Bài viết nghiên cứu đặc tính cường độ chống cắt của đất tàn tích phong hóa từ đá sét bột kết hệ tầng Bình Liêu khu vực tỉnh Quảng Ninh bằng thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nước+khí (CD) dùng thiết bị nén ba trục cải tiến của phòng thí nghiệm Địa Kỹ Thuật trường Đại học Thủy lợi.
BÀI BÁO KHOA HỌC ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC HÚT DÍNH ĐẾN ĐẶC TRƯNG CƯỜNG ĐỘ CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT TÀN TÍCH PHONG HĨA TỪ ĐÁ SÉT BỘT KẾT HỆ TẦNG BÌNH LIÊU KHU VỰC TỈNH QUẢNG NINH Nguyễn Thị Ngọc Hương1 Tóm tắt: Cường độ chống cắt thơng số đất khơng bão hịa, đóng vai trị quan trọng đến ổn định trượt sườn dốc khơng bão hịa Bài báo nghiên cứu đặc tính cường độ chống cắt đất tàn tích phong hóa từ đá sét bột kết hệ tầng Bình Liêu khu vực tỉnh Quảng Ninh thí nghiệm nén ba trục cố kết nước+khí (CD) dùng thiết bị nén ba trục cải tiến phịng thí nghiệm Địa Kỹ Thuật trường Đại học Thủy lợi Kết thí nghiệm cho thấy lực hút dính đất khơng bão hịa tăng, góc ma sát ’ mẫu đất gần khơng thay đổi góc b giảm dần, đồng thời cường độ chống cắt mẫu tăng lên Từ khóa: Cường độ chống cắt (CĐCC), học đất khơng bão hịa, thí nghiệm nén ba trục cố kết nước+khí (CD), lực hút dính GIỚI THIỆU CHUNG * Cường độ chống cắt (CĐCC) thơng số đất khơng bão hịa, đóng vai trò quan trọng đến ổn định trượt khối đất Nhiều tốn địa kỹ thuật có liên quan đến cường độ chống cắt khơng bão hịa đất chế bị hay đất tự nhiên (đập đất, sạt lở đất, ) Theo Fredlund nnk (1978), cường độ chống cắt đất khơng bão hịa lập theo biến trạng thái ứng suất độc lập Có thể dùng hai ba biến trạng thái ứng suất để lập phương trình cường độ chống cắt Các biến trạng thái ứng suất ( - ua) (ua - uw) tổ hợp thuận lợi thực tiễn Fredlund nnk (1978) kiến nghị phương trình cường độ chống cắt cho đất khơng bão hồ việc dùng biến trạng thái ứng suất (-ua) (ua-uw) sau: ff c ' f u a f tan ' u a u w f tan b đó: ff - ứng suất cắt mặt trượt trạng thái phá hoại, c’ - lực dính hiệu từ đường bao phá hoại Mohr-Coulomb “kéo dài” trục ứng suất cắt ứng suất pháp thực lực hút dính khơng, Khoa Cơng trình, Trường Đại học Thủy lợi (f-ua)f - ứng suất pháp thực mặt trượt trạng thái phá hoại, (ua-uw)f - lực hút dính trạng thái phá hoại, uaf - áp lực khí lỗ rỗng trạng thái phá hoại, uwf - áp lực nước lỗ rỗng trạng thái phá hoại, ’ - góc ma sát ứng với ứng suất pháp thực (f-ua)f, b - góc ma sát biểu kiến biểu thị độ dốc đường quan hệ lượng tăng ứng suất cắt lực hút dính (ua-uw)f giả thiết tuyến tính, trạng thái phá hoại Cường độ chống cắt khơng bão hịa xác định phương pháp thực nghiệm phịng thí nghiệm Hiện nay, đất khơng bão hịa thơng số đất khơng bão hịa dần quan tâm nghiên cứu Việt Nam Tại trường Đại học Thủy lợi, nhiều đề tài nghiên cứu có liên quan đến cường độ chống cắt đất khơng bão hịa (Trịnh Minh Thụ, Nguyễn Thị Ngọc Hương ) Phương pháp xác định CĐCC khơng bão hịa máy nén ba trục phức tạp qui trình thí nghiệm, địi hỏi nhiều công sức thời gian Các nghiên cứu thực trước tác giả tập trung vào phương pháp đơn giản phương pháp cắt trực tiếp hay xác định gián tiếp từ đường cong đặc trưng đất nước KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 71 (12/2020) 71 Bài báo trình bày phương pháp xác định cường độ chống cắt đất khơng bão hịa thí nghiệm nén ba trục cố kết nước+khí (CD) thiết bị thí nghiệm nén ba trục phịng thí nghiệm Địa kỹ thuật trường Đại học Thủy lợi Kết đạt báo mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng cho đất khơng bão hịa quy luật thay đổi CĐCC khơng bão hịa loại đất tàn tích phong hóa hồn tồn theo lực hút dính Trong nghiên cứu này, tác giả không sâu vào ứng dụng thơng số đến ổn định mái đất ĐẶC TRƯNG CỦA ĐẤT DÙNG TRONG THÍ NGHIỆM Mẫu đất dùng nghiên cứu đất phong hóa từ đá sét bột kết hệ tầng Bình Liêu (T2abl1) thuộc khu xã Lam Sơn, huyện Ba Chẽ, tỉnh Quảng Ninh Hệ tầng Bình Liêu phân bố rộng rãi vùng Minh Tân, Ba Chẽ Đồng Ca Vị trí lấy mẫu nằm cạnh đường tỉnh (km 10+500) Ba Chẽ cách tuyến đập 9.5 km phía Đơng Tây Vùng đất nghiên cứu có diện tích phân bố khoảng 67.000m2, chiều sâu trung bình 3.0m Đất thuộc loại sét, mầu nâu xám, nâu vàng, chứa dăm sạn Do qui trình thí nghiệm nén ba trục xác định mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng cho đất khơng bão hịa địi hỏi nhiều thời gian, phạm vi báo, tác giả lựa chọn mẫu đất tàn tích phong hóa hồn tồn đại diện cho khu vực nghiên cứu để tiến hành thí nghiệm nén ba trục Tính chất lý đất xác định theo qui trình thí nghiệm tiêu chuẩn Việt Nam, tiêu đặc trưng nêu bảng THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 3.1 Thiết bị thí nghiệm Thí nghiệm cắt mẫu đất khơng bão hòa tiến hành máy nén ba trục cải tiến (tương tự loại dùng Fredlund Rahardjo năm 1993), cho phép xác định áp lực nước lỗ rỗng uw khí lỗ rỗng, ua Thiết bị thí nghiệm nén ba trục cải tiến dùng cho nghiên cứu thuộc phịng thí nghiệm Địa kỹ thuật trường Đại học Thủy lợi mơ tả hình Đặc điểm buồng ba trục đá thấm đáy thay đĩa gốm tiếp nhận khí cao áp để kiểm sốt đo áp lực khí lỗ rỗng đất khơng bão hịa Đĩa tiếp nhận khí cao áp dùng nghiên cứu đĩa gốm loại bar (500 kPa) mơ tả hình Hình Hệ thống máy ba trục cải tiến dùng phịng thí nghiệm Địa kỹ thuật, trường Đại học Thủy lợi Bảng Một số tiêu tính chất lý mẫu đất dùng nghiên cứu Các tiêu Tỷ trọng Giới hạn chảy Giới hạn dẻo Chỉ số dẻo Khối lượng đơn vị khô lớn Độ ẩm tốt 72 Ký Đơn Mẫu thí hiệu vị nghiệm Gs 2,710 Wl % 52,60 Wp % 34,47 Ip % 18,13 dmax T/m3 Wopt % 1,550 24,50 Hình Ngăn chứa nước có rãnh hình vịng trịn phần đầu chân đế buồng ba trục đĩa áp lực khí cao 3.2 Phương pháp thí nghiệm Cường độ chống cắt khơng bão hịa xác định thí nghiệm nén ba trục cố kết nước+khí (CD) Tác giả áp dụng qui trình thí KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 71 (12/2020) nghiệm nén ba trục cho mẫu đất bão hòa (Head, 1986) dùng quy trình thí nghiệm nén ba trục cho đất khơng bão hịa (Fredlund - Rahardjo, 1993) Lực hút dính ban đầu thiết lập dựa việc sử dụng kỹ thuật chuyển trục 3.2.1 Chuẩn bị mẫu Các mẫu đất thí nghiệm đầm nén với giá trị khối lượng đơn vị khô 95 % khối lượng đơn vị khô lớn độ ẩm tương ứng sau đầm nén Mẫu đất đầm nén từ 10 lớp đất với chiều dày lớp 10mm để đảm bảo tính đồng độ chặt tồn mẫu Chiều cao đường kính mẫu tương ứng 100mm 50mm