Nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm và thành phần hạt mịn đến mô đun đàn hồi của nền đắp đất sét pha cát ở đồng bằng sông cửu long ( luận án (theses))

MỞ ĐẦU
1.

ĐẶT VẤN ĐỀ

Đồng bằng sơng Cửu Long (ĐBSCL) phía bắc giáp biên giới Việt Nam – Campuchia,
Tây Ninh và TP. Hồ Chí Minh, phía nam và đơng là biển Đơng, phía tây là vịnh Thái Lan.
Diện tích tự nhiên 3.900.000 ha, gồm 12 tỉnh: An Giang, Đồng Tháp, Long An, Tiền
Giang, Bến Tre, Vĩnh Long, Kiên Giang, Thành phố Cần Thơ, Hậu Giang, Trà Vinh, Sóc
Trăng, Bạc Liêu và Cà Mau. ĐBSCL là vùng đất khá bằng phẳng, ngoại trừ các ngọn núi
ở tỉnh An Giang và Kiên Giang, đại bộ phận diện tích có cao độ dưới +5,00m (lấy theo hệ
Mũi Nai). Giới hạn địa lý vùng ĐBSCL như hình 0.1.

Hình 0.1. Giới hạn địa lý vùng đồng bằng sông Cửu Long
Chế độ thủy văn của ĐBSCL chịu ảnh hưởng rất lớn của dịng chảy sơng Mêkơng và chế
độ mưa của từng tiểu vùng. Sơng Mêkơng có tổng lượng nước hàng năm 450 tỷ m3, lưu
lượng bình quân khoảng 14.000m3/s. Dịng chảy của sơng Mêkơng có hai mùa rõ rệt, mùa
lũ và mùa kiệt. Hàng năm, thông thường vào cuối tháng 7 đầu tháng 8 nước lũ bắt đầu
gây ngập và đạt đỉnh lũ cao nhất vào cuối tháng 9 đầu tháng 10. Diện tích ngập lũ ở
1


ĐBSCL gần 1.400.000 hecta, tùy từng nơi thời gian ngập lũ từ 2 đến 5 tháng, độ sâu ngập
lũ khác nhau. Bản đồ các vùng ngập lũ ĐBSCL năm 2000 và dự báo tương lai năm 2090
như hình 0.2.

Hình 0.2. Bản đồ các vùng ngập lũ ĐBSCL năm 2000 và dự báo năm 2090 [VKHTLMN]
- Khu vực ngập lũ trên 3m: gồm 4 huyện Tân Hồng, Hồng Ngự, Tam Nông, Thanh Bình
tỉnh Đồng Tháp và 5 huyện An Phú, Tân Châu, Phú Tân, Châu Phú và Thị xã Châu Đốc
tỉnh An Giang. Vùng này là khu vực đầu nguồn nước, chịu ảnh hưởng chính của dịng
chảy từ Campuchia về gây ra ngập lũ.

- Khu vực ngập sâu 2-3m: gồm 3 huyện Chợ Mới, Châu Thành, Thoại Sơn tỉnh An Giang,
Tháp Mười tỉnh Đồng Tháp và 2 huyện Vỉnh Hưng, Mộc Hóa tỉnh Long An.
- Khu vực ngập từ 1-2m: phần lớn diện tích này nằm trong khu vực ngập thuộc 6 tỉnh
Long An, Tiền Giang, Đồng Tháp, An Giang, Cần Thơ và Kiên Giang .
- Khu vực ngập dưới 1m: Bao gồm phần cịn lại ở phía Nam vùng ngập lũ [1].

2


Các lớp đất trên mặt thường gặp là loại đất sét pha cát có nguồn gốc hữu cơ và khơng hữu
cơ ở trạng thái độ sệt khác nhau. Do khối lượng đất đắp nền đường khá lớn nên đất đắp
thường được tận dụng từ lớp đất mặt tại chỗ sau khi đào bỏ lớp mặt hữu cơ, có độ sâu từ
1-5m, thuộc lớp sét pha cát, thường bão hòa nước, trạng thái dẻo cứng đến chảy.
- Lớp mặt: có chiều dày khoảng từ 0,5m đến 1m gồm các loại đất sét hạt bụi đến hạt cát,
có màu xám nhạt đến vàng xám (không sử dụng để đắp nền đường).
- Lớp sét pha cát hữu cơ: có chiều dày thay đổi từ 3m đến 20m, chiều dày tăng dần về
phía biển, màu xám đen, xám nhạt hay vàng nhạt, hàm lượng sét chiếm từ 40% đến 70%.
Hàm lượng hữu cơ từ 2% đến 8%, thường bão hòa nước, trạng thái dẻo chảy đến chảy
(không sử dụng để đắp nền đường).
- Lớp đất sét pha cát khơng hữu cơ: có chiều dày thay đổi từ 3m đến 26m tùy theo vùng,
càng gần ven biển lớp sét nằm càng sâu cách mặt đất thiên nhiên, màu xám vàng hay
vàng nhạt, hoàn toàn bão hịa nước, trạng thái dẻo cứng đến chảy (có thể sử dụng để đắp
nền đường). Phân bố ở các tỉnh An Giang, Bạc Liêu, Đồng Tháp, Long An, Tiền Giang,
Hậu Giang,….
- Lớp sét pha cát lẫn ít sạn, mảnh vụn laterit và vỏ sị hay lớp cát: có chiều dày khoảng từ
3m đến 5m, nằm chuyển tiếp giữa lớp sét pha cát hữu cơ và sét pha cát không hữu cơ.
Chỉ tiêu cơ lý của lớp sét pha cát hữu cơ và khơng hữu cơ trình bày trên bảng 0.1 [2].
Bảng 0.1: Chỉ tiêu cơ lý của lớp sét pha cát hữu cơ và không hữu cơ
Chỉ tiêu vật lý
Tỉ số rỗng e

