Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Phân tích đánh giá sự thay đổi đặc trưng cơ lý của đất sét mềm bão hòa nước trước và sau khi xử lý bằng phương pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- NGUYỄN VĂN CƯỜNG PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ SỰ THAY ĐỔI ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CỦA ĐẤT SÉT MỀM BÃO HÒA NƯỚC TRƯỚC VÀ SAU KHI XỬ LÝ BẰNG PHƯƠNG PHÁP BẤC THẤM KẾT HỢP GIA T

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN VĂN CƯỜNG

PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ SỰ THAY ĐỔI ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CỦA ĐẤT SÉT MỀM BÃO HÒA NƯỚC TRƯỚC VÀ SAU KHI XỬ LÝ BẰNG PHƯƠNG PHÁP

BẤC THẤM KẾT HỢP GIA TẢI TRƯỚC Chuyên ngành : KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM Mã số : 60.58.02.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2015

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS Bùi Trường Sơn

chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS TS NGUYỄN MINH TÂM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm Mã số :60.58.02.04

I TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích đánh giá sự thay đổi đặc trưng cơ lý của đất sét mềm bão hòa nước trước và sau khi xử lý bằng phương pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:Thực hiện luận văn thạc sĩ với đề tài trên Nội dung bao gồm:

Mở đầu Chương 1: Tổng quan các kết quả nghiên cứu sự thay đổi tính chất cơ lý của đất sét

mềm bão hòa nước trước và sau khi xử lý bằng phương pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước

Chương 2: Các phương pháp đánh giá đặc trưng cơ lý của đất sét mềm bão hòa

nước Chương 3: Phân tích đánh giá sự thay đổi đặc trưng cơ lý của đất sét mềm bão hòa

nước trước và sau khi xử lý bằng phương pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước

Kết luận và kiến nghị Phụ lục

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/07/2015IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2015

PGS TS BÙI TRƯỜNG SƠN TS LÊ BÁ VINH

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS TS NGUYỄN MINH TÂM

LỜI CẢM ƠN

Xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Bùi Trường Sơn, đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô trong bộ môn Địa cơ Nền móng - Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM đã tận tình truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu trong thời gian tôi học tập tại trường để phục vụ cho luận văn và công việc của tôi sau này

Xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè và đồng nghiệp, đã động viên, chia sẻ những khó khăn trong công việc và hỗ trợ tôi trong quá trình học tập

Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình và người thân, đã cho tôi nguồn động viên tinh thần to lớn để hoàn thành luận văn này

Học viên Nguyễn Văn Cường

Phân tích đánh giá sự thay đổi đặc trưng cơ lý của đất sét mềm bão hòa nước trước và sau khi xử lý bằng phương pháp bấc

thấm kết hợp gia tải trước Tóm tắt

Phương pháp bấc thấm (PVD) kết hợp gia tải trước là một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi trong công tác xử lý nền đất yếu Khi đất nền bị nén chặt do cố kết, các đặc trưng cơ lý thay đổi Trên cơ sở số liệu thí nghiệm hiện trường và trong phòng ở công trình thực tế Các biểu đồ so sánh tính chất cơ lý trước và sau khi xử lý theo độ sâu được thiết lập Tiến hành phân tích đánh giá xu hướng thay đổi các tính chất cơ lý theo độ sâu xử lý Từ đó, rút ra các nhận định có ích cho công tác xử lý đất yếu Ngoài ra, dữ liệu này còn là tài liệu tham khảo có giá trị thực tiễn đối với các kỹ sư Địa kỹ thuật

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 7 

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA ĐẤT SÉT MỀM BÃO HÒA NƯỚC TRƯỚC VÀ SAU KHI XỬ LÝ BẰNG PHƯƠNG PHÁP BẤC THẤM KẾT HỢP GIA TẢI TRƯỚC 9 

1.1 Sơ lược phương pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước 9 

1.2 Các kết quả phân tích sự thay đổi tính chất cơ lý của đất trước và sau khi xử lý bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước 9 

1.2.1 Dự án sân bay quốc tế Bangkok 2, Thái Lan (Suvarnabhumi Airport) 9 

1.2.2 Dự án đường cao tốc Bangkok-Chonburi tại Thái Lan (1990) 15 

1.2.3 Dự án bồn chứa dầu gần bờ biển Tianjin, Trung Quốc 18 

1.2.4 Dự án mở rộng cảng Tianjin, Trung Quốc 20 

1.3 Tổng quan về các kết quả nghiên cứu tương quan và dự báo sự gia tăng sức chống cắt không thoát nước của đất loại sét 23 

1.3.1 Quan hệ Su theo chỉ số dẻo PI, ứng suất do trọng lượng bản thân đối với sét cố kết thường 23 

1.3.2 Quan niệm thiết kế và những nghiên cứu liên quan theo SHANSEP 26 

1.3.3 Một số phương pháp dự đoán Su 29 

1.4 Nhận xét và phương hướng đề tài 34 

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CỦA ĐẤT SÉT MỀM BÃO HÒA NƯỚC 35 

