Ứng dụng thí nghiệm CPT CPTu vào các bài toán địa kỹ thuật

Báo cáo trình bày chi tiết quá trình thi công, dụng cụ thí nghiệm và ứng dụng của thí nghiệm CPT vào lĩnh vực địa kỹ thuật. Qua bài viết, giúp người đọc có được cái nhìn tổng quan về thí nghiệm xuyên tĩnh và ứng dụng vào thực tế.

3 THÍ NGHIỆM XUYÊN TĨNH

(CPT & CPTu).

Đối lập với thí nghiệm xuyên động SPT là thí nghiệm xuyên tĩnh CPT ( CPTu khi

đo áp lực nước lỗ rỗng), lực làm chùy xuyên đi vào đất là lực tĩnh Thí nghiệm xuyên tĩnhthích hợp để phân chia địa tầng và xác định các đặc trưng vật lý, cơ học của đất nền Kếtquả tương đối chính xác và khắc phục được những khuyết điểm của thí nghiệm xuyênđộng

Thiết bị đầu tiên được chế tạo tại Bỉ và Hà Lan để khảo sát đất nền, bởi ý tưởngcủa Barentsen Nguyên lý của xuyên tĩnh là đo sức kháng của đất qc được đĩnh nghĩa bằnglực kháng chia cho diện tích ngang của nón xuyên

Máy xuyên đầu tiên của Barentsen chỉ là một hình nón hàn cứng vào một thanh sắt

và được hai người ấn mạnh vào đất nền Sau đó, để tránh ma sát vào đất xung quanh,thanh xuyên được đặt trong một ống rỗng nhằm chỉ đo lực kháng qc ở mũi Mỗi thanhxuyên dài 1m đặt bên trong các ống rỗng có thể nối được với nhau Mũi xuyên gồm mộthình nón kim loại để đo lực kháng đứng của đất và có thể có them một machon di độngđộc lập với mũi để đo lực ma sát của đất Ưu và nhược điểm của thí nghiệm CPT được thểhiện trong bảng sau:

Bảng 3.1 Ưu và nhược điểm của thí nghiệm CPT

- Cho kết quả cấu tạo địa chất và đặc

trưng cơ lý nhanh và liên tục, vẽ

mặt cắt địa chất nhanh chóng và

chính xác;

- Chi phí đầu tư ban đầu khá cao;

- Không lấy được mẫu nguyên dạng;

- Không thích hợp với các loại đấtchứa sỏi sạn hoặc đá cuội và đất

- Thí nghiệm được thực hiện một

+ Xác định độ chặt của đất cát

+ Đối chứng với khoan thăm dò và thí nghiệm trong phòng để phân chia loạiđất và xác định một số đặc trưng cơ lý của các lớp đất đá, phục vụ thiết kế nềnmóng trong các điều kiện cho phép

+ Xác định sức chịu tải của móng cọc

3.1.2 Thí nghiệm CPTu:

Thí nghiệm xuyên tĩnh CPTu là thí nghiệm xuyên tĩnh CPT được cải tiến để cóthể đo áp lực nước lỗ rỗng trong quá trình xuyên Cấu tạo mũi xuyên và thiết bịxuyên CPTu về cơ bản giống với thí nghiệm CPT Tuy nhiên, vì phải kết hợp

đo áp lực nước lỗ rỗng, cách ghi nhận số liệu phức tạp hơn nên phải ghi nhận

tự động

Các kết quả thu nhận được từ thí nghiệm CPTu bao gồm: sức kháng mũi (qc);

ma sát hông (fs) và áp lực nước lỗ rỗng (u) của đất Dựa trên kết quả thínghiệm CPTu có thể phân loại đất và dựng mặt cắt địa chất đi qua các lỗ khoan

và xuyên CPTu

Thí nghiệm tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng là một phương pháp hữu hiệu để xácđịnh các thông số: Ch; Kh… Các thông số này rất hữu ích cho người thiết kế đểxác định tốc độ lún cố kết trong quá trình thi công

