đánh giá độ cố kết của nền đất sau khi xử lý

ĐÁNH GIÁ ĐỘ CỐ KẾT CỦA NỀN ĐẤTSAU KHI XỬ LÝ Hoàng Trung Hậu Kỹ sư địa kỹ thuật Japan Port Consultant -Nippon Koei Joint venture Nền đất yếu thường được xử lý bằng nhiều phương pháp khác

ĐÁNH GIÁ ĐỘ CỐ KẾT CỦA NỀN ĐẤT

SAU KHI XỬ LÝ

Hoàng Trung Hậu

Kỹ sư địa kỹ thuật Japan Port Consultant -Nippon Koei Joint venture

Nền đất yếu thường được xử lý bằng nhiều phương pháp khác nhau, trong đó phương pháp cắm PVD kết hợp gia tải là mang lại nhiều hiệu quả và là phương pháp khá phổ biến hiện nay ở các dự

án tại Việt Nam Tuy nhiên, việc đánh giá để dỡ tải cũng như đánh giá độ cố kết của nền đất sau khi xử

lý còn thiếu nhiều tài liệu tổng hợp Trong bài này, trình bày các phương pháp đánh giá độ cố kết nền đất yếu bằng các phương pháp như sau:

- Phương pháp dựa trên số liệu quan trắc lún và mực nước

- Phương pháp đánh giá qua các số liệu thí nghiệm hiện trường

- Phương pháp đánh giá qua số liệu thí nghiệm trong phòng dựa trên mẫu nguyên dạng từ các

hố khoan

Trong phần này sẽ đi đánh giá chi tiết từng phương pháp

2 PHƯƠNG PHÁP DỰA TRÊN SỐ LIỆU QUAN TRẮC LÚN VÀ QUAN TRẮC MỰC NƯỚC:

2.1 Tổng quan:

Phương pháp này dựa trên số liệu quan trắc lún để đánh giá độ cố kết Trong đó, kết hợp quan trắc mực nước để có đánh giá chính xác hơn

2.2 Ưu điểm:

Là phương pháp chính trong việc đánh giá độ cố kết nền đường

Trực quan và rõ ràng Đánh giá trực tiếp

2.3 Nhược điểm:

Việc không quan tâm đến mực nước trong quá trình thi công cũng như mực nước tương lai có thể sẽ dẫn đến dự báo độ cố kết không đúng

Hình 1 Sơ họa độ lún cố kết trong thời gian xây dựng và khai thác.

Trong đó:

ST: độ lún cuối cùng thứ cấp dự kiến

2.4 Trình tự đánh giá như sau:

Bước 1:

Vẽ các đường quan trắc độ lún, cao độ đắp và cao độ mực nước như hình thể hiện

Bước 2:

Áo đường

Dựa trên số liệu quan trắc tiến hành dự báo độ lún cuối cùng theo phương pháp Asaoka Về bản chất phương pháp này như sau:

Asaoka đã chứng minh rằng nếu chia đường cong quan trắc lún thành nhiều điểm Si có các khoảng thời gian bằng nhau thì khi vẽ trục đồ thị với trục hoành là Si và trục tung là Si+1 thì các điểm đó

là đường thẳng Điều này chỉ đúng khi tải trọng tác dụng là hằng số, thường ứng với giai đoạn đắp tải lớn nhất (ảnh hưởng mực nước cũng sẽ làm cho các điểm lệch nhau) Có thể sơ họa như sau:

Độ lún cuối cùng là điểm giao nhau giữa đường nối các điểm và đường kẻ từ gốc tọa độ góc 45 độ

Bước 3:

Tiến hành bài toán phân tích ngược: dùng mô hình tính toán lại độ lún tại từng thời điểm khác nhau với các chiều cao khác nhau và mực nước quan trắc khác nhau Điều chỉnh các thông số ban đầu

như Cc và Cs để đường tính toán phù hợp với đường quan trắc thực tế Trong hình bên dưới: đường màu xanh là đường tính toán dựa trên mô hình điều chỉnh các thông số Cc và Cs

