Sức kháng cắt không thoát nước của sét yếu bão hòa nước từ kết quả thí nghiệm trong phòng và hiện trường phân tích và chọn lựa phương pháp thí nghiệm hợp lý
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (8.57 MB, 160 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----W X----
LỮ THI TỒN
SỨC KHÁNG CẮT KHƠNG THỐT NƯỚC
CỦA SÉT YẾU BÃO HỒ NƯỚC
TỪ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TRONG PHỊNG VÀ HIỆN TRƯỜNG.
PHÂN TÍCH VÀ CHỌN LỰA PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM HỢP LÝ
Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
Mã số ngành: 60.58.60
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP.HỒ CHÍ MINH THÁNG 11 NĂM 2009
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
----W X----
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
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
----------------
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm 2009
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: LỮ THI TOÀN
Phái
:
Nam
Ngày, tháng, năm sinh : 10 – 12 – 1965
Nơi sinh : PHÚ YÊN
Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
MSHV: 00907761
1- TÊN ĐỀ TÀI:
Sức kháng cắt khơng thốt nước của sét yếu bão hồ nước từ kết quả thí nghiệm trong
phịng và hiện trường – Phân tích và chọn lựa phương pháp thí nghiệm hợp lý.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
Thực hiện luận văn thạc sĩ với tên đề tài trên.
Nội dung bao gồm:
Mở đầu
Chương 1: Sức kháng cắt khơng thốt nước và các phương pháp xác định
Chương 2: Tổng quan các kết quả nghiên cứu tương quan về sức kháng cắt khơng
thốt nước
Chương 3: Sức kháng cắt khơng thốt nước của sét yếu bão hồ nước theo kết quả
thí nghiệm trong phòng và hiện trường
Kết luận và kiến nghị
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :
15/06/2009
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/11/2009
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. BÙI TRƯỜNG SƠN
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
TS. BÙI TRƯỜNG SƠN
PGS.TS. VÕ PHÁN
KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
LỜI CÁM ƠN
Xin chân thành cảm ơn Q Thầy Cơ trong Bộ mơn Địa Cơ Nền MóngTrường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã nhiệt tình giảng dạy,
quan tâm giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tơi trong suốt q trình học
tập vừa qua.
Xin cảm ơn sự giúp đỡ tận tâm của TS. Bùi Trường Sơn đã dành cho tôi
trong suốt thời gian thực hiện luận văn thạc sĩ.
Xin bày tỏ lòng biết ơn đến các bạn học viên trong lớp Địa kỹ thuật Xây
dựng khoá 2007 và các đồng nghiệp đã giúp đỡ và góp nhiều ý kiến q báu cho
tơi trong suốt thời gian qua.
Học viên: LỮ THI TOÀN
Lớp: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG 2007
TĨM TẮT
Sức kháng cắt khơng thốt nước Su là một trong các đặc trưng cơ lý quan trọng
phục vụ tính tốn thiết kế hay phân tích ổn định cơng trình đặt trên nền đất yếu, đặc
biệt trong giai đoạn công trình vừa thi cơng xong. Các phương pháp xác định Su
thường dùng là cắt trực tiếp (DSS), nén nở hông (UC), nén ba trục khơng cố kết khơng
thốt nước (UU), cố kết khơng thốt nước (CU), thí nghiệm cắt cánh hiện trường
(VST), xuyên tĩnh điện có đo áp lực nước lỗ rỗng (CPTu)… Các phương pháp thường
cho ra kết quả Su khác nhau. Luận văn được trình bày nhằm mục đích tổng hợp, phân
tích các kết quả thu nhận được để đánh giá, thiết lập tương quan và kiến nghị phương
pháp thí nghiệm xác định Su hợp lý.
ABSTRACT
The undrained shear strength Su is the most important strength parameter to
supply for calculation in geotechnical design or in stability analysis of soft clay
engineering, especially at the phase which the construction has just finished. The
common methods of determination Su are direct shear test (DSS), unconfined
compression test (UC), unconsolidated undrained triaxial compression (UU),
consolidated undrained triaxial compression (CU), vane shear test (VST), piezocone
penetration test (CPTu)… The undrained shear strength results are various from each
type of test. The thesis is presented to collect and analyze the results of tests in order to
assess, set up a correlation and suggest a reasonable testing method to define Su.