2.1 Thiết bị và phương pháp thí nghiệm cắt cánh hiện trường (FVT) 35 

2.1.1 Loại đọc ngay kết quả 35 

2.1.2 Loại ghi đồ thị trên giấy vẽ (còn gọi là cắt cánh cơ học, MVST) 37 

2.1.3 Loại cắt cánh điện EVST 39 

2.1.4 Nguyên lý tính toán Su từ thí nghiệm cắt cánh (VST) 40 

2.2 Thiết bị và phương pháp thí nghiệm xuyên tĩnh 41 

2.2.1 Thí nghiệm xuyên tĩnh cơ 41 

2.2.2 Thiết bị xuyên tĩnh điện có đo áp lực nước lỗ rỗng CPTu 45 

2.2.3 Xác định sức chống cắt không thoát nước Su từ thí nghiệm CPTu 46 

2.3 Cơ sở lý thuyết thiết lập công thức tương quan theo các hàm số toán học 47 

2.4 Nhận xét chương 51 

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ SỰ THAY ĐỔI ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CỦA ĐẤT SÉT MỀM BÃO HÒA NƯỚC TRƯỚC VÀ SAU KHI XỬ LÝ BẰNG PHƯƠNG PHÁP BẤC THẤM KẾT HỢP GIA TẢI TRƯỚC 52 

3.1 Giới thiệu địa chất và quá trình xử lý nền đất yếu 52 

3.2 Sự thay đổi đặc trưng vật lý sau xử lý: 63 

3.3 Sự thay đổi đặc trưng cơ học 66 

DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Vị trí dự án sân bay quốc tế Bangkok (D.T Begado và công sự 1988) 10 

Hình 1.2 Các đặc trưng cơ lý của đất trước xử lý (D.T Begado và công sự 1988) 11 

Hình 1.3 Mặt bằng 3 đập thử nghiệm (Asian Institute of Technology, 1995) 11 

Hình 1.4 Trắc ngang điển hình tại đập thử TS3 (Asian Institute of Technology,

1995) 12 

Hình 1.5 Độ ẩm và sức chống cắt Su của đất (1994 và 1996) tại đập thử nghiệm (Asian Institute of Technology, 1996) 13 

Hình 1.6 Sự thay đổi tính chất cơ lý của đất trước và sau khi xử lý tại đường băng

phía Tây (Asian Institute of Technology, 1995) 13 

Hình 1.7 Sự thay đổi tính chất cơ lý của đất trước và sau khi xử lý tại đường băng

phía Đông (Asian Institute of Technology, 1995) 14 

Hình 1.8 Kết quả thí nghiệm CPTu trước và sau khi xử lý (Asian Institute of

Technology, 1995) 15 

Hình 1.9 Sơ đồ đường cao tốc Bangkok-Chonburi tại Thái Lan (Google map) 16 

Hình 1.10 Mặt cắt địa chất đường cao tốc Bangkok-Chonburi tại Thái Lan (Begado

và công sự 1990a) 16 

Hình 1.11 Kết quả dự báo sự gia tăng sức chống cắt không thoát nước theo

phương pháp SHANSEP (Begado và công sự 1990a) 17 

Hình 1.12 Sự gia tăng sức chống cắt không thoát nước tại Đoạn 1B (Begado và

Hình 1.17 Tính chất cơ lý theo độ sâu trước khi xử lý (Chu, J., Yan, S.W (2005))

21 

Hình 1.18 So sánh kết quả cắt cánh hiện trường trước và sau khi xử lý (Chu, J., Yan, S.W (2005)) 22 

Hình 1.19 So sánh độ ẩm trước và sau khi xử lý (Chu, J., Yan, S.W (2005)) 22 

Hình 1.20 Biến thiên sức chống cắt không thoát nước theo độ sâu của sét cố kết thường (NC) 23 

Hình 1.21 Quan hệ giữa tỷ số  uvoS và chỉ số dẻo theo Skempton 24 

Hình 1.22 Hệ số hiệu chỉnh  cho cắt cánh hiện trường theo chỉ số dẻo được rút ra từ các hiện tượng phá hủy nền đắp (Ladd, 1975) 25 

Hình 1.23 Quan hệ giữa tỷ số  uvoS và chỉ số dẻo Ip theo Terzaghi, Peck và Mersi, 1996 25 

Hình 1.24 Quan hệ tỷ số   uvoS theo OCR (theo Ladd và Foott, 1974) 27 

Hình 1.25 Quan hệ Su theo độ sâu 30

Hình 2.1 Thiết bị cắt cánh sử dụng đo moment 36 

Hình 2.2 Thiết bị cắt cánh cơ NILCON của Geotech 37 

Hình 2.3 Thiết bị cắt cánh điện tử EVT200 của Geotech 39 

Hình 2.4 Cánh có vát (65mm x 130mm) gắn với đầu nối trượt và cần sử dụng trong lớp bùn sét 39 

Hình 2.5 Giao diện Phần mềm xử lý số liệu cắt cánh VANE-LOG 1.03 của hãng Geotech 40 

Hình 2.6 Thiết bị xuyên cơ Geomil (Hà lan) 42 

Hình 2.7 Hai đồng hồ thủy lực và đầu đo thiết bị xuyên cơ 43 

Hình 2.8 Biểu đồ kết quả thí nghiệm xuyên cơ 44 

Hình 2.9 Thiết bị xuyên tĩnh không dây Geotech 45 

Hình 2.10 Giao diện Phần mềm xử lý số liệu xuyên tĩnh CPT-LOG ver 4.06 40 

Hình 2.11 Số liệu được hiển thị trên màn hình trong lúc thí nghiệm 40 

Hình 2.12 Sơ đồ hoạt động và kết quả thiết bị xuyên điện Geotech 41 

Hình 2.13 Kết quả thí nghiệm tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng 42 

