Nghiên cứu sức chống cắt của đất bằng các thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT), xuyên tĩnh có đo áp lực nước lỗ rỗng (CPTU) và ứng dụng trong phân tích ổn định nền đường đắp trên đất yếu

NGHIÊN CỨU SỨC CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT<br /> BẰNG CÁC THÍ NGHIỆM XUYÊN TIÊU CHUẨN (SPT),<br /> XUYÊN TĨNH CÓ ĐO ÁP LỰC NƯỚC LỖ RỖNG (CPTU)<br /> VÀ ỨNG DỤNG TRONG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH<br /> NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU<br /> NGUYỄN THÁI LINH, NGUYỄN ĐỨC MẠNH*<br /> <br /> Study on shear strength of soil by standard penetration test (SPT) and<br /> piezocone penetration test (CPTu) and application in stabilization<br /> analysis of embankments on soft soil.<br /> Abstract: The paper presents the determination of shear strength and<br /> undrained shear strength of the ground by results standard penetration<br /> test (SPT) and, piezocone penetration test (CPTu) at Ha Dong - Hanoi.<br /> From this, the undrained shear strength is used for stability analysis of<br /> embankment on soft soil.<br /> Keyword: Standard penetration test (SPT), piezocone penetration test<br /> (CPTu), undrained shear strength, stability, embankment.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ * 262-2000) ở nƣớc ta thƣờng yêu cầu xác định<br /> Sức chống cắt (SCC) của đất nói chung và sức chống cắt không thoát nƣớc của các lớp đất<br /> sức chống cắt không thoát nƣớc nói riêng là yếu bằng thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng phục<br /> tham số cơ bản sử dụng để phân tích ổn định vụ phân tích ổn định khi thiết kế nền đắp trên<br /> trƣợt sâu nền đƣờng đắp trên đất yếu SCC đất yếu<br /> thƣờng đƣợc xác định trực tiếp từ mẫu đất trong Vấn đề đặt ra là có thể sử dụng thông số<br /> phòng cũng có thể xác định trực tiếp hay gián SCC không thoát nƣớc xác định theo kết quả<br /> tiếp từ các thí nghiệm hiện trƣờng SPT hay CPTu thay thế cho thí nghiệm cắt cánh<br /> Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (Standard hiện trƣờng để phân tích ổn định nền đắp trên<br /> Penetration Test - SPT) và thí nghiệm xuyên đất yếu ở điều kiện nƣớc ta đƣợc hay không? Từ<br /> tĩnh có đo áp lực nƣớc lỗ rỗng (Piezocone kết quả nghiên cứu thực nghiệm công trình cụ<br /> Penetration Test - CPTu) đƣợc nhiều tác giả thể tại Hà Đông - Hà Nội sử dụng các tƣơng<br /> trong và ngoài nƣớc sử dụng để nghiên cứu quan đã có của một số tác giả ngoài nƣớc bài<br /> SCC của các loại đất khác nhau thông qua các báo xác định tƣơng quan hợp l để xác định<br /> tƣơng quan thực nghiệm Các nghiên cứu này SCC không thoát nƣớc qua kết quả SPT và<br /> đều khẳng định rằng việc xác định SCC từ kết CPTu phục vụ việc phân tích ổn định nền đƣờng<br /> quả thí nghiệm SPT và CPTu có độ tin cậy dễ đắp trên đất yếu<br /> tiến hành nhanh và thuận tiện [1,2,5,6,7,8,11]. 2. SỨC CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT THEO<br /> Trong khi đó tiêu chuẩn hiện hành (22TCN KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM SPT VÀ CPTu<br /> 2.1. Theo kết quả SPT<br /> *<br /> Bộ môn Địa kỹ thuật, khoa Công trình, Hiện có nhiều tƣơng quan cho phép xác định<br /> Đại học Giao thông Vận tải.