Nghiên cứu hóa lỏng cát nền đê Hữu Hồng, đoạn KM73+500 - KM74+100, chịu tải trọng chu kỳ, không thoát nước

NGHI N C U H ỎNG CÁT NỀN Đ H U H NG<br /> ĐO N K –K CH U T I TR NG CHU K<br /> KHÔNG THOÁT NƯỚC<br /> <br /> NGUYỄN HỒNG NAM*, NG THỊ NGỌC V N**<br /> <br /> <br /> Study on liquefaction of right red river dyke sand, K73+500 – K74+100<br /> subjected to undrained cyclic loading<br /> Abstract: Study on earthquake liquefaction of sand specimens which had<br /> been sampled from layer 3a of the boreholes in the foundation of the right<br /> Red river dyke segment K73+500-K74+100 was implemented. A series of<br /> sand cylindrical specimens with diameter of 50mm, height of 100mm were<br /> subjected to sinusidal wave loading with the frequency of 0.1Hz, under<br /> constant confining stress of 100 kPa and void ratio with controlled stress<br /> ratios between 0.1 and 0.3. The test results revealed that it can be<br /> determined exactly the liquefaction characteristics of Red river sand such<br /> as the vartion of excess porewater pressure, axial strain and cyclic stress<br /> ratio with the number of loading cycles causing the specmien liquefied.<br /> The test results would be useful for liquefaction prediction for Red river<br /> sand subjected to earthquake loading.<br /> Keywords: eathquake, liquefaction, sand, river dyke, cyclic loading..<br /> <br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ * đất mạnh 5,4 độ Richter ở Hà Nội là 1.100 năm<br /> Hóa lỏng do động đất có thể gây ra những và trận động đất mạnh cuối cùng xảy ra cách<br /> hậu quả nghiêm trọng đối với công trình, gây đây đã hơn 700 năm (1285). Hiện Hà Nội đang<br /> sụt lún mặt đất, lún nền công trình, làm mất trong thời kỳ yên tĩnh nhƣng trong tƣơng lai<br /> khả năng chịu tải của nền, gây phá hủy hoạt động động đất có thể tăng lên và động đất<br /> nghiêm trọng công trình. Nhiều sự cố đê sông mạnh có thể xảy ra. Ngoài ra, Hà Nội còn phải<br /> do hóa lỏng nền đƣợc quan sát trong hầu hết chịu tác động của động đất mạnh xảy ra ở<br /> các trận động đất lớn tại Nhật Bản (Adalier và những vùng đứt gãy lân cận nhƣ đứt gãy sông<br /> Sharp, 2004). Lô, Đông Triều, Sơn La (Nguyễn Đình Xuyên,<br /> Hà Nội nằm trong vùng đứt gãy sông Hồng- 2004). Hà Nội hiện có 20 tuyến đê chính với<br /> sông Chảy, nơi đã xảy ra các trận động đất tổng chiều dài 469,913 km, trong đó: tuyến đê<br /> mạnh 5,1-5,5 độ Richter. Chu kỳ lặp lại động hữu Hồng đoạn qua thành phố Hà Nội dài tổng<br /> cộng 128,6km là đê cấp đặc biệt, bảo vệ cho<br /> *<br /> Trường Đại học Thủy lợi,<br /> trên 160.000ha diện tích lƣu vực của thủ đô Hà<br /> 175 Tây Sơn, Đ ng Đa, Hà Nội,<br /> Nội. Tuyến đê hữu Hồng có nhiệm vụ cực kỳ<br /> Điện thoại liên hệ: 0904359460<br /> quan trọng là phòng chống lụt bão, đảm bảo an<br /> Email: hongnam@wru.vn;<br /> toàn tuyệt đối cho thủ đô Hà Nội. Tuy nhiên<br /> **<br /> Trường Đại học Thủy lợi,<br /> trong thân, nền đê tiềm ẩn nhiều ẩn họa khó<br /> 175 Tây Sơn, Đ ng Đa, Hà Nội,<br /> lƣờng nhất là những đoạn đê đắp trực tiếp trên<br /> Điện thoại liên hệ: 