựng, Trường Đại học Bách Kha, ĐHQG TP. HCM. b Công ty TNHH tư vấn và xây dựng ARCAD 1. MỘT Ố TƯƠNG QUAN ỨC CHỐNG CẮT KHÔNG THOÁT NƯỚC Như đã biết, độ bền chống cắt không thát nước của đất được xác định từ thí nghiệm trng điề kiện hệ kín, tức là trng điề kiện ứng sất tổng. Trng đất sét mềm bã hà, kết qả thí nghiệm the sơ đồ cắt nhanh không thát nước ch thấy giá trị góc ma sát trng ϕ không đáng kể, sức chống cắt chủ yế là lực dính không thát nước c (hay ). Trng điề kiện không thát nước, sự thay đổi thể tích đất được xem như không xảy ra, khi đó: Δσ =0. D đó, sự tăng ứng sất pháp tổng sẽ dẫn tới sự gia tăng tương ứng giá trị áp lực nước lỗ rỗng (thặng dư), ứng sất pháp hữ hiệ lôn là hằng số. Giá trị thích ứng ch khối đất ứng xử không thát nước tương ứng với độ ẩm riêng biệt (hặc thể tích riêng v= 1+e). Như vậy, tương ứng với một độ ẩm (hặc thể tích riêng) sẽ có một giá trị độ bền chống cắt không thát nước. Cường độ sức chống cắt không thát nước (hay c ) là thông số qan trọng để dự tính khối lượng đắp, phân tích ổn định trng qá trình thi công, ma sát giữa cọc và đất và một số bài tán địa kỹ thật khác. Như vậy, sức chống cắt không thát nước có liên hệ chặt chẽ với độ chặt hay trạng thái ứng sất ban đầ và có thể thể hiện thông qa các tỷ số /σ v. The kemptn (1948): = 0,11+ 0,0037( ) I p. Các tương qan giữa và chỉ số dẻ I p còn được σ nghiên cứ và thể hiện trng các bài viết của Bjerrm (1972), Terzaghi, Peck và Mersi (1996). The qan điểm thiết kế HANEP (tress Histry And Nrmalized il Engineering Prperties): m / σ = ( OCR). Trng đó: - hệ số chẩn hóa sức chống cắt không thát nước ch trạng thái cố kết thường (OCR=1), σ. = ( / σ ) ; m - hệ số xác định từ độ dốc của đường qan hệ lg(ocr) và lg ( / ) OCR= 1 m ức chống cắt không thát nước của sét qá cố kết: = ( OCR) σ v σ. OCR= 1 Những nghiên cứ bổ sng the qan điểm này đã được thực hiện bởi Jamilkwski (1985), Mersi (1989), trng đó, Ladd (1991) đề nghị giá trị các hệ số: =0,22±0,03 và m=0,8±0,1. ức chống cắt không thát nước cũng được xác định bằng cách phân tích ứng sất hữ hiệ với việc sử dụng hệ số áp lực lỗ rỗng kemptn A f (khi phá hại), biể thức xác định the các thông số hữ hiệ được đề nghị:, ccsφ + σ sinφ{ K + Af (1 K )] = 1+ (2A 1)sinφ Đối với sét cố kết thường: f
, σ sinφ{ K + Af (1 K )] = 1+ (2A 1)sinφ f Tương qan giữa giá trị A f và OCR cũng như I p được nghiên cứ bởi Lư Tryền Chi, Â Dương Lục. Các kết qả thí nghiệm nén ba trục the sơ đồ cố kết không thát nước CU trên sét yế bã hòa nước của kh vực Tp. HCM được tác giả thực hiện ch thấy giá trị A f da động trng khảng 0,1 0,3 [12]. Những tương qan sức chống cắt không thát nước the các phương pháp thí nghiệm khác nha cũng được nghiên cứ bởi Cheng, Ladd và một số tác giả khác. Như vậy, sức chống cắt không thát nước của đất sét bã hòa nước khác nha the các phương pháp thí nghiệm khác nha với các sơ đồ khác nha và phụ thộc và hàng lạt các yế tố như điề kiện thí nghiệm, lịch sử ứng sất (thông qa giá trị OCR), tính giãn nở (thông qa giá trị A f ), tính bất đẳng hướng (điề kiện trầm tích). 