Dung trọng khô γd
Dung trọng tự nhiên γw
Độ ẩm tự nhiên w
Giới hạn lỏng WL
Giới hạn dẻo WP
Chỉ số dẻo IP
Lực dính c
Góc ma sát trong φ
Mơ đun biến dạng E1-2
Hệ số thấm K

Đơn vị
kN/m3
kN/m3
%
%
%
%
kN/m2
độ
kN/m2
cm/s

Sét pha cát hữu cơ
1,2 – 3,0
6,4 – 9,5
13,5 – 16,5
50 - 100
50 - 100
20 - 70

14 - 17
5 – 12
5-10
800
2,2.10-4

3

Sét pha cát không hữu cơ
0,7 – 1,5
10,5 – 15,5
16,5 – 19,5
25 - 55
40 - 65
20 - 30
11 – 15
10 – 28
8-17
2400
5,6.10-6


Do tình hình như trên, nên hầu hết các tuyến đường vùng ĐBSCL đều bị ngập lũ, trong
thời gian ngập lũ, độ ẩm nền đường gia tăng, mô đun đàn hồi (MĐĐH) giảm đáng kể,
hiện tượng biến dạng của nền đường gia tăng. Xác định được biến dạng của nền đường
thông qua MĐĐH theo sự thay đổi của độ ẩm và thành phần hạt mịn của đất sẽ giúp khai
thác đường hiệu quả hơn.
Công tác thiết kế đường cần thiết quan tâm đến các yếu tố ảnh hưởng đến MĐĐH của loại
đất dính được sử dụng làm nền đường. Chiều dày của các lớp mặt đường được xác định
dựa trên MĐĐH của nền đường. Xác định chính xác giá trị của MĐĐH của nền đường sẽ

giúp tính tốn chính xác độ biến dạng của mặt đường và ngăn ngừa sự xuất hiện của các
vết nứt trên mặt đường; đặc biệt là giai đoạn nền đường bị ngập lũ, độ ẩm nền đường gia
tăng, MĐĐH của nền đường giảm đáng kể.
2.

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Xác định mức độ ảnh hưởng của độ ẩm và thành phần hạt mịn đến MĐĐH của nền đường
đắp đất sét pha cát vùng ĐBSCL thông qua các chỉ tiêu vật lý của đất.
Đề xuất giá trị thích hợp của các hệ số hồi qui trong công thức Dong-Gyou Kim, M.S,
2004 [3] để ước tính giá trị MĐĐH của nền đường đắp đất sét pha cát vùng ĐBSCL.
Nghiên cứu tương quan về MĐĐH giữa thí nghiệm bàn nén tải trọng tĩnh với thí nghiệm
nén nhanh sử dụng buồng ba trục ở trong phòng.
3.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu lý thuyết trên cơ sở tổng quan các quan điểm nghiên cứu về các yếu tố ảnh
hưởng đến giá trị MĐĐH của đất đắp nền đường và các phương pháp thí nghiệm ở hiện
trường và trong phòng của các tác giả trong, ngoài nước.
Thu thập các mẫu đất trong nền các tuyến đường ngập lũ hàng năm vùng ĐBSCL. Tiến
hành thí nghiệm trong phòng xác định các chỉ tiêu về đặc trưng vật lý cơ bản của đất gồm:
độ ẩm, thành phần hạt, độ ẩm tối thuận, cường độ chịu nén nở hông, giới hạn dẻo, giới
hạn lỏng, thành phần hạt. Thực hiện thí nghiệm nén nhanh sử dụng buồng nén ba trục

4


theo sơ đồ mô phỏng tải trọng xe tác dụng trên các mẫu đất sét pha cát thu thập được chế
bị với nhiều độ ẩm khác nhau, áp dụng nhiều giá trị áp lực hông và ứng suất lệch khác

nhau.
Xây dựng mơ hình nền đường ngập lũ, đắp bằng đất sét pha cát. Thực hiện thí nghiệm bàn
nén tải trọng tĩnh vào mùa khô vả mùa mưa trên nền đường ngập nước trong thời gian 30
ngày.
Dựa vào các số liệu thí nghiệm trong phịng, sử dụng giải thuật Levenberg-Marquardt [4]
và lập chương trình để phân tích hồi qui, đề xuất giá trị các hệ số ước tính giá trị MĐĐH
của nền đường.
4.