0989051551<br /> nền đất yếu, đất cát phân bố nông, bão hòa nƣớc<br /> Email: vanntn@tlu.edu.vn; dễ xảy ra khả năng hóa lỏng khi chịu tác động<br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 9<br /> của động đất mạnh. Hóa lỏng do động đất chƣa đƣợc kết nối với một máy vi tính thông qua các<br /> đƣợc xem xét khi thiết kế các công trình đê đập giao diện cảm biến Kyowa PCD-300B-F. Biến<br /> vật liệu địa phƣơng tại Việt Nam. dạng dọc trục đƣợc đo bằng một cảm biến<br /> Để đánh giá định lƣợng khả năng kích hoạt không tiếp xúc có độ chính xác bằng 0.1mm lắp<br /> hóa lỏng, bƣớc quan trọng đầu tiên cần cho bên trong buồng 3 trục và 1 cảm biến LVDT có<br /> hầu hết các dự án chính là liên quan đến khả độ chính xác bằng 0,05 mm lắp bên ngoài<br /> năng hóa lỏng do động đất. Có hai xu hƣớng buồng 3 trục. Sự thay đổi thể tích của mẫu đƣợc<br /> tổng hợp cho việc này (Seed et al., 2003): (1) đo bằng đầu đo thể tích tự động có dung tích<br /> sử dụng thí nghiệm trong phòng trên các mẫu 25ml. Đầu đo tải trọng buồng tải trọng có công<br /> ―nguyên dạng‖ và (2) sử dụng các quan hệ suất 2kN đƣợc lắp trực tiếp trên nắp mẫu, phía<br /> kinh nghiệm dựa trên tƣơng quan ứng xử quan trong buồng 3 trục, nhằm giảm thiểu lực ma sát<br /> sát hiện trƣờng với các thí nghiệm hiện giữa piston và ống trục.<br /> trƣờng. Nhiều thí nghiệm trong phòng đã đƣợc<br /> thực hiện trong những điều kiện khác nhau<br /> cho thấy biến dạng nền lớn thƣờng xuất hiện<br /> sau hóa lỏng đất cát. Việc sử dụng các thí<br /> nghiệm hiện trƣờng là xu hƣớng phổ biến<br /> trong thực tiễn kỹ thuật do tính đơn giản,<br /> thuận tiện trong việc ƣớc tính sức kháng hóa<br /> lỏng tại thực địa. Mặt khác, việc sử dụng thí<br /> nghiệm trong phòng là phức tạp bởi những<br /> khó khăn liên quan đến sự xáo trộn mẫu khi<br /> lấy mẫu và cố kết lại nhƣng có nhiều mặt tích<br /> cực (Seed et al., 2003).<br /> Nghiên cứu khả năng hóa lỏng của cát nền đê<br /> Hữu Hồng đƣợc thực hiện đối với đoạn đê Hữu Hình 1 Hệ th ng thiết bị thí nghiệm 3 trục<br /> Hồng từ K73+500 đến K74+100 thuộc địa phận động, DTC 367-D<br /> quận Hoàng Mai, Thành phố Hà Nội. Một loạt<br /> các thí nghiệm trong phòng trên máy ba trục 2.2. Vật liệu thí nghiệm n<br /> động đƣợc tiến hành đối với đất cát đƣợc lấy n ệm<br /> mẫu từ các hố khoan tại thực địa. Vật liệu thí nghiệm là loại cát nền đê, lớp<br /> II. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3a đƣợc lấy mẫu tại hố khoan HK3 tại độ<br /> 2.1 Thiết bị thí nghiệm sâu từ 6,8 đến 7,05m, trong phạm vi<br /> Nghiên cứu hóa lỏng của đất cát nền đê hữu K73+500-K74+100 đê hữu sông Hồng, Hà<br /> sông Hồng đƣợc thực hiện tại phòng thí nghiệm Nội (Đại học Thủy lợi, 2015). Các chỉ tiêu<br /> địa kỹ thuật động đất, Trƣờng Đại học Thủy lợi. cơ lý của mẫu đất thí nghiệm nhƣ sau: hàm<br /> Hệ thống thiết bị thí nghiệm 3 trục động, model lƣợng hạt mịn f c =4,46 ; t trọng hạt<br /> DTC – 367D do hãng Seiken, Nhật Bản (Hình G s=2,65; hệ số rỗng lớn nhất e max = 0.993;<br /> 1) chế tạo bao gồm: Máy nén khí tạo áp lực hệ số rỗng nhỏ nhất e min =0,554. Thí nghiệm<br /> buồng và áp lực ngƣợc lên tới 1000 kPa; máy phân tích thành phần hạt của đất đƣợc thực<br /> hút chân không tạo áp suất lớn nhất -95kPa; hiện theo theo tiêu chuẩn ASTM D422-63<br /> thiết bị gia tải động cho các tần số tải từ 0.001 cho giá trị đƣờng kính D 60 = 0,299 mm,<br /> đến 1Hz. Tất cả các đầu đo lực và chuyển vị D 10 =0,118mm (Hình 2).