Nghiên cứu dự báo sự gia tăng sức chống cắt không thoát nước của sét mềm theo thời gian và theo độ sâu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----

----

NGUYỄN THÀNH LÂM

NGHIÊN CỨU DỰ BÁO SỰ GIA TĂNG SỨC CHỐNG CẮT
KHƠNG THỐT NƯỚC CỦA SÉT MỀM THEO THỜI GIAN
VÀ THEO ĐỘ SÂU

Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
Mã số ngành: 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 06 NĂM 2013


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
------Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. BÙI TRƯỜNG SƠN
.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

................................................................................................................

.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

................................................................................................................

.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. .......................................................................
2. .......................................................................
3. .......................................................................
4. .......................................................................
5. .......................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Chủ nhiệm Bộ Môn quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên : NGUYỄN THÀNH LÂM

MSHV

: 11094308

Ngày sinh

: 20/10/1987

Nơi sinh

: Sông Bé

Chuyên ngành

: Địa Kỹ thuật Xây dựng

Mã số

: 60.58.60

I. TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu dự báo sự gia tăng sức chống cắt khơng thốt nước của sét mềm theo
thời gian và theo độ sâu.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nhiệm vụ: Tổng hợp, phân tích các số liệu thí nghiệm thực tế và xây dựng các tương
quan sức chống cắt không thoát nước theo độ chặt và trạng thái ứng suất. Từ đó xây
dựng biểu đồ tương quan giữa sức chống cắt khơng thốt nước theo thời gian và theo
độ sâu, đồng thời so sánh với các phương pháp dự báo sức chống cắt khơng thốt nước
của các tác giả khác.
Nội dung:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về các kết quả nghiên cứu tương quan và dự báo sự gia tăng
sức chống cắt khơng thốt nước của đất loại sét
Chương 2: Cơ sở lý thuyết dự báo sức chống cắt khơng thốt nước theo thời gian và
theo độ sâu
Chương 3: Dự báo sự gia tăng sức chống cắt khơng thốt nước của sét mềm theo
thời gian và theo độ sâu
Kết luận và kiến nghị
Phụ lục
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ
: 21/01/2013
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 21/06/2013
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

: TS. BÙI TRƯỜNG SƠN
Tp. HCM, ngày 21 tháng 06 năm 2013

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

TS. BÙI TRƯỜNG SƠN

PGS.TS. VÕ PHÁN


LỜI CẢM ƠN
Xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Bùi Trường Sơn, đã tận tình
giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô trong bộ môn Địa cơ Nền móng Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM đã tận tình truyền đạt cho tôi
những kiến thức quý báu trong thời gian tôi học tập tại trường để phục vụ
cho luận văn và công việc của tôi sau này.
Xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè và đồng nghiệp, đã động viên, chia sẻ
những khó khăn trong công việc và hỗ trợ tôi trong quá trình học tập.
Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình và người thân, đã cho tôi nguồn động
viên tinh thần to lớn để hoàn thành luận văn này.

Tp.HCM, ngày 21 tháng 6 năm 2013
Học Viên

Nguyễn Thành Lâm


Nghiên cứu dự báo sự gia tăng sức chống cắt khơng thốt nước
của sét mềm theo thời gian và theo độ sâu
Tóm tắt
Trên cơ sở các tương quan giữa sức chống cắt khơng thốt nước theo độ chặt và
trạng thái ứng suất, việc dự báo sức chống cắt khơng thốt nước theo độ sâu và theo
thời gian được thực hiện. Việc tính tốn, đánh giá trạng thái ứng suất căn cứ trên cơ
sở bài toán cố kết thấm một chiều và hai chiều có xét đến tính nén ép của nước lỗ
rỗng cho thấy kết quả dự báo phù hợp với kết quả thí nghiệm cắt cánh thực tế.

Ngồi ra, việc dự báo sức chống cắt khơng thốt nước theo các tài liệu của Braja M.
Das và Arnold Verruijt cũng như kết quả tính tốn theo mức độ cố kết Ut(t) và sức
chống cắt hữu hiệu từ thí nghiệm 3 trục theo sơ đồ cố kết khơng thốt nước CU cho
giá trị Su dự báo lớn hơn và không phù hợp với kết quả thí nghiệm thực tế. Kết quả
nghiên cứu có thể được sử dụng tốt trong việc đánh giá độ ổn định lâu dài của nền
đất yếu dưới cơng trình đắp.