TÍNH KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

Nghiên cứu này xác định được mức độ ảnh hưởng của độ ẩm và thành phần hạt mịn đến
giá trị MĐĐH sẽ hạn chế được biến dạng và ngăn ngừa sự sạt lở của nền đường đắp đất
sét pha cát vùng ĐBSCL.
Kết quả nghiên cứu đề xuất giá trị thích hợp của các hệ số hồi qui vào công thức DongGyou Kim, M.S, 2004 để áp dụng ước tính giá trị MĐĐH của nền đường đắp đất sét pha
cát vùng ĐBSCL theo độ ẩm và đặc trưng vật lý của đất; thay vì sử dụng cần Benkelman
tốn thời gian, đắt tiền và khó thực hiện đối với tuyến đường dài.
Có thể tham khảo kết quả nghiên cứu để tính tốn hạn chế biến dạng nền đường của các
tuyến đường trong thời gian ngập lũ hay thiết kế nền đường vùng ĐBSCL trong phạm vi
xe lưu thơng có tốc độ chậm dưới 40 km/giờ, nơi giao lộ, bãi đổ xe, đáp ứng yêu cầu thực
tiễn.
5.

CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN

Nội dung chính của luận án được trình bày gồm các phần: Mở đầu, 4 chương, Kết luận –
Kiến nghị. Tổng cộng 103 trang, trong đó có 05 ảnh, 10 hình vẽ, 34 biểu đồ, 02 bản đồ, và
23 bảng số. Chương 1 Tổng quan các nghiên cứu về MĐĐH của nền đường. Chương 2
Bản chất vật lý liên quan đến MĐĐH của nền đường đắp đất dính theo độ ẩm và thành

5


phần hạt mịn. Chương 3 Giới thiệu các thí nghiệm trong phòng và hiện trường xác định
ảnh hưởng của độ ẩm và thành phần hạt mịn đến MĐĐH của nền đường đắp đất sét pha
cát ở ĐBSCL. Mục đích xác định các đặc trưng vật lý cơ bản và giá trị MĐĐH thay đổi
theo độ ẩm và thành phần hạt mịn của nền đường đắp đất sét pha cát ở ĐBSCL. Trình bày
phương pháp, tiêu chuẩn thí nghiệm và kết quả thí nghiệm. Chương 4 Đề xuất giá trị hệ
số hồi qui xét đến mức độ ảnh hưởng của độ ẩm và thành phần hạt mịn đến MĐĐH theo
giải thuật Levenberg – Maquardt. Đề xuất tương quan giữa thí nghiệm hiện trường và
trong phòng về xác định giá trị MĐĐH nền đường đắp đất sét pha cát ở ĐBSCL.
Phần phụ lục bao gồm 73 trang, trong đó có 09 biểu đồ, 76 bảng số kết quả thí nghiệm,
27 trang về chương trình phân tích hệ số hồi qui.
6.

CÁC ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN

Luận án có những điểm mới như sau:
1. Kết quả nghiên cứu đã xác định được mức độ ảnh hưởng của độ ẩm và thành phần hạt
mịn hơn 0,075mm đến MĐĐH của nền đường đắp đất sét pha cát vùng ĐBSCL.
2. Đề xuất được giá trị thích hợp của các hệ số phân tích hồi qui trong cơng thức ước tính
giá trị MĐĐH.
3. Kiến nghị tương quan về MĐĐH giữa kết quả thí nghiệm bàn nén tải trọng tĩnh ở hiện
trường và nén nhanh sử dụng buồng ba trục ở trong phòng.
7.

GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Phạm vi nghiên cứu của luận án tập trung xác định mức độ ảnh hưởng của độ ẩm, thành
phần hạt mịn liên quan với độ ẩm tối thuận, độ bão hòa, cường độ chịu nén nở hông, chỉ

số dẻo, giới hạn lỏng, đến giá trị MĐĐH của nền đường đắp đất sét pha cát của các tuyến
đường ngập lũ hàng năm của ba tỉnh Đồng Tháp, Long An và Tiền Giang thuộc vùng
ĐBSCL (không áp dụng cho nền đắp cát kết hợp đất sỏi đỏ cũng như các loại vật liệu địa
phương). Đề xuất giá trị của các hệ số hồi qui áp dụng ước tính giá trị MĐĐH của nền
đường đắp đất sét pha cát vùng ĐBSCL trong điều kiện tốc độ xe chạy chậm dưới

6


40km/giờ và tương quan giá trị MĐĐH giữa kết quả thí nghiệm trên mơ hình nền đường
ngập lũ với các hệ số hồi qui nghiên cứu đề xuất chỉ thích hợp trong điều kiện tải trọng
tĩnh.
Nghiên cứu này chưa xem xét ảnh hưởng của độ pH của nước ngập lũ cũng như hàm
lượng muối khi mực nước biển dâng cao đến MĐĐH của nền đường.