Số lượng mẫu đất đầm nén cho thí nghiệm mẫu Hình Chế bị mẫu đất thí nghiệm: (a) Bộ dụng cụ tạo mẫu; (b) Mẫu đất thí nghiệm sau chế bị 3.2.2 Qui trình thí nghiệm Tác giả áp dụng qui trình thí nghiệm nén trục cho mẫu đất bão hịa (Head, 1986), dùng qui trình thí nghiệm nén trục cho đất khơng bão hịa (Fredlund Rahardjo, 1993) Tất mẫu đất dùng chương trình thí nghiệm bão hịa nhằm tạo nên đồng độ ẩm độ bão hòa ban đầu Mẫu đất bão hòa trình tăng dần cấp áp lực buồng, 3, áp lực ngược, uw, áp lực hiệu 10kPa hệ số áp lực nước lỗ rỗng B đạt giá trị gần Sau giai đoạn bão hòa kết thúc, mẫu đất cố kết áp lực buồng, 3, đo áp lực nước lỗ rỗng, uw, có áp lực hiệu yêu cầu, (3 – uw) Giá trị độ lớn áp lực cố kết chọn tuỳ thuộc giá trị áp lực thực (3 – ua) theo yêu cầu giai đoạn cân lực hút dính giai đoạn cắt Giai đoạn cố kết coi kết thúc thể tích nước khỏi mẫu không thay đổi áp lực nước lỗ rỗng dư hồn tồn tiêu tán Q trình thí nghiệm chuyển sang giai đoạn cân lực hút dính để tạo lực hút dính bên mẫu sau giai đoạn cố kết kết thúc Trong trình tạo lực hút dính, mẫu đất cố kết áp lực hông thực (3 – ua) lực hút dính (ua – uw) Giai đoạn cân lực hút dính mẫu coi kết thúc lượng nước thoát hay áp lực nước lỗ rỗng dư tiêu tán hoàn toàn Khi đạt điều kiện cân áp lực tác dụng (tức 3, ua uw), mẫu cắt cách nén với tốc độ biến dạng thích hợp Trong nghiên cứu này, tác giả chọn tốc độ biến dạng 0,02 mm/phút Quá trình cắt kết thúc đạt tiêu phá hoại định trước (tức độ lệch ứng suất cực đại) Nếu không đạt điều kiện phá hoại nêu ngừng thí nghiệm đạt đến 25% biến dạng dọc trục Thí nghiệm nén ba trục cố kết nước+khí (CD) thực lực hút dính áp lực hông thực khác để nghiên cứu mặt bao phá hoại cho đất khơng bão hịa Lực hút dính ban đầu lớn chọn nghiên cứu 200 kPa Với mục đích thí nghiệm mẫu đất có trạng thái từ bão hịa đến khơng bão hịa, lực hút dính ban đầu lựa chọn để thí nghiệm là: kPa, 100 kPa 200 kPa Các áp lực hông thực lựa chọn dựa khả chịu lực hệ thống ba trục buồng ba trục là: 50 kPa, 100 kPa 200 kPa Các thí nghiệm ba trục cố kết nước+khí trình bày bảng Ký hiệu mẫu đất thí nghiệm CDxy, x-y nói lên thí nghiệm thực áp lực hơng thực x kPa lực hút dính ban đầu y kPa KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 71 (12/2020) 73 Bảng Các thí nghiệm ba trục cố kết nước+khí Áp lực Lực hút dính, (kPa) buồng thực (kPa) 100 200 50 CD50-0 CD50-100 CD50-200 100 CD100-0 CD100-100 CD100-200 200 CD200-0 CD200-100 CD200-200 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Các ứng suất trạng thái phá hoại mẫu dùng để thiết lập vịng trịn Mohr cho thí nghiệm nén ba trục cố kết nước+khí (CD) xác định từ độ lệch ứng suất lớn Độ lệch ứng suất lớn xác định từ đường quan hệ độ lệch ứng suất biến dạng dọc trục Đường bao phá hoại Mohr-Coulomb từ thí nghiệm ba trục cố kết nước+khí mẫu đất đầm nén áp lực hông thực khác (50kPa, 100kPa 200kPa) lực hút dính kPa trình bày hình Kết cho thấy lực hút dính mẫu kPa (mẫu bão hịa), mẫu có lực dính c’ = 37 kPa góc ma sát ’ = 230 mẫu tăng, c = 93 kPa Góc ma sát mẫu 230 Như vậy, ta thấy lực dính c tăng lực hút dính tăng Hình Đường bao phá hoại Mohr – Coulomb mở rộng xác định