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

TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016  VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 339  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 TÓM TẮT 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. Kết quả của thí nghiệm có thể sử dụng để tính toán móng nông, móng cọc và đặc biệt phù hợp cho các loại hình công trình ngầm. Việc tổng hợp đánh giá các đặc trưng thu nhận từ thí nghiệm này trong các loại đất phổ biến như sét mềm bão hòa nước và đất rời ở khu vực Tp. HCM và lân cận có ý nghĩa thực tiễn đối với 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. 1. MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TƯƠNG QUAN VỀ ĐẶC TRƯNG ĐỘ BỀN TỪ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM NÉN NGANG TRONG HỐ KHOAN Kết quả của thí nghiệm nén ngang trong hố khoan có thể sử dụng để tính toán thiết kế đối với hầu hết các loại nền móng công trình khác nhau. Trong đó, có thể đánh giá cả độ lún lẫn khả năng chịu tải [1], [2], [3]. Đối với sét mềm bão hòa nước, đặc trưng độ bền thường được thể hiện thông qua sức chống cắt không thoát nước Su. Ở đây, nguyên tắc của các 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 và phương pháp đường cong cắt. Ở phương pháp áp lực giới hạn, có hàng loạt các kết quả nghiên cứu và được tóm tắt như ở bảng 1. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016  340 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM  Bảng 1. Quan hệ giữa cường độ chống cắt không thoát nước và áp lực giới hạn Stt Su Loại đất Tác giả 1 (pL-σoh)/k k=2 đến 5 Ménard (1975) 2 (pL-σoh)/5,5 Sét chảy Cassan (1972), Amar và Jézéquel (1972) 3 (pL-σoh)/8 Sét dẻo mềm – dẻo cứng 4 (pL-σoh)/15 Sét dẻo cứng – nửa cứng 5 (pL-σoh)/6,8 Sét dẻo cứng Marsland và Randolph (1977) 6 (pL-σoh)/5,1 Tất cả các loại sét Lukas và LeClerc de Bussy (1972) 7 (pL-σoh)/10+25 Martin và Jézéquel (1986) 8 (pL-σoh)/10 Sét dẻo cứng Martin và Drahos (1986) 9 (pL/10)+25 Sét chảy đến dẻo cứng Johnson (1986) Về tổng thể, biểu thức thể hiện tương quan có dạng: Su= pL*/β, với pL*=(pL-σoh) được gọi là áp lực giới hạn ròng. Đối với đất rời, độ bền thể hiện chủ yếu thông qua góc ma sát trong và các tương quan từ phương pháp biểu đồ áp lực, phương pháp Hughes –Wroth –Windle và phương pháp tương quan theo kinh nghiệm được sử dụng phổ biến. Ở trạng thái cân bằng giới hạn, tương quan này có thể được biểu diễn dưới dạng: ' ' ' 1(1 )2(1 sin ) sin a L oh oh k Gp σ ϕ σ ϕ ⎡ ⎤⎢ ⎥⎣ ⎦ − = + Ở đây: G – module trượt; ka – hệ số áp lực chủ động. Hình 1. Quan hệ giữa φ-p’L (Menard, Baguelin và đồng nghiệp, 1978) Nhiều nhất phải kể đến các tổng kết Briaud và đồng nghiệp. Căn cứ các dữ liệu thu thập, các tương quan trong thí nghiệm và với các thí nghiệm khác như với các đặc trưng Eo, Er, pL, Su, φ, N, qc và fs được tổng hợp với các loại đất khác nhau ứng với các độ sâu phân bố. Một số biểu thức thể hiện tương quan được tổng kết như sau [4], [5], [6]: TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016  VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 341  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. 