2. ĐẶC ĐIỂM ỨC CHỐNG CẮT KHÔNG THOÁT NƯỚC CỦA ÉT MỀM BÃO HÒA NƯỚC KHU VỰC PHÍA NAM Việc phân tích đặc điểm sức chống cắt không thát nước của sét mềm đến rất mềm (nhã, dẻ nhã) với bề dày lớp trng bình trên 20m căn cứ và các dữ liệ khả sát ở kh vực Nhà Bè, Tp. HCM ba gồm: 30 vị trí thí nghiệm cắt cánh; 30 vị trí thí nghiệm xyên tĩnh điện có đ áp lực nước lỗ rỗng CPT; 42 mẫ thí nghiệm nén ba trục the sơ đồ UU; 4 mẫ thí nghiệm nén ba trục the sơ đồ CU; 25 mẫ thí nghiệm nén đơn và hàng lạt kết qả thí nghiệm cắt trực tiếp. The kết qả thí nghiệm tiê tán áp lực nước lỗ rỗng từ thí nghiệm CPT, sa khi tiê tán, áp lực nước lỗ rỗng tại điểm đ ở độ sâ z là w. Chiề ca cột nước (z w ) có thể được xác định the biể thức: zw = w / γ w. Từ đó, độ sâ mực nước ngầm (z 1 ) trng lớp sét yế bã hà nước có thể xác định được: z 1 = z - z w. Đất lại sét của kh vực có độ ẩm rất ca (W=75,7%) và ở trạng thái rất mềm nên ngài nước liên kết, trng lỗ rỗng còn có một hàm lượng đáng kể nước tự d. D đó, khi tính tán, trọng lượng bản thân lớp đất được xác định thông qa giá trị ứng sất hữ hiệ. The kết qả tiê tán áp lực nước lỗ rỗng, độ sâ mực nước ngầm trng lớp đất yế của kh vực da động trng khảng 0,0m đến 0,8m và được xem như ngang mặt đất tự nhiên. Như đã biết, sức chống cắt không thát nước phụ thộc đáng kể và độ chặt nên phụ thộc độ sâ. Càng xống sâ, d ứng sất trọng lượng bản thân nên độ chặt và sức chống cắt không thát nước có khynh hướng gia tăng. Các kết qả thí nghiệm trng phòng xác định trực tiếp sức chông cắt không thát nước như cắt trực tiếp, nén đơn, nén ba trục the sơ đồ UU the độ sâ được thể hiện như ở hình 1, 2, 3. D góc ma trng của đất sét mềm trng điề kiện không thát nước có giá trị không đáng kể nên lực dính không thát nước là yế tố cần qan tâm và sử dụng chủ yế trng tính tán thiết kế. ức chống cắt trng thí nghiệm cắt trực tiếp thể hiện thông qa lực dính không thát nước có khynh hướng tăng the độ sâ và gần với qi lật tyến tính. Tng khi đó, sự gia tăng sức chống cắt không thát nước the độ sâ từ kết qả nén nở hông không rõ ràng. Ngài ra, có thể thấy rằng giá trị lực dính không thát nước từ kết qả thí nghiệm nén nở hông có khynh hướng lớn hơn s với kết qả cắt phẳng. Thí nghiệm cắt trực tiếp lôn ch phép th nhận được giá trị góc ma sát trng với giá trị khá bé: 3 5. D bỏ qa giá trị này nên kết qả ch thấy độ bền chống cắt từ thí nghiệm cắt trực tiếp nhỏ hơn s với ϕ lực dính c = q /2 từ kết qả thí nghiệm nén nở hông (Lư ý rằng: q = 2. c. tg 45 + ). 2 Trng một số trường hợp, thí nghiệm nén ba trục ch phép mô tả được ứng xử không thát nước của đất nền thận lợi hơn các thí nghiệm trng phòng khác. Thực vậy, ư điểm của phương pháp thí nghiệm này là trng qá trình thí nghiệm, phương tác dụng của các thành phần ứng sất chính (σ 3, σ 1 ) được kiểm sát chặt chẽ. Ngài ra, việc nén trước mẫ ch phép mô tả lại trạng thái ứng sất gần với điề kiện thực tế của đất nền cũng như các điề kiện thát nước.