<br /> SCC của đất rời và đất dính bằng kết quả SPT<br /> E-mail: thailinh.303@gmail.com<br /> E-mail: ndmanhgeot@gmail.com Với đất cát tiêu biểu có [1 7 8 11]:<br /> <br /> 12 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017<br />  Công thức Peck Hanson và Thornburn a = 20 với đất cát pha<br /> (1974), Với Terzaghi và Peck (1967)<br />  54 – 27,6034e-0 014N‟60 (1) Su = 0,06 N60 (8)<br /> Hay công thức Schmertmann (1975) Còn theo Hara (1974),<br /> arctg[N60/(12,2+20,3 ‟vo)]0,34 (2) Su = 0,29N600,72 (9)<br /> Còn Meyerhof (1956) sử dụng bảng tra sau: 2.2. Theo kết quả CPTu<br /> Trong thí nghiệm CPTu sẽ đo đƣợc sức<br /> kháng mũi qc ma sát thành đơn vị fs và áp lực<br /> Bảng 1. Góc ma sát trong của đất rời<br /> nƣớc lỗ rỗng u nhờ những bộ chuyển tín hiệu<br /> theo kết quả SPT (Meyerhof, 1956)<br /> riêng biệt Trong thiết bị CPTu sức kháng mũi<br /> qc không phải áp lực thực tác dụng lên mũi côn<br /> N 0 - 4 4 - 10 10 - 30 30 - 50 > 50 qT, vì thế có thể tính:<br />  (độ) < 30 30 - 35 35 - 40 40 - 45 > 45 qT = qc + uT (1-a) (10)<br /> trong đó: uT là áp lực nƣớc lỗ rỗng đo tại<br /> Trong đó: vòng đá thấm ở đầu mũi xuyên; a là tỷ số tiết<br /> N‟60 = N × CE× CN (3) diện ngang giữa trục và đáy mũi xuyên a =<br /> N‟60 là chỉ số SPT chuẩn hóa về 60% năng 0,8 – 0,82.<br /> lƣợng hữu ích; Khi nghiên cứu về sức chống cắt không thoát<br /> N là chỉ số SPT; nƣớc của đất yếu (Su) bằng CPTu có thể sử<br /> CE là hệ số hiệu quả phụ thuộc vào thiết bị dụng một trong các công thức Vésic (1975)<br /> thí nghiệm Ở nƣớc ta đƣợc khuyến nghị lấy CE Senneset (1985), Aas và nnk (1986), Konrad và<br /> Law (1987), Teh và Houlsby (1991), Yu và nnk<br /> = 0,5 – 0,9 [1,7,8];<br /> (2000) hay Su và Liao (2002) [2,3,5,6]<br /> CN là hệ số độ sâu có thể xác định C N bằng<br /> Với đất cát SCC theo CPTu có một số quan<br /> một trong những quan hệ của:<br /> hệ nhƣ:<br /> Liao và Whitman (1986), Công thức của Roberson và Campanella<br /> CN = (0,9576/‟vo)0,5 (4) (1983),<br /> Peck (1974),  arctg [0,1 + 0,38.log (qT/‟vo)] (11)<br /> CN = 0,77 log(19,2/‟vo) (5) Công thức Kulhawy và Mayne (1990)<br /> Skempton (1986),  17,6 + 11log(qT) (12)<br /> CN = 2/(1+‟vo) (6) Theo Meyerhof (1956) sử dụng bảng 2<br /> ‟vo là ứng suất hữu hiệu do trọng lƣợng bản<br /> thân lớp đất theo phƣơng đứng (kg/cm2). Bảng 2. Góc ma sát trong của đất rời theo<br /> Với đất sét bão hòa nƣớc sức chống cắt kết quả CPTu (Meyerhof, 1956)<br /> không thoát nƣớc có nhiều tác giả đề cập điển<br /> hình nhƣ [1 2 3 5 6 9 10]: 120 - ><br /> qc (kPa) < 20 20 - 40 40 - 120<br /> Công thức Sower (1979) 200 200<br />  (độ) < 30 30 -35 35 - 40 40 - 45 > 45<br /> Su= 100N/a (7)<br /> Trong đó:<br /> Với đất dính sức chống cắt không thoát nƣớc<br /> a = 10 với đất sét<br /> theo CPTu có thể sử dụng quan hệ sau [4 ]:<br /> a = 15 với đất sét pha<br /> Công thức Keaveny và Michell (1986)<br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 13<br />  Su = (qT - ‟vo)/Nk (13) Một số thông số cơ bản của các lớp đất nền<br /> Với Nk là hệ số hiệu chỉnh Nk = 15 – 20.