The fourth Scientific Conference SEMREGG 2018 490 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 Dung 1 , ThS Nguyễn Viết[.]
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 Trường Đại học Tài nguyên Môi trường, 236B Lê Văn Sỹ, Phường 1, quận Tân Bình, TP HCM Email: ttpdung@hcmunre.edu.vn Khoa Cầu đường, Trường Đại học Xây dựng, 55 Giải Phóng, Hai Bà Trưng, Hà Nội Email: minhgcei@gmail.com TÓM TẮT Bài báo nghiên cứu sức kháng cắt khơng nước 77 mẫu đất yếu khu vực huyện U Minh, tỉnh Cà Mau Kết nghiên cứu mơ hình dự báo sức chống cắt khơng nước Skempton có giá trị lớn nhiều so với thực tế Nhóm tác giả nghiên cứu đề xuất mơ hình dự báo sức kháng cắt khơng nước đất yếu khu vực theo độ ẩm giới hạn chảy (WL) độ chặt ( c) Kết nghiên cứu cho thấy mối quan hệ sức kháng cắt khơng nước theo phương pháp thí nghiệm khác WL cao ( r > 0,8) Bên cạnh đó, báo đề xuất mơ hình xác định sức kháng cắt khơng nước theo phương pháp cắt cánh trường từ thí nghiệm nén ba trục sơ đồ UU cắt phẳng với độ tin cậy cao (r > 0,8) Từ khóa: sức kháng cắt khơng nước, đất sét yếu, thí nghiệm cắt cánh trường, thí nghiệm cắt phẳng, thí nghiệm nén ba trục (UU) ĐẶT VẤN ĐỀ Các loại đất yếu có tuổi nguồn gốc khác phân bố rộng rãi thường nằm mặt khu vực huyện U Minh, tỉnh Cà Mau Công tác nghiên cứu địa chất công trình loại đất gặp nhiều khó khăn việc lấy mẫu nguyên trạng để nghiên cứu phòng Trong thực tế xây dựng, đặc biệt công tác tính tốn ổn định cải tạo đất yếu, sức chống cắt khơng nước tiêu quan trọng Nghiên cứu sức kháng cắt điều kiện khơng nước đất yếu thường tiến hành thí nghiệm khác nhau: thí nghiệm phịng (thí nghiệm nén trục theo sơ đồ CU, UU; thí nghiệm nén trục có nở hơng, thí nghiệm cắt trực tiếp) thí nghiệm ngồi trời (thí nghiệm cắt cánh, thí nghiệm xuyên tĩnh, xuyên động) Ở Việt Nam, có số cơng trình nghiên cứu đặc tính địa chất cơng trình nói chung đất loại sét yếu phân bố khu vực đồng sơng Cửu Long có khu vực tỉnh Cà Mau tác giả Đỗ Minh Toàn, Nguyễn Thị Nụ, Nguyễn Viết Tình [4], [5] Tuy nhiên, chưa có tài liệu nghiên cứu sâu sức kháng cắt khơng nước đất yếu khu vực tỉnh Cà Mau Trên giới, nhiều tác giả nghiên cứu sức chống cắt khơng nước đất yếu kiến nghị viết Bjerrum (1972), Azzouz (1983), Duncan (1989), Kulhawy Mayne (1990) Morris Williams (1994) [8] Tuy nhiên, kết khuyến cáo áp dụng với vùng đất mà tác giả nghiên cứu Để phục vụ cho cơng tác xây dựng cơng trình khu vực huyện U Minh, tỉnh Cà Mau, việc nghiên cứu sức kháng cắt khơng nước đất yếu cần thiết 490 Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ - SEMREGG 2018 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Theo R Whitlow [7], điều kiện không thoát nước xảy thoát nước bị ngăn cản tốc độ tăng tải nhanh làm nước chưa kịp Vì nước lỗ rỗng khơng nên tăng ứng suất tổng tạo nên tăng tương ứng áp lực nước lỗ rỗng Sức kháng cắt xác định điều kiện nước lỗ rỗng đất khơng gọi sức kháng cắt khơng nước Trong trường