<br /> <br /> <br /> 10 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016<br />  làm bão hòa mẫu bằng cách sử dụng khí CO 2<br /> đảm bảo hệ số áp lực nƣớc lỗ rỗng, B 95 . Sau<br /> đó, các mẫu chịu quá trình cố kết đẳng hƣởng<br /> với áp lực cố kết hiệu quả tăng từ 30 kPa đến<br /> 100 kPa. Sau thời gian cố kết tại cấp áp lực<br /> 100kPa, mẫu chịu tác dụng của các tải trọng chu<br /> kỳ hình sin có tần số 0,1Hz với các biên độ tải<br /> trọng khác nhau, sao cho t số ứng suất chu kỳ<br /> thay đổi trong khoảng từ 0,1 đến 0,3 trong điều<br /> kiện không thoát nƣớc. T số ứng suất chu kỳ<br /> Hình 2: Biểu đồ cấp ph i hạt của đất CSR = d/2o , trong đó o là ứng suất hiệu<br /> thí nghiệm (ASTM D422-63) quả ban đầu; d là độ lệch ứng suất, d = v-h,<br /> v là ứng suất theo phƣơng đứng, h là ứng suất<br /> Các mẫu cát hình trụ có đƣờng kính Di = theo phƣơng ngang. Thí nghiệm kết thúc khi<br /> 50mm, chiều cao Hi = 100mm, đƣợc chế bị theo mẫu bị hóa lỏng sau một số chu kỳ tải trọng<br /> phƣơng pháp mƣa cát trong không khí để đảm (JGS 0541-2000). Thông số của các mẫu thí<br /> bảo có cùng một độ chặt tƣơng đối, Dr, (Hình nghiệm đƣợc thể hiện trong bảng 1.<br /> 3). Sau khi thiết lập mẫu trong buồng 3 trục,<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3 Mẫu đất thí nghiệm lấy từ h khoan được thiết lập trong buồng 3 trục<br /> Bảng 1: Các thông số mẫu thí nghiệm<br /> <br /> Tên mẫu Di (mm) Hi (mm) B (%) dc (g/cm3) ec Dr (%)<br /> SH-HL10 50.06 98.80 96 1.425 0.860 30.3<br /> SH-HL11 49.80 98.50 96 1.425 0.860 30.3<br /> SH-HL12 49.90 98.40 97 1.428 0.856 31.2<br /> SH-HL13 50.04 98.80 96 1.427 0.857 30.9<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 11<br />  V và số các vòng lăp N gây hóa lỏng mẫu đất ứng<br /> Hình 4, 5 thể hiện kết quả thí nghiệm đại với cùng điều kiện về độ chặt tƣơng đối và ứng<br /> diện đối với mẫu SH-HL12, SH-HL13. Có thể suất khống chế hiệu quả. Đƣờng cong hóa lỏng<br /> thấy rằng khi số chu kỳ tải trọng gia tăng thì hệ cát 3a đƣợc thể hiện trên Hình 6 ứng với các<br /> số áp lực nƣớc lỗ rỗng dƣ Ru và biến dạng dọc đƣờng đẳng giá trị biến dạng dọc trục biên độ<br /> trục biên độ kép a tăng cho đến khi mẫu bị hóa kép a= 1 , 2 , 5 và hệ số áp lực nƣớc lỗ<br /> lỏng. Điều kiện xuất hiện hóa lỏng mẫu đất rỗng dƣ, Ru= 95%.<br /> đƣợc tính dựa trên các tiêu chí về áp lực nƣớc lỗ Có thể thấy rằng khi biên độ ứng suất tăng<br /> rỗng dƣ Ru 0.95 hoặc biến dạng dọc trục biên thì số vòng lặp gây hóa lỏng giảm, đất sớm xuất<br /> độ kép a 5 (JGS 0541-2000). hiện biến dạng lớn. Hệ số áp lực nƣớc lỗ rỗng<br /> Từ kết quả hóa lỏng đối với các mẫu khác dƣ, Ru tăng theo số chu kỳ tải trọng tác dụng và<br /> nhau, đƣờng cong hóa lỏng (Hình 6) đƣợc xây khi biên độ ứng suất tăng thì hệ số áp lực nƣớc<br /> dựng, biểu thị quan hệ giữa t số ứng suất CSR lỗ rỗng dƣ tăng nhanh.