Sức kháng dư của đất được xem là sức kháng cuối cùng của đất sau khi đã bị cắt và dịch chuyển thêm một khoảng cách lớn. Skempton (1985) đã kết luận rằng sự giảm sức kháng cắt trong đất là do: gia tăng áp lực nước lỗ rỗng và định hướng lại của các hạt đất song song với hướng cắt. Độ bền kháng dư xuất hiện khi hình dạng của các hạt đất sắp xếp theo trật tự và trở nên thẳng hàng tạo thành mặt cắt trong quá trình cắt, làm giảm khả năng chống cắt. Thiết bị cắt xoay Torshear 27-WF2202 của hãng Control Wykeham được sử dụng trong nghiên cứu này đã khắc phục được hầu hết các nhược điểm của máy cắt phẳng thông thường. Thiết bị này phù hợp cho phép điều khiển tự động cắt theo chương trình định trước với các tốc độ rất nhỏ (tốc độ quay tối thiểu 0,001°/phút), ứng suất cắt tác dụng tối đa lên tới 500kPa, ứng suất chính tối đa đạt được 1000kPa. Hộp chứa mẫu cắt là một thiết bị có khoang chứa hình vành khăn với đường kính trong 70mm; đường kính ngoài 100mm; chiều sâu đựng mẫu 5mm. Kích thước hạt tối đa được giới hạn bằng 10% chiều cao mẫu chế bị được đặt trong khay mẫu. Hộp chứa mẫu có khả năng cho mẫu đất thoát nước qua các đĩa đá thấm ở cả phía trên và phía dưới. Bề mặt các đĩa đá thấm đều có rãnh hình răng cưa tạo khả năng liên kết giữa hộp cắt và mẫu đất tốt hơn trong quá trình cắt. Cánh tay đòn tạo lực có chiều dài 76mm tiếp xúc với chốt đặt lực được gắn chặt vào vòng ứng biến để xác định lực momen xoắn tác dụng lên mẫu khi xoay. Quy trình thực hiện thí nghiệm cắt xoay được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D 6467-06 nhằm xác định sức kháng cắt dư của đất theo sơ đồ cố kết thoát nước. Điều này mô phỏng gần với điều kiện thực tế khi đất sườn tích hình thành trên khối trượt là sản phẩm của nhiều lần dịch trượt.
LỰA CHỌN ÁP LỰC CỐ KẾT VÀ TỐC ĐỘ CẮT PHÙ HỢP TRONG THÍ NGHIỆM CẮT XOAY NHẰM XÁC ĐỊNH SỨC KHÁNG CẮT DƯ CHO ĐẤT SƯỜN TÍCH TRÊN KHU VỰC KHỐI TRƯỢT LỚN Đào Minh Đức1, Hoàng Hải Yến1, Nguyễn Khắc Hoàng Giang2, Đinh Thị Quỳnh3, Đỗ Minh Đức3 Viện Địa chất, Viện hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Tóm tắt Xác định độ bền kháng cắt dư đất sườn tích khối trượt lớn cần thiết nhằm đánh giá khả tái hoạt động phạm vi dịch chuyển khối trượt Sức kháng cắt dư đất xác định máy cắt xoay 27-WF2202 hãng Control Wykeham chuẩn hóa quy trình cắt xoay cho phép điều chỉnh tốc độ cắt khác kể tốc độ chậm Chuỗi số liệu kết thí nghiệm cắt xoay cố kết nước 16 mẫu lấy vị trí cho thấy áp lực cố kết nhỏ gần với trạng thái ban đầu đất kết gần với độ bền kháng cắt dư đất nhỏ 5kPa (làm đĩa cắt bị trượt mẫu đất) Ảnh hưởng tốc độ cắt đến kết thí nghiệm bị biến đổi khơng nhiều tốc độ cắt chậm (1,0mm) Sét (0,005mm) Thành phần hạt Quá trình cố kết mẫu Trong trình nén cố kết cấp áp lực lớn chuyển động cắt xoay, lượng hạt đất bị ép phạm vi hộp cắt sinh tượng: (1) làm cho đĩa cắt phía chuyển động thẳng đứng xuống nhanh (2) mắc kẹt hạt đất vào khe đĩa đá thấm phía thành hộp cắt (hình 4) Chuyển động cắt xoay thực cắt trước thường không xuất hiện tượng trình gần khơng có áp lực tác dụng lên mẫu làm cho hạt đất xắp xếp lại sinh mặt cắt trước Hiện tượng kèm chuyển động xoay cắt chậm có thêm tác dụng ứng suất Stark Vettel so sánh sức kháng cắt dư xác định thí nghiệm phịng với kết tính tốn từ thực tế trường kết luận sức kháng cắt dư xác khoảng trống đĩa đá thấm phía thành hộp cắt 0,75mm [7] Stark Vettel đưa quy trình cách bổ sung thêm mẫu kết thúc trình cố kết cấp áp lực cao Tuy nhiên cách làm làm giảm ứng suất pháp tuyến sau cố kết đất hộp cắt thêm mẫu vào hộp cắt làm thay đổi trật tự hạt đất hình thành sau cố kết Hình Minh họa ma sát thành gây va chạm hộp cắt xoay [7] Qua trình cố kết cấp áp lực cao, nhận thấy đất bị ép hộp cắt nhiều Mẫu chế bị điều kiện độ ẩm giới hạn chảy nên dễ bị ép mẫu hộp cắt Trong trình cố kết phải thêm đầy nước vào hộp cắt nên có mơi trường để hạt đất vận động dễ dàng trào qua khe Để hạn chế lượng đất trào thực theo cách sau: Mẫu chế bị chuẩn bị điều kiện gần với giới hạn dẻo giới hạn chảy Điều làm giảm khả cố kết mẫu đất Mẫu đất không tiến hành cắt trước Mặc dầu cắt trước làm xếp lại hạt đất tạo mặt cắt trước xong giá trị sức kháng cắt dư bị ảnh hưởng với q trình cắt trước nhanh [4] Mỗi thí nghiệm thực tốc độ cắt thực với mẫu thí nghiệm Nhận thấy cấp áp lực nhỏ ảnh hưởng cố kết không xảy nên khuôn khổ báo tiến hành phân tích thí nghiệm mẫu đất với 04 cấp áp lực khác là: 24,495; 48,990; 73,486; 97,981kPa Tốc độ dịch chuyển cắt Tốc độ dịch chuyển cắt (Dr) thí nghiệm vận tốc dịch chuyển xoay quãng đường hình vành khăn mẫu đất Để giảm thiểu áp lực nước lỗ rỗng thay đổi đột ngột gây lực cắt, chế độ thí nghiệm cắt với tốc độ dịch chuyển cắt chậm lựa chọn theo phương trình sau [1]: Dr Df Tf 5mm 50* t50 (1) Trong công thức trên, t50 thời gian cần thiết để mẫu đất cố kết đạt 50% tác dụng ứng suất pháp tuyến Thành phần chủ yếu mẫu đất thí nghiệm cát pha nên lựa chọn giới hạn dịch chuyển phá hủy mẫu (Df) 5mm Tốc độ cắt giới hạn mức chậm giúp ta đo biến đổi ứng suất cắt cấp áp lực khác cách dễ dàng Với khả điều khiển tốc độ cắt cách xác máy Torshear 27-WF2202, thí nghiệm cắt xoay thực với tốc độ giới hạn nhỏ sau xác định theo t50 tính tốn bảng Bảng Kết tính tốc độ cắt theo thời gian cố kết 50% (t50) Cassagrande Taylor Min (Dr) Mẫu thí Áp lực nghiệm