Trong thực tế, sức chống cắt không thoát nước Su phụ thuộc đáng kể vào độ chặt của đất nên phụ thuộc độ sâu và trạng thái ứng suất. Việc thiết lập tương quan giữa Suvà độ chặt của đất là cơ sở giúp dự báo sự thay đổi Su theo thời gian dưới tác dụng của tải trọng ngoài. Tham khảo bài viết Tương quan sức chống cắt không thoát nước của sét mềm theo độ sâu và mức độ nén chặt để hiểu hơn về vấn đề này.
TƯƠNG QUAN SỨC CHỐNG CẮT KHƠNG THỐT NƯỚC CỦA SÉT MỀM THEO ĐỘ SÂU VÀ MỨC ĐỘ NÉN CHẶT Lê Hồng Việt1 Bùi Trường Sơn2 Tóm tắt: Trong thực tế, sức chống cắt khơng nước Su phụ thuộc đáng kể vào độ chặt đất nên phụ thuộc độ sâu trạng thái ứng suất Việc thiết lập tương quan Su độ chặt đất sở giúp dự báo thay đổi Su theo thời gian tác dụng tải trọng Kết nghiên cứu cho phép xây dựng tương quan sức chống cắt khơng nước sét mềm bão hòa nước khu vực chặt chẽ theo trạng thái ứng suất độ chặt Từ khóa: Sức chống cắt khơng nước; Đất yếu; Tương quan; Thí nghiệm cắt cánh MỘT SỐ TƯƠNG QUAN SỨC CHỐNG CẮT KHƠNG THỐT NƯỚC CỦA ĐẤT LOẠI SÉT1 Thí nghiệm nén ba trục theo sơ đồ khơng cố kết, khơng nước (UU) thí nghiệm cắt cánh trường (VST) với hệ số hiệu chỉnh thích hợp cách tốt để xác định sức chống cắt khơng nước đất sét sử dụng để phân tích ổn định cơng trình Nhiều tương quan sức chống cắt khơng nước với tiêu vật lý độ ẩm W, giới hạn chảy LL, số dẻo PI nghiên cứu kiến nghị viết Bjerrum (1972), Azzouz (1983), Duncan (1989), Kulhawy Mayne (1990), Morris Williams (1994) Trong tương quan đó, tác giả quan niệm đất bão hòa, tức xem φ~ sức chống cắt biểu thị lực dính khơng nước cu (hay Su) Sự tăng độ bền sức chống cắt Su theo ứng suất hữu hiệu thường biểu thị tỷ số (Su/σ’vo) Tỷ số xem sở hữu ích để đặc trưng cho sức chống cắt khơng nước đất sét Các tương quan tỷ số (Su/ σ’vo) số dẻo cho sét cố kết thường (NC) đưa Đầu tiên Skempton (1948) Sau đó, Bjerrum (1972) đề nghị sức chống cắt khơng nước Su nên xác định từ kết thí nghiệm cắt cánh trường hiệu chỉnh theo hệ số Gần đây, tương quan hoàn chỉnh đưa Terzaghi, Peck Mersi (1996) Quan niệm tỷ số (Su/ σ’vo) cho sét cố kết thường (NC) mở rộng Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM 120 thêm phù hợp cho sét cố kết (OC) kết nghiên cứu theo SHANSEP Các kết nghiên cứu khác cho thấy sức chống cắt khơng nước Su đất sét bão hòa nước khác theo phương pháp thí nghiệm khác phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố điều kiện thí nghiệm, lịch sử ứng suất (thông qua giá trị OCR), chế phá hoại (thơng qua giá trị Af), tính bất đẳng hướng (điều kiện trầm tích) [5], [6], [8] CƠ SỞ THIẾT LẬP TƯƠNG QUAN ĐỘ CHẶT - ỨNG SUẤT NÉN Để đánh giá dự báo Su theo độ chặt, trước tiên cần xây dựng tương quan độ chặt trạng thái ứng suất Từ đường cong nén lún e-p mẫu đất, thiết lập phương trình đường cong nén lún dạng [7]: e(z) = e(0) – b[1 – exp(-az)] (1) Ở