Hình 2.14 Sơ đồ hiệu chuẩn sức kháng xuyên và ma sát áo 43 

Hình 2.15 Giao diện phần mềm CPT-PRO 5.45 44 

Hình 2.16 Kết quả xử lý trên phần mềm CPT- PRO 45 

Hình 2.17 Kết quả thí nghiệm CPTu sau khi xử lý 45 

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Sự thay đổi tính chất cơ lý trước và sau khi xử lý 14

Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật của thiết bị xuyên cơ GeoMil 41

Bảng 3.1 Khối lượng khảo sát trong dự án 53 

Bảng 3.2 Đặc trưng cơ lý của đất sét mềm bão hòa nước trước xử lý khu vực bãi gỗ dự án nhà máy chế biến gỗ MDF Kiên Giang 54 

Bảng 3.3 Tải trọng kết cấu áo đường 56 

Bảng 3.4 Kết quả dự báo độ cố kết gia cố 56 

Bảng 3.5 Cao độ phân bố các phụ lớp 63 

Bảng 3.6 Sự thay đổi một số tính chất vật lý trước và sau khi xử lý 64 

Bảng 3.7 Sức kháng mũi ròng cho từng lớp đất 73 

Bảng 3.8 Hệ số Nkt cho từng lớp 74 

MỞ ĐẦU Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm gia tải trước là một trong những phương pháp xử lý được sử dụng rộng rãi ở khu vực đất yếu phổ biến như các khu vực ở vùng châu thổ Việt Nam Trong thực tế việc gia tải thường được thực hiện căn cứ vào tốc độ lún của đất thông qua độ cố kết Do đó, trong công tác xử lý, giá trị độ lún và mức độ cố kết thường được đánh giá thông qua các thiết bị quan trắc

Đối với đất yếu bão hòa nước, khi bị nén chặt do cố kết, các đại lượng khác

như tính chất vật lý và các đặc trưng cơ lý cũng thay đổi tương ứng Đề tài: “Phân

tích đánh giá sự thay đổi đặc trưng cơ lý của đất sét mềm bão hòa nước trước và sau khi xử lý bằng phương pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước” được đề

nghị thực hiện nhằm đánh giá sự thay đổi các đặc trưng cơ lý sau khi xử lý Kết quả thí nghiệm ở công trình thực tế và phân tích tổng hợp cho phép rút ra các nhận định có ích cho công tác xử lý Đây là một yếu tố quan trọng nhằm đánh giá hiệu quả công tác xử lý nền

Ngoài ra dữ liệu này còn là tài liệu tham khảo có giá trị thực tiễn đối với các kỹ sư Địa kỹ thuật

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Dựa vào kết quả khảo sát địa chất, so sánh đánh giá trực tiếp sự thay đổi tính chất cơ lý của đất trước và sau khi xử lý từ các kết quả thí nghiệm đất trong phòng (thí nghiệm các chỉ tiêu vật lý, thí nghiệm nén cố kết, thí nghiệm nén đơn, nén 3 trục (mô hình CU, UU)) và các thí nghiệm hiện trường như xuyên tĩnh điện có đo áp lực nước lỗ rỗng (CPTu), cắt cánh hiện trường (FVT)

Trong nội dung luận văn tiến hành tổng hợp phân tích số liệu thí nghiệm thực tế từ kết quả khảo sát địa chất trước và sau khi xử lý Xây dựng các biểu đồ sự thay đổi tính chất cơ lý của đất trước và sau khi xử lý theo độ sâu

Cơ sở dữ liệu phục vụ đề tài được thu thập từ số lượng lớn kết quả thí nghiệm trước và sau khi xử lý của dự án nhà máy chế biến gỗ MDF Kiên Giang

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được chọn lựa cho luận văn là thí nghiệm trong phòng và thí nghiệm hiện trường

Trên cơ sở kết quả thí nghiệm tiến hành xây dựng các quan hệ và phân tích đề xuất rút ra các nhận xét đánh giá về xu hướng thay đổi đặc trưng cơ lý đất nền

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA ĐẤT SÉT MỀM

BÃO HÒA NƯỚC TRƯỚC VÀ SAU KHI XỬ LÝ BẰNG PHƯƠNG PHÁP BẤC THẤM KẾT HỢP GIA TẢI TRƯỚC 1.1 Sơ lược phương pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước

Sự lún cố kết của đất sét mềm bão hòa nước gây bất lợi trong sử dụng các công trình xây dựng và hạ tầng… Do đất sét có hệ số thấm rất bé, quá trình cố kết sơ cấp xảy ra trong thời gian dài đến hàng trăm năm Ngoài ra, còn phải xét đến quá trình cố kết thứ cấp, đặc biệt là đất bùn sét có hàm lượng hữu cơ cao, độ lún do cố cố kết thứ cấp chiếm tỉ lệ đáng kể Để rút ngắn thời gian cố kết sơ cấp, giảm độ lún khi sử dụng công trình, bấc thấm đứng được cắm vào trong đất kết hợp với chất tải trực tiếp hoặc gia tải bằng bơm hút chân không Trong phương pháp này, bấc thấm đứng tạo thành kênh thoát nước nhân tạo, nước trong lỗ rỗng của đất thoát ra bấc thấm trong quá trính cố kết do sự chênh lệch gradient thủy lực được tạo bởi gia tải trước Quá trình cố kết diễn ra nhanh hơn do chiều dài đường thấm được rút ngắn Bấc thấm đứng là một trong 3 loại phổ biến của phương pháp thoát nước đứng phổ biến gồm giếng cát, cát bọc vải địa và bấc thấm đứng