c (kpa) 1 2 3 c (kpa) 1 2 30. 1 1 Z(m) 1 1 Z(m) 2 Hình 1. ức chống cắt không thát nước từ kết qả thí nghiệm cắt trực tiếp the độ sâ. (kpa) 0 10 20 30 2 Hình 2. ức chống cắt không thát nước từ kết qả thí nghiệm nén đơn the độ sâ. 10 9 8 7 6 1 5 4 1 3 2 Z(m) 2 1 y = 521.46x -3.8313 R 2 = 0.8082 Hình 3. ức chống cắt không thát nước từ kết qả thí nghiệm nén ba trục UU the độ sâ. 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 e Hình 4. Qan hệ sức chống cắt không thát nước the hệ số rỗng từ kết qả thí nghiệm CU.
Có thể thấy rằng s với kết qả từ cắt trực tiếp, góc ma sát trng từ kết qả nén ba trục có thể được xem là không đáng kể, hầ hết da động trng khảng 1. Lực dính không thát nước có khynh hướng lớn hơn s với giá trị th được từ thí nghiệm nén nở hông và cắt trực tiếp. Về bản chất vật lý, điề này hàn tàn có thể giải thích được. với nén nở hông, trng thí nghiệm ba trục UU, mẫ đất chị áp lực bồng trước khi nén dọc trục. Trng trường hợp này, các bọt khí bị nở ra bởi qá trình giải phóng ứng sất d lấy mẫ sẽ được nén lại một phần khi chị áp lực đẳng hướng của bồng nén. D đó, độ chặt s với mẫ đất trng nén nở hông có khynh hướng lớn hơn dù với giá trị không đáng kể nên sức chống cắt có khynh hướng lớn hơn. Ngài ra, sự nén ép bọt khí này làm hòa tan một phần khí và nước lỗ rỗng, ứng sất hữ hiệ xất hiện d sự có mặt của bọt khí trở thành không đáng kể nên góc ma sát trng th nhận được có thể xem bằng 0. Từ đây có thể nhận thấy rằng trng 3 phương pháp thí nghiệm vừa nê, thí nghiệm nén ba trục the sơ đồ UU có nhiề ư điểm hơn nên kết qả thí nghiệm được xem là đáng tin cậy hơn. Việc thí nghiệm trng phòng với mẫ đất được lấy từ độ sâ nhất định nà đó, qá trình lấy mẫ sẽ làm thay đổi trạng thái ứng sất lên mẫ tương tự như việc dỡ tải trng thí nghiệm cố kết. Thí nghiệm nén nở hông được thực hiện trng điề kiện áp lực khí qyển (σ 3 được xem bằng 0), trng khi thí nghiệm cắt trực tiếp và nén ba trục UU thì mẫ đất được nén lại một phần nhưng d điề kiện thát nước bị khống chế, mẫ đất chưa đạt được độ chặt cần thiết như khi ở trng nền hàng ngàn, hàng vạn năm. Để mô phỏng lại trạng thái ứng sất ban đầ và độ chặt tương ứng trng diề kiện phòng thí nghiệm, mẫ đất phải được nén lại tương ứng với điề kiện thế nằm tự nhiên. Trng trường hợp xác định sức chống cắt không thát nước, thí nghiệm the sơ đồ CU nên được chọn lựa d trình tự thí nghiệm này có thể mô phỏng điề kiện ứng xử thực tế. Để ghi nhận sức chống cắt không thát nước trng thí nghiệm nén ba trục the sơ đồ CU, một số ch rằng đó là các giá trị ϕ, c the giá trị tổng ứng sất. Một số khác lại ch rằng đối với đất sét bã hòa nước, ϕ ~ 0 nên sức chống cắt không thát nước chính là = (σ 1 -σ 3 )/2. Khynh hướng thứ hai dễ được công nhận hơn d tính hợp lý của nó và phù hợp với việc phân tích s sánh. Như vậy, kết qả thí nghiệm nén ba trục trên ba