đây: a, b – hệ số xác định từ kết thí nghiệm mẫu đất e(0)- hệ số rỗng đất bề mặt (hệ số rỗng điều kiện thí nghiệm vật lý phòng) Từ xác định quy luật thay đổi tải trọng nén chặt theo độ sâu lớp đất quan hệ: z ( s w ) dz [1 e( z )] ( z ) (2) Với γs γw – dung trọng hạt dung trọng nước Thay (1) vào (2) giải tích phân: KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) s w b b ( z ) 1 ln exp ax a ( e b ) e e 0 (3) Từ đó: a e( z ) e(0) b1 exp ln exp z b0 / c d0 số tương quan R2=0,9057 TƯƠNG QUAN b e0 b b0 ; d s sub e0 Như vậy, độ chặt (e) phụ thuộc ứng suất nén tác dụng tuân theo quy luật phi tuyến với hàm mũ số logarit tự nhiên Một số loại đất sét cấu trúc tự nhiên, quan hệ hệ số rỗng ứng suất hữu hiệu ln(e+ec) – ln(p’) (trong ec thơng số đất) tốt quan hệ e – ln(p’) Theo đề nghị J.C Chai, N Miura, H.H Zhu Yudhbir, sét cấu trúc tự nhiên có độ nhạy >4, quan hệ ln(e+ec) – ln(p’) sử dụng tính tốn cố kết tính lún Hiệu bước đầu quan hệ ln(e+ec) – ln(p’) thảo luận quan hệ ứng xử tính tốn từ đường cong tải trọng – lún nén cố kết sét cấu trúc tự nhiên Quan hệ ln(e+ec) – ln(p’) kết hợp chặt chẽ với mơ hình Sét Cam cách bổ sung định luật hóa cứng mơ hình [4] Theo đó, xác định ứng suất hữu hiệu, hồn tồn xác định độ chặt tương ứng e điểm đáng xét Độ chặt sét mềm bão hòa nước phụ thuộc đáng kể vào trạng thái ứng suất Càng xuống sâu, ứng suất trọng lượng thân tăng, độ chặt đất tăng Nếu thiết lập tương quan độ chặt ứng suất, sức chống cắt không nước độ chặt hồn tồn xác định Su từ trạng thái ứng suất TƯƠNG QUAN SỨC CHỐNG CẮT KHƠNG THỐT NƯỚC CỦA SÉT MỀM THEO ĐỘ SÂU VÀ MỨC ĐỘ NÉN CHẶT Như tổng kết trình bày trước [1], quan hệ tỷ số (Su/ σ’vo) độ sâu thể rõ ràng theo kết cắt cánh Ở đây, từ độ sâu 12m trở lên, quan hệ (Su/ σ’vo) độ sâu có đặc điểm phi tuyến tỷ số (Su/ σ’vo) giảm dần theo độ sâu Kết tổng hợp từ 30 điểm THEO ĐỘ SÂU KHU ĐÔ THỊ MỚI NHÀ BÈ 0.0 0.0 5.0 Độ sâu z(m) Với: a0 = (1+e0 – b); e0 (4) cắt cánh tới độ sâu 20m khu vực Nhà Bè cho thấy tương quan độ sâu tỷ số (Su/ 1, 686 σ’vo) có dạng: z 2, 4717S u / 'vo với hệ 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1,3669 S z 2,8289. u' vo R 0,9438 10.0 15.0 20.0 25.0 Hình Biểu đồ quan hệ (Su/ σ’vo) theo độ sâu từ thí nghiệm cắt cánh Trong trường hợp này, tiến hành thiết lập tương quan theo độ sâu khác nhau: đoạn từ mặt đất đến độ sâu 12m, đoạn hai từ 12m trở đi, việc lựa chọn độ sâu sở nghiên cứu giá trị OCR theo độ sâu có trước Đất yếu khu vực có đặc điểm cố kết phạm vi 12m trở lại, từ độ sâu trở có đặc điểm cố kết thường (theo kết thống kê 750 mẫu đất khu vực) [3] Hệ số tương quan (Su/σ’vo) z từ độ sâu 12m trở lại có giá trị R2=0,9438 tỏ chặt chẽ Tổng hợp 96 kết thí nghiệm nén cố kết đất sét mềm khu vực khảo sát, tương quan e σ v’ sau: ' e (*) 2,1503.e 0, 0017 v (5) KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) Ở