Nghiên cứu kết quả xuyên tĩnh có đo áp lực nước lỗ rỗng để xác định các đặc trưng cơ lý của đất khu vực hải phòng và kiến nghị sử dụng chúng trong thiết kế nền móng công trình
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.25 MB, 95 trang )
bộ giáo dục v đo tạo
trờng đại học mỏ địa chất
---------------------------------------------
phan mạnh thắng
Nghiên cứu kết quả xuyên tĩnh có đo áp lực nớc lỗ
rỗng để xác định các đặc trng cơ lý của đất ở khu vực
Hải Phòng và kiến nghị sử dụng chúng trong thiết kế
nền móng công trình
luận văn thạc sĩ kỹ thuật
H nội - 2010
bộ giáo dục v đo tạo
trờng đại học mỏ địa chất
---------------------------------------------
phan mạnh thắng
Nghiên cứu kết quả xuyên tĩnh có đo áp lực nớc lỗ
rỗng để xác định các đặc trng cơ lý của đất ở khu vực
Hải Phòng và kiến nghị sử dụng chúng trong thiết kế
nền móng công trình
chuyên ngnh: Địa chất công trình
m số: 60.44.65
luận văn thạc sĩ kỹ thuật
ngời hờng dẫn khoa học
ts. tô xuân vu
H nội - 2010
bộ giáo dục v đo tạo
trờng đại học mỏ địa chất
---------------------------------------------
phan mạnh thắng
Nghiên cứu kết quả xuyên tĩnh có đo áp lực nớc lỗ
rỗng để xác định các đặc trng cơ lý của đất ở khu vực
Hải Phòng và kiến nghị sử dụng chúng trong thiết kế
nền móng công trình
chuyên ngnh: Địa chất công trình
m số: 60.44.65
luận văn thạc sĩ kỹ thuật
ngời hờng dẫn khoa học
ts. tô xuân vu
H nội - 2010
mục lục
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Mở đầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1. Tính cấp thiết của đề tài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
2. Đối tợng và phạm vi nghiên cứu:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
3. Mục tiêu đề tài: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
4. Néi dung nghiªn cøu: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
5. Phơng pháp nghiên cứu:..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
6. ý nghÜa khoa học và thực tiễn của đề tài:. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
7. Cơ sở tài liệu của luận văn: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
8. Cấu trúc của luận văn: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Chơng 1:
Tổng quan về phơng pháp thí nghiệm xuyên
tĩnh có đo áp lực nớc lỗ rỗng ( CPTu)
1.1. Sơ lợc lịch sử phát triển phơng pháp thí nghiƯm xuyªn tÜnh .. . . . . . . . . . . . 5
1.2 Thiết bị xuyên tĩnh có đo áp lực nớc lỗ rỗng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
1.3. Mô hình hoạt động mũi xuyên đo áp lực nớc lỗ rỗng trong đất . ... . . . . . . . . 14
1.4. C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng tíi kÕt qđa thÝ nghiƯm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.1. ảnh hởng của áp lực nớc lỗ rỗng đến qc và fs . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
1.4.2. ảnh hởng của vị trí màng thÊm........................... .. . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4.3. ¶nh h−ëng của áp lực dọc trục đến áp lực nớc lỗ rỗng. . . . . . . . . . . . . 18
1.4.4. ảnh hởng của nhiệt độ.................................................... . . . . . . . . . . . 18
1.4.5. ảnh hởng của độ mài mòn dạng hình học cđa mịi xuyªn. . . . . .. . . . . 19
1.4.6. ảnh hởng của độ nghiêng mũi xuyên. . . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . . 20
1.4.7. ảnh hởng của tốc độ xuyên. . . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .
1.5. Xác định một số đặc trng cơ học của ®Êt tõ kÕt qu¶ thÝ nghiƯm CPTu. . . . . .
21
22
1.5.1. Xác định sức chống cắt không thoát nớc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
1.5.2. Xác định hệ số cố kết ngang của đất... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5.3. Xác định hệ số thÊm ngang kh ...................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.5.4 Xác định hệ số qu¸ cè kÕt OCR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .............. .....
25
1.5.5 Xác định lực dính kết không thoát nớc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
1.5.6 Xác định mô đun biến dạng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
1.6. Phân loại đất theo kÕt qu¶ thÝ nghiƯm CPTu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.7. Xác định ranh giới giữa các loại đất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Chơng 2: đặc điểm trầm tích đệ tứ khu vực hải phòng
2.1. Địa tầng trầm tích Đệ Tø . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
2.2. Phân chia địa tầng trầm tích Đệ tứ khu vực Hải Phòng theo quan điểm địa
chất công trình. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . ....
36
2.2.1. Trầm tích nhân tạo (đất đắp và đất lấp) . . . . . . . . . . . .......... . . . . . . . 36
2.2.2. TrÇm tÝch s«ng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........
36
2.2.3. Trầm tích sông biển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.4. Trầm tích đầm lầy ven biển, sông biển đầm lầy . . . . . . . . . . . . . . . .
40
2.2.5. TrÇm tÝch biĨn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
Chơng 3: phân tích ảnh hởng của điều kiện địa chất
công trình đến kết quả thí nghiệm xuyên cptu ở khu
vực Hải Phòng
3.1. ảnh hởng của áp lực địa tầng. . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2. ảnh hởng của sự thay đổi địa tÇng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
3.3. ảnh hởng của thành phần và trạng thái cđa ®Êt. . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 48
3.4. ¶nh h−ëng cđa tÝnh nÐn lún, độ kết dính và kích thớc hạt của đất . . . . . . . .
