Đặc trưng cơ lý của sét mềm và đất rời từ thí nghiệm nén ngang ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh

Thí nghiệm nén ngang (PMT) là một trong các thí nghiệm hiện trường có thể thực hiện ở các độ sâu khác nhau. Thí nghiệm này cho phép không chỉ xác định các đặc trưng biến dạng (Eo, Er) và độ bền (pL) mà còn trạng thái ứng suất ban đầu, trong đó, giá trị áp lực ngang ban đầu σoh.

TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016    ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CỦA SÉT MỀM VÀ ĐẤT RỜI TỪ THÍ NGHIỆM NÉN NGANG Ở KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH PHYSICAL MECHANICAL PROPERTIES OF SOFT CLAYEY AND COHESIONLESS SOILS FROM PRESSUREMETER TEST IN HOCHIMINH CITY PGS TS Bùi Trường Sơn Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM TĨM TẮT Thí nghiệm nén ngang (PMT) thí nghiệm trường thực độ sâu khác Thí nghiệm cho phép không xác định đặc trưng biến dạng (Eo, Er) độ bền (pL) mà trạng thái ứng suất ban đầu, đó, giá trị áp lực ngang ban đầu σoh Kết thí nghiệm sử dụng để tính tốn móng nơng, móng cọc đặc biệt phù hợp cho loại hình cơng trình ngầm Việc tổng hợp đánh giá đặc trưng thu nhận từ thí nghiệm loại đất phổ biến sét mềm bão hòa nước đất rời khu vực Tp HCM lân cận có ý nghĩa thực tiễn công tác địa kỹ thuật ABSTRACT Pressuremeter test is the one of in-situ tests which can be carry out at various depths This test allows determining not only deformation (Eo, Er) and strength (pL) characteristics, but also initial stress state including horizontal stress σoh The testing results can be used for calculating shallow and pile foundation and especially conforming to underground construction The synthetically evaluating characteristics from this test on popular soils in HoChiMinh City and neighboring areas such as soft saturated and cohesionless soils have practical significance in geotechnical engineering MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TƯƠNG QUAN VỀ ĐẶC TRƯNG ĐỘ BỀN TỪ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM NÉN NGANG TRONG HỐ KHOAN Kết thí nghiệm nén ngang hố khoan sử dụng để tính tốn thiết kế hầu hết loại móng cơng trình khác Trong đó, đánh giá độ lún lẫn khả chịu tải [1], [2], [3] Đối với sét mềm bão hòa nước, đặc trưng độ bền thường thể thơng qua sức chống cắt khơng nước Su Ở đây, nguyên tắc phương pháp phổ biến bao gồm: phương pháp áp lực giới hạn; phương pháp tương quan theo kinh nghiệm; phương pháp đường cong áp lực; phương pháp Gibson-Anderson phương pháp đường cong cắt Ở phương pháp áp lực giới hạn, có hàng loạt kết nghiên cứu tóm tắt bảng VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 339  TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016    Bảng Quan hệ cường độ chống cắt khơng nước áp lực giới hạn Stt Su (pL-σoh)/k Loại đất k=2 đến Tác giả Ménard (1975) (pL-σoh)/5,5 Sét chảy (pL-σoh)/8 Sét dẻo mềm – dẻo cứng Cassan (1972), Amar Jézéquel (1972) (pL-σoh)/15 Sét dẻo cứng – nửa cứng (pL-σoh)/6,8 Sét dẻo cứng Marsland Randolph (1977) (pL-σoh)/5,1 Tất loại sét Lukas LeClerc de Bussy (1972) (pL-σoh)/10+25 Martin Jézéquel (1986) (pL-σoh)/10 Sét dẻo cứng Martin Drahos (1986) (pL/10)+25 Sét chảy đến dẻo cứng Johnson (1986) Về tổng thể, biểu thức thể tương quan có dạng: Su= pL*/β, với pL*=(pL-σoh) gọi áp lực giới hạn ròng Đối với đất rời, độ bền thể chủ yếu thông qua góc ma sát tương quan từ phương pháp biểu đồ áp lực, phương