đây: e(*) – hệ số rỗng v' - ứng suất nén (kPa) 121 Từ (5), lấy đạo hàm: ' e' 0,0017 .2,1503.e 0, 0017 v Hay hệ số góc tiếp tuyến: ' e' 0,00366.e 0, 0017 v (6) Chọn điểm biểu đồ để tính giá trị ec Điểm M1(96,763;1,824) điểm tương đương áp lực tiền cố kết Điểm M2(200; 1,533) điểm có áp lực lớn xét Lần lượt thay giá trị từ điểm M1, M2 vào biểu thức trên, giá trị 1, 2 tính tốn 0.0031 -0.0026 Từ đó: ec=(e122112) Giá trị ec tính tốn là: ec =-0,0154 Như vậy, xác định ứng suất nén tác dụng xác định e Khi xây dựng tương quan mức độ nén chặt, nhận thấy tương quan (5) đất khu vực có giá trị hệ số tương quan cao: R2=0,9975 nên việc xét thêm tương quan theo hàm ln bổ sung khơng cần thiết hệ số tương quan có giá trị tương tự Các kết nghiên cứu tương quan sức chống cắt khơng nước Su phụ thuộc vào nhiều yếu tố: điều kiện phương pháp thí nghiệm; lịch sử ứng suất (giá trị OCR); Tính giãn nở (thơng qua Af) Việc xét yếu tố nhằm dự tính Su gặp nhiều khó khăn khơng thể dự báo giá trị Af, OCR q trình xây dựng Ngồi ra, tương quan Su độ chặt đất (e) chưa cho phép xác định Su kết thí nghiệm cho thấy thay đổi mạnh mẽ Su theo độ sâu lớp đất Tuy nhiên, loại đất khác độ sâu giá trị Su 122 TƯƠNG QUAN Su/e THEO ĐỘ SÂU KHU ĐÔ THỊ MỚI NHÀ BÈ 0.0 10.0 20.0 0.0 30.0 S z 15.741ln u 27,448 e R 0,9602 5.0 Độ sâu z(m) Hình Đặc điểm nén ép đất sét mềm tương quan độ chặt theo trạng thái ứng suất khác biệt nên bỏ qua vai trò độ chặt Do đó, để dự báo gia tăng Su sét mềm trình xây dựng, thiết phải xét đến thay đổi ứng suất tác dụng gây trình cố kết cho sét mềm (làm tăng độ chặt đất) Từ rút tương quan ứng suất tác dụng (’) – độ chặt tương ứng (e) sét mềm sức chống cắt không thoát nước (Su) chặt chẽ quan hệ mật thiết lẫn (quan hệ ’- e – Su) Tương quan sức chống cắt khơng nước Su với độ chặt (thể thông qua giá trị e ’ tác dụng) tương quan hợp lý lựa chọn để áp dụng có ý nghĩa thực tiễn cao công tác dự báo Su Các tương quan Su từ 30 điểm thí nghiệm cắt cánh với 400 kết thí nghiệm thể hình Thiết lập mối tương quan đại lượng cho phép dự báo gia tăng Su tác dụng trình gia tải xây dựng 10.0 15.0 20.0 25.0 Hình Tương quan Su/e theo độ sâu ứng suất hữu hiệu KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) TƯƠNG QUAN Su/e THEO ỨNG SUẤT BẢN THÂN HỮU HIỆU KHU ĐÔ THỊ MỚI NHÀ BÈ 0.0 10.0 20.0 30.0 0.0 Ứng suất thân hữu hiệu s'vo(kPa) 20.0 S v' 8,1852ln u 142,73 e R 0,9602 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 Hình Tương quan Su/e theo ứng hiệu Rõ ràng tương quan (Su/e) theo độ sâu hay theo ứng suất hữu hiệu mang đặc điểm phi tuyến rõ rệt với giá trị hệ số tương quan cao R2=0,9602 Ở đây, giá trị hệ số rỗng tương ứng xác định từ tương quan (5), giá trị Su lấy trung bình từ 30 điểm thí nghiệm cắt cánh trường tương ứng độ sâu Kết cắt cánh trường cho thấy sức chống cắt khơng nước sét