kPa t50 Dr t50 Dr mm/min XM-01 24,495 4’21” 0,025 3’3” 0,033 0,025 XM-02 48,990 3’2” 0,038 2’6” 0,048 0,038 XM-03 73,486 2’15” 0,054 2’3” 0,061 0,054 XM-04 97,981 1’20” 0,075 1’12” 0,083 0,075 Kết thảo luận Góc ma sát dư đất tính nhanh qua kết thí nghiệm cắt xoay cách sử dụng công cụ lượng giác Theo cách cần giả thiết đất hoàn tồn khơng cịn kết dính (c’r = 0), dẫn đến cơng thức sau để tính tốn góc ma sát dư đất sau: r N r' tan 1 (2) Trong khuôn khổ báo thực thí nghiệm cắt xoay 16 mẫu (các mẫu nén cố kết với cấp áp lực khác cắt xoay theo cấp tốc độ thí nghiệm chọn trên) Kết thí nghiệm phân tích thống kê cho thấy rõ ảnh hưởng tốc độ cắt ứng suất pháp tác dụng lên mẫu Với nhận định nghiên cứu ta dùng để đưa quy trình thực thí nghiệm cắt xoay tiết kiệm thời gian khơng cần thí nghiệm q nhiều lần Bảng Thống kê ứng suất cắt theo cấp áp lực khác khác Tốc độ cắt Ứng suất pháp Ứng suất cắt Góc ma sát dư (mm/min) σN (kPa) τr (kPa) Ф’r (độ) 0,075 24,495 12,708 27°25,99’ 0,075 48,990 21,970 24°9,96’ 0,075 73,486 31,406 23°9,14’ 0,075 97,981 41,583 23°0,49’ 0,054 24,495 12,023 26°9,34’ 0,054 48,990 21,206 23°25,05’ 0,054 73,486 31,406 23°9,14’ 0,054 97,981 41,449 22°56,5’ 0,038 24,495 12,339 26°44,95’ 0,038 48,990 23,139 25°17,72’ 0,038 73,486 33,466 24°29,84’ 0,038 97,981 44,024 24°12,45’ 0,025 24,495 11,435 25°2,26’ 0,025 48,990 22,236 24°25,49’ 0,025 73,486 33,084 24°15,01’ 0,025 97,981 43,514 23°57,5’ Giá trị Ф’r trung bình Độ lệch chuẩn, δ 24,44 2,06 23,92 1,51 25,19 1,14 24,42 0,46 Trong q trình thí nghiệm, biến dạng thẳng đứng ứng suất cắt mẫu ghi lại liên tục từ bắt đầu cắt thưa dần mẫu đất chuyển sang trạng thái ứng suất dư Quan sát ghi lại chuyển vị đứng, chuyển vị cắt giá trị ứng suất cho ta quan hệ thể hình 4-7 Q trình thí nghiệm cịn ghi nhận thay đổi lượng mẫu ngồi hộp cắt với chuyển vị thẳng dứng Hình Quan hệ chuyển vị cắt với chuyển vị đứng ứng suất cắt – Tốc độ cắt 0,025mm/min Hình Quan hệ chuyển vị cắt với chuyển vị đứng ứng suất cắt – Tốc độ cắt 0,038mm/min Hình Quan hệ chuyển vị cắt với chuyển vị đứng ứng suất cắt – Tốc độ cắt 0,075mm/min Hình Quan hệ chuyển vị cắt với chuyển vị đứng ứng suất cắt – Tốc độ cắt 0,054mm/min Kết thống kê cho thấy cắt với tốc độ thấp kết thu giá trị góc ma sát dư trung bình xác (độ lệch chuẩn nhỏ nhất: 0,46) Khi cắt với tốc độ thấp, đường cong quan hệ chuyển vị đứng chuyển vị cắt cấp áp lực khác tương đồng Mức độ dao động chuyển vị đứng thể hình 4-7 Điều nhận thấy dễ dàng quan sát thí nghiệm, lượng mẫu đất bị ép ngồi hộp cắt nhiều Trên đường cong chuyển vị cắt tốc độ thấp nhât (hình 4) nhận thấy chuyển vị đột ngột hơn, hạt đất dịch trượt không