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. SỨC KHÁNG CẮT KHÔNG THOÁT NƯỚC
VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ..........................................................................5
1.1. Sức kháng cắt của đất dính bão hồ và ứng dụng tính tốn cho các trường hợp
1.2. Sức kháng cắt khơng thốt nước trong đất dính và các phương pháp thí nghiệm
1.2.1. Sức kháng cắt khơng thốt nước
1.2.2. Các phương pháp xác định sức kháng cắt khơng thốt nước của đất
+ Thí nghiệm hộp cắt
+ Thí nghiệm nén nở hơng
+ Thí nghiệm nén ba trục UU (Unconsolidation Undrained test)
+ Thí nghiệm nén ba trục CU (Consolidation Undrained test)
+ Thí nghiệm cắt cánh hiện trường VST (Vane shear test)
+ Thí nghiệm xuyên tĩnh có đo áp lực nước lỗ rỗng CPTu (Piezocone test)
1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng cắt không thốt nước của đất dính
1.4. Nhận xét và nhiệm vụ của đề tài
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TƯƠNG QUAN
VỀ SỨC KHÁNG CẮT KHƠNG THỐT NƯỚC .....................................................32
2.1. Sử dụng Su trong thực tế thiết kế
2.2. Các nghiên cứu liên quan đến sức kháng cắt khơng thốt nước Su
2.2.1. Quan hệ Su theo chỉ số dẻo PI và áp lực bản thân đối với sét cố kết thường
2.2.2. Quan niệm thiết kế và các nghiên cứu liên quan theo SHANSEP
2.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của giá trị Af
2.2.4. Tính tương quan của các phương pháp xác định Su
2.3. Nhận xét chương
CHƯƠNG 3. SỨC KHÁNG CẮT KHƠNG THỐT NƯỚC CỦA SÉT YẾU BÃO HỒ NƯỚC
THEO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TRONG PHỊNG VÀ HIỆN TRƯỜNG ..............56
3.1. Vị trí khu vực thăm dò và nguồn gốc tài liệu
3.1.1. Giới thiệu vị trí khu vực thăm dị
3.1.2. Đặc điểm địa tầng của khu vực nghiên cứu
3.2. Sức kháng cắt khơng thốt nước của sét yếu bão hồ nước từ kết quả thí nghiệm
theo các phương pháp khác nhau
3.3. Tương quan sức kháng cắt khơng thốt nước theo các phương pháp thí nghiệm
3.4. Nhận xét chương
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................................................97
Tài liệu tham khảo .........................................................................................................................................99
-1-
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Theo định luật Mohr-Coulomb, sức kháng cắt của đất bao gồm hai thành phần: lực
dính c không phụ thuộc vào ứng suất tác dụng và thành phần ma sát σ.tgϕ phụ
thuộc vào ứng suất pháp tuyến tác dụng. Phương trình sức kháng cắt của đất được
thể hiện thông qua đường bao giới hạn khi đất đạt trạng thái cân bằng giới hạn có
dạng tuyến tính:
τ = σ tgϕ+ c
Ở đây:
τ – sức kháng cắt giới hạn;
σ - ứng suất pháp tác dụng lên mặt trượt;
ϕ- góc ma sát trong của đất;
c – lực dính.
Đối với đất sét mềm bão hòa nước, khi gia tải ngắn hạn trong điều kiện
khơng cố kết, khơng thốt nước, sức kháng cắt của đất có thể được đặc trưng bằng
sức kháng cắt khơng thốt nước Su. Thực vậy, trong trường hợp này, giá trị ứng suất
hữu hiệu (thông qua ứng suất pháp hay ứng suất nén đẳng hướng) xuất hiện không
đáng kể hoặc xem như khơng có nên thành phần ma sát được bỏ qua: σ.tgϕ ∼ 0.
Cường độ sức kháng cắt khơng thốt nước Su (hay cu) của đất sét yếu bão hòa
nước là một trong các đặc trưng cơ lý quan trọng phục vụ tính tốn thiết kế hay
phân tích ổn định cơng trình, đặc biệt trong giai đoạn cơng trình vừa thi cơng xong.
Khi tác dụng tải trọng ngắn hạn lên nền đất yếu bão hòa nước, nước lỗ rỗng
chưa kịp thoát ra do hệ số thấm của đất rất bé, ứng xử của đất, bao gồm áp lực nước
lỗ rỗng thặng dư phát sinh, có thể được đánh giá thông qua giá trị tổng ứng suất mà
không cần xét riêng biệt ứng suất lên khung hạt (ứng suất hữu hiệu) và áp lực trong
nước lỗ rỗng.
Có nhiều phương pháp thí nghiệm trực tiếp hay gián tiếp để xác định sức
kháng cắt khơng thốt nước của đất từ thí nghiệm trong phịng hoặc hiện trường:
* Thí nghiệm trong phịng:
- Thí nghiệm cắt trực tiếp (Direct Shear Test DST)
-2-
- Thí nghiệm nén nở hơng (Unconfined Compression Test UC)
- Thí nghiệm nén 3 trục theo sơ đồ khơng cố kết khơng thốt nước (UU)
- Thí nghiệm nén 3 trục theo sơ đồ cố kết khơng thốt nước (CU)
* Thí nghiệm hiện trường:
- Thí nghiệm cắt cánh hiện trường (Vane Shear Test VST)
- Thí nghiệm xuyên tĩnh (Cone Penetration Test CPT) hoặc xuyên tĩnh điện
có đo áp lực nước lỗ rỗng u (Piezocone Test CPTu)
- Thí nghiệm nén ngang trong lỗ khoan (Pressuremeter Test PMT)
Trong thực tế, các thí nghiệm khác nhau thường cho ra kết quả sức kháng cắt
không thoát nước khác nhau mặc dù trong cùng một đơn ngun địa chất cơng
trình. Các nhân tố ảnh hưởng lên kết quả thí nghiệm có thể kể là: mức độ phá hoại
mẫu, kích thước mẫu, tính bất đẳng hướng, lịch sử ứng suất, điều kiện thoát nước,
tốc độ chất tải và đặc biệt là trạng thái ứng suất ban đầu. Vấn đề sử dụng sức kháng
cắt khơng thốt nước từ kết quả của các thí nghiệm sao cho phù hợp và hiệu quả là
vấn đề đáng quan tâm đối với các kỹ sư địa kỹ thuật và kỹ sư thiết kế. Hơn nữa,
không phải lúc nào trong hồ sơ khảo sát cũng có đầy đủ kết quả của các thí nghiệm.