mềm tăng tuyến tính theo độ sâu biểu diễn phương trình Su=1,386z+8,081 [2] Từ tương quan sức chống cắt theo độ chặt độ sâu, tương quan (Su/e) xây dựng từ hệ số thu từ kết thí nghiệm biểu diễn dạng: Su 1,386.z 8,081 e 2,1503 exp(0,0017. '.z ) ' 1,386 vo 8,081 S Hay: u e 2,1503 exp(0,0017. vo' ) Ví dụ tính tốn: Ở độ sâu 8m nền, hệ số rỗng trung bình: eo= 2,104; dung trọng đẩy trung bình: ’=5,2kN/m3 Ứng suất trọng lượng thân ’.z=41,6kN/m2 Tính e: Theo quan hệ vo' e; giá trị hệ số rỗng tương ứng với ứng suất nén: ' Từ biểu thức (5): e (*) 2,1503.e 0, 0017 v , tính được: e =2,1503.e(-0,0017x41,6) = 2,003 Tính Su: Cách 1: Theo tương quan trực tiếp từ thí nghiệm cắt cánh trường: Su= 1,386z+8,081 Từ đó: Su= 1,386x8+8,081=19,17 kN/m2 Cách 2: Theo tương quan thiết lập: ' 1,386 vo 8,081 Su e 2,1503 exp(0,0017. vo' ) Tính được: Su= 20,14kN/m2 So sánh eo: Xét số mẫu khu vực khảo sát có tiến hành thí nghiệm mẫu độ sâu 8m, kết sau: Bảng Giá trị eo từ kết thí nghiệm phòng độ sâu 8m Độ sâu Hệ số STT Lỗ khoan (m) rỗng eo BH-20 8,0-8,6 2,052 BH-31 8,0-8,6 2,057 BH-32 8,0-8,6 2,087 BH-34 8,0-8,6 2,071 BH-40 8,0-8,6 2,027 BH-43 8,0-8,6 2,248 Giá trị trung bình 2,093 So sánh hệ số rỗng eo thực tế eo phân tích, sai số tính toán là: 2,003 2,093 0,43% 2,093 So sánh Su :Kết thí nghiệm cắt cánh trường từ thí nghiệm thực độ sâu 8,0m cho kết sau: Bảng Giá trị Su từ kết thí nghiệm cắt cánh trường độ sâu 8m STT Vị trí cắt cánh VST1 VST2 VST3 VST4 VST5 Su(kPa) 19,60 17,60 20,20 17,99 19,29 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) STT 15 16 17 18 19 Vị trí cắt cánh VST15 VST16 VST17 VST18 VST20 Su(kPa) 18,05 17,21 20,60 19,62 24,29 123 STT 10 11 12 13 14 Vị trí cắt cánh VST6 VST7 VST8 VST9 VST10 VST11 VST12 VST13 VST14 Su(kPa) 18,19 16,27 18,88 20,81 24,17 20,67 12,38 24,10 18,05 STT 20 21 22 23 24 25 26 27 So sánh theo cách tính Su: 19,17 20,39 6,0% 20,39 So sánh theo cách tính Su: 20,14 20,39 1,2% 20,39 Như vậy, Su tính theo cách hợp lý với giá trị tính tốn gần với giá trị thực tế KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Từ kết thí nghiệm, tổng hợp phân tích thiết lập tương quan sức chống cắt khơng nước sét mềm với độ chặt, rút kết luận sau: S Tỷ số u' có đặc điểm phi tuyến theo độ v sâu, từ độ sâu 12m trở lại tương quan có dạng: 1,3669 S z 2,8289. u' vo , với R2=0,9438 Vị trí cắt cánh VST21 VST22 VST24 VST25 VST26 VST27 VST29 VST30 Trung bình Su(kPa) 20,65 26,26 17,86 25,79 24,05 25,79 16,84 25,45 20,39 Tương quan sức chống cắt khơng nước độ chặt đất sét mềm bão hòa khu vực khảo sát hiểu dạng: ' 1,386 vo 8,081 Su e 2,1503 exp(0,0017. vo' ) Như vậy, sử dụng tương quan chặt chẽ sức chống cắt khơng nước cho phép dự báo sức chống cắt gia tăng xử lý Nếu biết độ cố kết (xác định v' ) độ biến dạng nén ép (xác định hệ số rỗng) xác định nhanh giá trị Su sở tương quan thiết