2. ĐẶC ĐIỂM ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ TỪ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM NÉN NGANG TRONG SÉT MỀM VÀ ĐẤT RỜI Từ kết quả của 37 thí nghiệm nén ngang trong sét mềm ở quận 2, 7, Nhà Bè và một số khu vực khác ở các độ sâu khác nhau, các quan hệ giữa các đặc trưng được tổng hợp và thể hiện thông qua các biểu đồ từ Hình 2 đến Hình 5. Kết quả ở Hình 2 và 3 cho thấy giá trị Ep và pL dao động trong phạm vi rộng ở cùng một độ sâu. Tuy nhiên, khuynh hướng gia tăng các giá trị Ep và pL theo độ sâu là rõ ràng. Đối với sét mềm bão hòa nước, các thông số về đặc trưng cơ lý sử dụng cho việc phân tích khả năng ổn định dưới công trình đắp thường được quan tâm ở khu vực Hình 2. Quan hệ module nén ngang (Ep) theo độ sâu của sét mềm bão hòa nước Hình 3. Quan hệ áp lực giới hạn (pL) theo độ sâu của sét mềm bão hòa nước Hình 4. Quan hệ áp lực giới hạn ròng và module nén ngang của sét mềm bão hòa nước Hình 5. Quan hệ hệ số áp lực đất tĩnh (Ko) theo độ sâu của sét mềm bão hòa nước TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016  342 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM  gần bề mặt, là nơi ảnh hưởng trực tiếp đối với loại hình công trình này. Ở đây, từ độ sâu từ 5m trở lại, giá trị module biến dạng từ thí nghiệm nén ngang dao động chủ yếu trong phạm vi 500 – 3.000 KN/m2. Hình 4 cho thấy quan hệ giữa Ep và p*L có dạng tuyến tính rõ ràng (so với quan hệ Ep và pL). Theo quan hệ này, tỷ số Ep/p*L của sét mềm bão hòa dao động trong phạm vi hẹp. Tỷ số Ep/p*L theo độ sâu được thiết lập và kết quả cho thấy tỉ số Ep/p*L dao động trong phạm vi chủ yếu từ 8-12, trung bình 11,6. Thí nghiệm nén ngang được thực hiện với việc giữ áp lực nén không đổi trong thời gian ngắn. Đối với sét mềm bão hòa nước, điều kiện thí nghiệm này khó có thể cho phép đánh giá các đặc trưng cơ lý khi đất nền đạt trạng thái ổn định thoát nước. Tuy nhiên, việc đánh giá hệ số áp lực ngang tĩnh Ko =  (σ’oh/σ’zg) trong chừng mực nào đó cũng có thể cho phép rút ra các nhận định về trạng thái ứng suất ban đầu của đất nền. Ở độ sâu 5m trở lại, K0 dao động chủ yếu từ 0,6 đến 2 và đa số có giá trị lớn hơn 1. Qui luật phân bố Ko theo độ sâu có đặc điểm phi tuyến rõ rệt. Điều này hoàn toàn phù hợp với các kết quả đánh giá đặc điểm quá cố kết thông qua OCR theo độ sâu đã được thực hiện và trình bày trước đó trong một số nghiên cứu của đất khu vực [7]. Thí nghiệm hiện trường và các thí nghiệm khác được tiến hành trong thời gian ngắn cho phép thu nhận được các đặc trưng cơ lý phù hợp đối với các loại đất có giá trị hệ số thấm lớn như đất rời do thời gian ổn định thoát nước không đáng kể. Kết quả tổng hợp 148 thí nghiệm trong đất rời ở các dự án Metro và một số công trình khác ở Tp. HCM cho phép thiết lập các quan hệ đặc trưng của đất rời ở các độ sâu khác nhau. Từ các quan hệ thể hiện ở các Hình 6 đến 9, có thể thấy rằng qui luật thay đổi các đặc trưng cơ lý theo trạng thái ứng suất (theo độ sâu) của đất rời (cát mịn, cát mịn – vừa, kết cấu rời – chặt) của khu vực là khá rõ ràng. Tuy nhiên, khó tránh khỏi sự biến động giá trị lớn là do sự khác biệt về kết cấu (từ rời đến chặt), thành phần cấu tạo (kích cỡ hạt) và mực nước ngầm. Các đặc trưng Ep, pL, p*L đều có xu hướng tăng theo quy luật tuyến tính theo độ sâu. Để đánh giá đặc điểm đặc trưng biến dạng và độ bền của đất rời theo độ chặt, có thể chọn lựa xây dựng tương quan Ep và pL theo N (SPT). Kết quả Hình 6: Quan hệ Ep theo độ sâu của đất rời Hình 7: Quan hệ pL theo độ sâu của đất rời TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016  VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 343  cho thấy có tương quan theo qui luật tuyến tính giữa các đặc trưng độ bền và biến dạng theo độ chặt (thể hiện thông qua N). Khác với sét mềm bão hòa nước, tỷ số Ep/p*L của đất rời khu vực không có qui luật rõ ràng theo độ sâu phân bố. Tỷ số này dao động trong phạm vi rộng từ 5 đến 17, trung bình 10,9 và không phụ thuộc độ sâu. 3. QUAN HỆ GIỮA KẾT QUẢ NÉN NGANG VÀ THÍ NGHIỆM KHÁC Các dữ liệu của thí nghiệm cắt cánh (VST) tại những vị trí trong khu vực thí nghiệm nén ngang chỉ có bao gồm 9 vị trí. Ở đây, giá trị Sucorr hiệu chỉnh theo Bjerrum (μ = 0,76 - 0,77). Quan hệ giữa các thông số thí nghiệm nén ngang với Su của thí nghiệm VST được biểu diễn ở Hình 10. Hình 10. Quan hệ p*L và Su(VST) của đất sét mềm bão hòa nước Thông qua các kết quả phân tích quan hệ giữa thí nghiệm PMT và VST, các hệ số β và α xác định được khá phù hợp với kết quả đã nghiên cứu đã có với giá trị của β thay đổi trong khoảng giữa 5,6 đến 7,4 và giá trị trung bình là 6,5. Từ kết quả thí nghiệm: Hình 8. Quan hệ p*L theo độ sâu của đất rời Hình 9. Quan hệ giữa Ep và N của đất TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016  344 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM  - Hệ số * orr 4,09 7,87L uc p S β = = ÷ - Hệ số 0,75 0,75* *. . 0,13 0,26 u u aL a a a L S S pp p p p p α α⎡ ⎤ ⎡ ⎤= ⇒ = = ÷⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦ Giá trị của Sucorr với tương quan với thí nghiệm PMT thực tế gần bằng với Su2 được xác định theo phương trình đề xuất bởi Briaud: 0,75 0 2 0,21. f u a a p p S p p −⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠ . Với: pa - áp suất khí quyển. Quan hệ giữa thí nghiệm PMT và thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT) chủ yếu thể hiện trong đất rời. Dữ liệu sử dụng bao gồm tại 53 vị trí. Quan hệ giữa sức kháng mũi và áp lực giới hạn từ thí nghiệm nén ngang có thể biễu diễn thông qua các giá trị (qc-po) và (pL-po). Trong trường hợp này, để thuận tiện phân tích xét tỷ số (qc-po)/(pL-po). Kết quả tính toán theo dữ liệu thí nghiệm trong đất rời ở khu vực Tp.HCM cho thấy hầu hết các trường hợp tỷ số này có giá trị bé hơn 1. Điều tương tự cũng được ghi nhận trong thí nghiệm bàn nén hiện trường của Terzaghi: Khi kích thước bàn nén nhỏ hơn 0,5 m2, diện tích bàn nén càng nhỏ thì độ lún càng lớn (tỷ lệ nghịch với E) và khả năng chịu tải càng nhỏ (nhanh đạt biến dạng tới hạn). Diện tích mũi xuyên trong trường hợp này cũng nhỏ hơn nhiều so với diện tích tiếp xúc của buồng nén với đất nền trong thí nghiệm nén ngang. Quan hệ giữa các thông số thí nghiệm nén ngang (PMT) với qc thể hiện thông qua các biểu đồ ở hình 11, 12 và 13. Tỉ số tương quan giữa đặc trưng pL của thí nghiệm nén ngang và sức kháng mũi đơn vị qc của thí nghiệm xuyên tĩnh là hàm tuyến tính theo độ sâu phân bố. Kết quả tính toán cho thấy tỉ số (qc-p0)/(pL-p0) dao động chủ yếu trong khoảng z đến z/5. Hình 11. Quan hệ giữa qc-p0 và pL-p0 trong đất rời. Hình 12. Quan hệ Ep và qc trong đất rời TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016  VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 345  Quan hệ giữa (qc-po) và (pL-po) dao động trong khoảng hẹp với giá trị hệ số phương trình (pc-po) = (3÷12)x(qL-po) và khá phù hợp với phạm vi hệ số (8÷10) theo đề nghị của Briaud (Hình 11). Tương quan các đặc trưng cơ lý của đất rời