Thí nghiệm xuyên tĩnh là ấn vào trong đất một mũi xuyên hình côn, thân hìnhtrụ bằng lực tĩnh với tốc độ xuyên không đổi và khá nhỏ (2 cm) Trong quátrình xuyên, ta đo và tính được sức kháng xuyên đầu mũi qc (kG/cm2 ) và masát thành đơn vị fs (kG/cm2 )

Đầu xuyên là bộ phận nhạy cảm với sức kháng của đất gồm mũi côn và măngxông đo ma sát Mũi côn là phần tận cùng của đầu xuyên có dạng hình nón,dùng để đo sức kháng xuyên đầu mũi qc (KG/cm2 ) Măng xông đo ma sát làống thép nằm ngang phía trên mũi côn, dùng để đo ma sát thành đơn vị fs(KG/cm2 ) Đầu xuyên được nối với các cần xuyên, mỗi cần dài 1.0 m

Cần xuyên gồm hai phần: cần ngoài và cần trong Cần ngoài là ống rỗng, dùng

để định hướng cần xuyên xuống đất và bảo vệ cần trong hoặc cáp điện Cầntrong là các cần đặc, là hệ thống truyền lực để ấn mũi côn xuống đất Hệ thống

đo và ghi kết quả bao gồm các bộ phận truyền thông tin từ mũi côn và măngxông đo ma sát và bộ phận đo ghi kết quả

Dựa vào cách thức truyền thông tin và ghi kết quả, xuyên tĩnh được chia làmhai loại : Xuyên điện là loại xuyên sử dụng bộ cảm biến lực điện gắn ở đầuxuyên Các thông tin về lực được chuyển thành tín hiệu điện và truyền lên bộphận đo - ghi thông qua các cáp điện trong cần xuyên Loại thiết bị xuyên điện

sử dụng phổ biến trong miền Nam (VD : P.V.S của Pháp sản xuất), còn ở ngoàimiền Bắc ít sử dụng Xuyên cơ học được sử dụng phố biến ngoài miền Bắc, màchủ yếu của hãng Gouđa (Hà Lan) Xuyên cơ học gồm hai loại: một loại ấnmũi xuyên xuống bằng thủ công gọi là xuyên thủ công, còn một loại ấn mũixuyên xuống bằng thuỷ lực gọi là xuyên máy Xuyên cơ học dùng hệ thống cần

để truyền các thông số về sức kháng xuyên lên mặt đất Thiết bị đo sức khángxuyên có thể là đồng hồ thuỷ lực, võng hoặc thanh ứng biến

3.3.1 Thí nghiệm CPT

Phương pháp thí nghiệm xuyên tĩnh quy định cho hai loại thiết bị xuyên: xuyênđiện, xuyên cơ học và quy định cho hai loại mũi côn: mũi côn di động và mũi côn cố định

Khi sử dụng loại thiết bị hoặc loại mũi côn nào cần ghi chú rõ đặc tính kỹ thuậtcủa chúng trên biểu đồ xuyên và trong báo cáo kết quả xuyên

Hình 3.1 : Đầu xuyên cơ và xuyên điện

Hai loại đầu xuyên: đầu xuyên có măng xông và đầu xuyên không có măng xông đo ma sát

Chiều dài tổng cộng của đầu xuyên ( bao gồm mũi côn, măng xông đo ma sát

và cần tiếp theo) phải đúng bằng 1000mm

Hình 3.2 : Đầu xuyên có măng xông và không có măng xông

Mũi côn gồm hai phần là phần chóp nón và phần hình trụ tiếp theo:

- Kích thước chuẩn: Đường kính mũi côn (B) (đáy chóp nón) là 35,7 mm Góc nhọn của mũi côn là 60°

- Chiều cao của phần hình trụ tiếp theo của chóp nón là 5 mm

Hình 3.3: Mũi côn tiêu chuẩn Bảng 3.2 : Dung sai trong chế tạo mũi côn ( theo TCVN 9352:2012)

Tên các bộ phận mũi côn Kích thước Dung sai (mm)

Đường kính đáy mũi côn 35,7mm < B< 36mm +0.3

Chiều cao mũi côn 31mm < L1<31,3mm +0.3

Độ nhám mặt mũi côn <5

Bảng 3.3 : Dung sai trong sử dụng mũi côn ( theo TCVN 9352:2012)