lập Trên sở tương quan chặt chẽ thiết lập, sử dụng lý thuyết cố kết thấm để tính tốn áp lực nước lỗ rỗng thặng dư điểm cho phép xác định giá trị Su độ sâu thời điểm Đây ý tưởng cho nghiên cứu ứng dụng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] 22TCN 262-2000 (2001), Qui trình khảo sát thiết kế đường ô tô đắp đất yếu, NXB Giao thơng vận tải [2] Bùi Trường Sơn, Lê Hồng Việt (2011) Chọn lựa sức chống cắt khơng nước sét mềm để tính tốn cơng trình đắp Tập 14 Tuyển tập kết khoa học công nghệ, NXB Nông nghiệp Trang 469-477 [3] Bùi Trường Sơn, Nguyễn Trùng Dương (2007) Ổn định lâu dài đất yếu bão hòa nước cơng trình san lấp khu vực Thành phố Hồ Chí Minh Đồng Bằng Sơng Cửu Long sở mơ hình Camclay, Tạp chí địa kỹ thuật, số 1, trang 25-30 [4] J.-C.Chai, N Miura, H.-H Zhu, and Yudhbir (2004) Compression and consolidation characteristics of structured natural clay Can Geotech J.41 p.1250–1258 [5] Paulus P.Rahardjo (2001) In situ testings and soil properties correlations Geotechnics laboratory Parahyangan Katolik University 124 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) [6] T.S.Nagaraj, N.Miura (2001) Soft clay behaviour, analysis and assessment A.A Balkema/ Rotterdam/ Brookfield [7] Ter-Martirosyan Z.G (1992) Rheological parameters of soils and design of foundations Oxfort and IBS publishing Co Pvt Ltd [8] Yit-Jin Chen, Fred H Kulhawy (1993) Undrained strength interrelationship among CIUC, UU and UC tests Journal of Geotechnical Engineering, Vol.119, No 11, November Abstract UNDRAINED SHEAR STRENGTH CORRELATION OF SOFT SOIL ON THE DEPTH AND DEGREE OF DENSITY In fact, undrained shear strength Su depends significantly on the density of soil, the depth and the stress state Establishing a correlation between Su and the density of soil is a facility of Su forecast changes over time under the effect of external load The research results allow to establish undrained shear strength correlation of saturated soft clay of the area on the stress state and density Key word: Undrained shear strength; Soft soil; Correlation; Vane shear test Người phản biện: TS Bùi Văn Trường KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) BBT nhận bài: 20/9/2012 Phản biện xong: 22/11/2012 125 ... cắt khơng nước độ chặt hồn tồn xác định Su từ trạng thái ứng suất TƯƠNG QUAN SỨC CHỐNG CẮT KHƠNG THỐT NƯỚC CỦA SÉT MỀM THEO ĐỘ SÂU VÀ MỨC ĐỘ NÉN CHẶT Như tổng kết trình bày trước [1], quan hệ tỷ... tác dụng (’) – độ chặt tương ứng (e) sét mềm sức chống cắt khơng nước (Su) chặt chẽ quan hệ mật thiết lẫn (quan hệ - e – Su) Tương quan sức chống cắt khơng nước Su với độ chặt (thể thông qua... phân tích thiết lập tương quan sức chống cắt không nước sét mềm với độ chặt, rút kết luận sau: S Tỷ số u' có đặc điểm phi tuyến theo độ v sâu, từ độ sâu 12m trở lại tương quan có dạng: 1,3669