Bấc thấm đứng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong công tác xử lý đất yếu trên thế giới Tại Đông Nam Á, bấc thấm đứng được nghiên cứu bởi các tác giả

Choa, và cộng sự (1981), Lee và cộng sự (1989), Woo và cộng sự (1988) tại

Singapore; Nicholls (1989) tại Indonesia; Volders (1984), Rahman và cộng sự

(1990) tại Malaysia; Belloni và cộng sự(1979) tại Philippines Đặc biệt tại Bangkok

Thái Lan bấc thấm đứng kết hợp gia tải trước được nghiên cứu rất chi tiết bởi

Bergado và công sự (1988, 1990a.b,1991)

1.2 Các kết quả phân tích sự thay đổi tính chất cơ lý của đất trước và sau khi xử lý bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước

1.2.1 Dự án sân bay quốc tế Bangkok 2, Thái Lan (Suvarnabhumi Airport)

Dự án Sân bay quốc tế Suvarnabhumi được lên kế hoạch xây dựng từ năm 1960, khởi công năm 2002 và đưa vào hoạt động năm 2006 Dự án nằm trên vùng

đầm lầy Hổ Mang (thuộc tỉnh Samut Prakan, cách 25 km về phía đông trung tâm thủ đô Bangkok) Các đặc trưng cơ lý của đất được thể hiện trong hình 1.2

Hình 1.1 Vị trí dự án sân bay quốc tế Bangkok (D.T Begado và công sự 1988)

Với đặc điểm địa chất trên công tác xử lý đất yếu rất quan trọng, Học viện AIT Thái Lan đã được giao thực hiện ba đập thử nghiệm (TS1, TS2, TS3) với khoảng cách PVD 1,0; 1,2; 1,5m; lưới vuông, chiều dài PVD LPVD=12m Công tác thực hiện trong 2 năm (1993-1995) nhằm đánh giá hiệu quả của phương pháp PVD

trước khi thi công đại trà Hình 1.3 thể hiện mặt bằng bố trí 3 đập thử nghiệm Trắc ngang điển hình được thể hiện trong hình 1.4

Hình 1.2 Các đặc trưng cơ lý của đất trước xử lý (D.T Begado và công sự 1988)

Hình 1.3 Mặt bằng 3 đập thử nghiệm (Asian Institute of Technology, 1995)

Hình 1.4 Trắc ngang điển hình tại đập thử TS3

(Asian Institute of Technology, 1995)

Hình 1.5 thể hiện sự thay đổi độ ẩm và sức chống cắt không thoát nước của đất theo thời gian và theo độ sâu tại các đập thử nghiệm

Sau khi công tác thử nghiệm thành công, phương pháp PVD đã được áp dụng cho các hạng mục xử lý đường băng sân bay và đường công vụ của dự án

Đánh giá sự thay đổi đặc trưng cơ lý của đất trước và sau khi xử lý

Công tác khảo sát địa chất trước và sau khi xử lý đã được tiến hành gồm: lấy mẫu nguyên dạng, thí nghiệm cắt cánh hiện trường, thí nghiệm xuyên CPTu và các thí nghiệm đất trong phòng Kết quả khảo sát địa chất được thể hiện trên hình 1.6; 1.7; 1.8 Các đặc trưng chính được đánh giá gồm độ ẩm, khối lượng riêng, sức chống cắt không thoát nước, sức kháng mũi từ thí nghiệm CPTu Nhìn chung, sau khi xử lý độ ẩm giảm, dung trọng tự nhiên và sức chống cắt không thoát nước của đất tăng Lớp đất yếu chuyển từ trạng thái chảy, dẻo chảy lên trạng thái dẻo mềm Trung bình độ ẩm giảm 24% (giảm mạnh ở lớp đất có độ sâu từ 2m đến 8m), dung trọng tăng 13% và sức chống cắt tăng đến 90% Như kết quả hình 1.6 và 1.7 cho thấy tại đường băng phía Tây công tác xử lý đất yếu hiệu quả cao hơn tại đường băng phía Đông

So sánh sự thay đổi độ ẩm Kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường

tại đập thử nghiệm (Asian Institute of Technology, 1996)

Hình 1.6 Sự thay đổi tính chất cơ lý của đất trước và sau khi xử lý tại đường băng

phía Tây (Asian Institute of Technology, 1995)

Hình 1.7 Sự thay đổi tính chất cơ lý của đất trước và sau khi xử lý

tại đường băng phía Đông (Asian Institute of Technology, 1995)

Bảng 3.1 Sự thay đổi tính chất cơ lý trước và sau khi xử lý

Đường băng

Độ ẩm (%) Su (t/m2) Khối lượng riêng (t/m3) Trước Sau Thay đổi Trước Sau Thay đổi Trước Sau Thay đổi

wn, wn : Giá trị ban dầu và giá trị thay đổi của độ ẩm G : Tỉ trọng hạt

Cc : Chỉ số nén lún của đất  : Độ lún khi gia tải h : Bề dày lớp đất yếu Kết quả xuyên CPTu trước và sau khi xử lý thể hiện trên hình 1.8

Hình 1.8 Kết quả thí nghiệm CPTu trước và sau khi xử lý

(Asian Institute of Technology, 1995)