Tên các bộ phận mũi côn Kích thước Dung sai (mm)

Đường kính đáy mũi côn 34,7 mm < B< 36mm -1

Chiều cao mũi côn 24 mm < L1< 31,3mm -7

Độ nhám mặt mũi côn -2

Măng xông đo ma sát nằm ngay trên mũi côn Đường kính của măng xông đo ma sát phải bằng đường kính đáy mũi côn, dung sai + 0,35 mm (cả trong chế tạo và sử dụng);

Diện tích của măng xông đo ma sát: 150 cm² ± 2 %;

-Độ nhám bề mặt của măng xông đo ma sát khi chế tạo là 0,5 µm ± 50 % theo phương chiều dọc Khi sử dụng thì độ nhám của măng xông không nhỏ hơn 0,25 µm;

Độ khe hở giữa măng xông và mũi côn không được lớn hơn 5mm

Gioang buộc các khe hở giữa mũi côn và măng xông, giữa măng xông và cần xuyên phải được làm bằng vật liệu tốt, có độ biến dạng cao để đảm bảo độ nhạy khi đo sức kháng xuyên và không cho hạt đất lọt vào

Hình 3.4: Hình ảnh măng xông ma sát

Cần xuyên có nhiệm vụ tiếp nhận lực từ bộ phận tạo lực truyền xuống mũi xuyên, đưa mũi xuyên vào trong đất Các cần xuyên ngoài được nối với nhau bằng ren và phải đồng trục Độ cong của 5 cần xuyên đầu tiên không được vượt quá 4% và của số cần xuyên còn lại không được vượt quá 8% Khi cần đo tổng ma sát thành Qst thì đường kính ngoài phải là 36mm ± 1mm

Hình 3.5 Hình ảnh cần xuyên thực tế

Thiết bị tạo lực nén phải đảm bảo các quy trình sau

- Tạo ra được lực nén để ấn cần xuyên và đầu xuyên đến độ sâu thí nghiệm

- Vận tốc xuyên phải không đổi theo yêu cầu trong suốt quá trình thí nghiệm

- Chu trình nâng – hạ ít nhất phải bằng chu trình cần xuyên

Hình 3.6: Hình ảnh thiết bị tạo lực nén trên mặt đất

Hình 3.7: Hình ảnh thiết bị tạo lực nén trên biển

3.3.2 Thí nghiệm CPTu

Về cơ bản, cấu tạo mũi xuyên và thiết bị xuyên CPTu giống thí nghiệm CPT Tuy nhiên, vì phải kết hợp đo áp lực nước lỗ rỗng, thiết bị và đầu xuyên của thí nghiệm CPTu có những sự khác biệt so với thiệt bị CPT Bộ thí nghiệm xuyên tĩnh CPTu sử dụng hệ thống thiết bị xuyên tĩnh điện thường bao gồm các hệ thống sau:

- Máy ép thủy lực có bộ đo chiều sâu xuyên để đảm bảo vận tốc xuyên là20cm/s

- Bơm thủy lực

- Bộ thu dữ liệu

- Đầu xuyên tĩnh điện bao gồm:

+ Mũi xuyên CPTu

+ Thiết bị thu phát sóng gồm ống pin và bộ thu sống

+ Cáp kết nối+ Mũi xuyên hình nón có khe lọc

- Cần xuyên CPT ren côn, dài 1m

- Cảm biến đo độ nghiêng cho mỗi điểm xuyên

- Ống giảm ma sát

Hình 3.8: Các thiết bị và sơ đồ bố trí thí nghiệm xuyên CPTu.

Hình 3.9 : Các đạc trưng kỹ thuật của đầu xuyên.