7


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ MÔ ĐUN ĐÀN
HỒI CỦA NỀN ĐƯỜNG
1.1

MÔ ĐUN ĐÀN HỒI VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

1.1.1 Cách xác định MĐĐH
MĐĐH được xác định trên cơ sở biến dạng đàn hồi. Đối với cơng trình đường, MĐĐH
được sử dụng để tính tốn lún nền và mặt đường. Do tải trọng cơng trình đường có tính
chất tức thời, thời gian gia tải và dỡ tải rất nhanh, lặp đi lặp lại nhiều lần, sau một số lần
tải trọng tác dụng, biến dạng dư tích lũy giảm dần và triệt tiêu, độ lún của cơng trình

đường phụ thuộc chủ yếu vào biến dạng đàn hồi của nền đường và kết cấu mặt đường .
MĐĐH được định nghĩa là tỉ số giữa ứng suất lệch và biến dạng trục đàn hồi theo công
thức (1.1) [5]:

𝑀𝑟 =

𝜎1 −𝜎3

=

𝜀𝑟

𝜎𝑑

(1.1)

𝜀𝑟

Ứng suất tác dụng lên mẫu được trình bày như trên hình 1.1

↓σ

d

Ứng suất lệch = σd

Áp lực hơng

Hình 1.1 Ứng suất tác dụng lên mẫu
Biến dạng dẻo tích luỹ, cuối cùng triệt tiêu chỉ còn biến dạng đàn hồi dưới tác dụng của

tải trọng lặp được trình bày như trên hình 1.2 .

8


Biến dạng dẻo

Biến dạng dư tích lũy

Biến dạng đàn hồi

Tổng biến dạng

Biến dạng dẻo

Hình 1.2 Biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi dưới tác dụng của tải trọng lặp
Kim và Drabkin năm 1994 đã giới thiệu cách xác định MĐĐH Mr sau khi đất đã tích lũy
đủ biến dạng dư, cuối cùng triệt tiêu chỉ còn biến dạng đàn hồi như hình 1.3 .

Hình 1.3 Xác định MĐĐH Mr [6]
Quá trình đặt tải, đất gia tăng biến dạng theo quan hệ với ứng suất lệch như đường cong
OAB .
Quá trình dỡ tải, đất giảm biến dạng theo quan hệ với ứng suất lệch như đường cong
BDO.

9


1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến MĐĐH
MĐĐH của nền đường là một trong những thông số quan trọng nhất để thiết kế mới hay

thiết kế khôi phục mặt đường mềm. Chiều dày của các lớp mặt đường được xác định dựa
trên MĐĐH của nền đường. Xác định chính xác giá trị của MĐĐH của nền đường sẽ giúp
tính tốn chính xác độ biến dạng của mặt đường và ngăn ngừa sự xuất hiện các vết nứt
trên mặt đường; Chính vì sự cần thiết và quan trọng nêu trên nên hơn bốn thập niên gần
đây, đặc tính biến dạng của nền đường đất đắp được xem xét bằng cách thực hiện các thí
nghiệm xác định MĐĐH. Kết quả của những nghiên cứu từ hơn 40 năm qua đã chỉ ra
rằng MĐĐH của đất dính phụ thuộc vào loại đất, độ ẩm, độ bão hòa, thành phần hạt lọt
sàng No.200, ứng suất lệch, lực hút dính, chỉ số dẻo, áp lực nước lỗ rỗng, áp lực hông và
cường độ chịu nén nở hông.
- Độ ẩm: Chu et al. (1977) nghiên cứu độ ẩm như một yếu tố đánh giá nền đường [7]. Kết
quả nghiên cứu đã thiết lập tương quan giữa lực hút dính của đất với độ ẩm của nền
đường. Đại học Xây Dựng Hà Nội (1995) nghiên cứu độ ẩm tương đối ảnh hưởng nền
đường [8], đề xuất quan hệ giữa trị số MĐĐH thí nghiệm của đất với độ ẩm tương đối.
- Độ bão hòa: Thadkamalla và George (1995) nghiên cứu ảnh hưởng của độ bão hòa đến
MĐĐH của nền đường [9], kết quả cho thấy đối với nền đường sử dụng đất hạt mịn, sự
gia tăng độ bão hoà làm giảm từ 50% đến 75% giá trị MĐĐH. Eric C.Drumm et al (1997)
nghiên cứu và đề xuất phương pháp hiệu chỉnh giá trị MĐĐH của nền đường theo sự gia
tăng độ bão hòa [10].
- Độ ẩm và độ chặt: Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để nghiên cứu ảnh hưởng của độ
chặt và độ ẩm đến ứng xử đàn hồi của nền đường Florida (Elfino và Davidson, 1989)
[11], nền đường Arkansas (Elliot và Thornton, 1988) [12], nền đường Texas (Pezo và
Hudson 1994) [13], nền đường Tennessee (Drumm et al. 1997) [14]. Kết quả nghiên cứu
cho thấy, ước tính giá trị MĐĐH của nền đường theo hướng dẫn của AASHTO có sai số
so với thí nghiệm chưa xét đến điều kiện độ ẩm, chu kỳ đóng băng và tan băng, xe cộ
tương lai.

10


Một số tác giả đã nghiên cứu quan hệ giữa MĐĐH với các đặc trưng khác của đất.