53
3.5. ¶nh h−ëng của áp lực nớc lỗ rỗng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . .... .
54
Ch−¬ng 4: ThiÕt lËp quan hệ tơng quan giữa các chỉ tiêu
xác định từ xuyên CPTu với các thí nghiệm khác
4.1 Lựa chọn các chỉ tiêu lập quan hệ tơng quan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.2. Tổng hợp kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu xác lập tơng quan . . . . . . . .
4.2.1 Khèi l−¬ng thÝ nghiƯm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
60
60
4.2.2 Kết quả xác lập quan hệ tơng quan . . . .. . . . . . . .
75
4.2.2.1 Các lớp trầm tích hệ tầng Hải Hng dới (mbQ21-2hh1) .. . . . .. . . . . .
76
4.2.2.2 Các lớp trầm tích hệ tầng Hải Hng trên (mQ21-2hh2). . . . . . . . . .
78
4.2.2.3 C¸c lớp trầm tích hệ tầng Thái Bình dới (amQ32tb1). . .. . . . . . . . . .. .
81
4.3. Kiến nghị sử dụng kết quả thí nghiệm CPTu trong tính toán thiết kế trên nền
đất khu vực Hải Phòng
83
Kết luận và kiến nghị . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
86
Tài liệu tham khảo
lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và cha từng có ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.
Tác giả luận văn
Phan Mạnh Thắng
1
mở đầu
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Trên thế giới, thí nghiệm xuyên tĩnh có đo áp lực nớc lỗ rỗng (CPTu) đợc
biết đến nh một phơng pháp thí nghiệm hiện trờng xác định đợc khá đầy đủ đặc
trng địa chất công trình của đất một cách liên tục và cho kết quả nhanh, chính xác.
Đây là thí nghiệm đợc tiến hành trong điều kiện làm việc thực tế của đất nền nên
sử dụng kết quả thí nghiệm CPTu trong tính toán nền móng công trình cho kết quả
tin cậy cao. Tuy nhiên, những đặc trng địa chất công trình của đất đợc xác định từ
thí nghiệm CPTu thờng liên quan đến các hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào mỗi
loại đất cụ thể. Do đó đối với khu vực xây dựng nhất định cần phải nghiên cứu
những quan hệ này để đảm bảo kết quả thu đợc từ thí nghiệm CPTu chính xác và
tin cậy.
ở Việt Nam nói chung và khu vực Hải Phòng nói riêng, việc ứng dụng thí
nghiệm CPTu còn ít phổ biến. Hầu hết công trình đà sử dụng phơng pháp thí
nghiệm này đều là các công trình có vốn đầu t nớc ngoài hoặc thuê t− vÊn thiÕt kÕ
n−íc ngoµi. HiƯn nay vÉn ch−a cã những nghiên cứu tổng thể để xác định các đặc
trng cơ lý đợc xác định từ phơng pháp xuyên CPTu, nâng cao hiệu quả sử dụng
kết quả thí nghiệm CPTu nên ngay cả khi đà có kết quả thí nghiệm thì việc sử dụng
kết quả cũng bị hạn chế. Do vậy, việc nghiên cứu đánh giá kết quả xác định các đặc
trng cơ lý bằng phơng pháp thí nghiệm xuyên CPTu phục vụ cho thiết kế nền
móng công trình trên nền đất ở khu vực cụ thể nh Hải Phòng là rất cần thiết.
2. Đối tợng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài là kết quả xác định các đặc trng
cơ lý nền đất xác định bằng phơng pháp thí nghiệm xuyên CPTu và khả năng ứng
dụng của chúng trong thiết kế nền móng công trình trên nền đất ở khu vực Hải
Phòng.
3. Mục tiêu đề tài:
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là làm rõ kết quả xác định các đặc tr−ng c¬ lý
2
nền đất bằng phơng pháp thí nghiệm xuyên CPTu và sử dụng các kết quả này trong
thiết kế nền móng công trình trên nền đất khu vực Hải Phòng.
4. Nội dung nghiên cứu:
Để đạt đợc mục tiêu nghiên cứu trên, nội dung nghiên cứu của đề tài bao
gồm:
- Tổng hợp, phân tích các tài liệu thu thập về thí nghiệm CPTu ở trong nớc và
trên thế giới, từ đó đánh giá về khả năng ứng dụng kết quả của thí nghiệm này.
- Đánh giá kết quả thí nghiệm CPTu và các phơng pháp thí nghiệm khác
tơng ứng, bao gồm thí nghiệm trong phòng và ngoài trời cho đất nền khu vực Hải
Phòng.
- Phân tích các yếu tố ảnh hởng đến kết quả thí nghiệm xác định các đặc
trng cơ lý ở khu vực Hải Phòng
- Xây dựng quan hệ tơng quan giữa các chỉ tiêu xác định từ CPTu với các
phơng pháp thí nghiệm khác
- Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm đồng bộ (thí nghiệm CPTu và các thí
nghiệm khác), xây dựng phơng pháp đánh giá các đặc trng địa chất công trình
theo kết quả thí nghiệm CPTu phù hợp với đất nền khu vực Hải Phòng.
- Kiến nghị sử dụng kết quả thí nghiệm CPTu trong tính toán phục vụ cho thiết
kế nền móng công trình trên đất nền khu vực Hải Phòng.
5. Phơng pháp nghiên cứu:
- Phơng pháp tổng hợp và hệ thống hóa tài liệu: Thu thập, hệ thống hóa và
tổng hợp các tài liệu để làm cơ sở cho nghiên cứu các nội dung chuyên môn.