pháp Hughes –Wroth –Windle phương pháp tương quan theo kinh nghiệm sử dụng phổ biến Ở trạng thái cân giới hạn, tương quan biểu diễn dạng: 1(1−k ) a ⎡ G ⎤2 pL' = σ oh' (1 + sin ϕ ) ⎢ ' ⎥ ⎣ σ oh sin ϕ ⎦ Ở đây: G – module trượt; ka – hệ số áp lực chủ động Hình Quan hệ φ-p’L (Menard, Baguelin đồng nghiệp, 1978) Nhiều phải kể đến tổng kết Briaud đồng nghiệp Căn liệu thu thập, tương quan thí nghiệm với thí nghiệm khác với đặc trưng Eo, Er, pL, Su, φ, N, qc fs tổng hợp với loại đất khác ứng với độ sâu phân bố Một số biểu thức thể tương quan tổng kết sau [4], [5], [6]: 340 VIEÄN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM  TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016    Trong đất loại sét: pL=7,5Su; pL=0,2qc; pL=0,071Eo; Eo=100Su; Eo=2,5qc; Eo=0,278Er Trong đất rời: pL(kPa)=47,9N; pL=0,11qc; pL=0,125Eo; Eo=383N; Eo=1,15qc ĐẶC ĐIỂM ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ TỪ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM NÉN NGANG TRONG SÉT MỀM VÀ ĐẤT RỜI Từ kết 37 thí nghiệm nén ngang sét mềm quận 2, 7, Nhà Bè số khu vực khác độ sâu khác nhau, quan hệ đặc trưng tổng hợp thể thông qua biểu đồ từ Hình đến Hình Hình Quan hệ module nén ngang (Ep) theo độ sâu sét mềm bão hịa nước Hình Quan hệ áp lực giới hạn ròng module nén ngang sét mềm bão hịa nước Hình Quan hệ áp lực giới hạn (pL) theo độ sâu sét mềm bão hịa nước Hình Quan hệ hệ số áp lực đất tĩnh (Ko) theo độ sâu sét mềm bão hịa nước Kết Hình cho thấy giá trị Ep pL dao động phạm vi rộng độ sâu Tuy nhiên, khuynh hướng gia tăng giá trị Ep pL theo độ sâu rõ ràng Đối với sét mềm bão hịa nước, thơng số đặc trưng lý sử dụng cho việc phân tích khả ổn định cơng trình đắp thường quan tâm khu vực VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 341  TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016    gần bề mặt, nơi ảnh hưởng trực tiếp loại hình cơng trình Ở đây, từ độ sâu từ 5m trở lại, giá trị module biến dạng từ thí nghiệm nén ngang dao động chủ yếu phạm vi 500 – 3.000 KN/m2 Hình cho thấy quan hệ Ep p*L có dạng tuyến tính rõ ràng (so với quan hệ Ep pL) Theo quan hệ này, tỷ số Ep/p*L sét mềm bão hòa dao động phạm vi hẹp Tỷ số Ep/p*L theo độ sâu thiết lập kết cho thấy tỉ số Ep/p*L dao động phạm vi chủ yếu từ 8-12, trung bình 11,6 Thí nghiệm nén ngang thực với việc giữ áp lực nén không đổi thời gian ngắn Đối với sét mềm bão hịa nước, điều kiện thí nghiệm khó cho phép đánh giá đặc trưng lý đất đạt trạng thái ổn định thoát nước Tuy nhiên, việc đánh giá hệ số áp lực ngang tĩnh Ko =  (σ’oh/σ’zg) chừng mực cho phép rút nhận định trạng thái ứng suất ban đầu đất Ở độ sâu 5m trở lại, K0 dao động chủ yếu từ 0,6 đến đa số có giá trị lớn Qui luật phân bố Ko theo độ sâu có đặc điểm phi tuyến rõ rệt Điều hoàn toàn phù hợp với kết đánh giá đặc điểm cố kết thông qua OCR theo độ sâu thực trình bày trước số nghiên cứu đất khu vực [7] Thí nghiệm trường thí nghiệm khác tiến hành thời gian ngắn cho phép thu nhận đặc trưng lý phù hợp loại đất có giá trị hệ số thấm lớn đất rời thời gian ổn định thoát nước khơng đáng kể Kết tổng hợp 148 thí nghiệm đất rời dự án Metro số cơng trình khác Tp HCM cho phép thiết lập quan hệ đặc trưng đất rời độ sâu khác Hình 6: Quan hệ Ep theo độ sâu đất rời Hình 7: Quan hệ pL theo độ sâu đất rời Từ quan hệ thể Hình đến 9, thấy qui luật thay đổi đặc trưng lý theo trạng thái ứng suất (theo độ sâu) đất rời (cát mịn, cát mịn – vừa, kết cấu rời – chặt) khu vực rõ ràng Tuy nhiên, khó tránh khỏi biến động giá trị lớn khác biệt kết cấu (từ rời đến chặt), thành phần cấu tạo (kích cỡ hạt) mực nước ngầm Các đặc trưng Ep, pL, p*L có xu hướng tăng theo quy luật tuyến tính theo độ sâu Để đánh giá đặc điểm đặc trưng biến dạng độ bền đất rời theo độ chặt, chọn lựa xây dựng tương quan Ep pL theo N (SPT) Kết 342 VIEÄN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM  TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016    cho thấy có tương quan theo qui luật tuyến tính đặc trưng độ bền biến dạng theo độ chặt (thể thơng qua N) Hình Quan hệ p*L theo độ sâu đất rời Hình Quan hệ Ep N đất Khác với sét mềm bão hòa nước, tỷ số Ep/p*L đất rời khu vực khơng có qui luật rõ ràng theo độ sâu phân bố Tỷ số dao động phạm vi rộng từ đến 17, trung bình 10,9 khơng phụ thuộc độ sâu QUAN HỆ GIỮA KẾT QUẢ NÉN NGANG VÀ THÍ NGHIỆM KHÁC Các liệu thí nghiệm cắt cánh (VST) vị trí khu vực thí nghiệm nén ngang có bao gồm vị trí Ở đây, giá trị Sucorr hiệu chỉnh theo Bjerrum (μ = 0,76 - 0,77) Quan hệ thơng số thí nghiệm nén ngang với Su thí nghiệm VST biểu diễn Hình 10 Hình 10 Quan hệ p*L Su(VST) đất sét mềm bão hịa nước Thơng qua kết phân tích quan hệ thí nghiệm PMT VST, hệ số β α xác định phù hợp với kết nghiên cứu có với giá trị β thay đổi khoảng 5,6 đến 7,4 giá trị trung bình 6,5 Từ kết thí nghiệm: VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 343  TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016    - Hệ số β = pL* = 4, 09 ÷ 7,87 Sucorr 0,75 0,75 ⎡ pL* ⎤ Su S ⎡p ⎤ = α ⎢ ⎥ ⇒ α = u ⎢ *a ⎥ = 0,13 ÷ 0, 26 - Hệ số pa pa ⎣ pL ⎦ ⎣ pa ⎦ Giá trị Sucorr với tương quan với thí nghiệm PMT thực tế gần với Su2 0,75 ⎛ p f − p0 ⎞ xác định theo phương trình đề xuất Briaud: Su = 0, 21 pa ⎜ ⎟ Với: p a ⎝ ⎠ pa - áp suất khí Quan hệ thí nghiệm PMT thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT) chủ yếu thể đất rời Dữ liệu sử dụng bao gồm 53 vị trí Quan hệ sức kháng mũi áp lực giới hạn từ thí nghiệm nén ngang biễu diễn thơng qua giá trị (qc-po) (pL-po) Trong trường hợp này, để thuận tiện phân tích xét tỷ số (qc-po)/(pL-po) Kết tính tốn theo liệu thí nghiệm đất rời khu vực Tp.HCM cho thấy hầu hết trường hợp tỷ số có giá trị bé Điều tương tự ghi nhận thí nghiệm bàn nén trường Terzaghi: Khi kích thước bàn nén nhỏ 0,5 m2, diện tích bàn nén nhỏ độ lún lớn (tỷ lệ nghịch với E) khả chịu tải nhỏ (nhanh đạt biến dạng tới hạn) Diện tích mũi xuyên trường hợp nhỏ nhiều so với diện tích tiếp xúc buồng nén với đất thí nghiệm nén ngang Quan hệ thơng số thí nghiệm nén ngang (PMT) với qc thể thông qua biểu đồ hình 11, 12 13 Tỉ số tương quan đặc trưng pL thí nghiệm nén ngang sức kháng mũi đơn vị qc thí nghiệm xuyên tĩnh hàm tuyến tính theo độ sâu phân bố Kết tính tốn cho thấy tỉ số (qc-p0)/(pL-p0) dao động chủ yếu khoảng z đến z/5 Hình 11 Quan hệ qc-p0 pL-p0 đất rời 344 Hình 12 Quan hệ Ep qc đất rời VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM  TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016    Quan hệ (qc-po) (pL-po) dao động khoảng hẹp với giá trị hệ số phương trình (pc-po) = (3÷12)x(qL-po) phù hợp với phạm vi hệ số (8÷10) theo đề nghị Briaud (Hình 11) Tương quan đặc trưng lý đất rời với sức kháng mũi qc biểu q − p0 qua tỉ số c Ep/qc Tỉ số Ep/qc dao động chủ yếu từ 0,7 đến 2,5 (Hình 12) pL − p0 có xu hướng giảm dần theo độ sâu phân bố Với giá trị hệ số nhận được, tỉ số thay đổi, không số dao