Xem mẫu

  1. The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018 MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ SỨC KHÁNG CẮT H NG THOÁT NƯỚC CỦA ĐẤT YẾU KHU VỰC HUYỆN U MINH, TỈNH CÀ MAU ThS. Trần Thị Phƣơng Dung1, ThS. Nguyễn Viết Minh2 1 Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường, 236B Lê Văn Sỹ, Phường 1, quận Tân Bình, TP. HCM Email: ttpdung@hcmunre.edu.vn 2 Khoa Cầu đường, Trường Đại học Xây dựng, 55 Giải Phóng, Hai Bà Trưng, Hà Nội Email: minhgcei@gmail.com TÓM TẮT Bài báo đã nghiên cứu sức kháng cắt không thoát nước của 77 mẫu đất yếu khu vực huyện U Minh, tỉnh Cà Mau. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra mô hình dự báo sức chống cắt không thoát nước của Skempton có giá trị lớn hơn nhiều so với thực tế. Nhóm tác giả cũng nghiên cứu và đề xuất các mô hình dự báo sức kháng cắt không thoát nước của đất yếu trong khu vực theo độ ẩm giới hạn chảy (WL) và độ chặt ( c). Kết quả nghiên cứu cho thấy mối quan hệ giữa sức kháng cắt không thoát nước theo các phương pháp thí nghiệm khác nhau và WL là cao ( r > 0,8). Bên cạnh đó, bài báo cũng đề xuất mô hình xác định sức kháng cắt không thoát nước theo phương pháp cắt cánh hiện trường từ thí nghiệm nén ba trục sơ đồ UU và cắt phẳng với độ tin cậy cao (r > 0,8). Từ khóa: sức kháng cắt không thoát nước, đất sét yếu, thí nghiệm cắt cánh hiện trường, thí nghiệm cắt phẳng, thí nghiệm nén ba trục (UU). 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Các loại đất yếu có tuổi và nguồn gốc khác nhau được phân bố rộng rãi và thường nằm trên mặt ở khu vực huyện U Minh, tỉnh Cà Mau. Công tác nghiên cứu địa chất công trình các loại đất trên gặp nhiều khó khăn trong việc lấy mẫu nguyên trạng để nghiên cứu trong phòng. Trong thực tế xây dựng, đặc biệt trong công tác tính toán ổn định và cải tạo nền đất yếu, sức chống cắt không thoát nước là một chỉ tiêu rất quan trọng. Nghiên cứu sức kháng cắt trong điều kiện không thoát nước của đất yếu thường được tiến hành bằng các thí nghiệm khác nhau: thí nghiệm trong phòng (thí nghiệm nén 3 trục theo các sơ đồ CU, UU; thí nghiệm nén một trục có nở hông, thí nghiệm cắt trực tiếp) và thí nghiệm ngoài trời (thí nghiệm cắt cánh, thí nghiệm xuyên tĩnh, xuyên động). Ở Việt Nam, có một số công trình nghiên cứu về đặc tính địa chất công trình nói chung của đất loại sét yếu phân bố ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long trong đó có khu vực tỉnh Cà Mau của các tác giả Đỗ Minh Toàn, Nguyễn Thị Nụ, Nguyễn Viết Tình [4], [5]. Tuy nhiên, hiện nay chưa có tài liệu nào nghiên cứu sâu về sức kháng cắt không thoát nước của đất yếu khu vực tỉnh Cà Mau. Trên thế giới, nhiều tác giả đã nghiên cứu về sức chống cắt không thoát nước của đất yếu và kiến nghị trong các bài viết của Bjerrum (1972), Azzouz (1983), Duncan (1989), Kulhawy và Mayne (1990) và Morris Williams (1994) [8]. Tuy nhiên, các kết quả này chỉ khuyến cáo áp dụng với các vùng đất mà các tác giả đã nghiên cứu. Để phục vụ cho công tác xây dựng công trình ở khu vực huyện U Minh, tỉnh Cà Mau, việc nghiên cứu sức kháng cắt không thoát nước của nền đất yếu tại đây là cần thiết. 490