1.2.2 Dự án đường cao tốc Bangkok-Chonburi tại Thái Lan (1990)

Dự án đường cao tốc Bangkok-Chonburi tại Thái Lan được xây dựng năm 1990 dựa trên nguồn vốn vay JICA Đường cao tốc đi qua vùng đất yếu dày 10m đến 20m (Hình 1.10) Phương pháp xử lý PVD kết hợp chất tải trực tiếp

Hình 1.9 Sơ đồ đường cao tốc Bangkok-Chonburi tại Thái Lan (Google map)

Hình 1.10 Mặt cắt địa chất và các phân đoạn xử lý PVD đường cao tốc

Bangkok-Chonburi tại Thái Lan (Begado và công sự 1990a)

Đoạn 1A/1

Đoạn 1A/2

Hình 1.11 Kết quả dự báo sự gia tăng sức chống cắt không thoát nước

theo phương pháp SHANSEP (Begado và công sự 1990a)

Kết quả dự báo sự gia tăng sức chống cắt không thoát nước Su trong hình 1.11 được tính toán dự trên phương pháp SHANSEP Hình 1.12 thể hiện sự gia tăng Su

thực tế theo thời gian và theo độ sâu tại Đoạn 1B trên hình 1.10

Hình 1.12 Sự gia tăng sức chống cắt không thoát nước tại Đoạn 1B

(Begado và công sự 1990a)

1.2.3 Dự án bồn chứa dầu gần bờ biển Tianjin, Trung Quốc

Dự án bồn chứa dầu gần bờ biển Tianjin, Trung Quốc được xây dựng năm 1996

Hình 1.13 Mặt bằng xử lý và bố trí thiết bị quan trắc

(Chu, J., Yan, S.W & Yang, H (2000))

Đoạn I: 30.000m2 Đoạn II: 20.000m2

Mặt cắt địa chất gồm 2 lớp đất yếu cần được xử lý Lớp 1 là lớp bùn sét bồi tụ dày 4 đến 5m, lớp 2 bên dưới lớp này là sét trầm tích biển Các thông số địa chất của 2 đoạn 1 và 2 được thể hiện trong hình 1.14 (a) và (b) Độ ẩm của đất gần với giới hạn chảy, sức chống cắt không thoát nước Cu thấp, trạng thái chảy

Hình 1.14 Tính chất cơ lý theo độ sâu trước khi xử lý

(Chu, J., Yan, S.W & Yang, H (2000))

Đất được xử lý bằng phương pháp bấc thấm bơm hút chân không kết hợp gia tải trước (PVDV) với áp chân không 80kPa và 40kPa gia tải trước Tổng thời gian xử lý 4 tháng để đạt mức độ cố kết yêu cầu và tốc dộ lún nhỏ hơn 2mm/ngày Sau khi xử lý tiến hành thí nghiệm cắt cánh hiện trường Kết quả cho thấy sức chống cắt không thoát nước Su sau khi xử lý bằng phương pháp PVDV tăng 2-3 lần (Hình 1.15)

Hình 1.15 Kết quả cắt cánh hiện trường trước và sau khi xử lý

(Chu, J., Yan, S.W & Yang, H (2000))

1.2.4 Dự án mở rộng cảng Tianjin, Trung Quốc

Dự án này cũng nằm tại Tianjin, Trung Quốc Hạng mục xử lý đất yếu dành cho bồn chứa dầu, diện tích 7433m2 Lớp đất yếu cần được xử lý dày 16m, có các đặc trưng cơ lý thể hiện trong hình 1.17

Thí nghiệm cắt cánh hiện trường được thực hiện trước và sau khi xử lý tại đoạn I và II Kết quả được thể hiện trên hình 1.18 Sức chống cắt không thoát nước của đất tăng 2 lần

Hình 1.16 Mặt bằng xử lý và bố trí thiết bị quan trắc (Chu, J., Yan, S.W (2005))

Hình 1.17 Tính chất cơ lý theo độ sâu trước khi xử lý (Chu, J., Yan, S.W (2005))

Hình 1.19 thể hiện sự thay đổi độ ẩm tại đoạn II của dự án Kết quả cho thấy độ ẩm giảm lên đến khoảng 20% ở độ sâu 0-13m Ở độ sâu lớn hơn 13m độ ẩm thay đổi ít hơn Nguyên nhân do lớp đất ở độ sâu lớn hơn 13m cứng hơn, có hệ số rỗng nhỏ hơn (Hình 1.17) Điều này cũng xảy ra tương tự các nghiên cứu của Shang và cộng sự 1998, Jan và Chu 2003 tại các dự án khác Do đó, sự thay đổi độ ẩm không

đồng nghĩa với sự gia tăng sức chống cắt không thoát nước Su Chính vì vậy, các kết quả này cho thấy độ ẩm không phải là căn cứ quan trọng để đánh giá hiệu quả xử lý

Hình 1.18 So sánh kết quả cắt cánh hiện trường trước và sau

khi xử lý (Chu, J., Yan, S.W (2005))

Hình 1.19 So sánh độ ẩm trước và sau khi xử lý (Chu, J., Yan, S.W (2005))

Sức chống cắt không thoát nước của sét cố kết thường (NC) bão hòa nước tăng tuyến tính theo độ sâu (hình 1.20) và theo ứng suất nén hữu hiệu (theo Skempton, 1948)

Hình 1.20 Biến thiên sức chống cắt không thoát nước theo độ sâu

của sét cố kết thường (NC)