So sánh kết quả tính toán này với kết quả tính toán ở bước 2 để có độ lún cuối cùng tương đương nhau

Dựa trên đường cong lún này, có thể dự báo thời gian độ cố kết đạt được 90% (hoặc khác) để

có thể dự báo ngày dỡ tải hợp lý

Ghi chú: có thể thấy được rằng, trong quá trình đắp đất Khi đắp càng cao thì mực nước càng cao Vì vậy, cần phải bơm nước thoát ra nền đường Khi nước hạ xuống thì độ lún sẽ tăng lên Sẽ là nguy hiểm nếu không quan tâm đến mực nước Vì sau một thời gian mực nước sẽ giảm lúc đó độ lún sẽ tăng lên (nếu mực nước vẫn vậy thì độ lún vẫn tiếp diễn như quan trắc dự báo) Vì vậy, cần có thêm bước dự báo mực nước tương lai

Bước 4: Tính toán độ lún thứ cấp

Thông thường các dự án ở Việt Nam ít khi tính toán độ lún thứ cấp Hầu hết đều lấy tiêu chuẩn 90% độ cố kết của độ lún sơ cấp để tiến hành dỡ tải, một số dự án kiến nghị lấy 80% độ cố kết của độ lún thứ cấp để dỡ tải Việc tính toán độ lún thứ cấp phần nhiều để dự báo cao độ lún sau một thời gian khai thác, đảm bảo cao độ này nằm trên mực nước cho phép (thường ở các dự án Cảng)

Hình 3 Đường dự báo lún dựa trên số liệu quan trắc.

Ghi chú: ký hiệu đường nét đứt màu đỏ là đường ứng suất tổng và hiệu quả do tải trọng đất đắp gây ra

3 PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ QUA SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM HIÊN TRƯỜNG:

3.1 Tổng quan:

Phương pháp này dựa trên số liệu thí nghiệm hiện trường để đánh giá độ cố kết Phương pháp này thường được dùng để đánh giá bổ sung cho phương pháp đánh giá dựa trên số liệu quan trắc lún

3.2 Ưu điểm:

Trực quan và rõ ràng Đánh giá trực tiếp

3.3 Nhược điểm:

Thiết bị thí nghiệm vẫn chưa còn nhiều

Chi phí thực hiện thí nghiệm đắt

Kết quả sẽ khả quan hơn khi có số liệu thí nghiệm của cùng loại thiết bị, cùng một vị trí trước và sau khi gia tải

Hai hình thức được áp dụng phổ biến:

Hình thức 1: thí nghiệm xác định cường độ kháng cắt không thoát nước để xác định đạt độ cố

kết dùng thí nghiệm xuyên côn tĩnh CPTu và thí nghiệm cắt cánh hiện trường FVST

Hình thức 2: thí nghiệm tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng dùng thí nghiệm xuyên côn tĩnh CPTu.

3.4 Sau đây sẽ giới thiệu 2 hình thức trên.

a Hình thức 1:

a.1 Thí nghiệm CPTu:

Nguyên lý:

Dùng mũi côn xuyên tiêu chuẩn có bộ phận đầu dò ghi lại sức kháng mũi, thân và áp lực nước lỗ rỗng liên tục đến chiều sâu xuyên

Hình Mũi côn Hình Cấu tạo mũi côn

Hình Lắp đặt dàn nén xuyên côn Hình Lắp đặt xuyên côn

Kết quả xuyên:

0 1.0 2.0 3.0 4.0

qc [MPa]

0 2 4 5 7 8 10 11 13 14 16 17 19 20 22 24 26 28 29 31 32 34 36 38 39 41 43 44 46

2.5

>

10.105

>

10.280

0 13 25 38 50

fs [kPa]

>

0.057

0 0.50 1.00 1.50 2.00

0 0.25 0.50 0.75 1.00

u2 [MPa]

Uo [MPa]

0 1.0 2.0 3.0 4.0

Rf [%]

Test no:

CPTU-LOT12

Project ID: Client:

Toa - Toyo Joint Venture

Project:

Cai Mep International Container Terminal

Position:

Location:

Tan Thanh - BRVT

Ground level:

7

Date:

20100518

Scale:

1 : 200

Page:

1/1

Fig:

File:

CPTu-LOT12.cpd U2

Sleeve area [cm2]: 150 Tip area [cm2]: 10 Cone No: 40621

Pre-dril ling

Clay (3)

Si lty clay to clay (4)

Clay (3)

Si lty clay to clay (4)

Sand (9)

Ghi chú:

- Line màu xanh: sức kháng mũi qc

- Line màu đỏ: sức kháng bên

- Line màu nâu: áp lực nước lỗ rỗng u

- Line màu đen: tỷ số ma sát giữa sức kháng mũi

và thành bên

a.2 Thí nghiệm cắt cánh hiện trường (Field Vane Shear test-FVST):

Nguyên lý:

Dùng cánh hình chữ thập tiến hành khoảng 2m cắt một điểm xác định Su trực tiếp

Hình Cấu tạo cánh Hình Cấu tạo ống bọc (nếu cắt trong lỗ khoan thì

không cần)

Hình Bàn quay để cắt cánh và đồng hồ đọc Hình Đọc và ghi số liệu

a.3 Tính toán:

Cường độ kháng cắt không thoát nước xác đinh theo:

Su = (qT –svo) / Nkt

qT = qc + (1-a) u

Dựa vào biểu đồ xuyên trên ta có thể xác định được qT (qc và u đã biết, giá trị a là hệ số được lấy từ calibaration (chứng chỉ hiệu chuẩn) của nhà sản xuất

Ứng suấtsvo là giá trị ứng suất bản thân tổng, được tính từ trên mặt đất đến tại điểm tính toán, vớisvo = Σgi.hi –gw.hj (vớigidung trọng của đất, hi: chiều dày lớp đất thứ i, hj là chiều cao cột nước tính toán được tính từ điểm ứng suất đến mực nước tính toán)

Giá trị Nkt là giá trị tương quan Giá trị này thường nằm trong khoảng 15-22 Việc xác định Nkt sẽ xác định được giá trị Su

Xác định Nkt dựa trên biểu đồ tương quan Su từ FVST và (qT –svo) từ CPTu

y = 16.243x + 183.7

500 600 700 800 900 1000

1100

1200

Su

a.4 Đánh giá:

Như vậy, ta đã có đường Su liên tục Để có thể biết được đã thỏa mãn độ cố kết chưa thì cần có một đường Su liên tục khác, đường đó là đường được dự báo đạt được độ cố kết yêu cầu Xác định như sau:

Hệ số tương quan a giữa Su và s’v (ứng suất hiệu quả) được xác định thông qua các lỗ khoan

và tiến hành cắt cánh Ở Vũng Tàu, giá trị này tầm khoảng (0.22~0.25) Hình sau minh họa tương quan:

Như vậy, khi đưa lên cùng đồ thị nếu đường khoan khảo sát nằm bên phải của đường Su(mục tiêu) thì xem như đạt

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

Su(ban đầu)

Su(FVST) Su(kiểm tra CPTu)

b Hình thức 2: thí nghiệm tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng dùng thí nghiệm xuyên côn tĩnh CPTu.

Nguyên lý: dùng thí nghiệm xuyên côn CPTu, xuyên đến một chiều sâu nhất định (mỗi lỗ tùy theo yêu cầu có thể làm đến 4-5 điểm) Tiến hành ngừng xuyên và làm tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng Thí nghiệm tiến hành trong 2000s Kết quả làm tiêu tán tại một điểm như sau:

Xử lý số liệu:

Bước 1: Tiến hành chuyển dữ liệu đo đạc từ Umax về zero

Bước 2: Sử dụng phương pháp Hyperbolic để ngoại suy tìm giá trị áp lực nước lỗ rỗng cuối cùng

