Bài viết trình bày việc xác định tương quan hợp lý để xác định SCC không thoát nước qua kết quả SPT và CPTu phục vụ việc phân tích ổn định nền đường đắp trên đất yếu.
NGHIÊN CỨU SỨC CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT BẰNG CÁC THÍ NGHIỆM XUYÊN TIÊU CHUẨN (SPT), XUYÊN TĨNH CÓ ĐO ÁP LỰC NƯỚC LỖ RỖNG (CPTU) VÀ ỨNG DỤNG TRONG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU NGUYỄN THÁI LINH, NGUYỄN ĐỨC MẠNH* Study on shear strength of soil by standard penetration test (SPT) and piezocone penetration test (CPTu) and application in stabilization analysis of embankments on soft soil Abstract: The paper presents the determination of shear strength and undrained shear strength of the ground by results standard penetration test (SPT) and, piezocone penetration test (CPTu) at Ha Dong - Hanoi From this, the undrained shear strength is used for stability analysis of embankment on soft soil Keyword: Standard penetration test (SPT), piezocone penetration test (CPTu), undrained shear strength, stability, embankment ĐẶT VẤN ĐỀ * Sức chống cắt (SCC) đất nói chung sức chống cắt khơng nƣớc nói riêng tham số sử dụng để phân tích ổn định trƣợt sâu đƣờng đắp đất yếu SCC thƣờng đƣợc xác định trực tiếp từ mẫu đất phòng xác định trực tiếp hay gián tiếp từ thí nghiệm trƣờng Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (Standard Penetration Test - SPT) thí nghiệm xun tĩnh có đo áp lực nƣớc lỗ rỗng (Piezocone Penetration Test - CPTu) đƣợc nhiều tác giả nƣớc sử dụng để nghiên cứu SCC loại đất khác thông qua tƣơng quan thực nghiệm Các nghiên cứu khẳng định việc xác định SCC từ kết thí nghiệm SPT CPTu có độ tin cậy dễ tiến hành nhanh thuận tiện [1,2,5,6,7,8,11] Trong tiêu chuẩn hành (22TCN * Bộ mơn Địa kỹ thuật, khoa Cơng trình, Đại học Giao thơng Vận tải E-mail: thailinh.303@gmail.com E-mail: ndmanhgeot@gmail.com 12 262-2000) nƣớc ta thƣờng yêu cầu xác định sức chống cắt không nƣớc lớp đất yếu thí nghiệm cắt cánh trƣờng phục vụ phân tích ổn định thiết kế đắp đất yếu Vấn đề đặt sử dụng thơng số SCC khơng nƣớc xác định theo kết SPT hay CPTu thay cho thí nghiệm cắt cánh trƣờng để phân tích ổn định đắp đất yếu điều kiện nƣớc ta đƣợc hay không? Từ kết nghiên cứu thực nghiệm cơng trình cụ thể Hà Đông - Hà Nội sử dụng tƣơng quan có số tác giả ngồi nƣớc báo xác định tƣơng quan hợp l để xác định SCC khơng nƣớc qua kết SPT CPTu phục vụ việc phân tích ổn định đƣờng đắp đất yếu SỨC CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT THEO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM SPT VÀ CPTu 2.1 Theo kết SPT Hiện có nhiều tƣơng quan cho phép xác định SCC đất rời đất dính kết SPT Với đất cát tiêu biểu có [1 11]: ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 Công thức Peck Hanson Thornburn (1974), 54 – 27,6034e-0 014N‟60 (1) Hay cơng thức Schmertmann (1975) arctg[N60/(12,2+20,3 ‟vo)]0,34 (2) Còn Meyerhof (1956) sử dụng bảng tra sau: Bảng Góc ma sát đất rời theo kết SPT (Meyerhof, 1956) N - 4 - 10 (độ) < 30 30 - 35 10 - 30 30 - 50 > 50 35 - 40 40 - 45 > 45 Trong đó: N‟60 = N × C CN (3) N‟60 số SPT chuẩn hóa 60% lƣợng hữu ích; N số SPT; CE hệ số hiệu phụ thuộc vào thiết bị thí nghiệm Ở nƣớc ta đƣợc khuyến nghị lấy CE = 0,5 – 0,9 [1,7,8]; CN hệ số độ sâu xác định C N quan hệ của: Liao Whitman (1986), CN = (0,9576/‟vo)0,5 (4) Peck (1974), CN = 0,77 log(19,2/‟vo) (5) Skempton (1986), CN = 2/(1+‟vo) (6) ‟vo ứng suất hữu hiệu trọng lƣợng thân lớp đất theo phƣơng đứng (kg/cm2) Với đất sét bão hòa nƣớc sức chống cắt khơng nƣớc có nhiều tác giả đề cập điển hình nhƣ [1 10]: Cơng thức Sower (1979) Su= 100N/a (7) Trong đó: a = 10 với đất sét a = 15 với đất sét pha ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 a = 20 với đất cát pha Với Terzaghi Peck (1967) Su = 0,06 N60 (8) Còn theo Hara (1974), Su = 0,29N600,72 (9) 2.2 Theo kết CPTu Trong thí nghiệm CPTu đo đƣợc sức kháng mũi qc ma sát thành đơn vị fs áp lực nƣớc lỗ rỗng u nhờ chuyển tín hiệu riêng biệt Trong thiết bị CPTu sức kháng mũi qc áp lực thực tác dụng lên mũi qT, tính: qT = qc + uT (1-a) (10) đó: uT áp lực nƣớc lỗ rỗng đo vòng đá thấm đầu mũi xuyên; a tỷ số tiết diện ngang trục đáy mũi xuyên a = 0,8 – 0,82 Khi nghiên cứu sức chống cắt khơng nƣớc đất yếu (Su) CPTu sử dụng cơng thức Vésic (1975) Senneset (1985), Aas nnk (1986), Konrad Law (1987), Teh Houlsby (1991), Yu nnk (2000) hay Su Liao (2002) [2,3,5,6] Với đất cát SCC theo CPTu có số quan hệ nhƣ: Cơng thức Roberson Campanella (1983), arctg [0,1 + 0,38.log (qT/‟vo)] (11) Công thức Kulhawy Mayne (1990) 17,6 + 11log(qT) (12) Theo Meyerhof (1956) sử dụng bảng Bảng Góc ma sát đất rời theo kết CPTu (Meyerhof, 1956) 120 > 200 200 < 30 30 -35 35 - 40 40 - 45 > 45 qc (kPa) < 20 20 - 40 40 - 120 (độ) Với đất dính sức chống cắt khơng nƣớc theo CPTu sử dụng quan hệ sau [4 ]: Công thức Keaveny Michell (1986) 13 Su = (qT - ‟vo)/Nk (13) Với Nk hệ số hiệu chỉnh Nk = 15 – 20 Công thức Li (2011) Su = 0,063(qT - ‟vo) – 1,91 (14) Theo Viện xây dựng Sichuan – Trung Quốc (2014): Su = 0,0543(qT - ‟vo) + 4,8 (15) NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH TRƢỢT SÂU NỀN ĐƢỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU BẰNG KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM SPT VÀ CPTU 3.1 Vị trí nghiên cứu Sử dụng kết nghiên cứu từ cơng trình đƣờng trục phía nam tỉnh Hà Tây (cũ) thuộc địa phận Quận Hà Đông thành phố Hà Nội nhóm nghiên cứu thực cơng tác khoan thăm dò thí nghiệm mẫu đất phòng thí nghiệm xun tiêu chuẩn thí nghiệm cắt cánh lỗ khoan thí nghiệm xun tĩnh có đo áp lực nƣớc lỗ rỗng với 04 mặt cắt ngang nghiên cứu bao gồm 08 lỗ khoan khảo sát địa chất 03 điểm xuyên CPTu cho đoạn tuyến dài 6km Địa tầng mặt cắt lựa chọn nghiên cứu lớp kết cấu áo đƣờng đất đắp đƣờng có lớp đất tự nhiên sét dẻo cao - dẻo mềm (lớp 2a) phía dƣới lớp bụi dẻo cao - dẻo chảy (lớp 2b), lớp sét bụi dẻo cao xen kẹp cát dẻo mềm (lớp 2c) dƣới lớp cát chặt vừa Mực nƣớc ngầm ngang mặt đất Các lớp đất 2a, 2b 2c đƣợc xem thuận lợi cho xây dựng đƣờng tơ đắp – đất yếu đối tƣợng đƣợc phân tích nghiên cứu Một số thơng số lớp đất mặt cắt nghiên cứu nhƣ bảng 3.2 Đặc điểm sức chống cắt khơng nƣớc đất theo kết SPT CPTu phạm vi nghiên cứu Thí nghiệm SPT CPTu đƣợc thực cơng trình nghiên cứu đƣờng trục phía Nam Hà Tây (cũ) dùng hàm tƣơng quan thực nghiệm mục xác định đƣợc thông số sức chống cắt lớp đất 2a 2b 2c mặt cắt nghiên cứu * Với thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn Các hình 1, 2, cho thấy, sức chống cắt khơng nƣớc (Su) xác định N60, theo Sower, Terzaghi Peck, hay Hara khác Su xác định qua SPT theo công thức Hara cho lớp đất 2a, 2b 2c lớn nhất, theo Sower bé So sánh với thí nghiệm cắt cánh trƣờng (bảng 3, hình 4), Su tính theo Sower nhỏ từ 16% đến 19% theo Hara cao từ 7% đến 18% độ chênh lệch với công thức Terzaghi Peck 3% Bảng Thông số lớp đất Lớp 2a 2b 2c Chiều dày Su * (kN/m3) lớp đất (m) (kPa) 1,2 – 1,8 17,4 31,0 0,9 – 1.0 15,4 28,6 3,3 – 5,0 17,64 26,6 2,0 – 3,0 17,72 - * Su từ thí nghiệm cắt cánh trƣờng ** xác định theo TCVN 9351:2012 14 ** (độ) 30,1 Hình Su xác định qua N60 lớp đất 2a ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 khác biệt khơng lớn (lệch 4%-10%) (hình 5) Hình Su xác định qua N60 lớp đất 2b Hình xác định qua N60 lớp đất Hình Su xác định qua N60 lớp đất 2c * Với thí nghiệm xun tĩnh có đo áp lực nước lỗ rỗng Sức chống cắt khơng nƣớc (Su) lớp đất 2a 2b 2c xác định kết thí nghiệm CPTu theo cơng thức Li, Keaveny Michell, hay Viện xây dựng Sichuan có khác biệt (hình 6, 7, 8) Khi so sánh Su xác định theo CPTu với cắt cánh trƣờng (hình 9), Su theo Keaveny Michell thấp so với thí nghiệm cắt cánh từ 1% đến 15% Su theo cơng thức Viện xây dựng Sichuan cao Su từ cắt cánh 6-12% Đối với công thức liên hệ Li cho kết độ lệch nhỏ nhất, khoảng 3,5% Hình So sánh Su xác định theo N60 với Su từ cắt cánh trường Với lớp đất cát (lớp đất số 3), góc ma sát xác định qua N60 theo công thức Meyerhof, Peck Schmertmann cho kết có ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 Hình Su xác định qua qT lớp đất 2a 15 tác giả khác có chênh lệch khơng lớn (2,5 - 4%) (hình 10) Trƣờng hợp này, cơng thức liên hệ Meyerhof cho giá trị góc ma sát đất cát bé Hình Su xác định qua qT lớp đất 2b Hình 10 xác định theo CPTu lớp Hình Su xác định qua qT lớp đất 2c Hình So sánh Su xác định theo qT với Su từ cắt cánh trường lớp đất Trƣờng hợp đất cát (lớp 3), góc ma sát () xác định theo công thức 10, 11 bảng Kết nghiên cứu cho thấy, xác định theo 16 3.3 Phân tích ổn định trƣợt sâu đƣờng đắp đất yếu sử dụng sức chống cắt khơng nƣớc theo kết SPT CPTu Sử dụng mặt cắt địa chất gồm lớp đất nhƣ bảng phân tích ổn định đƣờng đắp cao từ 5m đến 6m với bề rộng mặt đƣờng 40m xét trƣờng hợp: - Trƣờng hợp (TH1): Sử dụng Su lớp đất 2a 2b 2c từ thí nghiệm cắt cánh trƣờng lớp lấy theo TCVN 9351:2012 (bảng 3) - Trƣờng hợp (TH2): Sử dụng Su xác định qua số SPT theo công thức Terzaghi Peck, lớp lấy theo cơng thức Peck (hình 1, 2, 3, 5) - Trƣờng hợp (TH3): Sử dụng Su xác định qua kết CPTu theo công thức Li, lớp đất lấy theo quan hệ Meyerhof (hình 6,7,8,10) Sử dụng phần mềm Geostudio 2007 mơ đun Slope/W, phân tích ổn định trƣợt sâu đắp cao 3,5m; 4m; 4,5m; 5m; 5,5m 6m Kết phân tích ổn định cho trƣờng hợp điều kiện khác đƣợc thể bảng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 Bảng Hệ số ổn định trƣợt sâu đƣờng đắp đất yếu trƣờng hợp nghiên cứu Hệ số ổn định (Fs) TH Hđắp(m) 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 TH1 TH2 TH3 2,31 1,99 1,77 1,61 1,47 1,36 2,31 2,00 1,79 1,64 1,51 1,39 2,29 1,99 1,79 1,61 1,49 1,37 Bảng cho thấy, trƣờng hợp cụ thể, tải trọng tác dụng (cùng chiều cao đắp), hệ số ổn định trƣợt (Fs) gần tƣơng đƣơng (độ chênh lệch < 2,7%) sử dụng thông số sức chống cắt không nƣớc xác định qua số SPT theo cơng thức Terzaghi Peck xác định qua kết CPTu theo cơng thức Li theo kết thí nghiệm cắt cánh trƣờng Khi chiều cao đắp tăng hệ số ổn định trƣợt giảm tuyến tính tƣơng ứng trƣờng hợp xem xét (bảng 4) KẾT LUẬN Sức chống cắt khơng nƣớc (Su) lớp đất dính mềm yếu (trạng thái dẻo mềm – dẻo chảy) xác định thơng qua kết thí nghiệm xun tiêu chuẩn (SPT) công thức Terzaghi Peck, hay xuyên tĩnh có đo áp lực nƣớc lỗ rỗng (CPTu) theo cơng thức Li sử dụng để thay kết thí nghiệm cắt cánh trƣờng phân tích ổn định trƣợt sâu đƣờng đắp đất yếu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vũ Công Ngữ, Nguyễn Thái (2006), "Thí nghiệm đất trường ứng dụng phân tích móng", Nxb KH&KT, Hà Nội [2] Fernando Schnaid (2006), "Piezocone Penetration Tests CPTu", Universidade Federal Rio Grande Sul, Brazil [3] Hara, A., Ohta, T., Niwa, M., Tanaka, S., and Banno, T (1974), “Shear modulus and shear strength of cohesive soils”, Soils and Foundation., 14(3), 1-12 [4] Li, Z.M (2011), "Soft soil foundation reinforcement with quality control", Beijing China Building Industry Press [5] Geotechnical Research Group Department of Civil Engineering, "Manual On Interpretation Of Seismic Piezocone Test Data For Geotechnical Design (2001) Practical Applications of the Cone Penetration Test", The University of British Columbia USA 235pp [6] United States Department of Agriculture Natural Resources Conservation Service (2012), National Engineering Handbook [7] Liao, S.S.C and Whitman, R.V (1986), "Overburden Correction Factors for SPT in Sand", Journal of Geotechnical Engineering, A.S.C.E., v 112:3, p 373-377 [8] Skempton (1986), "Standard Penetration Test Procedures and the Effects in Sands of Overburden Pressure, Relative Density, Particle Size, Aging and Overconsolidation", Geotechnique, v 36:3, p 425-447 [9] Sowers, G.B and Sowers, G.F (1970), "Introductory Soil Mechanics and Foundations", Third Edition, The MacMillan Co., New York [10] Peck, R., Hanson,W., and Thornburn (1974), "Foundation Engineering Handbook", Wiley, London [11] Terzaghi, K and Peck, R.B (1967), "Soil Mechanics in Engineering Practice", John Wiley, NewYork 729 [12] TCVN 9351:2012 - Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT [13] TCVN 9846:2013 - Quy trình thí nghiệm xuyên tĩnh có đo áp lực nƣớc lỗ rỗng (CPTu) [14] 22TCN 262:2000 - Quy trình khảo sát đƣờng ô tô đắp đất yếu Người phản biện: PGS.TS TRẦN MẠNH LIỄU ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 17 ... nhóm nghiên cứu thực cơng tác khoan thăm dò thí nghiệm mẫu đất phòng thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn thí nghiệm cắt cánh lỗ khoan thí nghiệm xun tĩnh có đo áp lực nƣớc lỗ rỗng với 04 mặt cắt ngang nghiên. .. Với thí nghiệm xuyên tĩnh có đo áp lực nước lỗ rỗng Sức chống cắt khơng nƣớc (Su) lớp đất 2a 2b 2c xác định kết thí nghiệm CPTu theo công thức Li, Keaveny Michell, hay Viện xây dựng Sichuan có. .. xác định thông qua kết thí nghiệm xun tiêu chuẩn (SPT) cơng thức Terzaghi Peck, hay xuyên tĩnh có đo áp lực nƣớc lỗ rỗng (CPTu) theo cơng thức Li sử dụng để thay kết thí nghiệm cắt cánh trƣờng phân