Sự tăng độ bền chống cắt Su theo ứng suất đứng hữu hiệu (v) được biểu thị bằng tỷ số u

vo

S

   Tỷ số này có thể được xem là cơ sở hữu ích để đặc trưng cho sức chống cắt không thoát nước của đất sét

Nhiều tương quan giữa tỷ số  



uvo

S

 và chỉ số dẻo PI cho sét cố kết thường được đưa ra Đầu tiên là của Skempton (1948) theo biểu thức sau:

uvo

0,11 0,0037(PI)p

S

Sau đó, Bjerrum (1972) đưa ra đề nghị rằng sức chống cắt không thoát nước Su

nên xác định từ kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường được hiệu chỉnh theo hệ số :

Hệ số hiệu chỉnh  được xác định bằng biểu thức:

Ở đây: PI - chỉ số dẻo

c/p=0,11+0,0037 PI C: sức chống cắt tại độ sâu tương ứng ’vo

Hình 1.22 Hệ số hiệu chỉnh  cho cắt cánh hiện trường theo chỉ số dẻo được rút ra

từ các hiện tượng phá hủy nền đắp (Ladd, 1975)

Gần đây, một tương quan hoàn chỉnh hơn được đưa ra bởi Terzaghi, Peck và Mersi (1996) (hình 1.23)

  

uvo

S

theo Terzaghi, Peck và Mersi, 1996

Một số đề xuất khác về hệ số hiệu chỉnh  được đưa ra, như của Azzouz và các đồng nghiệp (1983), của Morris và Williams (1994):

CHỈ SỐ DẺO PI Đường cong giả định theo Bjerrum’s (1972)

Dựa vào đường cong Bjerrum

 = 7.01e-0.08(LL) + 0.57 LL>20 (1.7)

Với: LL - giới hạn nhão

Quan niệm của tỷ số  



uvo

S

 cho sét cố kết thường (NC) cũng được mở rộng thêm và phù hợp cho sét quá cố kết (OC) như nghiên cứu dưới đây theo SHANSEP

1.3.2 Quan niệm thiết kế và những nghiên cứu liên quan theo SHANSEP

Nhóm chữ SHANSEP được viết tắt từ “Stress History And Normalized Soil Engineering Properties” do Ladd và Foott (1974) đưa ra Phương pháp này được phát triển ở viện MIT vào thập niên 1960 nhằm đưa ra phương pháp hợp lý và đáng tin cậy hơn để xác định sức chống cắt không thoát nước Su (và những thông số quan hệ giữa ứng suất và biến dạng) có kể đến ảnh hưởng do mẫu bị xáo trộn, mẫu có tính bất đẳng hướng và làm giảm bớt ảnh hưởng do tốc độ biến dạng

Đây là phương pháp được ứng dụng nhiều nhất trong việc dự đoán sự gia tăng sức chống cắt không thoát nước khi xử lý đất yếu bằng phương pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước

Dựa trên những quan sát được từ thí nghiệm hiện trường và trong phòng, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng ứng xử giữa cường độ sức chống cắt không thoát nước được chuẩn hoá với ứng suất và biến dạng của hầu hết các loại đất sét thông thường đều bị chi phối bởi lịch sử ứng suất của chúng (thể hiện qua tỷ số quá cố kết OCR) Từ đó, phương trình tương quan sau được thiết lập cho loại sét quá cố kết được đề nghị:

mu

vo

SS(OCR)



Trong đó: S - hệ số chuẩn hoá sức chống cắt không thoát nước cho trạng thái cố kết

m - hệ số xác định từ độ dốc của đường quan hệ log(OCR) và log

uvo

S

  

OCR - hệ số quá cố kết, OCR = 



pvo

Ở đây:  - áp lực tiền cố kết hay ứng suất cố kết trước pPhương trình trên có thể được viết lại cho sức chống cắt không thoát nước Su

của sét quá cố kết:

mu

S

(b) Quan hệ thông thường giữa Su và OCR

Trình tự xác định các thông số theo SHANSEP:

Mục đích của phương pháp SHANSEP là tìm qui luật thay đổi của Su theo độ sâu của nền đất đối với trạng thái ban đầu của đất (trường hợp UU) và qui luật của nó theo ứng suất cố kết (cho trường hợp CU): Su = f( ) v

Trình tự như sau: - Lựa chọn mẫu và sử dụng thí nghiệm nén cố kết để tính toán áp lực tiền cố kết

p

 - Lựa chọn mẫu tương tự để nén cố kết với giá trị ứng suất nén gấp 1,5; 2,5 và 4,0

lần cấp áp lực tiền cố kết p đã xác định được trước đó

- Các thí nghiệm này cho kết quả quan hệ  



uvo

S

 là một giá trị không đổi Điều này đúng với ít nhất hơn 2 cấp áp lực Nếu không, kỹ thuật SHANSEP không được phép áp dụng

- Một áp lực cho ra quan hệ  



uvo

S

 bằng hằng số được chọn làm áp lực nén cố kết trong phòng  vm

- Các mẫu được cố kết với cấp áp lực này và sau đó cho nở đến các hệ số quá cố kết OCR đã biết

- Tiến hành cắt để xác định Su và vẽ biểu đồ  



uvo

với: p - áp lực tiền cố kết - Công thức của Ladd (1991):

mu

vo

SS(OCR)