với sức kháng mũi qc được biểu hiện qua 2 tỉ số 0 0 c L q p p p − − và Ep/qc. Tỉ số Ep/qc dao động chủ yếu từ 0,7 đến 2,5 (Hình 12) và có xu hướng giảm dần theo độ sâu phân bố. Với các giá trị hệ số nhận được, các tỉ số này thay đổi, không là hằng số và dao động trong khoảng giới hạn rộng hơn so với các kết quả nghiên cứu của Briaud (1985). Ở hình 12, tương quan giữa Ep và qc dao động chủ yếu trong khoảng 0,7 đến 2,5, rộng hơn so với nghiên cứu của Briaud (1985) (E0 = 1,15qc) và Schmertmann (1978) (E = (2,5 ÷3,0)qc. Điều này cũng thể hiện ở hình 13, tỉ số pL/qc dao động chủ yếu trong khoảng 0,11 đến 0,4 trong khi kết quả nghiên cứu của Briaud (1985) ghi nhận pL = 0,11qc. Hình 13. Quan hệ pL và qc trong đất rời. 4. KẾT LUẬN Từ kết quả nghiên cứu tổng hợp các dữ liệu thí nghiệm nén ngang trong các loại đất phổ biến ở các độ sâu khác nhau ở khu vực Tp. HCM, các quan hệ đặc trưng biến dạng và ứng suất giới hạn từ thí nghiệm nén ngang theo độ sâu và theo các kết quả thí nghiệm hiện trường khác được thiết lập và phân tích. Các kết luận có thể rút ra: • Quan hệ giữa Ep và p*L của sét mềm bão hòa nước có qui luật tuyến tính rõ ràng và tỉ số Ep/p*L dao động trong phạm vi hẹp từ 8 đến 12 và trung bình 11,1. • Trong sét mềm bão hòa nước, hệ số áp lực ngang tĩnh (Ko) thay đổi phi tuyến theo độ sâu và có giá trị lớn hơn 1 ở khu vực gần bề mặt. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016  346 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM  • Giá trị Ep và pL của đất rời khu vực phụ thuộc đáng kể vào độ chặt và độ sâu và độ chặt của loại đất này phụ thuộc vào độ sâu phân bố. • Quan hệ giữa sức chống cắt không thoát nước từ thí nghiệm cắt cánh hiện trường và áp lực giới hạn của đất sét mềm bão hòa nước với hệ số β thay đổi trong phạm từ 4,09 đến 7,87 và trung bình là 5,6. • Quan hệ giữa áp lực giới hạn ròng và (qc-po) trong đất rời dao động trong phạm vi hẹp và phù hợp với kết quả đã nghiên cứu của Briaud (1985). Ngoài ra, do sự biến động về trạng thái của sét pha ở các độ sâu lớn và giới hạn của bài viết nên các quan hệ của sét pha dẻo mềm – nửa cứng và sét dẻo cứng – cứng không được đề cập trong bài viết này. Tuy nhiên, các kết quả tổng hợp trình bày trên cơ sở số liệu thí nghiệm hiện trường ở hai loại đất phổ biến có thể được xem là có độ tin cậy cao và là các dữ liệu phù hợp đối với việc tính toán các loại hình công trình chôn sâu. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. 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. 2. Daehyeon Kim, Youngjin Shin, Nayyar Siddiki. Geotechnical Design Based on CPT and PMT, Joint Transportation Research Program FHWA/IN/JTRP-2010/7. 3. ASTM D4719-2000. Standard test methods for Prebored Pressuremeter Testing in soils. 4. Jean-Louis Briaud (1992). The pressuremeter, Texas A&M University, College Station A.A.Balkema/Rotterdam/Brookfield/. 5. Jean-Louis Briaud (1986). The pressuremeter and its marine application, Second international symposium, College Station, Texas. 6. James K.Mitchell, Frank Guzikowski and Willem C.B.Villet (1978). The pressuremeter of soil properties in-situ, University of California, Berkeley. 7. Lê Hoàng Việt, Bùi Trường Sơn. Tương quan sức chống cắt không thoát nước của sét mềm theo độ sâu và độ chặt. Tạp chỉ thủy lợi và môi trường số 39 (12-2012). Trang 120 - 125. Người phản biện: GS. TSKH. Nguyễn Văn Thơ