Đánh giá sức chống cắt không thoát nước của nền đất yếu dưới công trình đắp khu vực đồng bằng sông Cửu Long

ĐÁNH GIÁ SỨC CHỐNG CẮT KHÔNG THOÁT NƯỚC CỦA<br /> NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI CÔNG TRÌNH ĐẮP THUỘC KHU VỰC<br /> ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG<br /> <br /> LÊ HOÀNG VIỆT* , VÕ PHÁN **<br /> <br /> <br /> Estimating the undrained shear strength of soft soil under<br /> embankment in mekong delta area<br /> Abstract: The paper presents the results of evaluating change of<br /> undrained shear strength Su based on correlations between undrained<br /> shear strength and degree of compaction and timeby on - dimensional<br /> consolidation problem. The result from prediction calculation is<br /> appropriate to in-siu field vane test and can be used to estimate long-<br /> term stability of soft soil under embankment in Mekong Delta area.<br /> Keywords: Undrained shear strength; Soft soil; Stability; Displacements.<br /> <br /> 1. TỔNG QU N KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU* một phần, ứng suất hữu hiệu gia tăng<br /> Sức chống cắt không thoát nước (S u ) là tương ứng với hiện tượng nén chặt đất. Như<br /> thông số quan trọng được sử dụng để đánh vậy sự gia tăng S u cũng xảy ra không đồng<br /> giá ổn định công trình đắp trên đất yếu. đều trong nền.<br /> Dưới tác dụng của khối đắp, hiện tượng cố Một số kết quả thí nghiệm trong phòng trên<br /> kết xảy ra và kéo dài theo thời gian. Theo cùng một loại đất bão hòa chỉ ra rằng S u phụ<br /> 22TCN 262-2000 [1], S u tăng đồng đều thuộc vào độ ẩm và tuân theo quy luật phi<br /> theo độ sâu và theo thời gian dưới tác dụng tuyến [2]. Như vậy, Su có liên hệ chặt chẽ với<br /> của tải trọng ngoài và việc dự báo thay đổi độ chặt hay trạng thái ứng suất ban đầu và có<br /> S u chỉ căn cứ vào mức độ cố kết tổng thể thể thể hiện thông qua tỷ số Su/σ’v, [3].<br /> U t (t). Tuy nhiên, ở khu vực có lớp đất yếu<br /> Theo Skempton (1948):<br /> có bề dày tương đối lớn, hiện tượng cố kết<br /> Su/ σ′ = 0,11+0,0037Ip (1)<br /> kéo dài đến hàng chục năm, thậm chí trăm<br /> năm và quá trình cố kết vẫn tiếp diễn ra Các tương quan giữa Su và chỉ số dẻo Ip của<br /> trong quá trình sử dụng. Bjerrum (1972), Terzaghi, Peck và Mersi<br /> Trong quá trình cố kết, sự tiêu tán áp (1996) đã nghiên cứu. Theo quan điểm thiết kế<br /> lực nước lỗ rỗng thặng dư xảy ra không đồng SHANSEP (Stress History And<br /> đều trong phạm vi nền ảnh hưởng. Tại các vị Normalized Soil Engineering Properties) [4],[5]<br /> trí gần biên thoát nước, sự tiêu tán áp lực Su = 'vo  S ( OCR )m (2)<br /> nước lỗ rỗng thặng dư xảy ra nhanh hơn. Trong đó: S - hệ số chuẩn hóa sức chống cắt<br /> Khi áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tiêu tán không thoát nước cho trạng thái cố kết thường<br /> (OCR = 1),<br /> *, **<br /> Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM số 268 Lý  <br /> S = S u / 'vo OCR  1 (3)<br /> Thường Kiệt, quận 10, TP. HCM, ĐT: 083 8636822<br /> *<br /> ĐT: 0979 853 988, Email:<br /> m - hệ số xác định từ độ dốc của đường<br /> lehoangviet2008@gmail.com, ** ĐT: 0913 867008, quan hệ log (OCR) và log (S u/ 'vo ).