Hình 3.10: Lăp đặt thiết bị xuyên CPTu tại thực địa

Khi tiến hành thí nghiệm CPT và CPTu cần đảm bảo các yêu cầu chung sau:

- Thiết bị xuyên tĩnh phải được cân, chỉnh về vị trí thăng bằng Độ nghiêng tối đa cho phép không vượt quá 2 % Trục của cần xuyên phải trùng với phương thẳng đứng của thiết bị tạo lực nén

- Vận tốc xuyên chuẩn quy định là 2 cm/s Vận tốc này phải giữ không đổi trong suốt quá trình thí nghiệm

- Thí nghiệm xuyên liên tục là thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn Khi sử dụng loại xuyên

cơ học với cách thức xuyên gián đoạn thì phải thuyết minh trên biểu đồ và trong báo cáo kết quả xuyên

- Số liệu của thí nghiệm xuyên liên tục phải được ghi liên tục Trường hợp phải ghi gián đoạn thì khoảng ghi không được lớn hơn 20 cm

3.4.1 Trình tự thí nghiệm CPT dùng phương pháp xuyên cơ

Trình tự thí nghiệm CPT được tiến hành theo TCVN 112-1984 và ASTM D3411-98 như sau:

1. Xác định vị trí xuyên, đưa thiết bị vào vi trí xuyên

2. Dùng cần điều khiển để điều khiển tháp, lắp cần, ty xuyên và mũi xuyên vào vị trí làm việc thẳng đứng

3. Dùng tay quay để ấn cần xuyên và đầu xuyên đến độ sâu thí nghiệm, đưa ty vào trong vòng lực

4. Ấn ty xuống 4cm (mũi xuyên chuyển động, vỏ bọc ma sát đứng yên)

=> qc

5. Vỏ bọc ma sát tiến cùng mũi xuyên 16cm => fs

o Hành trình thí nghiệm ở từng khoản 20cm thì dừng lại đọc ghi số liệu

1 lần, cứ tiến hành cho đến khi hết độ sâu thí nghiệm

Hình 3.11 : Sơ đồ vận hành thí nghiệm CPT

3.4.2 Trình tự thí nghiệm CPTu dùng phương pháp xuyên điện

Quy trình thí nghiệm được tiến hành theo ASTM D5578-1998

Theo quy định, sau mỗi công trình hoặc thời gian sử dụng tương đối dài, ta phải tiến hành hiệu chỉnh mũi xuyên

Thiết bị hiệu chỉnh bao gồm: một giá đỡ và một hệ thống load cell gia lực

Tiến hành gia lực qua tối thiểu 3 cấp bộ cảm biến ghi nhận số liệuvẽ đồ thịxác định hệ số lựcSau khi gia lực xong, tiến hành dỡ tải theo đúng các cấp đã gia lực nhằm đánh giá độ đàn hồi của hệ thống load cell.

Bão hòa vòng đá thấm.

Để do được áp lực nước lỗ rỗng một cách chính xác, vòng đá thấm phải tuyệt đồi bão hòa Trước kkhi xuyên, đặt cả mũi xuyên có gắn vòng đá thấm vào dung dịch Sau khi lấy mũi xuyên ra, nhúng liền vào dung dịch nước cất và mang đến công trình Chỉ khi nào tiến hành thí nghiệm mới lấy mũi xuyên ra Theo quy định, nếu mực nước ngầm ngay tại mặt đất, ta phải khoan lỗ trước khi tiến hành thí nghiệm CPTu

Vận hành thiết bị xuyên CPTu

- Xác địn vị trí cần thí nghiệm xuyên tĩnh, đặt bệ, định vị neo Sau khi neo xong, đặt tháp xuyên thẳng đứng, neo chặt bệ và dầm máy xuống đất qua bốn vít treo

- Luồng dây vào cần xuyên, một đầu cuộn dây nối với mũi xuyên được gắn ở đoạn cần đầu tiên, một đầu ối với bộ phận chuyển tính hiệu vào hộp xử lý tính hiệu

- Dùng cần điều khiển để điều khiển tháp, lắp cần mũi xuyên vào vị trí thẳng đứng xong sẽ tiến hành thí nghiệm

- Lắp bộ phạn đo chiều sâu cần xuyên vào Nối dây vào hộp xử lý tính hiệu Dùng vít hiệu chỉnh cho các số đọc trở về giá trị 0