Study to Predict the increase of undrained shear strength of soft
clay with depth and consolidation time
Abstract
Based on correlation of undrained shear strength, void ratio and depth, the
predicting of undrained shear strength with depth and consolidation time has been
conducted. Evaluation of stress states based on one-dimensional consolidation
theory and two-dimensional consolidation theory considering compressibility of
pore water showed that the result of predicting was similar to the result of in-situ
field vane shear test. Besides, the predicting undrained shear strength arcording to
Braja M. Das and Arnold Verruijt as well as calculation result from the degree of
consolidation Ut(t) and drained shear strength from consolidated undrained triaxial
compression Test (CU) gave a large and unsuitable result of in-situ field vane shear
test. The results of this study can be used to estimate long-term stability of soft soil
under embankment.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận văn này là đề tài nghiên cứu thực sự của tác giả, được
thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Bùi Trường Sơn.
Tất cả số liệu, kết quả tính tốn, phân tích trong luận văn là hồn tồn trung
thực. Tơi cam đoan chịu trách nhiệm về sản phẩm nghiên cứu của mình.

Tp.HCM, ngày 21 tháng 6 năm 2013
Học Viên

Nguyễn Thành Lâm


-i-

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TƯƠNG
QUAN VÀ DỰ BÁO SỰ GIA TĂNG SỨC CHỐNG CẮT KHƠNG THỐT
NƯỚC CỦA ĐẤT LOẠI SÉT ................................................................................. 4
1.1.

Quan hệ Su theo chỉ số dẻo PI, ứng suất do trọng lượng bản thân ñối với
sét cố kết thường ............................................................................................ 4

1.2.

Quan niệm thiết kế và những nghiên cứu liên quan theo SHANSEP ..... 7

1.3.

Ảnh hưởng của giá trị Af lên độ bền chống cắt khơng thốt nước ....... 10

1.4.

Tính tương quan của các phương pháp xác định Su................................. 13

1.5.

Một số phương pháp dự báo giá trị Su ....................................................... 24

1.6.

Nhận xét và phương hướng của ñề tài ....................................................... 29

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT DỰ BÁO SỨC CHỐNG CẮT KHƠNG
THỐT NƯỚC THEO THỜI GIAN VÀ THEO ĐỘ SÂU ............................... 31
2.1.

Lý thuyết cố kết thấm một chiều ................................................................ 31

2.2.

Lý thuyết cố kết thấm hai chiều ................................................................. 36

2.2.1.

Giới thiệu bài toán cố kết phẳng ................................................................ 36

2.2.2.

Lời giải phương trình cố kết ....................................................................... 40

2.2.3.

Một số lời giải ứng với các ñiều kiện ban ñầu và ñiều kiện biên ........... 41

2.3.

Cơ sở lý thuyết thiết lập công thức tương quan theo các hàm số tốn
học .................................................................................................................. 50

2.4.

Tương quan giữa độ chặt và chiều sâu ...................................................... 55

2.5.

Nhận xét chương .......................................................................................... 57

CHƯƠNG 3: DỰ BÁO SỰ GIA TĂNG SỨC CHỐNG CẮT KHƠNG THỐT
NƯỚC CỦA SÉT MỀM THEO THỜI GIAN VÀ THEO ĐỘ SÂU ................. 58
3.1.

Giới thiệu khu vực khảo sát và dữ liệu phục vụ phân tích sức chống cắt
khơng thốt nước của sét mềm bão hòa nước........................................... 58

3.2.

Dự báo sự gia tăng sức chống cắt khơng thốt nước theo độ sâu và theo
thời gian theo các kết quả nghiên cứu đã có [12], [14] ........................... 64

3.3.

Tương quan sức chống cắt khơng thốt nước theo ñộ sâu ...................... 70

-ii-

3.4.

Dự báo sự gia tăng sức chống cắt khơng thốt nước theo ñộ sâu và theo
thời gian theo tương quan ñề nghị và mức ñộ tiêu tán áp lực nước lỗ
rỗng thặng dư ................................................................................................ 76

3.4.1.

Trên cơ sở bài toán cố kết thấm một chiều ............................................... 76

3.4.2.

Trên cơ sở bài toán cố kết thấm hai chiều................................................. 86

3.5.