<br /> trong mặt cắt nghiên cứu nhƣ bảng 3.<br /> Công thức Li (2011)<br /> Su = 0,063(qT - ‟vo) – 1,91 (14) 3.2. Đặc điểm sức chống cắt không thoát<br /> Theo Viện xây dựng Sichuan – Trung Quốc nƣớc của đất theo kết quả SPT và CPTu<br /> (2014): trong phạm vi nghiên cứu<br /> Su = 0,0543(qT - ‟vo) + 4,8 (15) Thí nghiệm SPT và CPTu đƣợc thực hiện tại<br /> công trình nghiên cứu đƣờng trục phía Nam Hà<br /> 3. NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH TRƢỢT SÂU<br /> NỀN ĐƢỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU BẰNG Tây (cũ) dùng các hàm tƣơng quan thực<br /> KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM SPT VÀ CPTU nghiệm tại mục 2 xác định đƣợc thông số sức<br /> 3.1. Vị trí nghiên cứu chống cắt các lớp đất 2a 2b và 2c mặt cắt<br /> Sử dụng kết quả nghiên cứu từ công trình<br /> nghiên cứu<br /> đƣờng trục phía nam tỉnh Hà Tây (cũ) nay thuộc<br /> địa phận Quận Hà Đông thành phố Hà Nội * Với thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn<br /> nhóm nghiên cứu thực hiện công tác khoan thăm Các hình 1, 2, 3 và 4 cho thấy, sức chống cắt<br /> dò thí nghiệm mẫu đất trong phòng thí nghiệm không thoát nƣớc (Su) xác định bằng N60, theo<br /> xuyên tiêu chuẩn thí nghiệm cắt cánh trong lỗ<br /> Sower, Terzaghi và Peck, hay Hara rất khác<br /> khoan và thí nghiệm xuyên tĩnh có đo áp lực<br /> nƣớc lỗ rỗng với 04 mặt cắt ngang nghiên cứu nhau. Su xác định qua SPT theo công thức Hara<br /> bao gồm 08 lỗ khoan khảo sát địa chất và 03 cho các lớp đất 2a, 2b và 2c là lớn nhất, còn<br /> điểm xuyên CPTu cho đoạn tuyến dài hơn 6km theo Sower là bé hơn cả.<br /> Địa tầng của mặt cắt lựa chọn nghiên cứu ngoài<br /> So sánh với thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng<br /> lớp kết cấu áo đƣờng và đất đắp nền đƣờng có<br /> các lớp đất nền tự nhiên là sét dẻo cao - dẻo mềm (bảng 3, hình 4), Su tính theo Sower nhỏ hơn từ<br /> (lớp 2a) phía dƣới là lớp bụi dẻo cao - dẻo chảy 16% đến 19% theo Hara cao hơn từ 7% đến<br /> (lớp 2b), lớp sét bụi dẻo cao xen kẹp cát dẻo 18% trong khi độ chênh lệch này với công thức<br /> mềm (lớp 2c) dƣới cùng là lớp cát chặt vừa.<br /> của Terzaghi và Peck chỉ là 3%.<br /> Mực nƣớc ngầm ngang mặt đất. Các lớp đất 2a,<br /> 2b và 2c đƣợc xem là ít thuận lợi cho xây dựng<br /> đƣờng ô tô đắp trên nó – đất yếu là đối tƣợng<br /> chính đƣợc phân tích trong nghiên cứu này.<br /> Bảng 3. Thông số cơ bản các lớp đất nền<br /> <br /> Chiều dày Su * **<br /> Lớp  (kN/m3)<br /> lớp đất (m) (kPa) (độ)<br /> 2a 1,2 – 1,8 17,4 31,0 -<br /> 2b 0,9 – 1.0 15,4 28,6 -<br /> 2c 3,3 – 5,0 17,64 26,6 -<br /> 3 2,0 – 3,0 17,72 - 30,1<br /> * Su từ thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng<br /> **  xác định theo TCVN 9351:2012 Hình 1. Su xác định qua N60 của lớp đất 2a<br /> <br /> <br /> 14 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017<br />  sự khác biệt không lớn (lệch nhau 4%-10%)<br /> (hình 5).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Su xác định qua N60 của lớp đất 2b<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5.  