- Phơng pháp địa chất: Xác định tuổi, nguồn gốc, thành phần và tính chất của
các loại đất phân bố ở khu vực nghiên cứu.
- Phơng pháp thực nghiệm: Tiến hành thí nghiệm CPTu và một số phơng
pháp thí nghiệm khác để so sánh đối chứng đánh giá kết quả.
- Phơng pháp xử lý thống kê: Xác định các chỉ tiêu cơ lý đặc trng của các
lớp đất để phân tích, đánh giá chúng.
3
6. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Kết quả nghiên cứu của đề tài cho phép đánh giá khả năng ứng dụng và hiệu
quả của phơng pháp thí nghiệm xuyên tĩnh có đo áp lực nớc lỗ rỗng phục vụ cho
thiết kế nền móng công trình trên đất nền khu vực Hải Phòng.
7. Cơ sở tài liệu của luận văn:
- Bản đồ địa chất và khoáng sản khu vực Hải phòng tỷ lệ 1:200.000.
- Bản đồ địa chất công trình khu vực Hải phòng tỷ lệ 1:50.000
- Các báo cáo khảo sát địa kỹ thuật ở khu vực Hải Phòng hiện lu trữ tại Trung tâm
KH&CN Địa kỹ thuật - Viện KH&CN GTVT, Công ty Cổ phần T vấn xây dựng
Cảng Đờng thuỷ( TEDI Port), Công ty TNHH Địa kỹ thuật và Môi trờng mà tác
giả có tham gia.
- KÕt qu¶ thÝ nghiƯm CPTu cđa mét sè công trình ở khu vực Hải Phòng.
8. Cấu trúc của luận văn:
Luận văn bao gồm các chơng chính sau:
Chơng 1: Tổng quan về phơng pháp thí nghiệm xuyên tĩnh có đo áp lực nớc lỗ
rỗng.
Chơng 2: Đặc điểm trầm tích Đệ tứ khu vực Hải Phòng
Chơng 3: Phân tích ảnh hởng của điều kiện địa chất công trình đến kết quả thí
nghiệm CPTu ở khu vực Hải Phòng.
Chơng 4: Thiết lập quan hệ tơng quan giữa các chỉ tiêu xác định từ xuyên CPTu
với các thí nghiệm khác. Kiến nghị sử dụng kết quả thí nghiệm CPTu trong tính toán
thiết kế trên nền đất khu vực Hải Phòng.
Kết luận và kiÕn nghÞ
4
Luận văn dày 88 trang khổ A4, 21 biểu bảng, 24 hình vẽ và 16 danh mục tài
liệu tham khảo.
Luận văn đợc hoàn thành tại Bộ môn Địa chất công trình - Trờng Đại học
Mỏ - Địa chất dới sự hớng dẫn khoa học của TS. Tô Xuân Vu.
Trong quá trình hoàn thành luận văn, tác giả đà nhận đợc sự giúp đỡ tận tình
của các thầy giáo, cô giáo và các bạn đồng nghiệp trong Bộ môn Địa chất công
trình, Phòng Đại học và Sau đại học, các phòng ban và các cấp lÃnh đạo - trờng Đại
học Mỏ - Địa chất, Công ty TNHH Địa kỹ thuật và Môi trờng (ENGEOCO), Trung
tâm KH&CN Địa kỹ thuật - Viện KH&CN GTVT, Công ty Cổ phần T vấn xây
dựng Cảng Đờng thuỷ( TEDI Port). . . .Tác giả cũng nhận đợc sự giúp đỡ tận tình
và những ý kiến đóng góp quý báu của TS. Đinh Ngọc Thông; Ths. Huỳnh Thanh
Bình và nnk. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Tô Xuân
Vu - ng−êi trùc tiÕp h−íng dÉn khoa häc, c¸c tËp thĨ, các cơ quan, các nhà khoa học
và đồng nghiệp kể trên về những sự giúp đỡ quý báu đó.
5
Chơng 1
Tổng quan về phơng pháp thí nghiệm xuyên tĩnh
có đo áp lực nớc lỗ rỗng ( CPTu)
1.1. Sơ lợc lịch sử phát triển phơng pháp thí nghiệm xuyên tĩnh
Thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT) đà đợc sử dụng và phát triển từ cuối thập kỷ 20
với mục đích xác định sức kháng mũi xuyên và sức kháng áo ma sát khi ấn mũi
xuyên vào trong đất với một tốc độ không đổi. Kết quả xuyên tĩnh đợc áp dụng vào
việc phân loại đất, phân tích đặc điểm của đất, dự tính sức chịu tải của cọc và làm cơ
sở để so sánh với một số thí nghiệm khác nh xuyên tiêu chuẩn (SPT), thí nghiệm
trong phòng, thí nghiệm nén ngang (Pressiometer), thí nghiệm cắt cánh (Vane test),
vvv...