Khi đó, các kỹ sư thiết kế và địa kỹ thuật phải đưa ra những dự đoán về ứng xử của
đất trong điều kiện kết quả thí nghiệm có sẵn rất ít (điều này đúng cho các dự án
nhỏ hay khi thiết kế sơ bộ). Vì vậy, việc đánh giá và phân tích kết quả các thí
nghiệm, thiết lập mối tương quan của sức kháng cắt khơng thốt nước với các chỉ
tiêu thí nghiệm khác của đất, hay giữa các phương pháp thí nghiệm, từ đó lựa chọn
các thơng số độ bền thích hợp có độ tin cậy cao, áp dụng trong phân tích ổn định
nền móng là vấn đề cần được nghiên cứu và phân tích. Trong nội dung luận văn,
chúng tơi tiến hành tổng hợp và phân tích sức kháng cắt khơng thốt nước của đất
sét bão hồ nước từ kết quả thí nghiệm theo các phương pháp khác nhau. Trên cơ sở
các mối tương quan đã được thiết lập cho đất sét yếu bão hoà nước là loại đất phổ
biến của khu vực, kiến nghị lựa chọn các thông số phù hợp đưa vào phục vụ công
tác phân tích và thiết kế nền móng.
-3-
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Với định hướng lựa chọn phương pháp thí nghiệm phù hợp để cung cấp
thơng số thích hợp và tin cậy phục vụ cơng tác thiết kế nền móng, mục tiêu chính
của đề tài là so sánh, kiểm tra kết quả thí nghiệm trong phịng và hiện trường về
sức kháng cắt khơng thốt nước của đất yếu, từ đó đưa ra nhận xét, đánh giá và
thiết lập các mối quan hệ, tương quan.
3. Cơ sở và phương pháp nghiên cứu
Trên cơ sở kết quả thu thập được từ các phương pháp thí nghiệm xác định
sức kháng cắt khơng thốt nước, đưa ra các phân tích so sánh, đánh giá. Căn cứ vào
các nhân tố ảnh hưởng và điều kiện thí nghiệm, phân tích sự khác biệt của các kết
quả thí nghiệm. Từ đó, dựa vào cơ sở các nghiên cứu trước đây, thiết lập mối tương
quan của sức kháng cắt khơng thốt nước theo trạng thái ứng suất, theo độ sâu, theo
hệ số quá cố kết OCR hay theo các chỉ tiêu vật lý: độ ẩm, chỉ số dẻo…và giữa các
phương pháp thí nghiệm với nhau. Dự báo độ gia tăng sức kháng cắt khơng thốt
nước theo độ sâu, diện phân bố hay trong q trình thi cơng, sử dụng cơng trình.
Rút ra các kiến nghị và đề xuất các phương pháp thí nghiệm phù hợp khi nghiên
cứu về đất yếu, tính tốn xử lý nền và phân tích ổn định cho cơng trình đắp gia tải
trước trên nền đất yếu. Phương pháp nghiên cứu cho đề tài bao gồm: thí nghiệm,
tổng hợp và xây dựng các tương quan.
4. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Nếu việc khoan, lấy mẫu đất cho thí nghiệm trong phịng là nhất thiết phải
thực hiện thì cũng cần thiết phải tiến hành những thí nghiệm hiện trường. Đây cũng
là xu hướng phổ biến hiện nay vì thí nghiệm hiện trường sẽ cho số liệu tin cậy hơn,
đặc biệt với thiết bị kỹ thuật có độ tin cậy cao, thí nghiệm được thực hiện trực tiếp
trong nền đất với điều kiện trạng thái ứng suất trong thế nằm tự nhiên. Những số
liệu thí nghiệm đất ở hiện trường cho phép so sánh, kiểm tra tính hợp lý, sự đúng
đắn của kết quả khoan, lấy mẫu thí nghiệm trong phịng. Trong một số trường hợp,
nhất là khi gặp các lớp đất yếu, ngồi khả năng dễ bị xáo động thì trạng thái ứng
suất trong điều kiện thí nghiệm trong phịng có thể khác với điều kiện thế nằm tự
nhiên, kết quả thí nghiệm trong phịng có thể khác biệt.
-4-
Đề tài được thực hiện với mong muốn cung cấp cho các kỹ sư thiết kế
những thông tin về sức kháng cắt khơng thốt nước từ các phương pháp thí nghiệm
hiện trường và trong phịng. Từ đó lựa chọn u cầu phương pháp thí nghiệm để
cho ra kết quả phù hợp theo điều kiện cơng trình thực tế để áp dụng trong tính tốn
phân tích nền móng.
5. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài chủ yếu thực hiện nghiên cứu sức kháng cắt khơng thốt nước cho
loại sét yếu bão hồ nước. Dữ liệu cho việc phân tích chính gồm :
+ 63 lỗ khoan khảo sát đất yếu;
+ 30 vị trí thí nghiệm cắt cánh bằng thiết bị EVT2000 của hãng Geotech;
+ 30 vị trí thí nghiệm xun tĩnh điện có đo áp lực nước lỗ rỗng CPTu bằng
thiết bị Geotech (Thụy Điển);
+ Kết quả thí nghiệm nén ba trục theo sơ đồ UU: 42 mẫu;
+ Kết quả thí nghiệm nén ba trục theo sơ đồ CU: 4 mẫu;
+ Kết quả thí nghiệm nén nở hơng qu: 25 mẫu;
+ Kết quả thí nghiệm cắt phẳng: 20 mẫu.
-5-
CHƯƠNG 1. SỨC KHÁNG CẮT KHƠNG THỐT NƯỚC
VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH
1.1- Sức kháng cắt của đất dính bão hồ nước và ứng dụng tính tốn cho các
trường hợp
Vào năm 1776, Coulomb đưa ra lý thuyết và một phương trình đơn giản liên
hệ độ bền chống cắt của đất với ứng suất pháp tác dụng:
τ = σ tgϕ + c
(1.1)
Với : c – lực dính (kN/m2);
σ - ứng suất pháp lên mặt trượt (kN/m2);
ϕ - góc ma sát trong (độ).