<br /> Email: vophan54@yahoo.com<br /> <br /> <br /> 30 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015<br />  Su của sét quá cố kết được xác định:<br /> Su <br />  <br /> ;vo sin ' K0  Af ( 1  K0 )<br /> (6)<br /> Su = (Su/ 'vo )OCR=1 . (OCR)m. 'v (4) 1  ( 2 Af  1 ) sin '<br /> Điều này đã được các tác giả Jamiolkowski Trên cơ sở cân bằng giới hạn, bỏ qua các<br /> (1985), Mersi (1989), Ladd (1991) nghiên cứu thông số hệ số áp lực nước lỗ rỗng, Verruijt<br /> bổ sung. Ladd (1991) đề nghị giá trị các hệ số: cũng đưa ra công thức gần tương tự để đánh giá<br /> S = 0,22  0,03 và m = 0,8  0,1. giá trị Su theo trạng thái ứng suất [7].<br /> Sức chống cắt không thoát nước cũng được Ngoài ra, thông qua tính toán trên cơ sở<br /> xác định bằng cách phân tích theo ứng suất hữu lý thuyết cố kết thấm, tác giả đã tính toán<br /> hiệu với việc sử dụng hệ số áp lực lỗ rỗng dự báo Su thay đổi theo thời gian bằng các<br /> Skempton A f (khi phá hoại) [6] như sau: biểu thức (5) và (6) cho kết quả khác nhau<br /> Su <br />  <br /> c' cos '  'vo sin  K0  Af ( 1  K0 )<br /> (5)<br /> đáng kể so với kết quả thí nghiệm cắt cánh tại<br /> 1  ( 2 Af  1 ) sin ' hiện trường.<br /> Đối với sét cố kết thường: 2. GIỚI THIỆU CÔNG TRÌNH<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Vị trí tuyến đường mở r ng Quốc l 1A đoạn Mỹ Thuận - Cần Thơ.<br /> <br /> Chiều dài tuyến thuộc khu vực nghiên cứu Lớp 1a: Sét, màu xám nâu, xám đen, xám<br /> từ Km 2042 đến Km 2061 dự án nâng cấp xanh, trạng thái dẻo mềm. Cao độ đáy lớp<br /> mở rộng Quốc lộ 1- Mỹ Thuận - Cần Thơ biến thiên từ -1,67m đến 2,75m. Bề dày lớp<br /> thuộc địa bàn tỉnh Vĩnh Long. Theo kết quả biến thiên từ 0,4m đến 3,4m.<br /> khảo sát hiện trường & kết quả thí nghiệm Lớp 1b: Bùn sét cát / bùn sét kẹp cát,<br /> trong phòng, địa tầng tại khu vực nghiên cứu màu xám xanh, xám nâu, xám đen. Tại<br /> được chia làm các lớp đất chính như sau: một số lỗ khoan (Km 2056- Km 2061)<br /> Lớp K: Đất đắp, là lớp đất không đồng chưa phát hiện lớp này. Cao độ đáy lớp<br /> nhất, tuỳ từng khu vực mà lớp này có đặc được từ -29,8m đến<br /> điểm khác nhau. Bề dày lớp biến thiên từ -29,0m. Bề dày lớp thay đổi từ 14,0m đến<br /> 0,5m đến 2,8m. 15,2m.<br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 31<br />  Lớp 1: Bùn sét/bùn sét kẹp cát, màu xám<br /> xanh, xám đen. Lớp này gặp trong tất cả các<br /> lỗ khoan. Hầu hết các lỗ khoan phần tuyến<br /> đều chưa được khoan qua hết bề dày của lớp.<br /> Cao độ đáy lớp biến thiên từ -29,80m đến -<br /> 9,58m. Bề dày lớp đã khoan được biến thiên<br /> từ 10,0m đến 30,0m.<br /> Lớp 2: Sét, màu xám nâu, xám đen, trạng<br /> thái dẻo chảy. Lớp này chỉ gặp trong một<br /> vài vị trí. Bề dày lớp đã khoan được là 1,8 Hình 2. Tương quan mức độ nén chặt theo<br /> đến 15,0m. Bề dày lớp chưa được xác trạng thái ứng suất<br /> định qua hết.