- Các yếu tố ảnh hưởng: Burczyk et al. (1994) nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến việc
xác định giá trị MĐĐH của nền đường [15], kết quả cho thấy có nhiều nhân tố ảnh hưởng
quan trọng đến giá trị MĐĐH. Thompson và Robnett (1979) đã thực hiện một nghiên cứu
mở rộng về đặc trưng đàn hồi của đất Illinois [16], kết quả nghiên cứu đã chứng minh
hiệu quả của kỹ thuật phân tích phần tử hữu hạn để xác định chỉ số CBR. Rada và
Witczak (1981) đã giới thiệu sự đánh giá những thay đổi ảnh hưởng ứng xử của MĐĐH
của vật liệu hạt [17]. Kết quả nghiên cứu đã đề xuất quan hệ giữa hệ số k1 và k2 của các
loại vật liệu hạt.
- Dung trọng khô và độ ẩm: Li và Selig (1994) nghiên cứu MĐĐH của nền đường sử
dụng đất hạt mịn [18]. Đề xuất phương pháp đơn giản ước tính giá trị MĐĐH của nền
đường sử dụng đất dính phù hợp với kết quả thí nghiệm.
- Ứng suất lệch: Fredlund et al. (1977) nghiên cứu tương quan giữa MĐĐH và ứng suất
trong nền đường sử dụng đất dính [19]. Đề xuất phương trình liên quan giữa MĐĐH với
ứng suất lệch.
- Lực hút dính: Vanapalli, S.K và Mohamed, F.M.O [20], 2007 đã chứng minh trong điều
kiện không bão hòa MĐĐH của đất bị ảnh hưởng đáng kể bởi sự hút dính của các hạt đất.
Tiên đốn khả năng chịu tải của đất khơng bão hồ bằng các thơng số sức chống cắt và
đường cong SWRC.
Oh et al. [21], 2009 đã đề nghị công thức xác định MĐĐH trong điều kiện đất khơng bão
hịa như sau:

𝐸𝑢𝑛𝑠𝑎𝑡 = 𝐸𝑠𝑎𝑡 [1 + 𝛼

(𝑢𝛼 −𝑢𝑤 )
(

𝑃𝛼
)
101,3

(𝑆𝛽 )]

(1.2)

Ảnh hưởng của độ bão hoà đến MĐĐH tuỳ thuộc loại đất, thông qua hệ số β. Đối với đất
dính β = 2.

11


Hệ số α xét đến ảnh hưởng của lực hút dính đến MĐĐH, α được xác định từ kết quả đo
đạc thực nghiệm. Costa et al., 2003 chọn giá trị α = 1/10 đến 1/3,2 để thực nghiệm, kết

Mô đun đàn hồi (kPa)

quả thu được tương đối phù hợp với cơng thức (1.2) như hình 1.4.

Thí nghiệm bàn nén hiện trường
D = 800 mm

Thí nghiệm
Ước tính (α =1/3,2, β = 2)
Ước tính (α =1/10, β = 2)

Lực hút (ua –uw) (kPa)
Hình 1.4 So sánh ảnh hưởng của lực hút dính thực nghiệm với công thức (1.2) [22]
Năm 2007, Rojas et al chọn giá trị α từ 1/20 đến 1/6,5 để thực nghiệm, kết quả thu được

Mô đun đàn hồi (kPa)

tương đối phù hợp với cơng thức (1.2) như hình 1.5.
Thí nghiệm bàn nén hiện trường
D = 310 mm

Thí nghiệm
Ước tính (α =1/6,5, β = 2)
Ước tính (α =1/20, β = 2)

Lực hút (ua –uw)(kPa)
Hình 1.5 So sánh ảnh hưởng của lực hút dính thực nghiệm với cơng thức (1.2)[23]
Dựa trên kết quả phân tích, phát triển quan hệ giữa 1/ α với chỉ số dẻo Ip theo công thức:

12


(1/α) = 0,5 + 0,312(IP ) + 0,109(IP )2

(1.3)

1/ α tăng phi tuyến theo chỉ số dẻo Ip như trên hình 1.6 so sánh kết quả thực nghiệm với

Mơ
Mơđun
(kPa)
đunđàn
đànhồi
hồi(kPa)

cơng thức (1.3) rất phù hợp với giá trị 1/ α bằng 10.

Đế móng 50 x 50 mm

• Thí nghiệm
∆ Ước tính

Lực hút (kPa)

Hình 1.6 So sánh ảnh hưởng của lực hút dính thực nghiệm với cơng thức (1.3)[20]
Quan hệ giới hạn trên và giới hạn dưới tùy thuộc vào giá trị lực hút dính cho các loại đất
có giá trị chỉ số dẻo Ip khác nhau được thể hiện trên hình 1.7:

Biên trên

Biên dưới
Đất hạt thơ

Sét tảng
Sét
Sét pha

Chỉ số dẻo, Ip

Hình 1.7 Quan hệ giữa 1/ α và chỉ số dẻo Ip

13


Giá trị MĐĐH tùy thuộc vào độ bão hòa và chỉ số dẻo của đất. Độ chênh lệch giá trị
MĐĐH trong điều kiện khơng bão hịa với điều kiện bão hòa của đất sét lớn hơn đất cát.
Do đất sét có tỉ lệ phần trăm hạt mịn lớn hơn đất cát, tỷ diện tích các hạt lớn hơn đất cát, ở

trạng thái khô lực hút ion giữa các hạt mịn lớn, MĐĐH của đất sét lớn hơn đất cát. Khi độ
ẩm tăng lên cho tới lúc bão hòa, các hạt mịn của đất sét hút nước nhiều hơn đất cát,
MĐĐH của đất sét nhỏ hơn của đất cát.
- So sánh thí nghiệm trong phịng và hiện trường: Ping và Ge (1996) thực hiện kiểm tra
giá trị MĐĐH của nền đường trong phịng thí nghiệm với đo đạc hiện trường [24]. Đề
xuất trình tự đơn giản so sánh MĐĐH trong phịng thí nghiệm với bàn nén tải trọng tĩnh
hiện trường. Nguyễn Văn Thơ (1967) đã thiết lập tương quan về mô đun biến dạng của
đất giữa thí nghiệm bàn nén tải trọng tĩnh hiện trường với thí nghiệm nén khơng nở hơng
ở trong phịng.
- Ảnh hưởng của tải trọng trùng phục: Raad và Zeid (1990) nghiên cứu ảnh hưởng của tải
trọng trùng phục đến nền đường [25], [26]. Kết quả cho thấy biến dạng của nền đường bị
ảnh hưởng đáng kể bởi độ ẩm đầm chặt. Từ đó, thiết lập cơng thức ước tính ứng suất cho
phép tương ứng với biến dạng giới hạn.
- Áp dụng chỉ số CBR: nghiên cứu của Thomson và Robnett (1976) chỉ ra rằng áp dụng
chỉ số CBR trong thiết kế nền đường sử dụng đất hạt mịn là chưa thỏa đáng [27].
- Thí nghiệm xuyên ở hiện trường: Mohammad et al, 1998 [28] đã nghiên cứu cho thấy
MĐĐH của nền đường bị ảnh hưởng bởi điều kiện hiện trường, vị trí đất và loại đất.
Mohammad et al, 1999 [29], thiết lập cơng thức ước tính giá trị MĐĐH từ thí nghiệm
CPT và đặc trưng cơ lý của đất. Rahim và George (1981) thực hiện thí nghiệm xuyên trên
đất dính (CPT) để xác định MĐĐH [30]. Thiết lập tương quan giữa chỉ số DCP với
MĐĐH trong phịng và cải tiến cơng thức hồi qui.
- Thí nghiệm trong phòng: Kim, Kweon và Rhee (2001) đề xuất phương pháp xác định
MĐĐH của nền đường bằng thí nghiệm nén ba trục tĩnh [31].

14


Một số nghiên cứu cho rằng áp lực hông ảnh hưởng đáng kể đến MĐĐH nhưng một số
nghiên cứu khác cho rằng độ ẩm lại ảnh hưởng đáng kể đến MĐĐH. Quan hệ giữa
MĐĐH và đặc trưng cơ lý của đất cũng như trạng thái ứng suất của đất dính trở thành nền

tảng cho việc phát triển công thức để đánh giá MĐĐH của đất dính. Các thí nghiệm hiện
trường thì phức tạp, đắt tiền, tốn thời gian so với thí nghiệm trong phịng. Vì vậy, xác
định chính xác MĐĐH của nền đường đắp ở hiện trường bằng các thí nghiệm trong phòng
là hết sức hiệu quả.
1.2
MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ƯỚC LƯỢNG MĐĐH CỦA NỀN
ĐƯỜNG
MĐĐH của nền đường theo hướng dẫn của tiêu chuẩn AASHTO T294-94 [32] được xác
định theo công thức tổng quát như sau:

Mr = k1(θ)k2

(1.4)

Trong đó:
θ = 1+2+3;
k1, k2 : hệ số hồi qui, từ thí nghiệm xác định MĐĐH tương ứng ứng suất lệch và áp lực
hơng bằng phương pháp bình phương cực tiểu.
Một số tác giả có quan điểm MĐĐH theo trạng thái ứng suất như sau:
Hicks và Monismith (1971) [33]:
𝑀𝑟
𝜎𝑎𝑡𝑚

= 𝑘1 (

𝜃

𝜎𝑎𝑡𝑚

)

(1.5)

𝑘2

Uzan (Universal) (1985) [34]:
𝑀𝑟
𝜎𝑎𝑡𝑚

= 𝑘1 (

𝜃
𝜎𝑎𝑡𝑚

𝑘2

)

𝜎𝑑

(𝜎

𝑎𝑡𝑚

𝑘3

)

(1.6)

Johnson (1986) [35]:

𝐽2 𝑘2
𝑀𝑟 = 𝑘1 (
)
𝜏𝑜𝑐𝑡

15

(1.7)


Rafael Pezo (1993)[36]:

Mr = k1 d k2 3 k3

(1.8)