hợp đất bão hịa hoàn toàn, độ tăng áp lực nước lỗ rỗng độ tăng ứng suất tổng khơng tạo tăng ứng suất hiệu Trong thực tế, có nhiều phương pháp để xác định sức kháng cắt khơng nước, phương pháp có ưu nhược điểm riêng phù hợp với điều kiện làm việc đất đặc điểm công trình phương pháp thi cơng móng Tuy nhiên, xét điều kiện tự nhiên đất nền, xác định sức kháng cắt khơng nước đất thơng qua thí nghiệm sau: 2.1 Thí nghiệm cắt trực sơ đồ cắt nhanh không cố kết Thí nghiệm cắt đất trực tiếp thí nghiệm xác định sức chống trượt cách trượt phần mẫu đất theo mặt phẳng định trước Đối với đất loại sét bão hịa nước, thí nghiệm theo sơ đồ cắt nhanh khơng cố kết nước mẫu đất khơng kịp ngồi nên kết thu sức kháng cắt khơng nước Mối quan hệ τ σ tuân theo hàm số sau: τ = (σ - u)tgυ + c (1) Trong đó: τ sức kháng cắt, σ ứng suất tổng, u áp lực nước lỗ rỗng, υ góc ma sát c lực dính 2.2 Thí nghiệm nén ba trục khơng cố kết, kh ng thoát nƣớc (UU) Nguyên tắc phương pháp xác định sức kháng cắt khơng nước mẫu đất dính mẫu chịu tác động áp lực hông không đổi, đồng thời chịu tác động tải trọng dọc trục, không cho phép thay đổi tổng độ ẩm mẫu Thí nghiệm dùng để xác định độ bền khơng nước Cu thích hợp cho đất sét yếu bão hòa, υ = , KN/m² u /2 3 1 , KN/m² 1 Hình Sơ đồ thí nghiệm ba trục khơng cố kết khơng nước [3] 2.3 Thí nghiệm nén trục nở hơng Thí nghiệm nén nở hông phương pháp đơn giản trường hợp đặc biệt thí nghiệm nén ba trục (σ2 = σ3 = 0) để xác định sức kháng cắt đất Đối với đất yếu, mặt trượt tạo với phương nằm ngang góc Cu = = gh = 45o u = = 0, ta có: (2) 491 The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018 =0 c Vòng tròn Mohr US gh 3=0 n Hình Vịng trịn Mohr thí nghiệm nén đơn trục đất yếu [7] 2.4 Phƣơng pháp thí nghiệm cắt cánh trƣờng Đất bị cắt thời gian nhanh, nước khơng kịp ngồi nên thí nghiệm xem theo sơ đồ cắt nhanh khơng nước Ta tính ứng suất tiếp τ, từ có sức kháng cắt khơng nước Su (tức Cu) đất yếu, υu = Sức kháng cắt đất xác định sau: M max 1, 75d d h , kG/cm2 (3) Trong đó: Mmax mơmen xoắn cực đại, kG.cm, d, h chiều rộng chiều cao cánh cắt, cm 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 huyện U Minh, tỉnh Cà Mau đất yếu amQ22-3 phân bố 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 phân tích thành phần hạt tiêu lý 77 mẫu đất phạm vi khu vực nghiên cứu [1] cho thấy chủ yếu thuộc loại sét trạng thái dẻo chảy, đơi chỗ có gặp bùn sét Thành phần hạt tiêu vật lý lớp đất sét yếu trình bày Bảng Bảng Thành phần hạt đất loại sét amQ22-3 Chiều sâu (m) 1,0-3,2 3,0-4,0 4,5-7,0 7,5-10,2 10,5-11,2 12,0-14,0 Trung bình 492 Số lượng mẫu thí nghiệm 4 9 0,425-0,075 mm 2,3 2,0 3,0 2,4 Thành phần hạt, % 0,075-0,005 0,005-0,002 mm mm 36,5 17,2 43,7 14,7 52,4 12,5 52,7 12,3 51,9 13,5 60,2 11,2 49,6 13,6 < 0,002 mm 46,2 41,4 32,8 33,8 31,6 28,8 35,8 Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ - SEMREGG 2018 Bảng Các tiêu vật lý đất sét dẻo chảy amQ22-3 