  2. Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 - SEMREGG 2018 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Theo R. Whitlow [7], điều kiện không thoát nước xảy ra khi mọi sự thoát nước đều bị ngăn cản hoặc tốc độ tăng tải quá nhanh làm nước hầu như chưa kịp thoát ra. Vì nước lỗ rỗng không thoát ra nên sự tăng nào đó của ứng suất tổng tạo nên sự tăng tương ứng của áp lực nước lỗ rỗng. Sức kháng cắt được xác định trong điều kiện nước trong các lỗ rỗng của đất không được thoát ra gọi là sức kháng cắt không thoát nước. Trong trường hợp đất bão hòa hoàn toàn, độ tăng áp lực nước lỗ rỗng sẽ bằng độ tăng ứng suất tổng và vì thế không tạo ra sự tăng ứng suất hiệu quả. Trong thực tế, có nhiều phương pháp để xác định sức kháng cắt không thoát nước, mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng phù hợp với từng điều kiện làm việc của đất nền cũng như đặc điểm công trình và phương pháp thi công móng. Tuy nhiên, xét trong điều kiện tự nhiên của đất nền, có thể xác định sức kháng cắt không thoát nước của đất thông qua các thí nghiệm sau: 2.1. Thí nghiệm cắt trực tiếp theo sơ đồ cắt nhanh không cố kết Thí nghiệm cắt đất trực tiếp là thí nghiệm xác định sức chống trượt của nó bằng cách trượt một phần mẫu đất theo một mặt phẳng định trước. Đối với đất loại sét bão hòa nước, khi thí nghiệm theo sơ đồ cắt nhanh không cố kết thì nước trong mẫu đất không kịp thoát ra ngoài nên kết quả thu được chính là sức kháng cắt không thoát nước. Mối quan hệ giữa τ và σ tuân theo hàm số sau: τ = (σ - u)tgυ + c (1) Trong đó: τ là sức kháng cắt, σ là ứng suất tổng, u là áp lực nước lỗ rỗng, υ là góc ma sát trong và c là lực dính. 2.2. Thí nghiệm nén ba trục không cố kết, kh ng thoát nƣớc (UU) Nguyên tắc phương pháp này là xác định sức kháng cắt không thoát nước của mẫu đất dính khi mẫu chịu tác động áp lực hông không đổi, đồng thời chịu tác động của tải trọng dọc trục, không cho phép thay đổi tổng độ ẩm của mẫu. Thí nghiệm được dùng để xác định độ bền không thoát nước Cu và chỉ thích hợp cho đất sét yếu bão hòa, khi υ = 0. , KN/m² u 1/2 0 3 3 1 1 , KN/m² 1 1 Hình 1. Sơ đồ thí nghiệm ba trục không cố kết không thoát nước [3]. 2.3. Thí nghiệm nén một trục nở hông Thí nghiệm nén nở hông là một trong các phương pháp đơn giản và là một trường hợp đặc biệt của thí nghiệm nén ba trục (σ2 = σ3 = 0) để xác định sức kháng cắt của đất. Đối với đất yếu, mặt trượt tạo với phương nằm ngang một góc = 45o u = = 0, ta có: gh Cu = = . (2) 2 491