xác định qua N60 của lớp đất 3<br /> <br /> * Với thí nghiệm xuyên tĩnh có đo áp lực<br /> nước lỗ rỗng<br /> Sức chống cắt không thoát nƣớc (Su) các lớp<br /> đất 2a 2b 2c xác định bằng kết quả thí nghiệm<br /> CPTu theo các công thức Li, Keaveny và<br /> Michell, hay Viện xây dựng Sichuan có sự khác<br /> biệt (hình 6, 7, 8). Khi so sánh Su xác định theo<br /> Hình 3. Su xác định qua N60 của lớp đất 2c CPTu với cắt cánh hiện trƣờng (hình 9), Su theo<br /> Keaveny và Michell thấp hơn so với thí nghiệm<br /> cắt cánh từ 1% đến 15% trong khi đó Su theo<br /> công thức Viện xây dựng Sichuan cao hơn Su từ<br /> cắt cánh 6-12% Đối với công thức liên hệ của<br /> Li cho kết quả độ lệch nhỏ nhất, khoảng 3,5%.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. So sánh Su xác định theo N60 với Su từ<br /> cắt cánh hiện trường<br /> <br /> Với lớp đất cát (lớp đất số 3), góc ma sát<br /> trong  xác định qua N60 theo các công thức<br /> Meyerhof, Peck và Schmertmann cho kết quả có Hình 6. Su xác định qua qT của lớp đất 2a<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 15<br />  các tác giả khác nhau có sự chênh lệch không<br /> lớn (2,5 - 9 4%) (hình 10) Trƣờng hợp này,<br /> công thức liên hệ của Meyerhof cho giá trị góc<br /> ma sát trong của đất cát bé nhất.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Su xác định qua qT của lớp đất 2b<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 10.  xác định theo CPTu của lớp 3<br /> <br /> 3.3. Phân tích ổn định trƣợt sâu nền<br /> đƣờng đắp trên đất yếu khi sử dụng sức<br /> chống cắt không thoát nƣớc theo kết quả<br /> SPT và CPTu<br /> Sử dụng mặt cắt địa chất gồm các lớp đất nền<br /> Hình 8. Su xác định qua qT của lớp đất 2c nhƣ bảng 3 phân tích ổn định nền đƣờng đắp<br /> cao từ 3 5m đến 6m với bề rộng mặt đƣờng<br /> 40m xét ở 3 trƣờng hợp:<br /> - Trƣờng hợp 1 (TH1): Sử dụng Su của các lớp<br /> đất 2a 2b 2c từ thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng<br /> và  lớp 3 lấy theo TCVN 9351:2012 (bảng 3)<br /> - Trƣờng hợp 2 (TH2): Sử dụng Su xác định<br /> qua chỉ số SPT theo công thức của Terzaghi và<br /> Peck, và  lớp 3 lấy theo công thức Peck (hình<br /> 1, 2, 3, 5).<br /> - Trƣờng hợp 3 (TH3): Sử dụng Su xác định<br /> qua kết quả CPTu theo công thức của Li, và <br /> lớp đất 3 lấy theo quan hệ Meyerhof (hình<br /> 6,7,8,10).<br /> Hình 9. So sánh Su xác định theo qT với Su từ cắt Sử dụng phần mềm Geostudio 2007 mô đun<br /> cánh hiện trường các lớp đất Slope/W, phân tích ổn định trƣợt sâu khi nền<br /> đắp cao 3,5m; 4m; 4,5m; 5m; 5,5m và 6m.<br /> Trƣờng hợp đất cát (lớp 3), góc ma sát trong Kết quả phân tích ổn định cho các trƣờng<br /> () xác định theo các công thức 10, 11 và bảng hợp và các điều kiện khác nhau đƣợc thể hiện<br /> 2. Kết quả nghiên cứu cho thấy,  xác định theo tại bảng 4.<br /> <br /> 16 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017<br /> Bảng 4. Hệ số ổn định trƣợt sâu nền đƣờng do Rio Grande do Sul, Brazil.<br /> đắp trên đất yếu các trƣờng hợp nghiên cứu [3]. Hara, A., Ohta, T., Niwa, M., Tanaka, S.,<br /> and Banno, T. (1974), “Shear modulus and<br /> Hệ số ổn định (Fs) shear strength of cohesive soils”, Soils and<br /> TH Foundation., 14(3), 1-12.