động khoảng giới hạn rộng so với kết nghiên cứu Briaud (1985) Ở hình 12, tương quan Ep qc dao động chủ yếu khoảng 0,7 đến 2,5, rộng so với nghiên cứu Briaud (1985) (E0 = 1,15qc) Schmertmann (1978) (E = (2,5 ÷3,0)qc Điều thể hình 13, tỉ số pL/qc dao động chủ yếu khoảng 0,11 đến 0,4 kết nghiên cứu Briaud (1985) ghi nhận pL = 0,11qc Hình 13 Quan hệ pL qc đất rời KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu tổng hợp liệu thí nghiệm nén ngang loại đất phổ biến độ sâu khác khu vực Tp HCM, quan hệ đặc trưng biến dạng ứng suất giới hạn từ thí nghiệm nén ngang theo độ sâu theo kết thí nghiệm trường khác thiết lập phân tích Các kết luận rút ra: • Quan hệ Ep p*L sét mềm bão hịa nước có qui luật tuyến tính rõ ràng tỉ số Ep/p*L dao động phạm vi hẹp từ đến 12 trung bình 11,1 • Trong sét mềm bão hịa nước, hệ số áp lực ngang tĩnh (Ko) thay đổi phi tuyến theo độ sâu có giá trị lớn khu vực gần bề mặt VIEÄN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 345  TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016    • Giá trị Ep pL đất rời khu vực phụ thuộc đáng kể vào độ chặt độ sâu độ chặt loại đất phụ thuộc vào độ sâu phân bố • Quan hệ sức chống cắt khơng nước từ thí nghiệm cắt cánh trường áp lực giới hạn đất sét mềm bão hòa nước với hệ số β thay đổi phạm từ 4,09 đến 7,87 trung bình 5,6 • Quan hệ áp lực giới hạn ròng (qc-po) đất rời dao động phạm vi hẹp phù hợp với kết nghiên cứu Briaud (1985) Ngoài ra, biến động trạng thái sét pha độ sâu lớn giới hạn viết nên quan hệ sét pha dẻo mềm – nửa cứng sét dẻo cứng – cứng không đề cập viết Tuy nhiên, kết tổng hợp trình bày sở số liệu thí nghiệm trường hai loại đất phổ biến xem có độ tin cậy cao liệu phù hợp việc tính tốn loại hình cơng trình chôn sâu TÀI LIỆU THAM KHẢO Celal Agan Investigation of bearing capacity changes of different clays by using the Menard pressuremeter tests, International Journal of the Physical Sciens Vol.6, 2011 Daehyeon Kim, Youngjin Shin, Nayyar Siddiki Geotechnical Design Based on CPT and PMT, Joint Transportation Research Program FHWA/IN/JTRP-2010/7 ASTM D4719-2000 Standard test methods for Prebored Pressuremeter Testing in soils Jean-Louis Briaud (1992) The pressuremeter, Texas A&M University, College Station A.A.Balkema/Rotterdam/Brookfield/ Jean-Louis Briaud (1986) The pressuremeter and its marine application, Second international symposium, College Station, Texas James K.Mitchell, Frank Guzikowski and Willem C.B.Villet (1978) The pressuremeter of soil properties in-situ, University of California, Berkeley Lê Hoàng Việt, Bùi Trường Sơn Tương quan sức chống cắt khơng nước sét mềm theo độ sâu độ chặt Tạp thủy lợi môi trường số 39 (12-2012) Trang 120 - 125 Người phản biện: GS TSKH Nguyễn Văn Thơ 346 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM  ... THÍ NGHIỆM NÉN NGANG TRONG SÉT MỀM VÀ ĐẤT RỜI Từ kết 37 thí nghiệm nén ngang sét mềm quận 2, 7, Nhà Bè số khu vực khác độ sâu khác nhau, quan hệ đặc trưng tổng hợp thể thông qua biểu đồ từ Hình... pL qc đất rời KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu tổng hợp liệu thí nghiệm nén ngang loại đất phổ biến độ sâu khác khu vực Tp HCM, quan hệ đặc trưng biến dạng ứng suất giới hạn từ thí nghiệm nén ngang. .. tiếp xúc buồng nén với đất thí nghiệm nén ngang Quan hệ thơng số thí nghiệm nén ngang (PMT) với qc thể thơng qua biểu đồ hình 11, 12 13 Tỉ số tương quan đặc trưng pL thí nghiệm nén ngang sức kháng