Trong đó: S, m - các hệ số, S = 0,22 ± 0,03 và m = 0,8 ± 0,1 Có thể thấy rằng công thức (1.8) theo đề nghị của Ladd (1991) có dạng tổng

quát hơn nên được sử dụng khá phổ biến ở một số nước trên thế giới

Giá trị của sức chống cắt không thoát nước Su trong đất dính thu nhận từ các kết quả thí nghiệm có thể phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố như điều kiện thí nghiệm trong phòng hay hiện trường, lịch sử ứng suất, tốc độ biến dạng, trạng thái ứng suất ban đầu,… Trong đó, yếu tố chính ảnh hưởng tới Su là các phương pháp thí nghiệm xác định Su

Sức chống cắt không thoát nước Su trước hết được xác định bằng các thí nghiệm trong phòng như là nén đơn (UC), cắt trực tiếp (DS), nén 3 trục theo sơ đồ không cố kết - không thoát nước (UU), nén 3 trục theo sơ đồ cố kết - không thoát nước (CU) và cố kết K0 - không thoát nước (CK0U) Các kết quả tổng hợp thống kê của sét mềm khu vực Nhà Bè và ở nước ngoài cho thấy giá trị sức chống cắt không thoát nước Su theo các phương pháp thí nghiệm khác nhau thì khác nhau Ở đây, các giá trị từ UC và UU không thể hiện chính xác giá trị Su theo điều kiện thực tế Ngoài ra, giá trị Su dự báo từ kết quả thí nghiệm theo sơ đồ CU thường cho kết quả lớn hơn thực tế do áp lực cố kết đẳng hướng lớn hơn trạng thái ứng suất thực tế Từ đây có thể thấy rằng việc dự báo Su theo 22-TCN theo kết quả thí nghiệm CU có thể không hợp lý do ở đây xem Su không đổi trong toàn bộ phạm vi vùng nền và không an toàn Tuy nhiên điều này có thể hợp lý đối với nền đất được xử lý bằng các phương pháp thoát nước kết hợp gia tải trước như giếng cát, bấc thấm, bấc thấm kết hợp bơm hút chân không

Xem xét biểu đồ dưới đây theo nghiên cứu của Ismael và Klym (1978), quan hệ của sức chống cắt không thoát nước Su theo độ sâu từ các phương pháp thí nghiệm khác nhau:

Có thể quan sát thấy giá trị Su ở cùng một độ sâu theo các phương pháp thí nghiệm khác nhau có khi khác biệt đến 2 đến 3 lần Điều đó thể hiện sự ảnh hưởng lớn của các phương pháp thí nghiệm khác nhau tới giá trị Su Theo kết quả nghiên cứu này, sức chống cắt không thoát nước có sự khác biệt đáng kể theo các phương pháp thí nghiệm khác nhau Điều này gây nhiều khó khăn trong việc lựa chọn giá trị hợp lý để tính toán và phân tích các bài toán thiết kế thực tế

Trong những năm gần đây, có một số nghiên cứu xác định và dự báo giá trị Su

từ kết quả thí nghiệm CK0U Tuy nhiên, những giá trị nghiên cứu chỉ dừng ở việc phân tích, định hướng Ở trong nước, các thí nghiệm theo sớ đồ CK0U hiện đang được triển khai và số lượng kết quả thí nghiệm chưa nhiều để sử dụng phân tích

Vào năm 2006, Anne Bartetzko và Achim J Koft trên cơ sở tiến hành phân tích tương quan giữa sức chống cắt không thoát nước và độ rỗng theo độ sâu của trầm tích biển ở độ sâu 50m trở lại đã nhận xét chỉ có khoảng một nửa vị trí khảo sát cho thấy sự gia tăng sức chống cắt và sự giảm độ rỗng tương ứng theo chiều sâu Ngoài ra, hệ số tương quan có ý nghĩa cả sức chống cắt và độ rỗng theo độ sâu chỉ tìm thấy ở 31% vị trí Có 4 dạng trầm tích được phân biệt rõ ràng trên cở sở ý nghĩa của hệ số tương quan Họ quan sát được sự ảnh hưởng của thành phần cấu tạo trầm

TN Nén ngang Cường độ sức chống cắt không thoát

TN UU

Theo giải thích của Ismael and Klym (2) TN CIUC

TN UU TN UC TN Nén ngang

tích và kiến trúc lên tương quan giữa sức chống cắt và độ rỗng theo độ sâu Các trầm tích hạt mịn có ít hàm lượng (<50%) carbonat thường cho thấy tương quan rõ ràng giữa độ bền và độ rỗng theo độ sâu trong khi đó các trầm tích tích tụ nhiều carbonat không có xu hướng tương quan rõ ràng theo độ sâu

Như vậy các mô hình tương quan cho sức chống cắt và độ rỗng khác nhau phụ thuộc vào điều kiện địa chất và kiến tạo của khu vực

Được sử dụng rộng rãi nhất là biểu thức dự báo (Su/ ) từ chỉ số dẻo được đề vnghị bởi Skempton (1957) Ông nhận thấy rằng tỷ số sức chống cắt không thoát nước của sét cố kết thường là kém tuyến tính theo chỉ số dẻo PI (%) trong thí nghiệm cắt cánh:

uv

S0,11 0,0037.PI

Sức chống cắt không thoát nước của các mẫu đất được xác định từ biểu thức sau, biểu thức mô tả quan hệ giữa hàm lượng độ ẩm giữa mạng hạt và sức chống cắt không thoát nước Su (Koumoto và Houlsby, 2001; Trauner và đồng nghiệp, 2005):

eb

Hệ số ae được xác định từ việc đánh giá lượng nước trong hạt ở giới hạn nhão và giới hạn dẻo từ việc tra bảng Kết quả nghiên cứu này đã tổng hợp các giá trị ae, be và sức chống cắt không thoát nước ở các cấp ứng suất đứng  v 50, 100 và 200 KPa Các nhận xét chủ yếu từ kết quả nghiên cứu này là độ bền và tính nén lún của đất phụ thuộc hàm lượng nước giữa mạng hạt đất trong khi nước giữa các lớp trong khoáng gây trương nở không ảnh hưởng lên giá trị Su