Trong thực tế, để phản ứng lại tác động của tải trọng hay sự thay đổi trạng
thái ứng suất, ứng suất bên trong khối đất bao gồm một phần do bản thân khung hạt
gánh đỡ và một phần bởi nước trong lỗ rỗng của khối đất. Khi xét ứng suất tác dụng
lên khung hạt, còn gọi là ứng suất hữu hiệu, biểu thức trên trở thành:
τ = (σ-u) tgϕ’ + c’
(1.2)
Ở đây : c’ – lực dính hữu hiệu (kN/m2);
(σ – u) = σ' - ứng suất pháp hữu hiệu (kN/m2);
u – áp lực nước lỗ rỗng tại vị trí mặt trượt (kN/m2);
ϕ'- góc ma sát trong hữu hiệu (độ).
Vì vậy, khi nghiên cứu sức kháng cắt của đất, có thể lựa chọn: hoặc là xét sự
ứng xử của đất theo ứng suất tổng hoặc là theo ứng suất hữu hiệu, tùy thuộc vào
điều kiện tải trọng và giai đoạn tính tốn. Điều kiện tải trọng bao gồm kết cấu đất tự
nhiên tạm thời hay đạt ổn định lâu dài. Điều kiện tải trọng cũng phải xét đến điều
kiện hoặc là đất sẽ thốt nước tự do trong q trình xây dựng hay cần có thời gian
để đất nở hay nén đến trạng thái cân bằng cuối cùng. Ngay khi điều kiện tải trọng
được xác lập, một phương pháp kỹ thuật phù hợp sẽ được lựa chọn để xác định đặc
tính sức kháng cắt thích hợp.
-6-
Mục đích của thí nghiệm độ bền chống cắt là xác định các giá trị thực
nghiệm cho các thông số của độ bền chống cắt. Điều quan trọng là giá trị lực dính c
và góc ma sát trong ϕ đo được liên quan với điều kiện và phương pháp thí nghiệm.
Sức
kháng
cắt, τ
ϕ
c
Ứng suất tổng, σ
(a) Biểu đồ ứng suất tổng
Sức
kháng
cắt hữu
ϕ’
hiệu, τ
c’
Ứng suất hữu hiệu, σ'
(b) Biểu đồ ứng suất hữu hiệu
Hình 1.1- Đường tới hạn Mohr-Coulomb theo ứng suất tổng và ứng suất hữu hiệu
Trong đa số các trường hợp, kết quả thí nghiệm thực tế cho thấy giá trị độ
bền sức kháng cắt theo ứng suất tổng và ứng suất hữu hiệu khác biệt nhau đáng kể.
Tuy nhiên giữa chúng có mối quan hệ mật thiết với nhau, vì giá trị độ bền được xác
định khi đất đạt trạng thái giới hạn.
-7-
Khi sức kháng cắt được sử dụng trong tính tốn ổn định sườn dốc và tường
chắn, điều quan trọng là phải phân biệt giữa hai loại thông số độ bền – biểu thị trong
điều kiện ứng suất tổng hoặc trong điều kiện ứng suất hữu hiệu. Khi sử dụng sức
kháng cắt hữu hiệu, trong tính tốn ổn định phải sử dụng giá trị ứng suất hữu hiệu,
tức là, áp lực nước lỗ rỗng phải được xem xét và bao gồm trong tính tốn. Ngược
lại, khi sử dụng sức kháng cắt trong điều kiện ứng suất tổng, áp lực nước lỗ rỗng sẽ
khơng được sử dụng trong tính tốn ổn định.
Khi đất nền chịu tác dụng của tải trọng ngắn hạn, nước lỗ rỗng chưa kịp thốt
ra, tồn bộ ứng xử của đất, bao gồm áp lực nước lỗ rỗng thặng dư phát sinh, có thể
được mơ phỏng bằng tổng ứng suất và không cần phân chia ứng xử của khung hạt
và nước lỗ rỗng. Chỉ ứng suất tác động tổng cần được xem xét trong phân tích và
các thơng số độ bền tương ứng theo ứng suất tổng cần được xác định khi thí
nghiệm.
Tính cân bằng của áp lực nước lỗ rỗng được thiết lập tùy thuộc vào điều kiện
xung quanh. Do đó áp lực nước lỗ rỗng dài hạn khơng thể mơ phỏng được trong
phịng thí nghiệm mà phải xem xét tách biệt. Lúc này, phân tích ứng suất hữu hiệu
được sử dụng trong phân tích ổn định dài hạn. Trong thí nghiệm, ứng xử của khung
hạt - ứng suất hữu hiệu, có thể được xác định hoặc là cho phép thốt nước để khơng
phát sinh áp lực nước lỗ rỗng trong đất, hoặc là thí nghiệm phải được thực hiện đủ
chậm để cho phép tiêu tán hay cân bằng hoàn toàn áp lực nước lỗ rỗng thặng dư
trong mẫu.