Kết luận chương ........................................................................................... 95

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 96
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................. 99


-iii-

PHẦN PHỤ LỤC
Phụ lục 1: Các kết quả thí nghiệm khu vực Nhà Bè
Phụ lục 2: Kết quả tính tốn bài toán cố kết thấm một chiều
Phụ lục 3: Kết quả tính tốn bài tốn cố kết thấm hai chiều

-iv-

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1

Biến thiên sức chống cắt khơng thốt nước theo độ sâu của sét cố kết
thường (NC).............................................................................................4

Hình 1.2

S 
Quan hệ giữa tỷ số  u  và chỉ số dẻo theo Skempton ........................5
 σ′vo 

Hình 1.3

Hệ số hiệu chỉnh µ cho cắt cánh hiện trường theo chỉ số dẻo ñược rút ra
từ các hiện tượng phá hủy nền đắp (Ladd, 1975) ....................................6

Hình 1.4

S 
Quan hệ giữa tỷ số  u  và chỉ số dẻo Ip theo Terzaghi, Peck và Mersi,
 σ′vo 
1996 .........................................................................................................6

Hình 1.5

S 
Quan hệ tỷ số  u  theo OCR (theo Ladd và Foott, 1974) ...................8
 σ′vo 

Hình 1.6

Quan hệ giữa giá trị Af và giá trị PI theo Lưu Tuyền Chi, 1991 ..........12

Hình 1.7

Quan hệ giữa giá trị Af và giá trị OCR theo Lưu Tuyền Chi, 1991 ......12

Hình 1.8

Quan hệ giữa giá trị Af của thí nghiệm CU và giá trị OCR theo Âu
Chương Dục, 1993 ................................................................................13

Hình 1.9

Biểu đồ quan hệ của Af theo OCR trong thí nghiệm CIU (theo Mayne,
1988) ......................................................................................................16

Hình 1.10 Biểu đồ quan hệ của Su(UU) với Su(CIU) theo Chen, 1993 ..................17
Hình 1.11 Biểu đồ quan hệ của

Hình 1.12 Biểu đồ quan hệ của

Hình 1.13 Biểu đồ quan hệ của

Su (UU)

S
với u (CIU) theo Chen, 1993 ....................17
σ′vo
σ′vo
Su (UU)
Su (CIU)
Su ( UC)
Su (CIU)

với

Su (UU)
theo Chen, 1993 ....................18
σ′vo

với

Su (UC)
theo Chen, 1993.....................19
σ′vo

Hình 1.14 Biểu đồ quan hệ của Su(UU) với Su(UC) theo Chen, 1993 ...................20
Hình 1.15 Biểu đồ quan hệ của

Su (UU)
S
với u (UC) theo Chen, 1993 .....................20
σ′vo
σ′vo

-v-

Hình 1.16 Biểu đồ hiệu chỉnh thí nghiệm VST (theo Ladd và đồng nghiệp, 1977)
...............................................................................................................21
Hình 1.17 Quan hệ Su theo ñộ sâu ..........................................................................25
Hình 2.1

Sơ ñồ phân tố ñất trong quá trình cố kết ...............................................32

Hình 2.2

Các biểu đồ áp lực nước lỗ rỗng (u) và ứng suất ( σ′ ) lên cốt đất trong
trường hợp tải trọng phân bố đều ..........................................................35

Hình 2.3

Sơ đồ tính tốn sự liên tục các pha trong q trình cố kết ....................38

Hình 2.4

Sơ đồ bài tốn cố kết phẳng ..................................................................42

Hình 2.5

Sơ đồ thí nghiệm nén cố kết ..................................................................55

Hình 2.6

Sơ đồ quan hệ giữa hệ số rỗng và ứng suất theo độ sâu ........................56

Hình 3.1

Vị trí khu vực Dự án đơ thị mới Nhà Bè GS Metrocity ........................58

Hình 3.2

Tương quan Su trung bình từ 30 vị trí thí nghiệm theo độ sâu từ kết quả
cắt cánh ..................................................................................................62

Hình 3.3

Tương quan Su trung bình theo độ sâu tại các vị trí có cao độ mặt đất
lớn (khu vực tồn tại cơng trình đắp) ......................................................63

Hình 3.4

Tương quan Su theo thời gian và độ sâu, theo tài liệu của Verruijt [12]
...............................................................................................................66

Hình 3.5

Tương quan Su theo thời gian và ñộ sâu, theo tài liệu của Das [14] .....69

Hình 3.6

Đặc điểm nén ép trung bình từ kết quả thí nghiệm nén cố kết của lớp
bùn sét, khu vực Nhà Bè........................................................................70

Hình 3.7

Tương quan giữa Su / σ′vo và độ sâu .......................................................71