Thí nghiệm xuyên tĩnh là loại thí nghiệm hiện trờng phát triển rộng rÃi trên
thế giới, đặc biệt là các nớc Trung Âu. Xuyên tÜnh cã nguån gèc tõ Mü (1929),
song thùc sù ph¸t triển ở phòng thí nghiệm cơ học đất Delft (Hà Lan). Thí nghiệm
CPT đo bằng cơ học (MCPT, tức Mechanical CPT) đầu tiên đợc thực hiện ở Hà
Lan vào năm 1931. Năm 1946, cơ cấu gia lực tối đa của CPT chỉ là 2,5 tấn thì năm
1948 đà tăng lên 10 tấn. Năm 1953, cơ cấu gia lực bằng thuỷ lực lần đầu tiên đợc
giới thiệu ở Pháp. Năm 1948, nhiều công ty ở Hà Lan bắt đầu nghiên cứu đa ra loại
côn đo bằng điện (ECPT, tức Electrolic CPT). Năm 1964, công ty Furgo (Hà Lan)
bắt đầu sử dụng ECPT rộng rÃi. Năm 1975, một vòng đá thấm để đo áp lực nớc lỗ
rỗng (U) đầu tiên đợc thử nghiƯm. ThÝ nghiƯm nµy gäi lµ CPTu hay Piezo-cone
CPT. Ngµy nay, các thiết bị CPT hiện đại đều đợc đo bằng điện và có khả năng đo
đợc áp lực nớc lỗ rỗng, do đó CPTu thờng đợc hiểu là ECPTu.
Những thí nghiệm CPT thô sơ thờng không xuyên qua đợc các lớp cát tơng
đối chặt, sét dẻo cứng, nửa cứng. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ
hiện đại, khả năng và sự tinh xảo của thí nghiệm CPT ngày càng đợc nâng cao.
Hiện nay, CPT sử dụng ®èi träng lín (40 tÊn, thËm chÝ lín h¬n) cã thể xuyên qua
mọi loại đất, từ sét cứng, cát rất chặt đến ngay cả sỏi cuội chặt vừa cũng nh một số
loại đá.
6
Thiết bị xuyên tĩnh Pagani
Thiết bị xuyên tĩnh Geomil
Hình 1. 1: Thiết bị thí nghiệm xuyên tĩnh
7
Hầu hết các thiết bị xuyên cơ học đều đo lực ấn bằng hệ thống cần dẫn với
áp kế đặt trực tiếp ở trên. Các cần dẫn trong đợc chế tạo bằng các loại thép đặc biệt
nhằm hạn chế tối đa sự biến dạng trong quá trình thí nghiệm.
Thiết bị xuyên cơ học đợc sử dụng rộng rÃi bởi do nó có giá thành thấp, sử
dụng đơn giản, số liệu xuyên tơng ứng với thiết bị và kinh nghiệm của ngời sử
dụng. Chất lợng tài liệu phụ thuộc ít nhiều vào kinh nghiệm của ngời sử dụng.
Trong đất yếu, mức độ chính xác của kết quả xuyên cơ học đôi khi cha thoả mÃn
việc phân tích đánh giá các điểm đặc biệt của đất.
Kết quả mà thiết bị xuyên tĩnh cung cấp đợc bao gồm các thông số sau:
qc =
Qc
Ac
(1.1)
fs =
Qs
As
(1.2)
Fr =
qc
fs
(1.3)
Trong đó:
qc - sức kháng xuyên đơn vị;
fs - søc kh¸ng ¸o ma s¸t ;
Fr - tû søc kh¸ng xuyên;
Qc: lực tác dụng của kích lên đáy mũi xuyên;
Qs - lực ấn tác dụng lên áo ma sát;
Ac- diện tích mặt cắt ngang của mũi xuyên ( tiêu chuẩn là 10cm2);
As- diện tích áo ma sát ( tiêu chuẩn là 150 cm2).
Năm 1974 hội nghị châu âu về thí nghiệm xuyên tại Stockholm đà công bố
những kết quả đầu tiên về sử dụng thiết bị xuyên tĩnh có đo áp lực nớc lỗ rỗng
CPTu. Một kiểu thiết bị xuyên đo áp lực nớc lỗ rỗng đợc phát triển bởi Viện
nghiên cứu địa chất Nauy (NGI) đà đợc Janbu và Senneset sử dụng thí nghiệm ở
gần với một hố xuyên tĩnh khác. Schmertman (1974) cũng đà có nghiên cứu và sử
dụng thiết bị xuyên đo áp lực nớc lỗ rỗng trong khảo sát địa kỹ thuật và ông đÃ
thừa nhận giá trị đo áp lực nớc lỗ rỗng trong việc gi¶i thÝch kÕt qu¶ thÝ nghiƯm
8
xuyên. Các tác giả Janbu , Senneset và Schmertman đều chỉ ra sự thay đổi áp lực
nớc lỗ rỗng trong khoảng dừng xuyên.
Hầu nh đồng thời Torstensson (1975) tại Thuỵ điển và Wissa với nhũng ngời
khác (1975) tại Mỹ đà phát triển đầu xuyên đo áp lực nớc lỗ rỗng vào mục đích đo
áp lực nớc lỗ rỗng trong quá trình xuyên và khi dừng xuyên. Hai loại đầu đo này về
mặt hình học là tơng tự nhau và đều có khả năng xác định đợc tính thấm của đất
loại sét.
Schmertman (1978) đà sử dụng loại đầu đo do Wissa chế tạo với mũi côn có
góc ở đỉnh là 60 độ và màng thấm đọc đặt ở đỉnh mũi côn vào mục đích nghiên cứu
đánh giá sự hoá lỏng của đất loại cát. Baligh và đồng nghiệp (1980) đà sử dụng loại
đầu đo kiểu Wissa trong thí nghiệm xuyên kèm theo sự thay đổi vị trí của màng
thấm và ông đa ra đề nghị rằng khi kết hợp đo áp lực nớc lỗ rỗng vào xuyên tĩnh
thì sẽ mang lại nhiều hứa hẹn trong việc phân loại đất và đánh giá mức độ quá cố
kết trong đất sét trầm tích.