<br /> Thấu kính TK1: Cát, hạt nhỏ, màu xám Để dự báo sự gia tăng S u của đất yết theo<br /> đen, đôi chỗ lẫn ổ bùn sét, kết cấu rời rạc. thời gian, ngoài độ chặt, cần phải đánh giá<br /> Thấu kính này gặp trong một vài vị trí (Km trạng thái ứng suất trong quá trình cố kết. Từ<br /> 2042- Km 2047), cao độ đáy thấu kính biến đó xây dựng tương quan giữa ứng suất<br /> thiên từ -10,90m đến -3,6m và bề dày thấu (σ'v ) - độ chặt (e) và sức chống cắt không<br /> kính biến thiên từ 2,0m đến 9,2m. Thấu kính thoát nước (Su). Từ tương quan này cho phép<br /> này gặp trong một vài vị trí (Km 2056- Km dự báo sự gia tăng S u dưới tác dụng của quá<br /> 2061), cao độ đáy thấu kính biến thiên từ - trình gia tải. Trong phạm vi nghiên cứu này,<br /> 21m đến -24,2m và bề dày thấu kính biến tác giả sử dụng giá trị hệ số hiệu chỉnh của<br /> thiên từ 4,1m đến 4,7m. Bjerrum.<br /> Thấu kính TK2: Cát hạt mịn. Thấu kính Su= µ.Su(VST) (8)<br /> này gặp trong lớp 1, tại một vài vị trí (Km với µ=1.7 - 0.54*log(IP) để hiệu chỉnh<br /> 042-Km 2047). Cao độ đáy thấu kính là giá trị Su từ kết quả thí nghiệm cắt cánh<br /> 10,2m. Bề dày thấu kính là 2,0m (VST) và thành lập các tương quan: Su -z;<br /> 3. ĐÁNH GIÁ SỰ TH Y ĐỔI SỨC tương quan Su/e- z; tương quan Su/e - σ’v của<br /> CHỐNG CẮT THOÁT NƢỚC THEO BÀI các khu vực nghiên cứu. Kết quả tính toán<br /> TOÁN CỐ KẾT THẤM được như sau:<br /> 3.1. Xây dựng tương quan sức chống Su = 0,395z + 13,978 (9)<br /> cắt không thoát nước theo độ sâu, mức độ  Su <br /> V  201,2.ln    442,79<br /> '<br /> (10)<br /> nén chặt.  e <br /> Để đánh giá Su của đất yếu cần xác định Từ kết quả tổng hợp sức chống cắt không<br /> tương quan giữa độ chặt (e) và trạng thái ứng thoát nước của thí nghiệm VST và được hiểu<br /> suất của đất nền. Từ kết quả thí nghiệm nén cố chỉnh theo biểu thức (8), xây dựng được các<br /> kết, kết quả như hình 2 và: tương quan (9) và (10) là khá chặt chẽ, với hệ<br /> e = 1,6073exp(-0,0015σ'v) (7) số tương quan R 2 =0,99 và được thể hiện trên<br /> Với: e- hệ số rỗng, σ'v- ứng suất nén hình 3, hình 4, hình 5 và hình 6.<br /> <br /> <br /> 32 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015<br />  Hình 3. Tương quan giữa Su theo độ sâu Hình 4. Tương quan giữa Su theo độ sâu (với<br /> khu vực dự kiến mở rộng mặt đường lớp đất trên bề mặt cố kết trước)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Tương quan giữa Su/e theo độ sâu Hình 6. Tương quan giữa Su/e và ứng suất hữu<br /> <br /> 3.2. Cơ sở lý thuyết dự báo sức chống cắt Thực tế, nước lỗ rỗng luôn chứa một hàm<br /> không thoát nước theo bài toán cố kết thấm lượng khí nhất định, các loại khí này khi chịu<br /> Để thực hiện tính toán giá trị áp lực nước lỗ nén ép sẽ bị hòa tan một phần. Xét tính nén ép<br /> rỗng thặng dư ở thời điểm bất kỳ theo độ sâu của nước lỗ rỗng, hệ số cố kết có thể được biểu<br /> có thể sử dụng lý thuyết cố kết thấm 1 chiều diễn