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4 Các kết quả thí nghiệm đ i v i mẫu SH-H 12 chịu tải trọng động<br /> <br /> <br /> 12 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016<br />  Hình 5 Các kết quả thí nghiệm đ i v i mẫu SH-HL13 chịu tải trọng động<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> ─o─DA= 1%<br /> ──DA= 2%<br /> ──DA= 5%<br /> ─*─ Nu95<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6 Đường cong hóa lỏng của các mẫu đất cát 3a<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 13<br />  Có thể thấy rằng đƣờng cong hóa lỏng của TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> cát 3a có dạng phù hợp với các kết quả đã công<br /> bố đối với các loại cát khác nhau (Towhata Đại học Thủy lợi. Báo cáo kết quả khảo<br /> 2008). Kết quả nghiên cứu thực nghiệm này là sát địa chất đê hữu Hồng Km73+500-<br /> cơ sở hữu ích cho việc đánh giá mô phỏng bài Km74+100, 2015.<br /> toán hóa lỏng, ổn định của đê tại hiện trƣờng Nguyễn Đình Xuyên (2004). Nghiên cứu dự<br /> theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn. báo động đất và dao động nền ở Việt Nam. Báo<br /> IV. KẾT LUẬN cáo tổng kết đề tài độc lập cấp nhà nƣớc.<br /> Nghiên cứu hóa lỏng cát đƣợc lấy mẫu từ lớp Adalier K. and Sharp M. Embankment Dam on<br /> 3a, tại hố khoan HK3 thuộc nền đê hữu sông Liquefiable Foundation—Dynamic Behavior and<br /> Hồng, đoạn K73+500 đến K74+100, Hà Nội đã Densification Remediation,Journal of<br /> đƣợc thực hiện thông qua một loạt các thí Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,<br /> nghiệm 3 trục động. Kết quả thí nghiệm cho 2004, Vol. 130, No. 11, pp. 1214-1224.<br /> thấy có thể xác định chính xác các đặc tính hóa ASTM D422-63 (2007). Standard Test<br /> lỏng của cát nền đê Hữu Hồng nhƣ sự gia tăng Method for Particle-Size Analysis of Soils,<br /> áp lực nƣớc lỗ rỗng, biến dạng dọc trục, t số ASTM International, West Conshohocken, PA.<br /> ứng suất chu kỳ theo số chu kỳ gây hóa lỏng. JGS 0541-2000 Method for Cyclic<br /> Kết quả thí nghiệm hữu ích cho việc dự báo hóa Undrained Triaxial Test on Soils.<br /> lỏng, ổn định đê Hữu Hồng trong điều kiện chịu Seed R.B et al. Recent advances in soil<br /> tải trọng động đất mạnh. liquefaction engineering: a unified and<br /> LỜI CẢM ƠN consistent framework, Keynote Presentation,<br /> Nghiên cứu đƣợc thực hiện tại Phòng thí 26th Annual ASCE Los Angeles Geotechnical<br /> nghiệm Địa kỹ thuật động đất, Trƣờng Đại học Spring Seminar, Long Beach, 2003, Report No.<br /> Thủy lợi trong khuôn khổ của đề tài khoa học EERC 2003-06.<br /> cấp nhà nƣớc, mã số KC08.23/11-15. Các tác Towhata I. Geotechnical earthquake<br /> giả chân thành cảm ơn Bộ Khoa học và Công engineering, Springer-Verlag Berlin<br /> nghệ đã cấp kinh phí thực hiện nghiên cứu này. Heidelberg, 2008.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Người phản biện: GS. NGUYỄN CÔNG MẪN<br /> <br /> <br /> 14 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016<br />