Hình 3.8

Tương quan giữa

Su
và độ sâu .............................................................73
e

Hình 3.9

Tương quan giữa

Su
và ứng suất bản thân hữu hiệu ............................74
e

Hình 3.10 Su theo thời gian và độ sâu theo các tương quan thí nghiệm đề nghị
trường hợp khơng xét tính nén ép của nước lỗ rỗng .............................81
Hình 3.11 Su theo thời gian và ñộ sâu theo các tương quan thí nghiệm đề nghị
trường hợp có xét tính nén ép của nước lỗ rỗng....................................82


-vi-

Hình 3.12 Kết quả dự báo Su sau 50 năm theo các tương quan đã nêu trường hợp
khơng xét tính nén ép của nước lỗ rỗng ................................................83
Hình 3.13 Kết quả dự báo Su sau 50 năm theo các tương quan đã nêu trường hợp

có xét tính nén ép của nước lỗ rỗng.......................................................84
Hình 3.14 Sơ đồ kích thước bài tốn hai chiều ......................................................86
Hình 3.15 Sơ đồ phân chia tải trọng nền ñường thành bậc ....................................88
Hình 3.16 Sơ ñồ phân bố ứng suất nén đẳng hướng do tải trọng ngồi trong nền
............................................................................................................ 88
Hình 3.17 Su theo thời gian và độ sâu tại tâm diện gia tải theo sơ đồ bài tốn hai
chiều ......................................................................................................89
Hình 3.18 Su theo thời gian và độ sâu tại tâm diện gia tải ứng với sơ đồ bài tốn cố
kết thấm một chiều và hai chiều ............................................................90
Hình 3.19 Su theo thời gian và ñộ sâu tại tâm và taluy diện gia tải ứng với sơ đồ
bài tốn cố kết thấm hai chiều trường hợp hệ số thấm ñứng và hệ số
thấm ngang bằng nhau. ..........................................................................92
Hình 3.20 Su theo thời gian và ñộ sâu tại tâm và taluy diện gia tải ứng với sơ đồ
bài tốn cố kết thấm hai chiều trường hợp xét sự khơng đồng nhất về hệ
số thấm ( ζ =

kx
= 5 ) .............................................................................93
kz

Hình 3.21 Su theo thời gian và ñộ sâu tại tâm diện gia tải trường hợp thốt nước
hai phía (bên dưới là lớp cát thoát nước)...............................................94


-vii-

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1

Giá trị aTEST từ các phương pháp thí nghiệm (theo Kulhawy và Mayne

1990) ......................................................................................................14

Bảng 2.1

Một số dạng ñường cong thường gặp ....................................................52

Bảng 3.1

Đặc trưng cơ lý của lớp sét mềm bão hòa nước khu vực Dự án Đơ thị
mới Nhà Bè GS Metrocity .....................................................................61

Bảng 3.2

Bảng tính tốn Su theo thời gian và theo độ sâu từ cơng thức (3.4) ......65

Bảng 3.3

Bảng tính tốn Su theo thời gian và theo độ sâu từ cơng thức (3.14) ....68

Bảng 3.4

Bảng giá trị

Bảng 3.5

Bảng tính tốn Su theo thời gian và theo ñộ sâu theo tương quan ñề

Su
S
và u theo độ sâu ......................................................75

e
σ′vo

nghị, có xét tính nén ép của nước lỗ rỗng. ............................................79


-1-

MỞ ĐẦU
Sức chống cắt của đất bao gồm hai thành phần: ma sát và lực dính giữa các hạt.
Đối với đất sét mềm bão hịa nước, sức chống cắt khơng thoát nước thường được
xem chủ yếu thể hiện qua thành phần lực dính khơng thốt nước cu (hay sức chống
cắt khơng thốt nước Su), giá trị góc ma sát trong φu khơng đáng kể và được bỏ qua.
Ngồi ra, sức chống cắt khơng thốt nước cũng có thể được xem là một thông số
của sét mềm sử dụng để đánh giá khả năng ổn định ở thời điểm nào đó khi giá trị
của nó được xác định. Sức chống cắt khơng thốt nước thường được định nghĩa
theo lý thuyết bền của Tresca, dựa trên vòng tròn Mohr như sau:
1 f

3 f

2Su

Trong đó:
1 f

3 f

- Ứng suất chính lớn nhất khi phá hoại.
- Ứng suất chính nhỏ nhất khi phá hoại.

Su - Sức chống cắt khơng thốt nước.
Có nhiều phương pháp thí nghiệm khác nhau để xác định sức chống cắt khơng
thốt nước:
-

Thí nghiệm trong phịng:
Thí nghiệm cắt trực tiếp (Direct Shear Test- DST).
Thí nghiệm nén nở hơng (Unconfined Compression Test UC).
Thí nghiệm nén 3 trục theo sơ đồ khơng cố kết khơng thốt nước
(Unconsolidated-Undrained Triaxial Compression Test - UU).
Thí nghiệm nén 3 trục theo sơ đồ cố kết khơng thốt nước (Consolidated
Undrained Triaxial Compression Test - CU).