gây xô đẩy hạt Như vậy, tốc độ cắt 0,025mm/min phù hợp để thí nghiệm xác định sức kháng cắt dư cho mẫu đất cát pha lấy từ vỏ phong hóa sườn tích Q trình nén cố kết với 04 cấp áp lực khác cho giá trị cố kết t50 tương ứng để xác định tốc độ thí nghiệm cắt xoay phù hợp Cấp áp lực nén cố kết cao mẫu đất cố kết nhanh thời gian cố kết t50 nhỏ Tuy nhiên, mẫu có kích thước mỏng, trước thí nghiệm mẫu lại chế bị giới hạn chảy, hộp cắt kín tác dụng áp lực nén cố kết cao gây phá hủy mẫu đất trước tiến hành cắt xoay Vì mẫu cắt xoay mẫu chế bị trạng thái giới hạn chảy nên áp lực nén cố kết nên trì lớn khơng nhiều áp lực cắt lớn (phụ thuộc vào kích thước hộp mẫu) Kết nén cố kết ban đầu dù ghi nhận 04 mẫu cho thấy trình cố kết mẫu trước quan trọng nên cố kết mẫu cấp áp lực nhỏ trước để xác định t50 đưa tốc độ cắt hợp lý Khi tiến hành cắt xoay tốc độ 0,025mm/min, quan hệ ứng suất pháp ứng suất cắt xoay thể quan hệ tuyến tính (hình 8) Nối điểm giá trị quan hệ ứng suất đồ thị lại ta thấy đường thẳng qua gốc tọa độ khẳng định giá trị giả thiết ban đầu loại bỏ lực dính kết đất (c’r = 0) Kết tính tốn thống kê cho ta thơng số góc ma sát dư mẫu đất thí nghiệm tin tưởng 24°25’ thí nghiệm với máy cắt xoay Torshear 27-WF2202 Hình Quan hệ ứng suất pháp ứng suất cắt xoay với tốc độ cắt 0,025mm/min Kiểm chứng kết thí nghiệm cắt xoay mẫu thí nghiệm lấy khu vực khối trượt lớn Km 10+700 đường tỉnh lộ 606 huyện Tây Giang, tỉnh Quảng Nam cho kết quan hệ ứng suất pháp ứng suất cắt xoay thể quan hệ tuyến tính tốc độ cắt 0,025mm/min Độ lệch chuẩn giá trị ứng suất cắt thu cấp áp lực khác mẫu lấy Tây Giang, Quảng Nam (δTG = 0,59) gần tương 10 đồng với độ lệch chuẩn mẫu Xín Mần, Hà Giang Kết tính trung bình giá trị góc ma sát dư mẫu thí nghiệm lấy Tây Giang cho giá trị góc ma sát dư mẫu đất 22°09’ Kết luận Thí nghiệm cắt xoay mẫu đất phong hóa sườn tích lấy khối trượt lớn máy cắt xoay Torshear 27-WF2202 phương pháp phát triển giới Việt Nam Tuy việc tìm hiểu ứng suất cắt dư giới để xác định xác điều khó thực Kết thí nghiệm phân tích thống kê báo đưa góc ma sát dư mẫu đất thí nghiệm tin tưởng khống chế qua hai yếu tố ảnh hưởng lớn thí nghiệm cắt q trình cố kết tốc độ cắt xoay Mẫu thí nghiệm cắt xoay mẫu chế bị khống chế độ ẩm giới hạn chảy, kích thước mẫu nhỏ mỏng nên ảnh hưởng cố kết mẫu xảy nhanh Một số tiêu chuẩn nước đề cập tới việc cố kết để xác định t50 mẫu chưa có khuyến cáo nói việc nên cố kết cấp áp lực Kết báo cụ thể áp lực cố kết mẫu nên áp lực nhỏ để thí nghiệm cắt xoay (phụ thuộc loại đất kích thước mẫu thí nghiệm) Thí nghiệm cắt xoay với tốc độ chậm thường nhiều thời gian nên xác định tốc độ thí nghiệm