Louay(1999) [37]:
𝑀𝑟
𝜎𝑎𝑡𝑚

= 𝑘1 (

𝜎𝑜𝑐𝑡 𝑘2
𝜎𝑎𝑡𝑚

)

𝜏

𝑘3

(𝜎 𝑜𝑐𝑡 )
𝑎𝑡𝑚

(1.9)

Một số tác giả khác đề xuất các công thức xác định MĐĐH của nền đường có quan hệ
tuyến tính và phi tuyến với ứng suất lệch d. Trong đó, sáu cơng thức cụ thể được sử dụng
phổ biến ở Mỹ gồm:
1.2.1 Công thức USDA (Carmichael và Stuart, 1986) [38]
MĐĐH được tính tốn như sau:
Mr = 37,431 – 0,4566(PI) – 0,6179(%W) – 0,1424(S200) + 0,1791(CS) –
0,3248(DS) + 36,422(CH) + 17,097(MH)

(1.10)

S200 = phần trăm lọt sàng No. 200 (%);
CS

= áp lực hông = 3 (psi) ;

DS

= ứng suất lệch = 1-3 (psi) ;

CH

= 1 đối với đất sét có tính dẻo cao;

= 0 (đối với đất bụi, hoặc sét có tính dẻo thấp) ;

MH

= 1 đối với đất hàm lượng bụi cao;
= 0 (đối với đất sét, hoặc đất hàm lượng bụi thấp) ;

Trong công thức này, loại đất là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến MĐĐH và ảnh
hưởng của áp lực hông đến MĐĐH cũng được quan tâm. Tuy cơng thức có xét ảnh hưởng
của áp lực hông đến MĐĐH nhưng quan hệ giữa MĐĐH và ứng suất lệch là tuyến tính,
thực tế MĐĐH của đất dính có khuynh hướng phi tuyến với ứng suất lệch khi giữ nguyên
áp lực hông. MĐĐH giảm khi chỉ số dẻo tăng, thực tế MĐĐH của đất dính tăng khi chỉ

16


số dẻo tăng. MĐĐH của đất dính có tính dẻo cao (CH hoặc MH) được xác định lớn hơn
đối với đất có tính dẻo thấp, khơng phù hợp thực tế nên bị giới hạn ứng dụng.
1.2.2 Công thức Hyperbolic (Drumm et al, 1990) [39]
MĐĐH được tính tốn như sau:
Mr = (a’+b’.d )/d , đối với d > 0

(1.11)

a’ = 318,2 + 0,337(qu) + 0,73(% clay) + 2,26(PI) – 0,915(γd) – 2,19(Sr) –
0,304(% mịn hơn #200)
b’ = 2,1 + 0,00039(1/a) + 0,104(qu) + 0,09(LL) – 0,1(% mịn hơn #200)
qu = cường độ chịu nén có nở hơng (psi) ;
% clay = phần trăm hạt đất mịn hơn 0,002mm (%);
γd = trọng lượng riêng khô (pcf = pound /cubic feet) ;

% mịn hơn #200 = phần trăm hạt đất mịn hơn 0,075mm (%);
a = thông số vật liệu đại diện cho ứng xử ứng suất-biến dạng hyperbolic,
Thông số vật liệu a xác định từ thí nghiệm nén nở hơng như hình 1.8

Tỉ số ε/σ

Tỉ số biến dạng tương đối/ ứng suất

0

Biến dạng tương đối

Hình 1.8 Xác định thơng số vật liệu a theo thí nghiệm nén nở hơng [39]
17


Trong công thức này, ảnh hưởng của áp lực hông đến MĐĐH không được quan tâm.
MĐĐH giảm khi dung trọng khô tăng, thực tế MĐĐH tăng khi dung trọng khô của đất
tăng. Quan hệ giữa MĐĐH và ứng suất lệch là phi tuyến nhưng khuynh hướng phi tuyến
này có khác biệt đáng kể so với kết quả thí nghiệm của Kim.MS trên mẫu đất ATH-50222, 228, 413 loại A-6, có đặc trưng vật lý theo bảng 1.4, như hình 1.15.
1.2.3 Cơng thức GDOT (Santha, 1994) [40]
MĐĐH được tính tốn như sau:
Log(Mr ) = Log(k1. Pa) + k3.Log (d / Pa )

(1.12)

Log (k1) = 19,813 – 0,045 MOIST – 0,131 MC – 9,171 COMP +0,037 SLT + 0,015 LL –
0,016 PI – 0,021 SW – 0,052 DEN+ 0,00001(S40 SATU)
k3 = 10,274 – 0,097 MOIST – 1,06 MCR – 3,471 COMP + 0,0088 S40 -0,0087 PI + 0,014
SH – 0,046 DEN

MOIST

= độ ẩm tối thuận (%);

MC

= độ ẩm (%);

COMP

= d /d max;

SLT

= phần trăm hạt bụi (%);

CLY

= phần trăm sét (%);

SW

= phần trăm dãn nở (%);

DEN

= trọng lượng riêng khô tối đa (pcf) ;

MCR

= tỉ số của độ ẩm MC và độ ẩm tối thuận MOIST;

S40

= phần trăm hạt lọt sàng #40(%);