Tải trọng cơng trình gây ra ứng suất cắt và ứng suất nén trong nền đất bên
dưới. Ứng suất cắt tác động lên khung hạt, còn ứng suất nén trước tiên gây ra sự
tăng áp lực nước lỗ rỗng. Theo thời gian, ứng suất hữu hiệu tác dụng lên khung hạt
thể hiện qua các thành phần ứng suất: ứng suất pháp thay đổi theo mức độ tiêu tán
áp lực nước lỗ rỗng thặng dư còn ứng suất tiếp xem như khơng đổi vì ứng suất tiếp
khơng chịu tác dụng của áp lực nước lỗ rỗng. Do sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng
thặng dư, đất được cố kết và ứng suất hữu hiệu tăng lên, dẫn theo sự gia tăng thành
phần ma sát trong sức kháng cắt. Vì vậy, đối với nền đất, xét điều kiện ngắn hạn,
trong đa số các trường hợp, khả năng chịu tải kém hơn. Điều này cho phép sử dụng
-8-
sức kháng cắt khơng thốt nước và phân tích theo ứng suất tổng cho việc đánh giá
độ ổn định ban đầu.
Với hố đào, ứng suất nén bị giảm do sự đào bỏ đất nhưng ứng suất cắt được
tạo ra ở bờ hố đào do sự mất áp lực ngang. Đầu tiên, sự giảm ứng suất nén xuất hiện
trong đất chủ yếu do sự giảm áp lực nước lỗ rỗng, với sự thay đổi nhỏ của ứng suất
hữu hiệu nên sức kháng cắt bị ảnh hưởng rất ít bởi tải trọng thay đổi. Cuối cùng,
nước thâm nhập vào vách hố đào, khôi phục lại áp lực nước lỗ rỗng. Điều này làm
giảm ứng suất hữu hiệu, gây ra sự nở và giảm sức kháng cắt. Vì vậy, đối với hố đào,
điều kiện dài hạn mang tính chất quyết định. Bởi vì áp lực lỗ rỗng dài hạn tùy thuộc
điều kiện thoát nước và khơng thể mơ phỏng trong thí nghiệm đất, việc phân tích
ứng suất hữu hiệu phải được sử dụng để xem xét áp lực nước lỗ rỗng tách biệt với
ứng suất trong khung hạt.
Trong q trình thi cơng nền đường, việc gia tải từng lớp gây ra ứng suất ở
phần bên dưới nền đường, dẫn đến sự gia tăng áp lực nước lỗ rỗng. Do vậy, phân
tích theo ứng suất tổng và thí nghiệm cắt nhanh khơng thốt nước là phù hợp, việc
thiết kế nền đường theo cách này hiếm khi dùng cho đến năm 1960. Tuy nhiên, sự
nén chặt của bản thân đất cũng tạo thêm ứng suất, mà nếu bỏ qua nó, với vật liệu
chưa bão hồ thì ứng suất thêm vào này rất lớn có thể truyền tức thời đến khung hạt.
Sự phức tạp này làm cho việc mô phỏng ứng xử tổng thể của đất khơng thể thực
hiện trên mẫu thí nghiệm. Để khắc phục, phân tích theo ứng suất hữu hiệu hiện nay
được áp dụng. Cũng vậy, thường kinh tế hơn khi thiết kế nền đường cho ổn định lâu
dài và quan trắc áp lực nước lỗ rỗng trong suốt q trình thi cơng, làm chậm tốc độ
cố kết nơi cần thiết, bảo đảm trong giới hạn an toàn.
Một trường hợp đặc biệt của ổn định nền đường, là sự hạ thấp nhanh mực
nước phía sau của đường ven đê, đập. Trong trường hợp này, đất nền đường có thời
gian để cố kết dưới trọng lượng bản thân (hàm ý điều kiện lâu dài) nhờ mực nước
lân cận được rút đi nhanh (hàm ý điều kiện ngắn hạn). Điều này có thể được mơ
phỏng trong thí nghiệm ba trục CU, trong đó cho phép mẫu thoát nước và cố kết
dưới áp lực buồng. Ngay khi giai đoạn cố kết hoàn thành, mẫu được cắt nhanh với
điều kiện khơng thốt nước. Bằng cách này, ứng xử của đất trong 2 giai đoạn cố kết
dài hạn và cắt ngắn hạn được mơ phỏng trong thí nghiệm, cho phép sử dụng phân
-9-
tích theo ứng suất tổng. Trong trường hợp này giả định rằng có thể mơ phỏng được
điều kiện dài hạn bằng thí nghiệm bởi vì nước trong bể chứa giữ cho đất ở mặt
thượng lưu của đập sẽ luôn luôn bão hoà. Tuy nhiên, điều kiện hạ thấp mực nước
nhanh có lẽ tốt hơn, tồn diện hơn là phân tích theo điều kiện ứng suất hữu hiệu,
bằng cách sử dụng các thông số độ bền ứng suất hữu hiệu cho phân tích ổn định dài
hạn của mái dốc đập.
Với mái dốc tự nhiên, thường nói về điều kiện để cân bằng trong chu kỳ thời
gian dài, do đó sử dụng phân tích theo ứng suất hữu hiệu là phù hợp.
1.2- Sức kháng cắt khơng thốt nước trong đất dính và các phương pháp thí
nghiệm
1.2.1- Sức kháng cắt khơng thốt nước
Độ bền chống cắt khơng thốt nước của đất Su được xác định từ thí nghiệm
trong điều kiện hệ kín, tức là trong điều kiện ứng suất tổng. Trong hầu hết đất dính
bão hồ, thí nghiệm dưới điều kiện cắt nhanh khơng thốt nước, góc kháng cắt ϕ có
giá trị khơng đáng kể, sức kháng cắt chủ yếu là lực dính khơng thốt nước cu (cịn
được xem là lực dính biểu kiến).