từ thí nghiệm ba trục cố kết nước+khí (CD) lực hút dính 200 kPa Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng cho hình Trên hình 6, ta thấy: lực hút dính tăng, góc b giảm từ giá trị b = ’ lực hút dính kPa đến giá trị b = 60 ứng với giá trị lực hút dính 200 kPa Góc ma sát ’ mẫu dường giữ nguyên 230 lực hút dính tăng (hình 6) Điều phù hợp với nghiên cứu trước nhà khoa học giới (Ho Fredlund, 1982) Mặt bao phá hoại chiếu mặt phẳng ~ (ua uw) theo đường đồng mức mơ tả hình Hình chiếu mặt bao phá hoại biểu thị tăng cường độ chống cắt lực hút dính tăng ứng suất pháp thực riêng Quy luật tăng cường độ chống cắt theo lực hút dính có tính phi tuyến Tại lực hút dính, áp lực hơng thực lớn cường độ chống cắt tăng Hình Đường bao phá hoại Mohr – Coulomb mở rộng xác định từ thí nghiệm ba trục cố kết nước+khí (CD) lực hút dính kPa Đường bao phá hoại Mohr-Coulomb cho mẫu đầm nén ứng với lực hút dính 200 kPa thể hình Khi mẫu khơng bão hịa với lực hút dính > 0kPa, lực dính mẫu lực dính tồn phần bao gồm lực dính hiệu lực hút dính Như quan sát thấy hình 5, lực hút dính tăng lên 200 kPa làm lực dính tồn phần 74 Hình Mặt bao phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng xác định từ thí nghiệm nén ba trục cố kết nước+khí (CD) mẫu đất tàn tích KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 71 (12/2020) khoảng chặn lực dính lực hút dính khác cho ta góc b Hình Các hình chiếu ngang mặt bao phá hoại mặt phẳng ~ (ua – uw) xác định từ thí nghiệm nén ba trục CD mẫu đất thí nghiệm Các đường ứng suất thí nghiệm cố kết nước+khí lực hút dính khơng đổi trình bày hình Điểm ứng suất A biểu thị trạng thái ứng suất lúc cuối cố kết mẫu đất có áp lực hạn hông thực (3 – ua) = 50kPa lực hút dính (ua – uw) = 200 kPa Vì đất bị nén cắt, điểm ứng suất chuyển từ A tới B dọc theo đường ứng suất AB Điểm ứng suất B biểu thị trạng thái ứng suất điều kiện phá hoại Khi chuyển từ điểm ứng suất A tới điểm ứng suất B, đường kính vịng Mohr hay độ lệch ứng suất tăng đạt điều kiện phá hoại điểm ứng suất B Một tiếp tuyến với vòng Mohr lúc phá hoại (qua điểm ứng suất C, C1 C2) biểu thị đường bao phá hoại ứng với lực hút dính dùng thí nghiệm Đường bao phá hoại có góc dốc ’ = 230 trục ( - ua) Góc ma sát góc ma sát hiệu quả, nhận từ thí nghiệm cường độ chống cắt mẫu đất bão hịa Hình biểu thị đường ứng suất thí nghiệm áp lực hông thực không đổi với lực hút dính khác Đường kính vịng Mohr phá hoại tăng lực hút dính lúc phá hoại tăng Vịng Mohr lúc phá hoại tiếp tuyến với đường bao phá hoại ứng với lực hút dính dùng thí nghiệm (tại điểm ứng suất C1, C2 C3) Kéo dài đường bao phá hoại tới cắt mặt phẳng cường độ chống cắt theo (ua – uw) cho khoảng chặn lực dính (hình 9) Một đường nối Hình Các đường ứng suất thí nghiệm cố kết nước+khí (CD) áp lực hạn hơng thực khác lực hút dính khơng đổi Hình Các đường ứng suất thí nghiệm cố kết nước+khí (CD) lực hút dính khác áp lực hông thực không đổi KẾT LUẬN Bài báo trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm xác định cường độ chống cắt đất không bão hịa ứng với lực hút dính khác thiết bị nén ba trục cải tiến cho đất không bão hòa theo sơ đồ nén ba trục