bằng biểu thức sau:<br /> của K.Terzaghi. Lời giải cố kết thấm một chiều kz<br /> Cv  (12)<br /> của K.Terzaghi chấp nhận nước lỗ rỗng không  2 ( 1  v ) 3n <br /> chịu nén ép, hệ số cố kết phụ thuộc vào tính w   <br /> nén ép của cốt đất và tính thấm của đất:  K sk K a , w <br /> k E0<br /> Cv  z (11) Ku  (13)<br /> a0  w 3 ( 1  2v )<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 33<br />  3 xét khối đắp dày 2m, trọng lượng riêng của vật<br /> K a ,w  (14) liệu đắp là 19,5kN/m3, hệ số cố kết tính theo<br /> 1 Sr ( 1  H )  1 1 <br />    biểu thức (12), Cv= 6,704x10-4 m2/ngđ và hệ số<br /> 2  p0 p o  p  thấm kz = 3,145x10 -5 m/ngđ. Kết quả tính<br /> Trong đó: toán biểu thức (7) và (10) trên cở sở bài toán<br /> Ksk - module biến dạng thể tích khung cốt đất; cố kết thấm một chiều khi xét tính nén ép<br /> Ka,w - module biến dạng thể tích hỗn hợp của nước lỗ rỗng, giá trị sức chống cắt không<br /> khí-nước lỗ rỗng; thoát nước Su gần với giá trị Su từ thí nghiệm<br /> Với: po = patm + γw.z - áp lực ban đầu của VST. Kết quả tính toán được thể hiện hình 7<br /> nước lỗ rỗng trong điều kiện tự nhiên; và hình 8.<br /> E0 - Module biến dạng tổng quát; Kết quả dự báo sức chống cắt không thoát<br /> ν - Hệ số Poisson của đất ; nước Su theo độ sâu (hình 8) tại tâm diện gia<br /> tải ở các thời điểm khác nhau trên cơ sở bài<br /> γw - trọng lượng riêng của nước; toán cố kết thấm một chiều cho thấy có sự<br /> n - độ rỗng của đất; khác biệt không đáng kể. Kết quả tính toán<br /> kz - hệ số thấm theo phuơng đứng. cho thấy ở gần bề mặt trong phạm vi 30 năm, ở<br /> Sử dụng lý thuyết cố kết thấm cho phép độ sâu từ 8-9m trở lại thì Su ở tâm diện<br /> xác định được giá trị áp lực nước lỗ rỗng truyền tải lớn hơn ở taluy vì ứng suất nén<br /> thặng dư theo độ sâu tại một thời điểm nhất trong nền ở tâm diện gia tải lớn hơn ở taluy.<br /> định nào đó. Từ đó, ứng suất hữu hiệu: Ở độ sâu từ 9-14 m, giá trị Su ở các thời điểm<br /> σ′ = (σ − u) xác định được khi đã biết ứng khác nhau có giá trị gần bằng nhau và phù<br /> suất tổng tác dụng. Áp lực nước lỗ rỗng hợp với giá trị Su từ kết quả thí nghiệm cắt<br /> thặng dư của bài toán cố kết thấm một chiều cánh tại hiện trường. Từ độ sâu 14m trở lên, giá<br /> được tính theo biểu thức sau: trị Su ở các thời điểm khác nhau có giá trị gần<br /> bằng nhau và lớn hơn đáng kể với giá trị Su từ<br /> 4 q 1 iz  C i 2 2 <br /> u   sin exp   v 2 t  (15) kết quả thí nghiệm cắt cánh tại hiện trường<br />  i 1 i h  h  thuộc khu vực nghiên cứu.<br /> Với điều kiện địa chất khu vực nghiên cứu,<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Kết quả tính toán Su theo mức độ cố Hình 8. Kết quả tính toán Su theo mức độ<br /> kết và độ sâu theo thời gian không xét cố kết và độ sâu theo thời gian có xét tính<br /> tínhnén ép của nước lỗ rỗng nén ép của nước lỗ rỗng<br /> <br /> <br /> 34 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015<br />  4. KẾT LUẬN trên đất yếu," Nhà xuất bản Xây dựng, 2000.