khu vực nghiên cứu Chiều sâu (m) Số lượng mẫu thí nghiệm Độ ẩm tự nhiên W% 1,0-3,2 3,0-4,0 4,5-7,0 7,5-10,2 10,5-11,2 12,0-14,2 Trung bình 15 10 11 15 11 15 62,99 72,18 58,25 64,81 59,01 55,65 62,15 Khối lượng thể tích tự nhiên γ g/cm3 1,59 1,53 1,63 1,59 1,62 1,68 1,61 Khối lượng thể tích khơ γc g/cm3 0,98 0,90 1,02 0,97 1,02 1,07 0,99 Độ bão hòa G% 97,06 95,75 96,22 96,10 97,02 97,32 96,58 Độ lỗ rỗng n % 63,14 66,75 61,28 63,59 61,81 59,93 62,75 Hệ số rỗng E 1,748 2,024 1,609 1,788 1,631 1,537 1,72 Giới hạn chảy Giới hạn dẻo WL % 70,93 70,35 64,35 63,17 59,86 59,61 64,71 Wd % 30,65 25,83 30,35 29,69 29,48 30,50 29,42 Chỉ số dẻo Độ sệt IP Is 40,16 44,53 34,00 33,48 30,38 29,11 35,28 0,86 1,05 0,86 1,05 0,99 0,86 0,94 Trong khu vực nghiên cứu, sức kháng cắt đất xác định theo phương pháp sơ đồ khác bao gồm: thí nghiệm cắt phẳng, nén ba trục sơ đồ UU, nén ba trục sơ đồ CU thí nghiệm cắt cánh trường Với thí nghiệm cắt cánh trường, nén ba trục UU, kết nhận giá trị lúc đất không nước (Cu) sức kháng cắt khơng thoát nước Trong cắt phẳng, sức kháng cắt đặc trưng hai đại lượng Cu υu Để so sánh, thí nghiệm cắt phẳng tác giả tính tổng giá trị Su, Su = σptgυ + C Ở σp lấy áp lực địa tầng theo độ sâu Các số liệu thí nghiệm trình bày Bảng Bảng Kết xác định sức kháng cắt đất Chiều sâu (m) 1,0-3,2 3,0-4,0 4,5-7,0 7,5-10,2 10,5-11,2 12,0-14,2 Trung bình Số lượng mẫu thí nghiệm 12 18 18 Thí nghiệm cắt cánh Thí nghiệm nén ba trục sơ đồ UU Su (kG/cm2) Cuu (kG/cm2) 0,17 Thí nghiệm cắt phẳng υ Su (độ) C (kG/cm2) (kG/cm2) 0,10 11o6‟ 0,18 0,23 0,13 o 11 9‟ 0,17 0,28 0,16 o 11 00‟ 0,14 0,32 0,15 o 10 20' 0,15 0,39 0,16 o 11 10‟ 0,15 0,41 0,25 0,20 o 10 51‟ 0,14 0,48 0,22 0,15 11º06‟ 0,16 0,35 0,20 0,24 0,23 0,24 KIỂM NGHIỆM SỨC CHỐNG CẮT KHƠNG THỐT NƢỚC THEO MỘT SỐ MƠ HÌNH PHỔ BIẾN Trên giới, có nhiều tác giả nghiên cứu cường độ chống cắt khơng nước đất yếu Trong phạm vi báo, nhóm tác giả xem xét mối quan hệ cường độ kháng cắt khơng nước với số tiêu vật lý phương pháp hồi quy Trong số đó, mơ hình Skempton [9] đề xuất sử dụng phổ biến: 493 The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018 Su/σv‟ = 0,11 + 0,0037.Ip (4) Kết kiểm nghiệm cho thấy mối quan hệ Su/σv‟, với Ip theo phương pháp thí nghiệm khác chặt (r = 0,85-0,88) với độ lệch chuẩn thấp Tuy nhiên, kết sức kháng cắt khơng nước từ thí nghiệm thực tế thấp nhiều so với dự báo theo mơ hình Skempton (sai số trung bình giảm từ 57 % đến 81 %) Bảng Kiểm nghiệm kết theo mơ hình Skempton STT Các phương pháp Độ lệch chuẩn Hệ số xác định, R2 Hệ số tương quan, r Sai số với Skempton Cắt cánh trường 4% 0,74 0,86 71 % Nén trục sơ đồ UU 2,3 % 0,73 0,85 81 % Thí nghiệm cắt phẳng 10 % 0,77 0,88 57 % Hình Mối quan hệ Su/ v‟ với Ip theo mơ hình Skempton XÂY DỰNG PHƢƠNG TRÌNH DỰ BÁO SỨC KHÁNG CẮT KHƠNG THOÁT NƢỚC 5.1 Cơ sở thiết lập mối tƣơng quan Các kết để xây dựng mối tương quan kết nghiên cứu 77 mẫu đất yếu 77 điểm thí nghiệm cắt