cố kết nước+khí (CD) Các kết thí nghiệm cho thấy: trạng thái bão hịa mẫu đất thí nghiệm có góc ma sát ’ = 230 lực dính đơn vị c’ = 37 kPa, lực hút dính tăng, góc b giảm dần từ giá trị b = ’ = 230 lực hút dính kPa đến giá trị b = 60 ứng với giá trị lực hút dính 200 kPa Góc ma sát ’ mẫu đầm nén dường giữ nguyên tương ứng 230 lực hút dính tăng Cường độ chống cắt mẫu tăng lực hút dính tăng Quy luật tăng cường độ chống cắt theo lực hút dính KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 71 (12/2020) 75 có tính phi tuyến Sự tăng cường độ chống cắt đất khơng bão hịa theo lực hút dính đất yếu tố quan trọng dẫn đến làm tăng tính ổn định mái đất khơng bão hòa TÀI LIỆU THAM KHẢO FREDLUND, D.G., RAHARDJO, H (1998), "Cơ học đất cho đất khơng bão hồ" (bản dịch), tập 1+2 NXB Giáo dục TCVN 4195-1995 4202-1995 (1996), Tiêu chuẩn Việt Nam: "Đất xây dựng", Bộ Xây dựng NXB Xây dựng Hà Nội Fredlund, D.G and Rahardjo, H (1993), “Soil Mechanics for Unsaturated Soils”, John Wiley & Sons, Inc Fredlund, D.G., Morgenstern, N.R., and Widger, R.A (1978), “The shear strength of unsaturated soils”, Canadian Geotechnical Journal, 15(3): 313–321 Head, K.H (1986), “Manual of Soil Laboratory Testing”, John Wiley and Sons, Inc., Vol 3, pp 942-945 Ho, D.Y.F., and Fredlund, D.G (1982), “Increase in shear strength due to soil suction for two Hong Kong soils”, Proceedings, ASCE, Geotechnical Conference on Engineering and Construction in Tropical and Residual Soils, Honolulu, Hawaii, pp 263-295 Abstract: THE INFLUENCE OF THE MATRIC SUCTION TO THE SHEAR STRENGTH CHARACTERISTIC OF RESIDUAL SOIL WEATHERED FROM MUDSTONE OF BINH LIEU FORMATION IN QUANG NINH REGION Shear strength is one of the basis parameters of unsaturated soils and plays an important role in soil slope stability This paper researches on the shear strength characteristic of the residual soil weathered from mudstone of Binh Lieu formation in Quang Ninh region by the consolidated drained triaxial shearing test (CD) which uses the modified triaxial apparatus in the Geotechnical laboratory in Thuyloi University The results show that angle of internal friction, ’, of the soil is nearly constant but the angel b decreases and the shear strength increases when the matric suction of the unsaturated soil increases Keywords: Shear strength, unsaturated soil mechanices, consolidated drained triaxial tests (CD), matric suction Ngày nhận bài: 17/10/2020 Ngày chấp nhận đăng: 29/12/2020 76 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 71 (12/2020) ... đất ĐẶC TRƯNG CỦA ĐẤT DÙNG TRONG THÍ NGHIỆM Mẫu đất dùng nghiên cứu đất phong hóa từ đá sét bột kết hệ tầng Bình Liêu (T2abl1) thuộc khu xã Lam Sơn, huyện Ba Chẽ, tỉnh Quảng Ninh Hệ tầng Bình Liêu. .. tăng cường độ chống cắt lực hút dính tăng ứng suất pháp thực riêng Quy luật tăng cường độ chống cắt theo lực hút dính có tính phi tuyến Tại lực hút dính, áp lực hơng thực lớn cường độ chống cắt. .. đoạn cố kết kết thúc Trong q trình tạo lực hút dính, mẫu đất cố kết áp lực hông thực (3 – ua) lực hút dính (ua – uw) Giai đoạn cân lực hút dính mẫu coi kết thúc lượng nước thoát hay áp lực nước