-

Thí nghiệm hiện trường:
Thí nghiệm cắt cánh hiện trường (Vane Shear Test - VST).
Thí nghiệm xuyên tĩnh (Cone Penetration Test - CPT) và xuyên tĩnh điện
có đo áp lực nước lỗ rỗng u (Piezocone Test - CPTu).


-2-

Sức chống cắt khơng thốt nước Su là thơng số quan trong được sử dụng để đánh
giá ổn định công trình đắp trên đất yếu. Dưới tác dụng của khối đắp, hiện tượng cố
kết xảy ra và kéo dài theo thời gian. Ở khu vực có lớp đất yếu có bề dày đáng kể,
hiện tượng cố kết kéo dài đến hàng trăm, thậm chí hàng ngàn năm. Do đó, hiện
tượng cố kết vẫn tiếp tục tiếp diễn trong quá trình sử dụng. Trong quá trình cố kết,
sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư xảy ra không đồng đều trong phạm vi nền

ảnh hưởng. Tại các vị trí gần biên thoát nước, sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng
dư xảy ra nhanh hơn. Khi áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tiêu tán một phần, ứng suất
hữu hiệu gia tăng tương ứng với hiện tượng nén chặt đất. Như vậy sự gia tăng Su
cũng xảy ra không đồng đều trong nền.
Theo 22TCN 262-2000, Su tăng đồng đều theo độ sâu và theo thời gian dưới tác
dụng của tải trọng ngồi, do việc dự tính Su chỉ căn cứ vào mức độ cố kết tổng thể
Ut(t).
Nhằm phân tích, dự báo sự thay đổi sức chống cắt khơng thoát nước theo thời
gian tại một điểm trong nền đất dưới tác dụng của tải trọng ngồi, chúng tơi lựa
chọn đề tài: “Nghiên cứu dự báo sự gia tăng sức chống cắt khơng thốt nước của sét
mềm theo thời gian và theo độ sâu”. Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng để đánh giá
sự gia tăng khả năng ổn định cũng như sức chịu tải của đất nền theo thời gian.
Mục đích và nhiệm vụ
Trong thực tế, sức chống cắt khơng thốt nước Su phụ thuộc đáng kể vào độ chặt
của đất nên phụ thuộc độ sâu và trạng thái ứng suất. Dưới tác dụng của tải trọng
ngoài, theo thời gian, đất nền được nén chặt, Su có xu hướng gia tăng.
Tuy nhiên, với bề dày lớp đất yếu lớn, tại một thời điểm nào đó, độ cố kết và
mức độ nén chặt không phân bố đồng đều theo chiều sâu. Do đó, sự gia tăng sức
chống cắt khơng thốt nước cũng khơng đồng đều theo độ sâu.
Do đó, việc thiết lập tương quan giữa sức chống cắt không thoát nước Su theo
thời gian và độ sâu nhằm đánh giá và dự báo chính xác hơn sự thay đổi của sức
chống cắt khơng thốt nước. Ở đây, cũng nên lưu ý rằng sức chống cắt khơng thốt
nước của sét mềm theo 22TCN 262-2000 được xem là không đổi trong cùng một


-3-

lớp đất và sự gia tăng giá trị sức chống cắt khơng thốt nước là như nhau trong
phạm vi tồn vùng nền.
Phương pháp nghiên cứu

-

Tổng hợp, phân tích các số liệu thí nghiệm thực tế và xây dựng các tương quan
sức chống cắt khơng thốt nước theo độ chặt và trạng thái ứng suất.

-

Xây dựng tương quan giữa ứng suất và độ chặt tương ứng.

-

Đánh giá trạng thái ứng suất tại điểm bất kỳ trong nền dưới tác dụng của tải
trọng ngoài ở thời điểm bất kỳ trên cơ sở lý thuyết cố kết thấm một chiều và hai
chiều, có và khơng có xét đến tính nén ép của nước lỗ rỗng. Việc tính tốn được
thực hiện bằng chương trình tự thiết lập (Mathcad).

-

Xây dựng biểu đồ tương quan giữa sức chống cắt khơng thốt nước theo thời
gian và theo độ sâu.