τ = σ tgϕ + cu
Với ϕ ~ 0 thì τ = cu
Rõ ràng rằng đối với đất bão hoà thì ứng suất cắt giới hạn sẽ khơng đổi tại tất
cả các giá trị ứng suất pháp.
Từ phương trình:
σ' = σ - u, có Δσ' = Δσ - Δu
Trong khoảng thời gian ngắn, sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng khơng xảy ra
do nước lỗ rỗng chưa kịp thốt ra, khi đó Δσ’=0. Bởi vậy, một sự tăng ứng suất
pháp tổng sẽ dẫn tới một sự tăng tương tự áp lực nước lỗ rỗng, vì thế ứng suất pháp
hữu hiệu ln là hằng số. Một nhóm các thí nghiệm khơng thốt nước cho mẫu bão
hồ của cùng loại đất được tiến hành với các ứng suất pháp khác nhau, sẽ cho một
đường bao độ bền khơng thốt nước là đường thẳng nằm ngang như hình dưới đây:
-10-
2
Sức kháng cắt τ (kG/cm )
1.00
0.75
0.50
ϕ =0
0.25
cu
0.00
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
2
1.50
1.75
2.00
Ứng suất tổng (kG/cm )
Hình 1.2- Đường bao độ bền theo sơ đồ khơng cố kết-khơng thốt nước UU
Góc ma sát trong biểu kiến ϕu ~ 0 và đường bao độ bền chặn trục ứng suất
cắt tại một giá trị được gọi là độ bền chống cắt khơng thốt nước hoặc lực dính
khơng thốt nước cu của đất. Độ bền chống cắt khơng thốt nước của đất bão hoà
được xem là hằng số. Tuy nhiên phải lưu ý hai điều kiện quan trọng liên hệ với giá
trị quan sát bất kỳ của cu. Trước hết, giá trị chỉ thích ứng cho khối đất khơng thoát
nước và thứ hai, giá trị tương ứng với một độ ẩm riêng biệt (hoặc thể tích riêng v=
1+e). Tại một độ ẩm (hoặc thể tích riêng) khác sẽ có một giá trị độ bền chống cắt
khơng thốt nước khác.
Khi tính tốn xử lý nền đất yếu, cường độ kháng cắt khơng thốt nước Su
(hay cu) là thơng số quan trọng để dự tính khối lượng đắp và phân tích ổn định trong
q trình thi cơng.
Dưới đây, trình bày các phương pháp sử dụng hiện nay để xác định cường độ
kháng cắt khơng thốt nước của đất.
1.2.2- Các phương pháp xác định sức kháng cắt khơng thốt nước của đất
Phương pháp xác định Su từ thí nghiệm trong phịng
-11-
a) Thí nghiệm hộp cắt
Thí nghiệm này cịn gọi là thí nghiệm cắt trực tiếp, bởi vì ứng suất pháp và
ứng suất cắt trên mặt phá hoại định sẵn được đo trực tiếp. Một mẫu đất hình trụ
được cho vừa khít bên trong một hộp kim loại được tách thành 2 nửa nằm ngang.
Đặt tải trọng thẳng đứng lên mẫu bằng cách treo quả cân tĩnh qua cơ cấu tay địn.
Sau khi bỏ vít giữ 2 nửa hộp với nhau, đất được cắt bởi lực nằm ngang tác dụng
bằng một kích vít với tốc độ biến dạng khơng đổi. Độ lớn của lực cắt được đo bằng
một vòng ứng biến hoặc hộp đo lực bằng điện.
Đồng hồ đo
biến dạng
Tải trọng P
Đá thấm
Hộp cắt
Đồng hồ đo
biến dạng
Mẫu đất
Lực
cắt T
Mặt trượt
Hình 1.3- Sơ đồ thí nghiệm cắt trực tiếp
Trình tự lặp lại cho 3 đến 4 mẫu của cùng loại đất với các ứng suất pháp
khác nhau. Giá trị ứng suất pháp σ và ứng suất tiếp τ được tính và vẽ thành đồ thị.
Đường bao độ bền chống cắt tương ứng với ứng suất cắt đỉnh và ứng suất cực hạn
phù hợp với đường thẳng trung bình dựng được qua các điểm của biểu đồ (τ - σ).
-12-
2
Ứng suất tiếp τ (kN/m )
200
150
100
50
0
0
50
100
150
200
250
300
2
Ứng suất phá p σ (kN / m )
Hình 1.4- Biểu đồ thí nghiệm xác định sức kháng cắt của đất.
Từ đường thẳng trung bình đi qua các điểm thí nghiệm có thể xác định góc ma
sát trong ϕ và lực dính c của mẫu đất. Giá trị ϕ, c được gọi là cường độ sức kháng
cắt của đất.
Các thiết bị cắt trực tiếp trước đây thường khơng kiểm sốt được khả năng
thốt nước của mẫu đất, nghĩa là chỉ có thể tiến hành cắt gần với điều kiện UU
(khơng cố kết khơng thốt nước), nhưng cũng có nước thốt qua khe cắt. Hiện nay,
các thiết bị cắt trực tiếp đã được cải tiến bằng cách gắn sensor ở đáy hộp cắt để
kiểm soát khả năng thốt nước của mẫu đất trong q trình cắt. Vì vậy với thiết bị
cải tiến này có thể tiến hành cả ba phương pháp thí nghiệm cắt theo điều kiện UU,
CU và CD.
b) Thí nghiệm nén nở hơng
Để xác định sức kháng cắt của đất trong phòng, phương pháp phổ biến, đơn
giản và xuất hiện sớm nhất là nén mẫu đất hình trụ cho phép nở hơng tự do. Khi ấy,
sức kháng cắt của đất biểu hiện qua lực dính (c) của đất có thể được xác định bằng
cơng thức sau:
c=
qu
2
(1.3)
ϕ
Thực vậy, do qu = 2c * tg (45 o + ) với ϕu=0 thì qu=2c
2
Trong đó :
c
- lực dính của đất;
qu - sức kháng nén nở hơng của đất.