<br /> TH1 TH2 TH3<br /> Hđắp(m) [4]. Li, Z.M (2011), "Soft soil foundation<br /> 3,5 2,31 2,31 2,29 reinforcement with quality control", Beijing -<br /> 4,0 1,99 2,00 1,99 China Building Industry Press.<br /> 4,5 1,77 1,79 1,79 [5]. Geotechnical Research Group<br /> 5,0 1,61 1,64 1,61 Department of Civil Engineering, "Manual On<br /> 5,5 1,47 1,51 1,49 Interpretation Of Seismic Piezocone Test Data<br /> 6,0 1,36 1,39 1,37 For Geotechnical Design (2001). Practical<br /> Applications of the Cone Penetration Test", The<br /> Bảng 4 cho thấy, ở trƣờng hợp cụ thể, cùng University of British Columbia. USA. 235pp.<br /> tải trọng tác dụng (cùng chiều cao đắp), hệ số ổn [6]. United States Department of Agriculture<br /> định trƣợt (Fs) gần tƣơng đƣơng nhau (độ chênh Natural Resources Conservation Service (2012),<br /> lệch < 2,7%) khi sử dụng thông số sức chống National Engineering Handbook.<br /> cắt không thoát nƣớc xác định qua chỉ số SPT [7]. Liao, S.S.C and Whitman, R.V (1986),<br /> theo công thức Terzaghi và Peck xác định qua "Overburden Correction Factors for SPT in<br /> kết quả CPTu theo công thức Li và theo kết quả Sand", Journal of Geotechnical Engineering,<br /> thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng. A.S.C.E., v. 112:3, p. 373-377.<br /> Khi chiều cao đắp nền tăng hệ số ổn định [8]. Skempton (1986), "Standard Penetration<br /> trƣợt giảm tuyến tính tƣơng ứng mỗi trƣờng hợp Test Procedures and the Effects in Sands of<br /> xem xét (bảng 4). Overburden Pressure, Relative Density, Particle<br /> 4. KẾT LUẬN Size, Aging and Overconsolidation",<br /> Sức chống cắt không thoát nƣớc (Su) các lớp đất Geotechnique, v. 36:3, p. 425-447.<br /> dính mềm yếu (trạng thái dẻo mềm – dẻo chảy) xác [9]. Sowers, G.B. and Sowers, G.F. (1970),<br /> định thông qua các kết quả thí nghiệm xuyên tiêu "Introductory Soil Mechanics and Foundations",<br /> chuẩn (SPT) bằng công thức Terzaghi và Peck, hay Third Edition, The MacMillan Co., New York.<br /> xuyên tĩnh có đo áp lực nƣớc lỗ rỗng (CPTu) theo [10]. Peck, R., Hanson,W., and Thornburn<br /> công thức Li có thể sử dụng để thay thế kết quả thí (1974), "Foundation Engineering Handbook",<br /> nghiệm cắt cánh hiện trƣờng khi phân tích ổn định Wiley, London.<br /> trƣợt sâu nền đƣờng đắp trên đất yếu [11]. Terzaghi, K. and Peck, R.B. (1967),<br /> "Soil Mechanics in Engineering Practice", John<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO Wiley, NewYork. 729.<br /> [12]. TCVN 9351:2012 - Thí nghiệm xuyên<br /> [1] Vũ Công Ngữ, Nguyễn Thái (2006), "Thí tiêu chuẩn SPT<br /> nghiệm đất hiện trường và ứng dụng trong phân [13]. TCVN 9846:2013 - Quy trình thí nghiệm<br /> tích nền móng", Nxb KH&KT, Hà Nội. xuyên tĩnh có đo áp lực nƣớc lỗ rỗng (CPTu)<br /> [2]. Fernando Schnaid (2006), "Piezocone [14]. 22TCN 262:2000 - Quy trình khảo sát<br /> Penetration Tests CPTu", Universidade Federal nền đƣờng ô tô đắp trên đất yếu<br /> <br /> <br /> Người phản biện: PGS.TS. TRẦN MẠNH LIỄU<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 17<br />