-

Phân tích, so sánh với các phương pháp dự báo sức chống cắt khơng thốt nước
của các tác giả khác (Braja M. Das, Arnold Verruijt).


-4-

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TƯƠNG
QUAN VÀ DỰ BÁO SỰ GIA TĂNG SỨC CHỐNG CẮT
KHƠNG THỐT NƯỚC CỦA ĐẤT LOẠI SÉT
1.1.

Quan hệ Su theo chỉ số dẻo PI, ứng suất do trọng lượng bản thân đối với

sét cố kết thường
Thí nghiệm nén ba trục theo sơ đồ khơng cố kết, khơng thốt nước (UU) và thí
nghiệm cắt cánh hiện trường (VST) với hệ số hiệu chỉnh thích hợp là cách tốt nhất
để xác định sức chống cắt khơng thốt nước của đất sét, sử dụng để phân tích ổn
định cơng trình. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, những thí nghiệm như vậy
khơng được thực hiện khi cần đánh giá sơ bộ sức chống cắt khơng thốt nước trước
khi tiến hành dự án. Vì vậy, việc thiết lập tương quan giữa sức chống cắt khơng
thốt nước với các chỉ tiêu vật lý cơ bản như độ ẩm W, giới hạn chảy LL, chỉ số dẻo
PI… là có ích và cần thiết. Nhiều tương quan như vậy đã được nghiên cứu và kiến
nghị như trong các bài viết của Bjerrum (1972), Azzouz và các đồng nghiệp (1983),
Duncan và các đồng nghiệp (1989), Kulhawy và Mayne (1990), Morris và Williams
(1994). Trong tất cả các tương quan đó, các tác giả đều quan niệm đất nền bão hòa,
tức là xem

~ 0 và sức chống cắt được biểu thị bằng lực dính khơng thốt nước cu.

Trong nhiều năm, người ta nhận thấy rằng sức chống cắt khơng thốt nước của
sét cố kết thường (NC) bão hịa nước tăng tuyến tính theo độ sâu (hình 1.1) và theo
ứng suất nén hữu hiệu (theo Skempton, 1948).
Sức chống cắt khơng
thốt nước Su

Độ

sâu

Vùng cố
kết thường

Hình 1.1 - Biến thiên sức chống cắt khơng thốt nước theo độ sâu của sét cố kết
thường (NC)


-5-

Sự tăng độ bền chống cắt Su theo ứng suất đứng hữu hiệu (
Su

bằng tỷ số

v

) được biểu thị

. Tỷ số này có thể được xem là cơ sở hữu ích để đặc trưng cho sức

vo

chống cắt khơng thốt nước của đất sét.
Nhiều tương quan giữa tỷ số

Su

và chỉ số dẻo PI cho sét cố kết thường được

vo

đưa ra. Đầu tiên là của Skempton (1948) theo biểu thức sau:

Su

c
p

GIÁ TRỊ Su/ 'vo

vo

(1.1)

0,11 0,0037(PI)

c/p=0.11 + 0.0037 (PI.)
c = Sức chống cắt tại độ sâu
có áp lực bản thân hữu hiệu
bằng với áp lực p

CHỈ SỐ DẺO PI

Hình 1.2 - Quan hệ giữa tỷ số

Su

và chỉ số dẻo theo Skempton

vo

Sau đó, Bjerrum (1972) đưa ra đề nghị rằng sức chống cắt không thốt nước Su
nên xác định từ kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường được hiệu chỉnh theo hệ số
:
Su(design) = .Su(field)
Hệ số hiệu chỉnh

(1.2)

được xác định bằng biểu thức:
.log(PI)

Ở đây: PI - chỉ số dẻo.

(1.3)


Hệ số hiệu chỉnh µ

-6-

Đường cong giả định
theo Bjerrum’s (1972)

CHỈ SỐ DẺO PI (%)

Hình 1.3 - Hệ số hiệu chỉnh

cho cắt cánh hiện trường theo chỉ số dẻo được

rút ra từ các hiện tượng phá hủy nền đắp (Ladd, 1975)
Gần đây, một tương quan hoàn chỉnh hơn được đưa ra bởi Terzaghi, Peck và
Mersi (1996) (hình 1.4).