- Dụng cụ tí nghiệm mũi xuyên được nén vào đất thông qua hệ thống tay quay và xích truyền lực Các kết quả thu nhận được thông qua hệ thống load cell cảm ứng tại đầu mũi xuyên Bên cạnh đó, tính hiệu từ bộ phận đo độ sâu cũng được ghi nhận một cách độc lập thông qua một bộ phận điểm riêng và cũng được truyền qua

bộ xử lý

- Người ta dùng tay quay ấn ngập cần xuyên và mũi xuyên đến độ sâu cần thí

nghiệm Tay quay sẽ tác động lên bộ phận truyền lực là hệ thống dây xích, trên hệ thống dây sên có hai mắc sét, đè vào cần xuyên, giúp cần xuyên đi xuống

- Số liệu được ghi nhận liên tục, mỗi 0.1m ghi nhận 1 giá trị, tiến hành đến hết độ sâu thí nghiệm

Trình tự thí nghiệm tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng

- Khi ấn mũi xuyên vào trong đất yếu, bão hòa nước, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư được tạo nên trong quá trình xuyên Tuy nhiên, nếu mũi xuyên được giữ yên tại cùng một độ sâu thì áp lực nước lỗ rỗng u sẽ bị tiêu tán dần, cho đến khi áp lực

nước lỗ rộng thặng dư bằng không Khi đó áp lực nước lỗ rỗng sẽ có giá trị bằng

• Qs: lực tác dụng lên bề mặt măng song (kN)

• Ac: diện tích tiết diện đáy mũi côn (cm2)

• As: diện tích xung quanh bề mặt măng song (cm2)

• Apistong: diện tích tiết diện ngang của pistông (cm2)

3.5.2 Xử lý kết quả thí nghiệm CPTu

Trong quá trình xuyên, áp lực nước lỗ rộng sẽ tác dụng lên phần mũi cone và phầnxông ma sát Khi đó, giá trị sức kháng mũi qc và sức kháng bên fs thu được sẽ bao gồm

áp lực nước, vì thế không thể hiện chính xác sức kháng của đất

Do vậy phải tiến hành hiệu chỉnh giá trị sức kháng mũi và sức kháng bên

- Áp lực thực tác dụng lên mũi xuyên: qt

qt= qc + ut.(1-a)Trong đó:

qt là sức kháng mũi hiệu chỉnh

ut là áp lực nước lỗ rỗng đo tại vòng thấm phía sau cổ cone

Nếu vòng đá thấm đặt ở mũi hay ở giữa mũi xuyên; áp lực nước lỗ rỗng ut được quy đổi như sau:

ut = uo + k (u1+u0)

Với uo là áp lực thủy tĩnh và k =0 ÷0.9 tùy thuộc loại đất và vị trí vòng đá thấm

- Tỉ số áp lực nước lỗ rỗng Bq là tỉ số giữa áp lực nước lỗ rỗng phát sinh với hiệu của sức kháng mũi và ứng suất đứng toàn phần tại độ sâu tương ứng:

3.6 Ứng dụng kết quả thí nghiệm CPT và CPTu.

Bảng 3.5 - Phân loại đất theo kết quả CPT

Bảng 3.12 - Phân loại đất theo Robertson,1986

- Khi tiến hành thí nghiệm CPTu, để xác định loại đất có thể sử dụng biểu đồ củaSenneset và Janbu (1985), dựa trên mối quan hệ giữa tỷ số áp lực nước lỗ rỗng đãchuẩn hóa (Bq) với sức kháng mũi qt hiệu chỉnh

Bảng 3.13 - Phân loại đất theo Senneset và Janbu (1985)

3.6.2 Tính toán góc ma sát trong của đất:

Công thức thực nghiệm được đề xuất bởi Kulhawy và Mayne (1990) đượcdùng để tính toán góc ma sát trong của đất

3.6.3 Sức kháng cắt không thoát nước của các loại đất sét.

Khi sử dụng kết quả CPT: sức kháng cắt không thoát nước Su được xác địnhtheo công thức sau:

Trong đó:

Su là sức kháng cắt không thoát nước ,Kpa

qc là sức kháng xuyên đầu mũi, kPa.