Trong khi đó, các giới hạn Atterberg và chỉ số dẻo chỉ thể hiện hàm lượng tổng thể của độ ẩm trong đất

Việc xác định sức chống cắt không thoát nước ở hiện trường trong thực tế chủ yếu bằng thí nghiệm cắt cánh Các phân tích ngược từ các thí nghiệm thực tế cho phép đánh giá sức chống cắt không thoát nước thực sự và trong nhiều trường hợp sức chống cắt không thoát nước từ thí nghiệm cắt cánh vượt quá giá trị này khi phá hoại Vấn đề này dẫn đến việc chấp nhận sử dụng hệ số hiệu chỉnh cho thí nghiệm cắt cánh

Bjerrum 1972 phân tích 14 trường hợp phá hoại (FS=1) và nhận ra rằng hệ số an toàn lý thuyết khác 1 và thay đổi theo chỉ số dẻo của đất loại sét Ông giới thiệu hệ số hiệu chỉnh μ, theo đó sức chống cắt không thoát nước từ thí nghiệm cắt cánh được hiệu chỉnh để sử dụng phân tích ổn định

Năm 1973, Bjerrum thử phân chia thành hai hiệu ứng bằng biểu thức sau:

μa - Hệ số hiệu chỉnh do tính bất đẳng hướng Sức chống cắt không thoát nước thể hiện tốt nhất dưới dạng chuẩn (Su/’vo) là dạng phụ thuộc và căn cứ vào trạng thái ứng suất ban đầu và một số các thí nghiệm khác (Kulhawy và Mayne,1990) Thí nghiệm cắt trực tiếp cung cấp đại diện tổng

thể cho phân tích ổn định và khả năng chịu tải Cách tiếp cận thông qua cơ học đất tới hạn (Worth, 1984) thể hiện thông qua biểu thức:

u

OCR2

sc

C1

C   - Tỷ số biến dạng thể tích đàn hồi

Cs, Cc - Chỉ số dỡ tải và chỉ số nén nguyên thủy Đối với các loại sét tự nhiên, phạm vi thay đổi giá trị góc ma sát trong hữu hiệu:

18    43 (Diaz Rodriquez, Leroueil và Aleman, 1992) Đất sét có độ nhạy từ thấp đến trung bình có giá trị  từ 0,7÷ 0,8 trong khi sét có độ bền cấu trúc và nhạy có 0,9 < Λ < 1

Dạng thống nhất được Ladd đưa ra năm 1991:

0,80u

Kết hợp 2 biểu thức trên và trường hợp   270 và Λ = 0,80, cuối cùng với sét

quá cố kết nhẹ với OCR < 2, bậc ba dự báo giá trị Su có dạng đơn giản (Track và đồng nghiệp, 1980; Jamiolkowski và đồng nghiệp, 1985) :

Ở đây: M 6sin

3 sin





Tương quan giữa giá trị Su từ thí nghiệm cắt cánh với chỉ số dẻo được Mayne và Mitchell (1988) tổng hợp Trên cơ sở dữ liệu từ thí nghiệm, phương trình quan hệ đề nghị có dạng:

22.SPI

Có thể thấy rằng các tương quan của Su được nghiên cứu nhiều theo SHANSEP Các kết quả xác định sức chống cắt không thoát nước từ việc nén lại đất và thí nghiệm SHANSEP được thực hiện so sánh và kết quả chỉ ra rằng thí nghiệm SHANSEP dự báo sức chống cắt không thoát nước thấp hơn khoảng 28% [24] Cũng trong bài viết này, các tác giả còn so sánh giữa kết quả thí nghiệm nén ba trục và theo SHANSEP Kết quả tổng hợp phân tích này chỉ ra rằng thí nghiệm nén lại và cắt bằng thiết bị nén ba trục phù hợp với kết quả cắt cánh không hiệu chỉnh Ngoài ra, thí nghiệm nén ba trục theo SHANSEP tương thích khá tốt với kết quả cắt cánh có hiệu chỉnh

1.4 Nhận xét và phương hướng đề tài

Từ các kết quả tổng hợp các trường hợp xử lý có thể thấy rằng các đặc trưng cơ lý của đất thay đổi sau khi xử lý Trong một số trường hợp, ở các độ sâu lớn, các đặc trưng cơ lý của đất có thể thay đổi không đáng kể Việc phân tích mức độ và phạm vi thay đổi các đặc trưng cơ lý đất nền có thể rút ra các nhận định có ích về phạm vi cần xử lý Ngoài ra, các kết quả tổng hợp các đặc trưng cơ lý cho phép đánh giá khả năng ổn định của nền sau khi xử lý

Đề tài: “Phân tích đánh giá sự thay đổi đặc trưng cơ lý của đất sét mềm bão hòa

được chọn lựa nhằm xác nhận hiệu quả của phương pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước và rút ra các nhận định về đặc điểm và xu hướng thay đổi các đặc trưng của đất sau khi xử lý