-13-
Sức kháng nén này được xác định như là cường độ kháng nén lớn nhất chịu
được trong q trình thí nghiệm hoặc tại giá trị biến dạng đạt tới 20% (theo
BS1377-Part 7-7).
Q trình phá hoại đất từ thí nghiệm nén nở hơng có thể minh họa như hình
1.5.
(a) Biểu đồ ứng suất-biến dạng trong thí nghiệm nén nở hơng
(b) Sự phát triển vòng Mohr tương ứng theo ứng suất tổng
(c) Ứng suất tổng và hữu hiệu trên mặt phá hoại
(d) Vịng Mohr theo ứng suất hữu hiệu lúc phá hoại
Hình 1.5- Biểu đồ minh hoạ quá trình phá hoại đất từ thí nghiệm nén nở hơng.
c) Thí nghiệm nén ba trục
Thí nghiệm nén ba trục là thí nghiệm xác định sức kháng cắt của đất được áp
dụng rộng rãi nhất hiện nay bởi vì thí nghiệm này mơ tả được đúng hơn trạng thái
ứng suất tự nhiên của mẫu đất trong điều kiện thế nằm tự nhiên. Thí nghiệm nén ba
trục cho phép mô tả được nhiều trạng thái ứng suất như ứng xử của mẫu đất theo
điều kiện trạng thái ứng suất (gia tải, dỡ tải theo các phương) cũng như ứng xử thực
tế của đất nền (thoát nước hay khơng thốt nước). Thí nghiệm nén ba trục là một
trong những thí nghiệm đa dạng nhất trong tất cả các thí nghiệm xác định sức kháng
-14-
cắt của đất xét về chi tiết phức tạp. Điều kiện thoát nước kiểm soát được cho tất cả
các loại đất. Trong thí nghiệm nén ba trục, việc kiểm sốt áp lực nước lỗ rỗng hồn
tồn có thể thực hiện được chính xác, biến đổi thể tích cũng có thể đo đạc được.
Trong q trình thí nghiệm, phương tác dụng của các thành phần ứng suất chính
khơng đổi (khác biệt đáng kể so với phương tác dụng của các thành phần ứng suất
chính trên mặt cắt định sẵn trong thí nghiệm cắt trực tiếp thay đổi liên tục trong quá
trình cắt). Mặt phá hoại không được quy định trước mà mẫu đất sẽ bị phá hoại theo
mặt trượt yếu nhất hoặc đơn giản là phồng ra trong trường hợp đất mềm dẻo (trường
hợp này mặt trượt chỉ thấy được khi chẻ tách mẫu ra). Thông thường, trong mẫu đất
nén ba trục sẽ xuất hiện họ mặt trượt đối xứng nhau hợp với mặt ngang một góc
α = ± (45o+ϕ’/2).
P
Van thốt
Vỏ buồng áp
lực hình
lăng trụ trịn
Màng cao su
Đá thấm
Mẫu
đất
Nước
trong
buồng để
Tạo áp lực
buồng
Nối với thiết bị
đo áp lực lỗ
rỗng và thể tích
Hình 1.6- Sơ đồ buồng nén thí nghiệm nén ba trục đối xứng trục.
-15-
Thơng thường thí nghiệm nén ba trục được thực hiện với 2 – 3 mẫu đất hình
lăng trụ trịn có chiều cao gấp 2 lần đường kính, tức là h=2d dưới tác dụng của áp
lực hông với giá trị khác nhau. Kích thước mẫu thơng thường là 38x76mm,
50x100mm hoặc một số kích thước khác tùy thuộc vào kích thước buồng nén,
thường chọn kích thước 38x76mm cho các loại đất hạt mịn.
Các thơng số cơ bản trong thí nghiệm ba trục thơng thường (nén dọc trục
AC) bao gồm:
Ứng suất chính lớn nhất (σ1 kN/m2): ứng suất chính lớn nhất, trong thí
nghiệm nén ba trục là ứng suất theo phương dọc trục.
Ứng suất chính nhỏ nhất (σ3 kN/m2): trong thí nghiệm nén ba trục là áp lực
buồng.
Ứng suất lệch ((σ1 -σ3) kN/m2): trong thí nghiệm nén ba trục là ứng suất bổ
sung do sự tăng lực nén dọc trục.
Trong thí nghiệm, mẫu đất sẽ chịu tác dụng của các thành phần ứng suất
chính như minh hoạ trong hình 1.7.
σ1
σ
σ3
τ
σ3
σ1
Hình 1.7- Tác dụng ứng suất ba trục trong khối đất.
Trạng thái ứng suất khi đạt đến điểm phá hoại được ghi nhận thông qua giá
trị các thành phần ứng suất chính lớn nhất σ1 và nhỏ nhất σ3. Vòng Mohr ứng suất
sẽ được xác định theo các thành phần ứng suất chính từ các mẫu thí nghiệm. Đường
-16-
kính của vịng trịn Mohr được xác định bởi các điểm đại diện cho ứng suất chính
nhỏ nhất và lớn nhất khi phá hoại.