Công bố đầu tiên về việc đo kết hợp sức kháng mũi xuyên và áp lực nớc lỗ
rỗng trên cùng một đầu đo đợc thực hiện bởi Roy và những ngời khác (1980). Họ
đà tiến hành thí nghiệm trên đất sét Canada và nghiên cứu áp lực nớc lỗ rỗng trong
đất khi thay đổi vị trí của màng thấm.
Năm 1981 hội nghị quốc tế về xuyên tĩnh đợc tổ chức tai St.louis, một vài tác
giả có những tổng kết báo cáo về việc đo đồng thời cờng độ kháng xuyên, sức
kháng áo ma sát và áp lực nớc lỗ rỗng (Ruiter, 1981; Muromachi, 1981; Baligh và
những ngời khác ) vv...
Nhiều loại thiết bị xuyên đo áp lực nớc lỗ rỗng đà đợc nghiên cứu và phát
triển trong những năm gần đây. Trong các loại CPTu, hầu hết áp lực nớc lỗ rỗng
đều đợc đo tại một vị trí của màng thấm, một vài kiểu thiết bị với 2 hoặc 3 vị trí
màng thấm cũng đà đợc phát triển. Sự thay đổi vị trí của màng thấm đợc đa ra
trong hình 1.2.
9
Hình 1.2: Sự thay đổi vị trí màng thấm trên đầu xuyên đo áp lực nớc lỗ rỗng
Ngoài việc đo đồng thời 3 thông số chính là sức kháng mũi xuyên, sức kháng
áo ma sát và áp lực nớc lỗ rỗng, thiết bị xuyên đo áp lực nớc lỗ rỗng có những u
điểm sau:
- Đơn giản, thí nghiệm liên tục với tốc độ nhanh;
- Với áp lực nớc lỗ rỗng nhận đợc, nó cho phép đánh giá một cách định lợng về
điều kiện thấm trong quá trình thí nghiệm;
- Xác định đợc chiều sâu mực nớc tĩnh, xác định mặt cắt địa chất, phân loại đất và
đánh giá đợc nhiều thông số địa chất;
- Đánh giá điều kiện thoát nớc và đặc tính cố kết của đất.
Ngày nay thiết bị xuyên tĩnh đà đợc phát triển theo nhiều kiểu với các mục
đích khác nhau nh xuyên cơ học (CPT), xuyên điện tử (electric CPT, xuyên đo áp
lực nớc lỗ rỗng (piezocone, CPTu), xuyên đo chấn động (seismic piezocone,
SCPTu), xuyên đo ®iƯn trë st cđa ®Êt (Resistivity piezocone, RCPTu), xuyªn ®o
øng suÊt ngang (Horizontal stress cone, HSC).
10
1.2 Thiết bị xuyên tĩnh có đo áp lực nớc lỗ rỗng
Thiết bị xuyên tĩnh có đo áp lực nớc lỗ rỗng thông thờng bao gồm ba phần
chính sau đây:
- Máy ép thuỷ lực dùng tạo lực ấn mũi xuyên và cần xuyên đến độ sâu thí
nghiệm. Cơ chế tạo lực ấn của máy ép là thông qua hệ thống tạo lực ấn bằng thuỷ
lực. Các máy ép thuỷ lực hiƯn nay cã lùc Ên tõ 5 ®Õn 20 tÊn tuỳ theo từng loại thiết
bị xuyên.
Hình 1.3: Máy xuyên PAGANY- ITALY
Mũi xuyên là bộ phận cung cấp giá trị thí nghiƯm (søc kh¸ng mịi,søc kh¸ng
¸o ma s¸t , ¸p lùc nớc lỗ rỗng vv...)đợc nôí với cần xuyên đa xuống độ sâu thí
nghiệm yêu cầu. Một mũi xuyên thông thờng gồm một mũi côn với góc ở đỉnh là
60 độ, diện tích mũi là 10cm2, diện tích áo ma sát là 150cm2 và một màng thấm đo
áp lực nớc lỗ rỗng gồm vòng đá thấm và bộ phận đo áp lùc.
11
Sensor
Hình 1.4: Các loại mũi xuyên
Mũi xuyên đo áp lực nớc lỗ rỗng ngày càng đợc phát triển và hoàn thiện tạo
đợc sự tin cậy của kết quả đo. Một số đặc tính kỹ thuật của mũi xuyên đo áp lực
nớc lỗ rỗng đợc trình bày trong bảng 1.1.
12
Bảng 1. 1 Đặc tính kỹ thuật của mũi xuyên đo áp lực nớc lỗ rỗng
Diện tích đầu mũi xuyên hình côn
Đặc tính kỹ thuật
Loại 10 cm2
Loại 15 cm2
10 - 50 - 100 MPa
50 - 100 MPa
- Søc kh¸ng ¸o ma sát (fs):
0.5 MPa
0.5 hoặc 1 MPa
- áp lực nớc lỗ rỗng (u):
2.5 MPa
2.5 MPa
0 - 40o
0 - 40o
-10oC đến +50oC
-10oC ®Õn +50oC
Gãc ë ®Ønh 60o
Gãc ë ®Ønh 60o
- DiƯn tÝch mịi:
10 cm2
15 cm2
- DiƯn tÝch ¸o ma s¸t:
150 cm2
225 cm2
- Chiều dài (gồm cả phần thu tín
1000 mm
710 mm
3.5 kg
5.5 kg
6 pin /10 tiếng
2 pin /10 tiếng
1. Các kênh đo
- Sức kháng xuyên (qc):
- Cảm biến đo nghiêng (tuỳ chọn):
- Điện trở suất(tuỳ chọn)
- Nhiệt độ (tuỳ chọn)
2. Kích thớc
- Mũi côn:
hiệu âm)
- Trọng lợng:
- Nguồn điện/thời gian hoạt động
Bảng 1.2 Một số đặc trng kỹ thuật khác của đầu xuyên đo áp lực nớc lỗ rỗng
Các thông số
Cờng độ kháng
Sức kháng áo
áp lực nớc lỗ
xuyên
(fs)
rỗng (u)
(qc)
- Sai số toàn bộ
0,04%F.S.