  3. The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018 =0 c Vòng tròn Mohr US 3=0 gh n Hình 2. Vòng tròn Mohr trong thí nghiệm nén đơn trục đối với đất yếu [7]. 2.4. Phƣơng pháp thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng Đất bị cắt trong thời gian khá nhanh, nước không kịp thoát ra ngoài nên thí nghiệm được xem như là theo sơ đồ cắt nhanh không thoát nước. Ta tính được ứng suất tiếp τ, từ đó có sức kháng cắt không thoát nước Su (tức Cu) của đất yếu, do υu = 0. Sức kháng cắt của đất được xác định như sau: M max , kG/cm2 (3) 2 d 1, 75d h 3 Trong đó: Mmax là mômen xoắn cực đại, kG.cm, d, h lần lượt là chiều rộng và chiều cao của cánh cắt, cm. 3. TỔNG HỢP VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU ĐẤT YẾU TẠI KHU VỰC HUYỆN U MINH, TỈNH CÀ MAU Khu vực xây dựng Nhà máy Điện đạm Cà Mau tại huyện U Minh, tỉnh Cà Mau đất yếu amQ22-3 phân bố trên diện rộng, chiều sâu phân bố từ 3,4-18,0 m, bề dày thay đổi trung bình từ 12,8-14,2 m. Các kết quả phân tích thành phần hạt và các chỉ tiêu cơ lý của 77 mẫu đất trong phạm vi khu vực nghiên cứu [1] cho thấy chủ yếu thuộc loại sét trạng thái dẻo chảy, đôi chỗ có gặp bùn sét. Thành phần hạt và chỉ tiêu vật lý của lớp đất sét yếu được trình bày trong Bảng 1 và 2. Bảng 1. Thành phần hạt của đất loại sét amQ22-3. Số lượng Thành phần hạt, % Chiều sâu (m) mẫu thí 0,425-0,075 0,075-0,005 0,005-0,002 < 0,002 nghiệm mm mm mm mm 1,0-3,2 4 36,5 17,2 46,2 3,0-4,0 4 43,7 14,7 41,4 4,5-7,0 9 2,3 52,4 12,5 32,8 7,5-10,2 9 2,0 52,7 12,3 33,8 10,5-11,2 5 3,0 51,9 13,5 31,6 12,0-14,0 9 60,2 11,2 28,8 Trung bình 2,4 49,6 13,6 35,8 492
  4. Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 - SEMREGG 2018 Bảng 2. Các chỉ tiêu vật lý của đất sét dẻo chảy amQ22-3 khu vực nghiên cứu. Khối Khối Độ lượng lượng Giới Giới Chỉ Số Độ bão Độ lỗ Hệ số Độ ẩm tự thể thể hạn hạn số Chiều sâu lượng hòa rỗng rỗng sệt nhiên tích tự tích chảy dẻo dẻo (m) mẫu thí nhiên khô nghiệm γ γc n WL Wd W% G% E IP Is g/cm3 g/cm3 % % % 1,0-3,2 15 62,99 1,59 0,98 97,06 63,14 1,748 70,93 30,65 40,16 0,86 3,0-4,0 10 72,18 1,53 0,90 95,75 66,75 2,024 70,35 25,83 44,53 1,05 4,5-7,0 11 58,25 1,63 1,02 96,22 61,28 1,609 64,35 30,35 34,00 0,86 7,5-10,2 15 64,81 1,59 0,97 96,10 63,59 1,788 63,17 29,69 33,48 1,05 10,5-11,2 11 59,01 1,62 1,02 97,02 61,81 1,631 59,86 29,48 30,38 0,99 12,0-14,2 15 55,65 1,68 1,07 97,32 59,93 1,537 59,61 30,50 29,11 0,86 Trung bình 62,15 1,61 0,99 96,58 62,75 1,72 64,71 29,42 35,28 0,94 Trong khu vực nghiên cứu, sức kháng cắt của đất được xác định theo các phương pháp và sơ đồ khác nhau bao gồm: thí nghiệm cắt phẳng, nén ba trục sơ đồ UU, nén ba trục sơ đồ CU và thí nghiệm cắt cánh hiện trường. Với các thí nghiệm cắt cánh hiện trường, nén ba trục UU, kết quả nhận được các giá trị lúc đất không thoát nước (Cu) và chính là sức kháng cắt không thoát nước. Trong cắt phẳng, sức kháng cắt sẽ được đặc trưng bằng hai đại lượng Cu và υu. Để so sánh, trong thí nghiệm cắt phẳng các tác giả tính tổng giá trị Su, Su = σptgυ + C. Ở đây σp lấy bằng áp lực địa tầng theo độ sâu. Các số liệu thí nghiệm được trình bày ở Bảng 3. Bảng 3. Kết quả xác định sức kháng cắt của đất. Thí nghiệm Thí nghiệm nén ba Số lượng Thí nghiệm cắt phẳng cắt cánh trục sơ đồ UU Chiều sâu (m) mẫu thí Su Cuu υ C Su nghiệm (kG/cm2) (kG/cm2) (độ) (kG/cm2) (kG/cm2) 1,0-3,2 5 0,17 0,10 11o6‟ 0,18 0,23 3,0-4,0 6 0,20 0,13 11 9‟ o 0,17 0,28 4,5-7,0 12 0,24 0,16 11 00‟ o 0,14 0,32 o 7,5-10,2 18 0,23 0,15 10 20' 0,15 0,39 10,5-11,2 6 0,24 0,16 11 10‟ o 0,15 0,41 12,0-14,2 18 0,25 0,20 10 51‟ o 0,14 0,48 Trung bình 0,22 0,15 11º06‟ 0,16 0,35 4. KIỂM NGHIỆM SỨC CHỐNG CẮT KHÔNG THOÁT NƢỚC THEO MỘT SỐ MÔ HÌNH PHỔ BIẾN Trên thế giới, đã có nhiều tác giả nghiên cứu về cường độ chống cắt không thoát nước của đất yếu. Trong phạm vi bài báo, nhóm tác giả chỉ xem xét các mối quan hệ giữa cường độ kháng cắt không thoát nước với một số chỉ tiêu vật lý bằng phương pháp hồi quy. Trong số đó, mô hình được Skempton [9] đề xuất được sử dụng khá phổ biến: 493
  5. The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018 Su/σv‟ = 0,11 + 0,0037.Ip (4) Kết quả kiểm nghiệm cho thấy mối quan hệ giữa Su/σv‟, với Ip theo các phương pháp thí nghiệm khác nhau là chặt (r = 0,85-0,88) với độ lệch chuẩn thấp. Tuy nhiên, kết quả sức kháng cắt không thoát nước từ các thí nghiệm thực tế thấp hơn nhiều so với dự báo theo mô hình của Skempton (sai số trung bình giảm từ 57 % đến 81 %). Bảng 4. Kiểm nghiệm kết quả theo mô hình Skempton. Độ lệch Hệ số xác Hệ số tương Sai số với STT Các phương pháp chuẩn định, R2 quan, r Skempton 1 Cắt cánh hiện trường 4% 0,74 0,86 71 % 2 Nén 3 trục sơ đồ UU 2,3 % 0,73 0,85 81 % 3 Thí nghiệm cắt phẳng 10 % 0,77 0,88 57 % Hình 3. Mối quan hệ giữa Su/ v‟ với Ip theo mô hình của Skempton. 5. XÂY DỰNG PHƢƠNG TRÌNH DỰ BÁO SỨC KHÁNG CẮT KHÔNG THOÁT NƢỚC 5.1. Cơ sở thiết lập mối tƣơng quan Các kết quả để xây dựng mối tương quan là các kết quả nghiên cứu 77 mẫu đất yếu và 77 điểm thí nghiệm cắt cánh hiện trường tại công trình Nhà máy Điện đạm Cà Mau. Nhóm tác giả đã tập hợp, phân tích và tổng hợp kết quả thí nghiệm các mẫu đất trên và đưa ra bảng chỉ tiêu vật lý trung bình (Bảng 2) và sức kháng cắt không thoát nước trung bình của đất bằng thí nghiệm cắt cánh hiện trường (Su), thí nghiệm nén ba trục UU (Cuu) và thí nghiệm cắt phẳng (Bảng 3) theo các nhóm độ sâu khác nhau. Để thiết lập sự tương quan, nhóm tác giả sử dụng các công thức về xác suất thống kê xác định hệ số tương quan mẫu và phương trình hồi quy tuyến tính. Để đánh giá mức độ phụ thuộc tương quan, nhóm tác giả dùng hệ số tương quan, r. Theo Kalomenski, sự phụ thuộc tương quan là rất yếu khi r < 0,5; sự phụ thuộc tương quan là yếu khi r = 0,5-0,7; sự phụ thuộc tương quan là chặt khi r = 0,7-0,9 và khi r > 0,9 thì sự phụ thuộc tương quan là rất chặt. 494