<br /> Kết quả phân tích và tổng hợp số liệu thí [2] Nguyễn Thành Long, Lê Bá Lương,<br /> nghiệm xác định sức chống cắt không thoát Nguyễn Quang Chiêu, Vũ Đức Lực, "Công<br /> nước và xây dựng các tương quan: (Su-z), trình trên đất yếu trong điều kiện Việt Nam,"<br /> (e-Su), (σ’v-Su/e), và kết hợp với lý thuyết cố Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM - Tổ<br /> kết thấm một chiều có xét tính nén ép của Giáo trình, 1989.<br /> nước lỗ rỗng, cho phép dự báo được sự thay [3] Kenya Sagae, Motohiro Sugiyama,<br /> đổi Su theo thời gian và theo độ sâu. Kết quả Akira Tonosaki and Masaru Akaishi, "Ratio<br /> nghiên cứu có thể rút ra các kết luận chính of undrained shear strength to vertical<br /> như sau: effective stress," Proc.Schl.Eng.Tokai<br /> - Khu vực nền đất cố kết trước (khu vực đã University, vol. 31, pp. 21-25, 2006.<br /> tồn tại công trình đắp), kết quả tính toán Su theo [4] F.H. Kulhavy, P.W. Mayne, Manual on<br /> các tương quan thí nghiệm đề nghị với bài toán estimating soil properties for<br /> cố kết thấm thấm một chiều có xét tính nén ép foundation design, Cornell University Ithaca<br /> của nước lỗ rỗng phù hợp với kết quả thí ed., 1990.<br /> nghiệm VST tại hiện trường. Sức chống cắt ở [5] Charles C. Ladd, Hon.<br /> khu vực này gần bề mặt giảm dần đến độ sâu M., "Recommended practice for soft<br /> 2m, từ độ sâu này trở đi thì Su tăng gần như ground site characterization," in 12th<br /> tuyến tính theo độ sâu. Panamerican conference on soil mechanics<br /> - Dưới tác dụng của tải trọng ngoài, kết quả and geotechnical engineering, 2003.<br /> dự báo Su theo thời gian tại tâm diện gia tải [6] Braja M. Das, Advanced Soil<br /> với bài toán cố kết thấm một chiều phù hợp Mechanics, T. edition, Ed., Taylor & Francis<br /> với xu hướng gia tăng sức chống cắt nơi tồn Group, 2008.<br /> tại công trình đắp. [7] Arnold Verruijt, Soil Mechanics, D. U.<br /> - Giá trị Su dưới mái taluy tăng ít hơn so với o. Technology, Ed., 2001.<br /> tâm ở khu vực bề mặt. [8] Bùi Trường Sơn, "Biến dạng tức thời<br /> Kết quả nghiên cứu cho phép đánh giá khả và lâu dài của nền đất sét bão hòa nước,"<br /> năng ổn định của nền đất yếu theo thời gian và Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ,<br /> sự gia tăng khả năng chịu tải của đất nền ở khu Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, vol. 9, pp.<br /> vực bề mặt. 17-24, 2006.<br /> [9] Lê Hoàng Việt, Bùi Trường Sơn,<br /> "Tương quan sức chống cắt không thoát nước<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO của sét mềm theo độ sâu và mức độ nén chặt,"<br /> Tạp chí khoa học kỹ thuật thủy lợi & Môi<br /> [1] Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN: 262-200, trường, Đại học Thủy Lợi, vol. 39, pp. 120-<br /> "Qui trình khảo sát thiết kế nền đường ô tô đắp 125, 2012.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Người phản biện: PGS,TS. ĐẶNG HỮU DIỆP<br /> <br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 35<br />