0.05%F.S.
0.04%F.S.
- Sai số nhiệt độ
<0.05%F.S./10oC
<0.05%F.S./10oC
<0.05%F.S./10oC
- Không tuyến tính
<0.1%F.S.
<0.5%F.S.
<0.5%F.S.
- Vợt t¶i cho phÐp
25%
50%
25%
13
- Bé phËn ghi ®o sè liƯu bao gåm mét bộ chuyển đổi số liệu và một hệ thống
máy tính, hiển thị và tự động lu trữ kết quả thí nghiệm với các chơng trình đợc
cài sẵn cho phép ngời sử dụng dễ dàng điều khiển và can thiệp vào quá trình thí
nghiệm.
Hình 1.5: Bộ phận ghi đo số liệu
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học và công nghệ loại thiết bị xuyên đo
áp lực nớc lỗ rỗng kiểu không dây đà đợc ứng dụng và phát triển. Đây là một
trong những công nghệ tiên tiến đà đợc ứng dụng thành công vào thiết bị xuyên
tĩnh và đà sử dụng ở nhiều nớc trên thế giới. Điểm đặc biệt của công nghệ này là
bên trong mũi xuyên ngời ta đặt một phần tử biến đổi tín hiệu đo đợc từ mũi
xuyên sang dạng âm thanh, tín hiệu âm này truyền lên trên thông qua cần xuyên
(chiều dài đờng truyền phụ thuộc vào đờng kính cần xuyên và đặc điểm của đất
bao quanh), thiết bị thu âm Microphone đặt ở trên đỉnh cần xuyên thu tín hiệu
truyền lên từ mũi xuyên, thiết bị này lại chuyển tín hiệu âm sang tín hiệu số và
chuyển qua máy tính. Thiết bị xuyên không dây sử dụng đơn giản , tiện lợi cho phép
giảm giá thành và tăng đợc hiệu quả của công việc. Một vài đặc điểm chính của bộ
thu nhận chuyển đổi tín hiệu thiết bị xuyên đo áp lực nớc lỗ rỗng kiểu không dây
đợc thể hiện trong bảng 1.3:
14
Bảng 1. 3 Đặc điểm kỹ thuật bộ thu nhận chuyển đổi tín hiệu
1. Bộ truyền tín hiệu âm thanh
- Chiều dài
800mm (bao gồm cả pin và đầu đo)
- Đờng kính cần
36 hoặc 44mm
- Nguồn điện
6 pin trung, mỗi pin 1,5V
- Khoảng thời gian hoạt động
12 giờ
- Chiều dài đờng truyền
20-100m (cần 36mm), 20-200m (cần 44mm)
- Tín hiệu âm
Dạng số (với bộ mà loại trừ sai số)
- Số kênh
Tối đa 8 kênh
2. Bộ chuyển đổi tín hiệu số
- Kích thớc
240x180x100mm
- Trọng lợng
3,0kg
- Nguồn điện
12V dc, 0,4A
- Tín hiệu vào
Tín hiệu âm từ mũi xuyên
- Tín hiệu ra
Cổng RS 232
Thiết bị xuyên đo áp lực nớc lỗ rỗng ngày càng đợc cải tiến, có thể cho phép
đo đợc cùng một lúc nhiều thông số nh sức kháng mũi xuyên, sức kháng áo ma
sát, áp lực nớc lỗ rỗng, điện trở suất của đất, độ nghiêng của mũi xuyên, nhiệt độ
đầu mũi, tốc độ xuyên. Công tác thu thập số liệu cũng đợc hoàn chỉnh, các thông
tin thu đợc từ thí nghiệm xuyên đợc truyền và lu trữ dới dạng số cho phép dễ
dàng tự động hoá đầu vào các quá trình tính toán.
1.3. Mô hình hoạt động mũi xuyên đo áp lực nớc lỗ rỗng trong đất
Khi mũi xuyên đi vào trong đất hình thành vùng nêm nén chặt ở bên dới và
xung quanh mũi xuyên. Vùng nén chặt này đuợc hình thành do sự chiếm chỗ của
mũi xuyên trong đất gây nên. Theo biểu đồ phân bố đờng đẳng ứng suất, ở gần
xung quanh vị trí mũi xuyên ứng suất tổng có giá trị lớn nhất, càng ra xa thì giá trị
ứng suất càng giảm dần, ở phần dới mũi xuyên vùng kéo và nén đợc phân chia
theo ranh giới đờng ứng suất và biến dạng. Quan sát biểu đồ áp lực nớc lỗ rỗng
15
các ứng suất lỗ rỗng d gây bởi đầu mũi xuyên có giá trị giảm dần từ phía dới đầu
mũi xuyên lên phía trên. Giá trị áp lực nớc lỗ rỗng d gây bởi mũi xuyên thay đổi
và phụ thuộc vào đặc điểm vật lý và cơ học của đất, giá trị áp lực nớc lỗ rỗng d đo
đợc đạt giá trị lớn nhất ở vùng dới mặt côn. Điều này đà đợc thực tế kiểm
nghiệm. Trong các loại đất sét và sét pha, giá trị áp lực nớc lỗ rỗng thờng là
dơng và luôn lớn hơn giá trị áp lực thuỷ tĩnh. Trong đất loại cát, giá trị áp lực nớc
lỗ rỗng d nhiều khi mang giá trị âm và nhỏ hơn áp lực thuỷ tĩnh. Nó phụ thuộc chủ
yếu vào thành phần hạt và tính thấm của đất.