cánh trường cơng trình Nhà máy Điện đạm Cà Mau Nhóm tác giả tập hợp, phân tích tổng hợp kết thí nghiệm mẫu đất đưa bảng tiêu vật lý trung bình (Bảng 2) sức kháng cắt khơng nước trung bình đất thí nghiệm cắt cánh trường (Su), thí nghiệm nén ba trục UU (Cuu) thí nghiệm cắt phẳng (Bảng 3) theo nhóm độ sâu khác Để thiết lập tương quan, nhóm tác giả sử dụng công thức xác suất thống kê xác định hệ số tương quan mẫu 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, phụ thuộc tương quan yếu r < 0,5; phụ thuộc tương quan yếu r = 0,5-0,7; phụ thuộc tương quan chặt r = 0,7-0,9 r > 0,9 phụ thuộc tương quan chặt 494 Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ - SEMREGG 2018 5.2 Xây dựng phƣơng tr nh ự báo với số tiêu vật lý khác 5.2.1 Mối quan hệ sức chống cắt kh ng thoát nước giới hạn chảy (WL) (a) (b) (c) Hình Quan hệ tương quan sức kháng cắt với giới hạn chảy 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 Su γc (a) (b) (c) Hình Mối tương quan độ chặt sức kháng cắt khơng nước đất, (a) thí nghiệm cắt cánh, (b) thí nghiệm nén ba trục UU, (c) thí nghiệm cắt phẳng 495 The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018 5.3 Xây dựng mối tƣơng quan sức kháng cắt kh ng thoát nƣớc theo phƣơng pháp khác Từ số liệu bảng 3, xác định mối tương quan Su Cuu (Hình 5) Su qua thí nghiệm cắt cánh thí nghiệm cắt phẳng (Hình 6) Hình Mối quan hệ tương quan sức kháng cắt khơng nước thí nghiệm cắt cánh trường nén ba trục UU Hình Mối quan hệ tương quan sức kháng cắt khơng nước thí nghiệm cắt cánh trường thí nghiệm cắt phẳng Từ kết thu được, tác giả đề xuất hàm dự báo mối quan hệ sức kháng cắt khơng nước với số tiêu vật lý mối quan hệ sức kháng cắt khơng nước xác định theo phương pháp khác theo Bảng Bảng Đề xuất hàm dự báo sức kháng cắt khơng nước đất sét yếu khu vực huyện U Minh, tỉnh Cà Mau sở phân tích hồi quy 77 mẫu thí nghiệm 496 STT Các tiêu liên quan Phương trình dự báo Hệ số tương quan, r Đánh giá Su, WL Su = -0,006WL + 0,59 -0,92 Rất chặt Cuu, WL Cuu = -0,006WL + 0,536 -0,88 Chặt Su(QDS), WL Su(QDS) = -0,0175WL + 1,485 -0,94 Rất chặt Su, c Su = 0,304 c - 0,08 0,65 Yếu Cuu, c Cuu = 0,368 c - 0,215 0,72 Chặt Su(QDS), Su(QDS) = 0,928 c - 0,569 0,66 Yếu Su, Cuu Su = 1,025Cuu - 0,077 0,94 Rất chặt Su, Su(QDS) Su = 2,623 Su(QDS) - 0,23 0,87 Chặt c ... VÀ PHÂN TÍCH SỐ LI? ?U ĐẤT Y? ?U TẠI KHU VỰC HUYỆN U MINH, TỈNH CÀ MAU Khu vực xây dựng Nhà máy Điện đạm Cà Mau huyện U Minh, tỉnh Cà Mau đất y? ?u amQ22-3 phân bố diện rộng, chi? ?u s? ?u phân bố từ 3,4-18,0... không thoát nước đất sét y? ?u khu vực huyện U Minh, tỉnh Cà Mau sở phân tích hồi quy 77 m? ?u thí nghiệm 496 STT Các ti? ?u liên quan Phương trình dự báo Hệ số tương quan, r Đánh giá Su, WL Su = -0,006WL... tương quan sức kháng cắt khơng nước thí nghiệm cắt cánh trường nén ba trục UU Hình Mối quan hệ tương quan sức kháng cắt khơng nước thí nghiệm cắt cánh trường thí nghiệm cắt phẳng Từ kết thu được,