  6. Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 - SEMREGG 2018 5.2 Xây dựng phƣơng tr nh ự báo với một số chỉ tiêu vật lý khác 5.2.1. Mối quan hệ giữa sức chống cắt kh ng thoát nước và giới hạn chảy (WL) (a) (b) (c) Hình 4. Quan hệ tương quan giữa sức kháng cắt với giới hạn chảy của đất, (a) thí nghiệm cắt cánh, (b) thí nghiệm nén ba trục UU, (c) thí nghiệm cắt phẳng. 5.2.2. Mối quan hệ tương quan giữa Su và γc (a) (b) (c) Hình 5. Mối tương quan giữa độ chặt và sức kháng cắt không thoát nước của đất, (a) thí nghiệm cắt cánh, (b) thí nghiệm nén ba trục UU, (c) thí nghiệm cắt phẳng. 495
  7. The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018 5.3. Xây dựng mối tƣơng quan giữa sức kháng cắt kh ng thoát nƣớc theo các phƣơng pháp khác nhau Từ số liệu ở bảng 3, xác định được mối tương quan giữa Su và Cuu (Hình 5) và giữa Su qua thí nghiệm cắt cánh và thí nghiệm cắt phẳng (Hình 6). Hình 6. Mối quan hệ tương quan giữa sức Hình 7. Mối quan hệ tương quan giữa sức kháng cắt không thoát nước bằng thí nghiệm kháng cắt không thoát nước bằng thí cắt cánh hiện trường và nén ba trục UU. nghiệm cắt cánh hiện trường và thí nghiệm cắt phẳng. Từ các kết quả thu được, tác giả đề xuất các hàm dự báo mối quan hệ giữa sức kháng cắt không thoát nước với một số chỉ tiêu vật lý và mối quan hệ giữa sức kháng cắt không thoát nước được xác định theo các phương pháp khác nhau theo Bảng 5. Bảng 5. Đề xuất hàm dự báo sức kháng cắt không thoát nước của đất sét yếu khu vực huyện U Minh, tỉnh Cà Mau trên cơ sở phân tích hồi quy 77 mẫu thí nghiệm. STT Các chỉ tiêu Phương trình dự báo Hệ số Đánh giá liên quan tương quan, r 1 Su, WL Su = -0,006WL + 0,59 -0,92 Rất chặt 2 Cuu, WL Cuu = -0,006WL + 0,536 -0,88 Chặt 3 Su(QDS), WL Su(QDS) = -0,0175WL + 1,485 -0,94 Rất chặt 4 Su, c Su = 0,304 c - 0,08 0,65 Yếu 5 Cuu, c Cuu = 0,368 c - 0,215 0,72 Chặt 6 Su(QDS), c Su(QDS) = 0,928 c - 0,569 0,66 Yếu 7 Su, Cuu Su = 1,025Cuu - 0,077 0,94 Rất chặt 8 Su, Su(QDS) Su = 2,623 Su(QDS) - 0,23 0,87 Chặt 496
  8. Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 - SEMREGG 2018 6. KẾT LUẬN Qua kết quả nghiên cứu về sức kháng cắt không thoát nước của lớp đất yếu tại huyện U Minh, tỉnh Cà Mau, có thể rút ra một số kết luận như sau: Đất yếu trong khu vực nghiên cứu chủ yếu là sét dẻo chảy, ít gặp hơn có sét trạng thái chảy. Chúng thường phân bố ngay trên bề mặt với bề dày thay đổi từ 12,8 m đến 14,2 m. Mô hình dự báo của Skempton dự báo kết quả lớn hơn khá nhiều so với kết quả thí nghiệm của đất sét yếu trong phạm vi nghiên cứu. Sức kháng cắt không thoát nước phụ thuộc vào giới hạn chảy và độ chặt của đất. Khi WL giảm, Su thu được từ ba thí nghiệm đều có xu hướng tăng và giữa chúng có mối liên hệ tương quan chặt đến rất chặt (r = (-0,88)-(-0,94)). Trong khi đó Su cũng có xu hướng tăng khi độ chặt tăng. Tuy nhiên, mối quan hệ này ở mức độ yếu đến chặt ((r = 0,65-0,72). Kết quả sức kháng cắt không thoát nước xác định bằng