Dựa vào đường cong
Bjerrum

Hình 1.4 - Quan hệ giữa tỷ số

Su

và chỉ số dẻo Ip theo Terzaghi, Peck và

vo

Mersi, 1996
Một số đề xuất khác về hệ số hiệu chỉnh

được đưa ra, như của Azzouz và các

đồng nghiệp (1983), của Morris và Williams (1994):


-7-

= 1.18e-0.08(PI) + 0.57

PI>5

(1.4)

= 7.01e-0.08(LL) + 0.57

LL>20

(1.5)

Với: LL - giới hạn nhão.
Quan niệm của tỷ số

Su

cho sét cố kết thường (NC) cũng được mở rộng

vo

thêm và phù hợp cho sét quá cố kết (OC) như nghiên cứu dưới đây theo SHANSEP.
1.2.

Quan niệm thiết kế và những nghiên cứu liên quan theo SHANSEP

Nhóm chữ SHANSEP được viết tắt từ “Stress History And Normalized Soil
Engineering Properties” do Ladd và Foott (1974) đưa ra. Phương pháp này được
phát triển ở viện MIT vào thập niên 1960 nhằm đưa ra phương pháp hợp lý và đáng
tin cậy hơn để xác định sức chống cắt khơng thốt nước Su (và những thơng số quan
hệ giữa ứng suất và biến dạng) có kể đến ảnh hưởng do mẫu bị xáo trộn, mẫu có
tính bất đẳng hướng và làm giảm bớt ảnh hưởng do tốc độ biến dạng.
Dựa trên những quan sát được từ thí nghiệm hiện trường và trong phịng, nhóm

nghiên cứu nhận thấy rằng ứng xử giữa cường độ sức chống cắt khơng thốt nước
được chuẩn hoá với ứng suất và biến dạng của hầu hết các loại đất sét thông thường
đều bị chi phối bởi lịch sử ứng suất của chúng (thể hiện qua tỷ số q cố kết OCR).
Từ đó, phương trình tương quan sau được thiết lập cho loại sét quá cố kết được đề
nghị:

Su

S(OCR)m

(1.6)

vo

Trong đó:
S - hệ số chuẩn hố sức chống cắt khơng thốt nước cho trạng thái cố kết
thường (OCR=1), S =

Su
vo

vo

- ứng suất có hiệu ban đầu (

OCR 1

sub.z)

m - hệ số xác định từ độ dốc của đường quan hệ log(OCR) và log

Su
vo


-8-

OCR - hệ số quá cố kết, OCR =

p
vo

Ở đây:

p

- áp lực tiền cố kết hay ứng suất cố kết trước.

Phương trình trên có thể được viết lại cho sức chống cắt khơng thốt nước Su
của sét q cố kết:

Su

Su

vo

với:

v

(OCR)m

(1.7)

v

OCR 1

- ứng suất hữu hiệu theo phương đứng tại hiện trường.

(a) Quan hệ thông thường
giữa ứng suất và biến dạng

(b) Quan hệ thơng thường
giữa Su và OCR
σvm= 4 đến 8kG/cm2

Hình 1.5 - Quan hệ tỷ số

Su
vo

theo OCR (theo Ladd và Foott, 1974)


-9-

Trình tự xác định các thơng số theo SHANSEP:
Mục đích của phương pháp SHANSEP là tìm qui luật thay đổi của Su theo độ

sâu của nền đất đối với trạng thái ban đầu của đất (trường hợp UU) và qui luật của
nó theo ứng suất cố kết (cho trường hợp CU): Su = f(

v

).

Trình tự như sau:
-

Lựa chọn mẫu và sử dụng thí nghiệm nén cố kết để tính tốn áp lực tiền cố kết
p

-

.

Lựa chọn mẫu tương tự để nén cố kết với giá trị ứng suất nén gấp 1,5; 2,5 và 4,0
lần cấp áp lực tiền cố kết

-

p

đã xác định được trước đó.

Các thí nghiệm này cho kết quả quan hệ

Su

là một giá trị không đổi. Điều

vo

này đúng với ít nhất hơn 2 cấp áp lực. Nếu khơng, kỹ thuật SHANSEP không
được phép áp dụng.
-

Một áp lực cho ra quan hệ

Su

bằng hằng số được chọn làm áp lực nén cố kết

vo

trong phòng
-

vm

.

Các mẫu được cố kết với cấp áp lực này và sau đó cho nở đến các hệ số quá cố
kết OCR đã biết.