Uf (đây là áp lực nước lỗ rỗng tĩnh, đã ổn định, những giá trị đo được là áp lực nước lỗ rỗng động) Về

cơ bản phương pháp dự báo theo Hyperbolic như sau:

Trên đồ thị sau chuyển đổi, chọn một khoảng các số liệu và lấy điểm đầu làm điểm gốc Như thể hiện hình sau:

Tiến hành vẽ đồ thị như hình trên với trục hoành là (T – To) và trục tung là (T – To) / (U – Uo) Dựa trên các điểm vẽ, sẽ có một đoạn các điểm gần như nằm trên đường thẳng, kẻ đường thẳng qua các điểm đó, xác định góc dốca Giá trị áp lực nước lỗ rỗng tĩnh (hay áp lực nước lỗ rỗng cuối cùng) là:

Uf = Uo + 1 /a

Sau khi làm tương tự cho tất cả các điểm, tiến hành vẽ trên cùng một đồ thị Trên đồ thị, vẽ đường áp lực thủy tĩnh P =gw h Sau khi gia tải, áp lực nước sẽ tăng lên một giá trị tương ứng với áp lực gia tải (được xác định như bên dưới) Giá trị này sau đó sẽ tiêu tán và giảm dần Độ cố kết đạt 100% khi giá trị tiêu tán này nằm trên đường áp lực nước thủy tĩnh

Tính toán độ cố kết:

Trong đó:

U: áp lực nước lỗ rỗng được tính từ thí nghiệm tiêu tán nước lỗ rỗng

HSP: áp lực thủy tĩnh (Hydro static pressure)

EPWP: áp lực nước lỗ rỗng thặng dư (Excess pore water pressure) = (U – HSP)

Max Consolidation Stress: áp lực cố kết lớn nhất (tính toán như bên dưới)

Độ cố kết (deg Of Cons.) % xác định như sau:

(Max Consolidation stress – EPWP) / Max Consolidation stress * 100%

* Tính toán áp lực cố kết lớn nhất:

4 PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ QUA SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG DỰA TRÊN CÁC MẪU NGUYÊN DẠNG TỪ CÁC HỐ KHOAN:

4.1 Tổng quan:

Phương pháp này dựa trên số liệu thí nghiệm trong phòng qua các mẫu nguyên dạng được khoan từ các lỗ khoan

4.2 Ưu điểm:

Đơn giản, thiết bị thí nghiệm phổ biến

Chi phí rẻ

4.3 Nhược điểm:

- Khó kiểm soát kết quả cũng như mẫu trong quá trình vận chuyển và bảo quản

- Thời gian có kết quả rất chậm

- Không thể hiện kết quả đầy đủ và liên tục

4.4 Đánh giá mức độ cố kết qua 2 phương pháp:

- Phương pháp ước tính bằng thí nghiệm nén không nở hông (Unconfined Compression test)

- Phương pháp ước tính bằng thí nghiệm cố kết ( Consolidation Test)

a Phương pháp 1:Phương pháp ước tính bằng thí nghiệm nén không nở hông (Unconfined Compression test)

Cường độ kháng nén không nở hông gia tăng như quá trình cố kết Cường độ kháng nén không

nở hông sau khi cố kết (quf) có thể ước tính bằng công thức như sau:

quf = quo + 2 ΔP Cu/P (xuất phát từ công thức quf = 2 Cu = 2(Cuo + ΔP.U%.tanj) = quo + 2 ΔP (U%.tanj) )

Trong đó:

quo : cường độ kháng nén không nở hông ban đầu

ΔP : độ tăng ứng suất hiệu quả so với ban đầu

Cu/P: hệ số gia tăng cường độ (U%.tanj), trong trường hợp lấy lớn nhất thì Cu/P = tanj (với

j là góc nội ma sát hữu hiệu của đất)

Theo quan hệ trên, độ cố kết được ước tính như hình sau:

Vì vậy, độ cố kết do ứng suất hiệu quả:

Up = (Diện tích tô gạch) / (Tổng diện tích abcd)

Độ cố kết do biến dạng:

Ue = log(1 + Up.(A – 1)) / logA

Với A = (quo + Δqu) / quo

b Phương pháp 2: Phương pháp ước tính bằng thí nghiệm cố kết ( Consolidation Test).