1.4. Các yếu tố ảnh hởng tới kết qủa thí nghiệm
Trong thí nghiệm xuyên đo áp lực nớc lỗ rỗng, sự ảnh hởng của các yếu tố
đến kết quả đo có thể là ngẫu nhiên hoặc mang tính hệ thống. Tìm cách phát hiện và
hiệu chỉnh các yếu tố ảnh hởng sẽ cho kết quả thí nghiệm chính xác và tin cậy khi
sử dụng trong tính toán thiết kế.
1.4.1. ảnh hởng áp lực nớc lỗ rỗng đến qc và fs
Thực tế cho thấy dạng hình học của mũi xuyên đo áp lực nớc lỗ rỗng khi
tiến hành thí nghiệm xuyên phải chịu áp lực bao quanh do tác dụng áp lực nớc lỗ
rỗng gây ra trên diện tích hình vành khuyên ở phần tiếp giáp giữa mũi xuyên và áo
ma sát. Cịng nh− vËy lùc t¸c dơng cđa ¸p lùc n−íc lỗ rỗng ở phần diện tích cắt qua
ở phía trên và phía dới của áo ma sát, ảnh hởng này có tác dụng trực tiếp làm
giảm cờng độ kháng xuyên và tăng sức kháng áo ma sát (xem hình 1.6 ).
Hình 1.6: ảnh hởng của áp lực nớc lỗ rỗng lên các giá trị đo qc và fs
16
Đây là ảnh hởng đợc gọi là sự không tơng xứng về diện tích. Sức kháng
xuyên đầu mũi sau khi hiệu chỉnh bằng tổng sức kháng xuyên đầu mũi theo kết quả
thí nghiệm tại hiện trờng cộng với áp lực do áp lực nớc lỗ rỗng tác dụng vào phần
vành khuyên theo công thức 1.4 :
qt = qc + u2(1-a)
Trong đó :
( 1.4)
qt - sức kháng xuyên đầu mũi sau khi đà hiệu chỉnh ;
qc - sức kháng xuyên đầu mũi đo đợc khi thí nghiệm ;
u2 - áp lực nớc lỗ rỗng đo đợc khi thí nghiệm;
a - tỷ sè vỊ diƯn tÝch cđa mịi xuyªn, a= An/Ac;
An- DiƯn tích hình vành khuyên ở chỗ tiếp giáp giữa mũi xuyên và áo ma sát;
Ac - Diện tích mũi xuyên .
Để xác định tỷ diện tích a của mỗi mũi xuyên, có thể làm thí nghiệm đơn
giản: Mũi xuyên đợc treo ở trạng thái tự do đợc tác dụng một áp lực xung quanh
gây bởi nớc hoặc chất lỏng không bị nén, tiến hành đọc giá trị qc và fs theo các
khoảng giá trị áp lực khác nhau, vẽ đồ thị giữa áp lực mũi xuyên và áp lực tác dụng,
tỷ diện tích a đợc xác định phụ thuộc vào góc nghiêng của đờng thẳng giữa áp
lực tác dụng và giá trị qc thu đợc. Phần lớn các mũi xuyên cã tû diƯn tÝch a thay ®ỉi
tõ 0.55 ®Õn 0.9. Tuy nhiên, ở một vài thiết bị tỷ số này có thể xuống thấp đến 0.38.
Tỷ diện tích này có thể sẽ không đợc chấp nhận khi dùng trong nghiên cứu cho các
loại đất yếu bÃo hoà nớc, vì khi đó áp lực nớc lỗ rỗng lớn hơn nhiều cờng độ
kháng xuyên làm cho số hiệu chỉnh này quá lớn dẫn đến không phản ảnh đúng thực
tế kết quả thí nghiệm. Từ kết quả nghiên cứu trên mục tiêu của các nhà sản xuất là
chế tạo ra các mũi xuyên có tỷ diện tích a lý tởng nhất là đạt gần bằng 1.
Tơng tự nh vậy, sức kháng áo ma sát sau hiệu chỉnh đợc xác định theo
công thức 1.5:
ft = fs - (u2.Asb - u3.Ast)/As
(1.5)
Trong ®ã :
ft - søc kh¸ng ¸o ma s¸t sau khi hiƯu chØnh;
fs - søc kh¸ng ¸o ma s¸t khi thÝ nghiƯm;
17
u2- áp lực nớc lỗ rỗng tác dụng ở phần cuối của mũi xuyên;
u3 - áp lực nớc lỗ rỗng tác dụng ở phần trên của mũi xuyên;
Asb - diện tích mặt cắt vành khuyên phía dới áo ma sát;
Ast - diện tích mặt cắt vành khuyên phía trên áo ma sát;
As - diện tích bề mặt áo ma sát.
Để giảm bớt các ảnh hởng này đến sức kháng áo ma sát việc chế tạo mũi
xuyên có diện tích mặt cắt phía dới và phía trên sao cho đủ nhỏ và tơng xứng
bằng nhau (Asb= Ast) .
1.4.2. ảnh hởng của vị trí màng thấm.