tối ưu cần thiết Xác định tốc độ cắt xoay qua tính tốn từ thông số t50 cấp áp lực nhỏ cho giá độ lệch chuẩn thấp nên đảm bảo tính xác thí nghiệm Để rút ngắn thời gian thí nghiệm, tiến hành cắt tốc độ với cấp áp lực nén tăng dần mẫu mà không cần chế bị cố kết lại mẫu Tuy nhiên mẫu chế bị hộp cắt phải đảm bảo khơng bị ép ngồi hộp cắt cách kiểm soát liên tục giá trị chuyển vị đứng mẫu cắt Lời cám ơn Để hoàn thiện nghiên cứu này, xin chân thành cám ơn Bộ môn Địa kỹ thuật – trường Đại học Khoa học Tự nhiên đề tài cấp nhà nước mã số ĐTDL.CN.23-17 tạo điều kiện cho tơi thực thí nghiệm Tài liệu tham khảo ASTM D 6467-06 Standard test method for Torsional ring shear test to determine drained residual shear strength of cohensive soils ASTM D 2435-11 Standard Test Methods for One-Dimensional Consolidation Properties of Soils Using Incremental Loading Christopher L Meehan, Thomas L Brandon, J Michael Duncan (2007) Measuring drained Residual Strengths in the Bromhead Ring Shear, Geotechnical Testing Journal, Vol 30, No 6, November 2007, ISSN 1945-7545 11 Deying Li, Kunlong Yin, Thomas Glade, Chin Leo (2017) Effect of overconsolidation and shear rate on the residual strength of soils of silty sand in the Three Gorges Reservoir, Scientific reports Article number: 5503(2017) doi:10.1038/s41598-017-05749-4 Fredlund D G., Rahardjo H (1998) Cơ học đất cho đất khơng bão hịa Nhà xuất Giáo dục Nguyễn Quang Huy, Trần Mạnh Liểu, Hoàng Đình Thiện, Trương Văn Thịnh, Bùi Bảo Trung, Nguyễn Cơng Kiên, Nguyễn Văn Thương (2015), "Nghiên cứu đánh giá rủi ro dự báo trượt lở, sụt lún mặt đất xã Nấm Dẩn, huyện Xín Mần, Hà Giang", Pha chương trình tăng cường lực giảm thiểu, thích ứng với địa tai biến liên quan đến môi trường phát triển lượng Việt Nam, SRV-10/0026 Stark, T D and Vettel, J 1., "Bromhead Ring Shear Test Procedure," Geotechnical Teslillg Journal GTJODJ Vol 15 No.1, March 1992 pp 24-32 Whitlow R (1997), Cơ học đất Nhà xuất Giáo dục Wykehan Farrance 27- WF2202 Torshear – Ring shear apparatus Instruction manual 12 ... determine drained residual shear strength of cohensive soils ASTM D 2435-11 Standard Test Methods for One-Dimensional Consolidation Properties of Soils Using Incremental Loading Christopher L Meehan,... Deying Li, Kunlong Yin, Thomas Glade, Chin Leo (2017) Effect of overconsolidation and shear rate on the residual strength of soils of silty sand in the Three Gorges Reservoir, Scientific reports... cố kết đất hộp cắt thêm mẫu vào hộp cắt làm thay đổi trật tự hạt đất hình thành sau cố kết Hình Minh họa ma sát thành gây va chạm hộp cắt xoay [7] Qua trình cố kết cấp áp lực cao, nhận thấy đất