Áp lực tiền cố kết Pc gia tăng theo quá trình cố kết, ước tính như sau:

Pcf = Pco + ΔP

Pco: áp lực tiền cố kết ban đầu

ΔP: độ tăng của ứng suất hiệu quả

Theo quan hệ trên, độ cố kết được ước tính như hình sau:

Vì vậy, độ cố kết do ứng suất hiệu quả:

Up = (Diện tích tô gạch) / (Tổng diện tích abcd)

Độ cố kết do biến dạng:

Ue = log(1 + Up.(A – 1)) / logA

Với A = (Pco + ΔP) / Pco

5 KẾT LUẬN:

Trong 3 phương pháp phổ biến trên, thì phương pháp sử dụng số liệu quan trắc là được sử dụng nhiều nhất và cho kết quả trực quan nhất Hai phương pháp thí nghiệm trên nhằm để bổ sung thêm cho việc đánh giá chính xác Trong đó, phương pháp thí nghiệm hiện trường cho kết quả tốt hơn với thiết bị tối ưu hơn Phương pháp khoan lấy mẫu sẽ được tốt hơn nếu như việc lấy mẫu được thực hiện bằng ống lấy mẫu pittong thay cho loại ống lấy mẫu thành mỏng thông thường như đa số các công ty hiện nay

Cũng cần nói thêm rằng, mặc dù phương pháp dựa trên số liệu quan trắc là trực quan Tuy nhiên, vấn đề sử dụng phương pháp phân tích và số liệu thực tế để tạo nên một sự trùng khớp tương đối

là vấn đề khó nếu không sử dụng một chương trình tính toán Bởi lẻ, tại mỗi thời điểm sẽ có mực nước khác nhau, trong đó dự báo mực nước tương lai sẽ giảm đáng kể so với lúc gia tải cũng sẽ là vấn đề đáng nói Và nếu lấy mực nước trung bình để tính thì cần xác định được rằng: không phải nền lún bao nhiêu thì mực nước hạ xuống bấy nhiêu, có nghĩa rằng: ứng với một tải trọng ngoài, thì khi mực nước không đổi (nằm trong phạm vi nền) và xảy ra lún thì tải trọng sẽ nhỏ đi chứ không phải là hằng số, bởi việc tính toán đây là theo ứng suất hữu hiệu, chính điều này sẽ làm độ lún nhỏ đi (cái này xảy ra khá nhiều ở các bảng tính của VN) Tuy nhiên, đây là một việc làm khó giải quyết và được tạm chấp nhận ở VN

Trong phần tới, sẽ tiến hành các bước thi công nền đất yếu bằng PVD kết hợp gia tải với các hình ảnh và phân tích, cụ thể:

· Thi công lớp tạo mặt bằng

· Đóng bấc thấm

· Thi công các rãnh thu nước, giếng bơm nước.

· Rải vải địa

· Lắp đặt bàn đo lún, bàn đo chiều dày cát

· Trình tự và nguyên tắc lắp đặt các thiết bị quan trắc: thiết bị đo lún sâu (extensometer),

đo áp lực nước lỗ rỗng (piezometer), quan trắc mực nước tĩnh (ống đo standpile), bàn đo ứng suất tổng (Earth pressure Cell), thiết bị quan trắc chuyển vị ngang (inclinometer)

· Đắp đất chờ lún

· Quan trắc độ lún

· Các thí nghiệm trước khi dỡ tải

· Kết thúc quá trình dỡ tải

· Thử nghiệm độ lún mặt đường bằng quan trắc gia tải tương ứng với tải mặt đường (Trong phần này sẽ nêu tổng quan về phương pháp bơm hút chân không và các hình ảnh thi công thực tế từ lúc bắt đầu đến khi tiến hành bơm hút)