-

Tiến hành cắt để xác định Su và vẽ biểu đồ

Su

theo OCR. Từ biểu đồ có thể

vo

xác định được giá trị các hệ số S và m trong phương trình SHANSEP.
Để xác định chính xác giá trị S và m, các thí nghiệm như: nén cố kết với tốc độ
biến dạng không đổi (CRSC) và thí nghiệm nén ba trục CKoU được đề nghị áp
dụng.
Những nghiên cứu bổ sung để xác định các hệ số S và m theo kỹ thuật
SHANSEP đã được thực hiện và đề nghị áp dụng:


-10-

-

Công thức của Jamiolkowski (1985):

Su
-

0, 23

(1.8)

Công thức của Mersi (1989):

Su

với:
-

với sét có chỉ số dẻo PI ≤ 60%

p

0, 22

(1.9)

p

- áp lực tiền cố kết.

p

Cơng thức của Ladd (1991):

Su

S(OCR)m

(1.10)

vo

Trong đó: S, m - các hệ số, S = 0,22 ± 0,03 và m = 0,8 ± 0,1.
Có thể thấy rằng cơng thức (1.10) theo đề nghị của Ladd (1991) có dạng tổng
quát hơn nên được sử dụng khá phổ biến ở một số nước trên thế giới.

1.3.

Ảnh hưởng của giá trị Af lên độ bền chống cắt khơng thốt nước

Các hệ số áp lực lỗ rỗng theo Skempton thường được sử dụng để tính tốn trước
áp lực nước lỗ rỗng khi đặt tải cơng trình nhanh tương ứng với điều kiện khơng
thốt nước trong khoảng thời gian thi cơng đường trong khu vực nền đất yếu. Thời
gian thi công rất ngắn so với thời gian cần thiết để nước lỗ rỗng thặng dư tiêu tán
hoàn toàn.
Hệ số A và B được đo trong thí nghiệm nén ba trục theo lộ trình AC (Axial
Compression) thông qua quan hệ áp lực nước lỗ rỗng thặng dư u được xác định
theo biểu thức sau [3]:
u = B[

3

+ A(

1

-

3)]

(1.11)

Trong đó:
1,

3

- lượng gia tăng các ứng suất chính.
- hệ số áp lực lỗ rỗng Skempton.

B, A

Giá trị B của đất sét mềm bão hịa có thể xem bằng 1. Do đó, sự thay đổi của áp
lực nước lỗ rỗng u có thể biểu thị qua hệ số A, tức là:

A

u
1

3
3

(1.12)


-11-

Đối với thí nghiệm nén ba trục cố kết khơng thoát nước CU truyền thống, trong
giai đoạn nén dọc trục, ứng suất hơng của mẫu được duy trì khơng đổi, do đó
3=0,

vì trong giai đoạn nén giá trị áp lực buồng

3

được giữ khơng đổi.

Do đó, khi đạt tới phá hoại, công thức trên được viết lại dưới dạng đơn giản hơn:

uf

Af

(1.13)

a

Trong đó: Af, uf và

a

lần lượt là hệ số áp lực lỗ rỗng khi phá hoại, áp lực nước

lỗ rỗng thặng dư khi phá hoại và lượng gia tăng của ứng suất hướng trục khi phá
hoại.
Đối với trường hợp thí nghiệm kéo theo lộ trình AE (Axial Extension) trong
CIUE và CAUE, hệ số Af có thể biểu thị bằng cơng thức sau:

Af

1

uf

(1.14)

a

Trong giai đoạn cắt khơng thốt nước, sự thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng thặng
dư đã khống chế sự thay đổi của ứng suất hữu hiệu của đất khi bị cắt, ảnh hưởng
trực tiếp đến kết quả thí nghiệm sức chống cắt khơng thốt nước, tham số áp lực
nước lỗ rỗng khi phá hoại Af cũng là một trong những yếu tố ảnh hưởng quan trọng
đến sức chống cắt khơng thốt nước của đất bão hịa.
Giá trị Su có thể ước tính từ kết quả thí nghiệm nén ba trục CU bằng biểu thức:
Su

p

sin [K o

A f (1 K o )]

1 (2A f 1) sin

(cho sét cố kết thường)

(1.15)

Khi nghiên cứu hệ số áp lực lỗ rỗng khi phá hoại Af của sét mềm yếu ở vùng
trũng Đài Bắc, Lưu Tuyền Chi (1991) nhận thấy rằng: giá trị Af thu được từ các
phương thức thí nghiệm khác nhau (trạng thái ứng suất ban đầu và trạng thái ứng
suất khi đạt phá hoại khác nhau) cũng có sự khác biệt. Từ quan hệ giữa tỷ số cường
độ cắt khơng thốt nước Su/

vc

và Af thu được từ 4 loại thí nghiệm ba trục cố kết

khơng thốt nước (CIUC, CAUC, CIUE, CAUE), ông thiết lập quan hệ Af với chỉ
số dẻo PI, như hình 1.6.