Qua các vịng trịn Mohr, có thể vẽ được đường bao phá hoại, đó là đường
thẳng trung bình tiếp xúc với các vịng trịn Mohr. Theo tiêu chuẩn bền Mohr –
Coulomb, phương trình đường bao phá hoại có dạng tuyến tính: τ = σ ⋅ tgϕ + c .
τ
T
ϕ
O’
c/tgϕ
c
σ
σ3
O
C
σ1
Hình 1.8- Ứng suất của một điểm trong đất nền đạt trạng thái giới hạn theo thuyết
phá hoại Mohr – Coulomb.
Theo hình 1.8, ta có:
σ1 − σ 3
σ1 − σ 3
CT
2
sin ϕ =
=
=
O' C σ 1 + σ 3 + c
σ 1 + σ 3 + 2c. cot gϕ
2
tgϕ
(1.4)
Từ đó:
σ 1−σ 3
2
=
σ 1+σ 3
2
sin ϕ + c. cos ϕ
Tiếp tục biến đổi:
σ 1 (1 − sin ϕ ) = σ 3 (1 + sin)ϕ + 2c. cos ϕ
σ1 = σ 3
1 + sin ϕ
cos ϕ
+ 2c.
1 − sin ϕ
1 − sin ϕ
Cuối cùng thu nhận được:
(1.5)
-17-
ϕ
ϕ
σ 1 = σ 3 tg 2 (45 o + ) + 2c.tg (45 o + )
2
(1.6)
2
Theo các thành phần ứng suất trong hệ tọa độ Đề các, phương trình trạng thái
cân bằng giới hạn có dạng:
sin ϕ =
2
(σ z − σ x ) 2 + τ xz2
(1.7)
(σ x + σ z + 2c. cot gϕ )2
Các phương trình (1.4), (1.6) và (1.7) được gọi là phương trình trạng thái cân
bằng giới hạn, chúng được sử dụng trong tính tốn khả năng chịu tải của đất nền.
Các lý thuyết tính tốn có sử dụng các phương trình cơ bản này có tên gọi chung là
lý thuyết cân bằng giới hạn. Để tính tốn sức chống cắt của đất, có thể sử dụng
phương trình (1.5).
Từ kết quả thí nghiệm, vẽ các vòng tròn Mohr ứng với từng cặp σ3, σ1 tương
ứng thu được các thông số sức kháng cắt của đất.
2.0
2
(σ1 - σ3 )/2 (kG/cm )
ϕ'
1.5
ϕ
1.0
0.5
0.0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
2
Ứng suất (kG/cm )
Hình 1.9 - Đường bao sức kháng cắt theo ứng suất tổng và ứng suất hữu hiệu
-18-
Tùy theo trạng thái của đất khi bị cắt đến phá hoại, phân biệt 3 sơ đồ thí
nghiệm sau:
+ Thí nghiệm khơng cố kết, khơng thốt nước (UU) đối với đất bão hồ
Đây là sơ đồ thí nghiệm đơn giản, vận hành nhanh, giá thành rẻ và thông
dụng nhất của thí nghiệm nén ba trục. Kết quả sức kháng cắt thu được theo các
thành phần ứng suất tổng.
Trong sơ đồ này, đất được đưa tới phá hoại khơng có khả năng thoát nước lỗ
rỗng và chưa được cố kết. Độ ẩm và độ chặt được xem như không đổi trong các
mẫu đất thí nghiệm và trong q trình nén mẫu. Khi thí nghiệm, các van thốt nước
của dụng cụ thí nghiệm được đóng hồn tồn và đất chịu tác dụng của lực nén dọc
trục σ1 ngay sau khi áp lực hơng σ3 được ổn định. Vì nước và cốt đất hầu như
không chịu nén và giả thiết trong nước không chứa khơng khí nên trong q trình
thí nghiệm mẫu khơng bị biến dạng thể tích. Khi thí nghiệm với đất bão hoà (hệ số
áp lực của nước lỗ rỗng B=1) độ tăng nào đó của ứng suất tổng tạo nên sự tăng
tương ứng của áp lực nước lỗ rỗng (Δu=Δσ) và vì thế khơng xảy ra sự tăng ứng suất
hữu hiệu tức là Δσ’=0. Trường hợp thí nghiệm này cho ta: Su = cu và ϕu = 0.
Giá trị Su, gọi là sức kháng cắt khơng thốt nước của đất.
+ Thí nghiệm cố kết, khơng thốt nước (CU) đối với đất bão hồ
Trong thí nghiệm theo sơ đồ này, mẫu đất trước tiên được cố kết dưới các
cấp áp lực hơng σ3 xác định trước khi thí nghiệm đưa tới phá hoại. Khi cố kết, hoặc
là áp lực nước lỗ rỗng, hoặc là sự thay đổi thể tích của mẫu đất được theo dõi để xác
định đất đã được cố kết hồn tồn (khi sự thay đổi thể tích ngừng và áp lực nước lỗ
rỗng thặng dư giảm tới 0). Sau đó tăng áp lực dọc trục σ1 và khơng cho thốt nước
(đóng các van thốt nước). Trong q trình thí nghiệm giá trị áp lực nước lỗ rỗng u
được ghi nhận.
Kết quả thu được theo sơ đồ này là sức kháng cắt tổng và hữu hiệu :
• Đặc trưng sức kháng cắt tổng: ccu, ϕcu - sử dụng cho thiết kế đắp đất theo
giai đoạn trên nền đất yếu.
• Đặc trưng sức kháng cắt hữu hiệu: c’cu, ϕ'cu - sử dụng để tính ổn định lâu
dài.