mẫ sẽ ch ba giá trị sức chống cắt không thát nước ứng với ba cấp áp lực hay ứng với ba trạng thái độ chặt khác nha d qá trình cố kết đã thực hiện trước đó. Từ bảng 1 có thể thấy rằng với cùng cấp áp lực nén cố kết đẳng hướng, giá trị độ bền không thát nước có khynh hướng tăng the độ sâ lấy mẫ. Điề này hợp lý bởi vì ở độ sâ càng lớn đất càng được nén chặt hơn the qá trình trầm tích hình thành. Độ bền không thát nước tăng the mức độ nén chặt đất nền (thông qa hệ số rỗng e sa khi cố kết đẳng hướng). Bảng 1. ức chống cắt không thát nước the kết qả nén ba trục the sơ đồ CU ố hiệ mẫ Độ sâ (m) Hệ số rỗng e Hệ số sa khi cố kết đẳng hướng rỗng e P=50 P= 100 P= 200 (CU) P=50 P= 100 P= 200 kpa kpa kpa kpa kpa kpa (907) 8,0 2,237 2,080 1,707 1,577 31,0 47,0 81,0 (870) 10,0 2,366 2,179 1,840 1,724 30,0 48,0 82,0 (903) 12,0 2,054 1,935 1,755 1,700 37,0 56,0 92,0 (461) 24,0 1,937 1,872 1,813 1,571 40,0 60,0 104,0 Trng bình 2,149 2,017 1,779 1,643 34,5 52,8 89,8 Việc phân tích sức chống cắt không thát nước có xét đến ứng sất nén trước được thể hiện thông qa giá trị tỷ số không thứ ngyên ( /σ ). Hơn nữa, d đất không phải là một thể đồng nhất và là môi trường đàn dẻ nên sự dãn nở của mẫ đất sa khi giải phóng ứng sất d qá trình lấy mẫ sẽ không đồng đề ở tất cả các độ sâ. D đó, hệ số rỗng e th được từ thí nghiệm trng phòng sa khi lấy mẫ biến đổi lớn. Qá trình nén lại các mẫ đất ở các độ sâ khác nha sẽ ch ra các giá trị hệ số rỗng sa nén khác nha, phụ thộc và cấp áp lực nén s với áp lực tiền cố kết mà đất đã chị.
Bảng 2. Kết qả nén ba trục the sơ đồ CU Cấp áp ố hiệ lực nén đẳng (CU) /σ vc mẫ hướng (kpa) (kpa) 50 31,0 0,62 BH51 100 47,0 0,47 (907) 200 81,0 0,41 50 30,0 0,60 BH5 100 48,0 0,48 (870) 200 82,0 0,41 50 37,0 0,74 BH44 100 56,0 0,56 (903) 200 92,0 0,46 50 40,0 0,80 BH33 100 60,0 0,60 (461) 200 104,0 0,52 Một trng các phương pháp thí nghiệm hiện trường đánh giá sức chống cắt không thát nước của sét mềm đáng tin cậy là cắt cánh. Để đảm bả việc thể hiện sức chống cắt trng điề kiện thế nằm tự nhiên, việc cắt cánh được thực hiện bằng cách ấn trực tiếp cánh cắt xống đến độ sâ thí nghiệm và tiến hành cắt (không cắt trng lỗ khan). D đất yế trng phạm vi khả sát hầ hết ở trạng thái cố kết thường nên sức chống cắt không thát nước tăng tyến tính the độ sâ với tương qan khá chặt chẽ. ức chống cắt không thát nước phụ thộc và độ sâ rất rõ nét. Trên cơ sở lý thyết cân bằng giới hạn cũng như hàng lạt kết qả thí nghiệm bằng cắt trực tiếp, nén nở hông, nén ba trục UU, CU và cắt cánh hiện trường ch thấy điề đó. D vậy chọn lựa tỷ số ( /σ ) (là hàm tương qan của OCR) để phân tích và đánh giá kết qả. Lớp 1: BÙN ÉT (KPa) 1 2 3 4 5 6 /σ 0 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 2.0 4.0 Giá trị trng bình của VT Linear (Giá trị trng bình của VT) 6.0 8.0 1 1 Độ sâ Z (m) 12.0 14.0 16.0 18.0 Độ sâ 1 2 2 22.0 24.0 26.0 Z = 0.7216-5.8312 (m) R 2 = 0.9429 hay = 1.386Z + 8.081 (kpa) (1m < z < 21m) 2 3 28.0 3 Hình 5. Qan hệ của (average) the độ sâ (từ thí nghiệm cắt cánh VT) UC UU VT D Pwer (UU) Pwer (UC) Pwer (D) Hình 6. Biể đồ qan hệ của /σ the độ sâ từ các phương pháp thí nghiệm