σvo là ứng suất bản thân của nền đất, kPa

Nk là hệ số mũi công thường được lấy theo kinh nghiệm, Nk = 11-19

Khi sử dụng kết quả CPTu: sức kháng cắt không thoát nước Su được xácđịnh theo công thức sau:

Trong đó:

Su là sức kháng cắt không thoát nước ,Kpa

qc là sức kháng xuyên đầu mũi đã hiệu chỉnh, kPa

σvo là ứng suất bản thân của nền đất, kPa

Nk là hệ số mũi công thường được lấy theo kinh nghiệm, Nk = 15-20

+ Móng băng: kG/cm2)+ Móng đơn: kG/cm2)Đối với thí nghiệm CPTu, hệ số qc sẽ được thay bằng qt

Ngoài ra, theo phụ lục E.5 của TCVN 9352-2012, sức chịu tải cho phép củamóng nông quy ước có bề rộng B xấp xỉ bằng chiều sâu đặt móng D, đượclấy theo bảng sau:

Sức chịu tải cho phép của móng nông

+ A: là tiết diện mũi cọc.

+ qp là ứng suất giới hạn mũi cọc

Gía trị qp được xác định bằng công thức:

qp= Kc qc

trong đó:

Kc được lấy theo bảng F.1 TCVN 9352-2012

qc là sức kháng mũi côn trung bình, lấy khoảng 3B phía trên và 3B phíadưới mũi cọc

Bảng 3.7 - Trị số thí nghiệm xuyên tĩnh cho các loại cọc

( trích TCVN 9352-2012).

3.6.6 Xác định hệ số cố kết ngang.

Thông qua thí nghiệm CPTu, giá trị áp lực nước lỗ rỗng đo được sẽ được sửdụng để đánh giá mức độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư theo thời gian

Đây là thí nghiệm chính xác nhất để xác định các thông số quan trong như hệ

số cố kết ngang và hệ số thấm ngang để giúp cho công tác thiết kế xử lý nềnđất yếu và đánh giá được tốc độ lún của đất nền

số áp lực ngang của đất được xác định theo công thức của Teh và Houlsbynhư sau:

Trong đó: Ch là hệ số cố kết ngang của đất, cm2/s

r- bán kính mũi côn, cm

T* là nhân tố thời gian phụ thuộc độ cố kết U và loại mũi côn Ứng với U=50%

và vị trí màng thấm ngay sau mũi côn thì T* = 0.245.

t50 là thời gian ứng với U=50% (s)

Ir là chỉ số độ cứng, có thể lấy Ir = E/3Su

Với E là module biến dạng và Su là cường độ cắt không thoát nước

B. Hệ số thấm ngang được xác định theo công thức của Baligh và Levadoux như sau:

Trong đó:

kh là hệ số thấm ngang, cm/s

RR-là chỉ số nén lại, được xác định từ thí nghiệm nén cố kết

là khối lượng thể tích tự nhiên của đất, g/cm3

là ứng suất có hiệu của đất, kPa

Ch là hệ số cố kết ngang, cm2/s

Để làm rõ cho các lý thuyết tính toán trong các chương trước, tác giả dùng số liệuthí nghiệm thực tế để tính toán các chỉ tiêu vật lý và đưa ra các nhận xét về các thí nghiệmxuyên tiêu chuẩn và xuyên tĩnh Tiểu luận giới thiệu các phương pháp xác định một sô chỉtiêu vật lý và động học của đất theo thí nghiệm CPTu cho đất khu vực đô thị Sài Gòn –Bình An Quận 2 thành phố Hồ Chí Minh Thí nghiệm này được thực hiện để xác định sứckháng mũi qc ,ma sát hông fs và áp lực nước lỗ rỗng u của đât Dựa vào kết quả thí nghiệmCPTu có thể phân loại đất và dựng mặt cắt địa chất qua các lỗ khoan và xuyên CPTu Từcác kết quả của thí nghiệm CPTu giúp xác định sơ bộ khả năng sức chịu tải của móngnông và móng cọc