phương pháp thí nghiệm hiện trường có mối quan hệ chặt đến rất chặt với các kết quả xác định theo phương pháp thí nghiệm nén ba trục theo sơ đồ UU và cắt phẳng trực tiếp (r = 0,87-0,94). Do đó, có thể xác định sức kháng cắt không thoát nước tại hiện trường (Su) từ kết quả thí nghiệm nén 3 trục theo sơ đồ UU hoặc thí nghiệm cắt phẳng (QDS) theo các phương trình sau: Su = 1,025Cuu - 0,077 (5) Su = 2,623 Su(QDS) - 0,23 (6) TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Phân viện Khoa học công nghệ Xây dựng Miền Nam, Công ty Cổ phần Kỹ thuật Nền móng và Công trình ngầm FECON - “Báo cáo khảo sát địa chất công trình, Nhà máy Điện đạm Cà Mau”. 2. Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam, TCVN 8868 - 2011. 3. Nguyễn Ngọc Bích, Lê Thị Thanh Bình, Vũ Đình Phụng - “Đất xây dựng địa chất công trình và kỹ thuật cải tạo đất trong xây dựng”, 2005, Nhà xuất bản Xây dựng. 4. Đỗ Minh Toàn - Giáo trình “Đất đá xây dựng”, 2006, “Thí nghiệm đất xây dựng”, 2007. 5. Đỗ Minh Toàn, Nguyễn Thị Nụ - Đề tài nghiên cứu khoa học “Nghiên cứu đặc tính địa chất công trình của đất loại sét yếu thuộc trầm tích Holocen trung - thượng phân bố ở đồng bằng sông Cửu Long phục vụ xây dựng đường”. 6. Đoàn Thế Tường, Lê Thuận Đăng - “Thí nghiệm đất và nền móng công trình”, 2002. Nhà xuất bản Giao thông vận tải. 7. R. Withlow - “Cơ học đất” tập I, 1999, Nhà xuất bản Giáo dục. 8. Adrian F. Richards - “Vane Shear Strength testing in soils”. 9. Skemton A. W. - “Proceedings of the institution of Civil Engineers”, Vol. 7, 1957. 497
  9. The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018 SOME RESEARCH RESULTS ON UNDRAINED SHEAR STRENGTH OF SOFT SOIL IN U MINH DISTRICT, CA MAU PROVINCE Tran Thi Phuong Dung1, Nguyen Viet Minh2 1 Ho Chi Minh city University of Natural Resource and Environment, 236B Le Van Sy, Ward 1, Tan Binh district, Ho Chi Minh city 2 National University of Civil Engineering, 55 Giai Phong, Hai Ba Trung district, Ha Noi Email: ttpdung@hcmunre.edu.vn ABSTRACT This paper investigated the undrained shear strength of 77 soil samples in U Minh district, Ca Mau province. The results show that Skempton's predictive shear strength model is far more valuable than it really is. The authors also investigated and proposed models for predicting the inelastic resistance of soft soil in the area in terms of liquyd limit (WL) and dry density ( c). The results show that the relationship between undrained shear strength with various experimental methods and WL is high ( r > 0.8). In addition, the paper proposes a model for determining the undrained shear strength by field vane shear test method from UU triaxial compression test and direct shear strength with high reliability (r > 0.8). Key words: Undrained shear strength, soft soil, field vane shear test, direct shear strength, triaxial compression test (UU). 498
nguon tai.lieu . vn