Kết qả thể hiện ở biể đồ hình 6 ch thấy tỷ số ( /σ ) trng thí nghiệm UU có khynh hướng lớn hơn s với kết qả cắt trực tiếp và nén đơn nhưng nhỏ hơn s với kết qả cắt cánh hiện trường. Giá trị tỷ số này giảm the độ sâ một cách rõ nét. Ở đây cũng nên nói thêm rằng, sức chống cắt không thát nước của sét yế th thập được từ công tác khả sát từ thí nghiệm cắt cánh là được nhiề hơn cả (30 vị trí với 426 điểm thí nghiệm). Ngài ra, tại một vị trí thí nghiệm, sức chống cắt không thát nước được ghi nhận gần như liên tục the độ sâ trng đất nền ở thế nằm tự nhiên nên kết qả này có thể được xem là đáng tin cậy. Có thể thấy rằng sức chống cắt không thát nước của các phương pháp có giá trị the thứ tự: c (D) < c (UC) < c (UU) < (VT). Tỷ số ( /σ ) có đặc điểm phi tyến the độ sâ. Qan hệ tỷ số ( /σ ) và độ sâ thể hiện rõ ràng nhất the kết qả cắt cánh. Ở đây, từ độ sâ 10m trở lên, qan hệ ( /σ ) và độ sâ có đặc điểm phi tyến và tỷ số ( /σ ) giảm dần the độ sâ. Từ độ sâ 10m trở đi, qan hệ này có dạng gần như tyến tính, tỷ số ( /σ ) da động trng phạm vi 0,35 0,40. 3. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Từ kết qả tổng hợp và phân tích sức chống cắt không thát nước của sét yế bã hòa nước the các phương pháp thí nghiệm khác nha ở kh vực Nhà Bè (là kh vực có lớp đất yế có bề dày đáng kể và đặc trưng) có thể rút ra các kết lận chính như sa: - ức chống cắt không thát nước của sét yế bã hòa nước có khynh hướng tăng the độ sâ the qi lật tyến tính trng nền đất cố kết thường. - ức chống cắt không thát nước từ kết qả thí nghiệm nén ba trục UU gần với kết qả cắt cánh hiện trường hơn s với kết qả nén nở hông và cắt trực tiếp. - Tại kh vực khả sát, ở gần mặt đất từ độ sâ 10m trở lên, lớp sét yế ở trạng thái qá cố kết nhẹ, tỷ số ( /σ ) thay đổi trng phạm vi 0,40 1,33 tương ứng với giá trị OCR gia tăng từ 1,0 4,0. Từ độ sâ 10m trở đi, ở trạng thái cố kết thường, tỷ số ( /σ ) có giá trị da động trng phạm vi 0,35 0,40. - Tương qan sức chống cắt không thát nước giữa hai thí nghiệm nén ba trục the sơ đồ UU và sơ đồ CU khá chặt chẽ. The kết qả cắt cánh, sức chống cắt không thát nước của nền đất yế bã hòa nước có khynh hướng tăng the độ sâ the qy lật tyến tính, tức là gần bề mặt có giá trị nhỏ và đạt giá trị lớn nhất ở đáy lớp. Nên thể chọn lựa thông số này ch tính tán ổn định công trình đắp hay mái dốc ở nơi có sự phân cắt địa hình. Thực vậy, cng trượt lăng trụ tròn thường trng phạm vi độ sâ không lớn (khảng 5m trở lại) nơi đất yế có giá trị sức chống cắt bé [4]. Nế lấy trị tính tán trng bình thì kết qả tính tán độ ổn định không an tàn và không chính xác với điề kiện thực tế. Kết qả thí nghiệm nén ba trục the sơ đồ CU ch phép xác định sức chống cắt không thát nước tương ứng với độ chặt nên có thể sử dụng để dự bá sức chống cắt không thát the độ sâ hay khi đất nền đạt đến độ cố kết nà đó. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Lareal Ngyễn Thành Lng, Lê Bá Lương, Ngyễn Qang Chiê, Vũ Đức Lực. Công trình trên đất yế trng điề kiện Việt Nam. Đại học Bách kha Tp.HCM. (1989). 2. Bùi Trường ơn. Địa chất công trình. NXB ĐHQG. Tp. HCM. (2009) 3. Bùi Trường ơn. Phương pháp xác định áp lực nước lỗ rỗng ban đầ trng nền đất sét bã hòa nước dưới công trình đắp. Tạp chí Phát triển KH&CN, ĐHQG TP. HCM, số 12 năm 2009. Trang 90 96. 4. Bùi Trường ơn. Mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn the các thành phần ứng sất chính trng nền nhiề lớp, Tập 13, Tyển tập kết qả kha học công nghệ 2010, NXB Nông nghiệp. Trang 360-368. 5. 22TCN 262-2000. Qi trình khả sát thiết kế nền đường ô tô đắp trên đất yế. NXB Gia thông vận tải. 6. T..Nagaraj, N.Mira. ft clay behavir, analysis and assessment. A.A. Balkema/ Rtterdam/ Brkfield. (2001).
7. Pals P.Rahardj. In sit testings and sil prperties crrelatins. Getechnics labratry Parahyangan Katlik University. (2001). 8. Yit-Jin Chen, Fred H. Klhawy. Undrained strength interrelatinship amng CIUC, UU and UC tests. Jrnal f Getechnical Engineering, Vl.119, N. 11, Nvember, 1993. 9. Kenya agae, Mthir giyama, Akira Tnsaki và Masar Akaishi. Rati f ndrained shear strength t vertical effective stress. Prc.chl.Eng.Tkai University, er.e, Vl 31, p.21-25, 2006. 10. tephen G.Wright. Evalatin f sil shear strengths fr lpe and Retaining walls stability analyses with emphasis n high plasticity Clays. Center fr Transprtatin Research The University f Texas at Astin, 2005. 11. Тер-Мартиросян З.Г., Буй Чыонг Шон. Напряженно деформированное состояние слабых водонасыщенных глинистых оснований насыпей. Основания, Фундаменты и Механика грунтов, 5-2005, 2-6. (Z.G. Ter-Martirsyan and C.. Bi. tress strain state f weak satrated clay beds f embankments. ils Mechanics and Fndatin Engineering, Vl. 42, N 5-2005). REAONABLE ELECTION UNDRAINED HEAR TRENGTH OF CLAYEY OFT OIL FOR EMBANKMENT GROUND CALCULATION ABTRACT Undrained shear strength is the mst imprtant physical mechanical prperty t spply fr calclatin in getechnical design r in stability analysis f sft clayey grnd, especially at the phase which the cnstrctin has jst finished. The cmmn methds f determinatin are direct shear test (D), ncnfined cmpressin test (UC), ncnslidated ndrained (UU), cnslidated ndrained triaxial cmpressin (CU), vane shear test (VT). Different testing methds give varis testing reslts. The paper is presented t cllect and analyze the testing reslts and sggest reasnable testing methd t define.