Nhiều nghiên cứu đà chỉ ra rằng, áp lực nớc lỗ rỗng đo đợc phụ thuộc vào
vị trí của màng thấm. Tổng quan cho thấy, áp lực nớc lỗ rỗng sẽ đạt tới giá trị lớn
nhất ở vùng giữa mặt mũi côn mà ở đó ứng suất nén đạt giá trị lớn nhất .
Lunne và các đồng nghiệp (1986) đà nhận thấy, áp lực nớc lỗ rỗng đo đợc
ở mũi xuyên và ở phần giữa của mũi xuyên là tơng tự nhau. Trong một vài trờng
hợp áp lực nớc lỗ rỗng ở mũi côn nhỏ hơn áp lực đo đợc ở giữa mặt côn.
Số liệu thí nghiệm áp lực nớc lỗ rỗng trong đất sét cố kết thờng chỉ ra sự
thay đổi giá trị áp lực nớc lỗ rỗng khi màng thấm đặt trực tiếp ngay sau mũi côn có
quan hệ với loại đất và tính dẻo của đất. Tỷ số giữa áp lực nớc lỗ rỗng tại giữa mặt
côn và tại vị trí ngay sau mũi côn biến đổi từ 1.15 trong đất sét có tính dẻo thấp đến
1.5 trong đất sét có tính dẻo cao và từ 1.5 đến 1.8 trong đất sét chứa hữu cơ.
Giá trị áp lực nớc lỗ rỗng đo đợc phụ thuộc và thay đổi theo vị trí của
màng thấm kể từ vị trí ngay sát mũi côn, áp lực nớc lỗ rỗng d tại vị trí phía trên
cùng của áo ma sát tơng ứng bằng khoảng 70% áp lực nớc lỗ rỗng d tại vị trí tiếp
giáp giữa mũi xuyên và áo ma sát
Hiện tại vị trí của màng thấm vẫn cha đợc tiêu chuẩn hoá. Theo tài liệu tiêu
chuẩn hiệp hội cơ học đất và nền móng quốc tế (ISSMFE) vị trí của màng thấm nên
đợc đặt ngay sau mũi xuyên tại phần tiếp giáp giữa mũi côn và áo ma sát dựa vào
những lý do chính nh sau:
- Tại vị trí này đá thấm ít bị nghiêng nhất, do vậy tránh đợc các h hỏng và
sự hao mòn không cần thiết.
18
- Phép đo ít bị ảnh hởng nhất bởi tính nén ép
- Dễ dàng tháo lắp và thay thế khi cần thiết, thuận lợi cho công tác bÃo hoà.
- Giá trị áp lực nớc lỗ rỗng đo đợc có thể dùng hiệu chỉnh trực tiếp sức
kháng mũi xuyên
- Giá trị áp lực nớc lỗ rỗng đo trong quá trình thí nghiệm tiêu tán ít bị ảnh
hởng bởi thủ tục có khoá hoặc không khoá cần.
Robertson và Campanella (1988) qua nghiên cứu đà cho thấy sự thay đổi kích
thớc của đá thấm cũng ảnh hởng đến giá trị đo áp lực nớc lỗ rỗng mặc dù ảnh
hởng này là nhỏ, nhng đây là nhân tố cần phải đợc quan tâm nghiên cứu .
1.4.3. ảnh hởng của áp lực dọc trục đến áp lực nớc lỗ rỗng
Trong quá trình cải tiến và hiệu chỉnh một số máy xuyên đo áp lực nớc lỗ
rỗng, Bruzzi và Battaglio đà nhận ra rằng, áp lực nớc lỗ rỗng u có thể bị ảnh hởng
bởi áp lực dọc trục tác dụng lên mũi côn mà ngời ta gọi là hiện tợng ảnh hởng
qua lại. Các thí nghiệm trong phòng và ngoài trời đà đợc tiến hành với sự thay đổi
về vật liệu và vị trí màng thấm đà chỉ ra rằng áp lực nớc lỗ rỗng bị ảnh hởng do
tác dụng của áp lực dọc trục mà nguyên nhân chính do sự biến dạng của các thành
phần hợp thành trong đầu đo đặc biệt là cảm biến đo áp lực nớc lỗ rỗng và phiến đá
thấm. Để triệt tiêu sai số và ảnh hởng do áp lực dọc trục gây ra các mũi xuyên đÃ
đợc thay đổi thiết kế và sử dụng một cách hợp lý vật liệu thấm .
Hầu hết các mũi xuyên đo áp lực nớc lỗ rỗng hiện nay đều đợc thiết kế
tránh ¶nh h−ëng nµy. Tuy vËy, viƯc cam kÕt vµ chøng nhận sản phẩm của các nhà
sản xuất là rất cần thiết đặc biệt trong trờng hợp các sản phẩm đợc áp dụng các
quy trình thiết kế mới.
1.4.4. ảnh hởng của nhiệt độ
Đối với các thiết bị đo bằng các cảm biến điện tử, hoặc các đầu đo cảm ứng
điện, sự thay đổi nhiệt độ có thể sẽ ảnh hởng đến các giá trị đo. Lunne và các đồng
nghiệp đà tiến hành các thí nghiệm trong phòng và ngoài trời nghiên cứu trên một
số mũi xuyên cho thấy, sự thay đổi của nhiệt độ có ảnh hởng đáng kể đến các giá
trị đo đợc. Lý do chính chỉ ra sự ảnh hởng của nhiệt độ đến các giá trị đo chính là
sự thay đổi các giá trị đo của đầu đo cảm biến khi ở trạng thái không tải. Những mũi