SATU

= phần trăm bão hòa (%);

18


= phần trăm co ngót (%);

SH

Quan hệ ứng suất-biến dạng là phi tuyến với nhiều số hạng, quan hệ giữa MĐĐH với đặc
trưng cơ lý của đất được quan tâm. Tuy nhiên, cơng thức có nhiều vấn đề khi đánh giá
MĐĐH của nền đường. Chỉ có ứng suất lệch được chú ý. Ảnh hưởng của áp lực hông
không được quan tâm, thực tế MĐĐH tăng khi áp lực hông tăng. Thực tế, MĐĐH tăng
khi độ chặt và chỉ số dẻo tăng nên hệ số đối với độ chặt và chỉ số dẻo phải dương nhưng ở
công thức trên lại âm.
1.2.4 Cơng thức TDOT ( Pezo và Hudson, 1994)
MĐĐH được tính tốn như sau:

Mr = F0 × F1 × F2 × F3 × F4 × F5 × F6
Trong đó:
F0

= 9,80 nếu Mr tính bằng psi;
= 67,60 nếu Mr tính bằng MPa;

F1

= hệ số điều chỉnh giá trị Mr tùy theo độ ẩm;

F2

= hệ số điều chỉnh giá trị Mr tùy theo độ chặt;

F3

= hệ số điều chỉnh giá trị Mr tùy theo chỉ số dẻo;

F4

= hệ số điều chỉnh giá trị Mr tùy theo tuổi mẫu;

F5

= hệ số điều chỉnh giá trị Mr tùy theo áp lực hông;

F6

= hệ số điều chỉnh giá trị Mr tùy theo ứng suất lệch;

Các hệ số điều chỉnh được xác định theo bảng 1.1

19

(1.13)


Bảng 1.1 Xác định các hàm hệ số trong công thức (1.13)
Độ ẩm, (%)
10
15
20
25
PI
10
20
30
≥ 40
c, kPa (psi)
13,8 (2)
27,6 (4)
41,4 (6)

(γd/ γd max).100, (%)
100
95
90
85
Ngày tuổi
2
10
20
≥ 30

d, kPa (psi)
13,8 (2)
27,6 (4)
41,4 (6)
55,2 (8)
69,0 (10)

F1
4,00
2,00
1,00
0,50
F3
1,00
1,50
2,00
2,50
F5
1,00
1,05
1,10

F2
1,00
0,90
0,80
0,70
F4
1,00
1,10

1,15
1,20
F6
1,00
0,98
0,96
0,94
0,92

Cơng thức có xét ảnh hưởng của áp lực hông, ứng suất lệch, độ ẩm, độ chặt và ngày tuổi
của mẫu đến MĐĐH của đất dính theo bảng 1.1. Trong đó, F1 giảm phi tuyến với sự gia
tăng độ ẩm nhưng cơng thức này có quan hệ tuyến tính và chỉ áp dụng được với phạm vi
thông số đầu vào như bảng 1.1.
1.2.5 Công thức UCS (Lee et al, 1995) [41]
MĐĐH được tính tốn như sau:
Mr = a × Su 1.0%
Trong đó: a = hệ số xác định theo biểu đồ ở hình 1.9;
Su 1.0% = ứng suất dọc trục tại 1% biến dạng trục trong thí nghiệm nén nở hông.

20

(1.14)


(kPa)
Hình 1.9 Biểu đồ xác định hệ số a theo thí nghiệm nén ba trục [41]
Cơng thức này đơn giản nhất, quan tâm đến sự ảnh hưởng của áp lực hông và ứng suất
lệch đến giá trị MĐĐH thông qua hệ số a nhưng MĐĐH xác định từ công thức này phụ
thuộc nhiều vào ứng suất trục gây ra 1% biến dạng trục trong thí nghiệm nén nở hơng;
thực tế MĐĐH còn liên quan với nhiều đặc trưng cơ bản khác của đất.

1.2.6 Công thức ODOT (Bộ Giao thông Ohio, 1999) [42]
MĐĐH được tính tốn như sau:
Mr = 1200 CBR

(1.15)

CBR được xác định từ thí nghiệm trong phịng hoặc từ biểu đồ quan hệ giữa CBR và chỉ
số nhóm GI, tương ứng với trị số của GI ta tìm được trị số CBR như hình 1.10. Chỉ số
nhóm GI được tính tốn dựa vào tỉ lệ phần trăm cỡ hạt lọt sàng No200, giới hạn lỏng và
chỉ số dẻo của đất theo công thức (1.16).
GI = % P - 35 [0,2 + 0,005 (LL - 40)] + 0,01[%P - 15][PI - 10]

21

(1.16)


Chỉ số CBR

Chỉ số nhóm G.I

Hình 1.10 Biểu đồ quan hệ giữa CBR vả chỉ số nhóm GI [42]
% P = tỉ lệ phần trăm cỡ hạt lọt sàng No.200;
Công thức này không xét đến ảnh hưởng của áp lực hơng và ứng suất lệch như được thể
hiện trên hình 1.10. Chính vì khơng xét đến ảnh hưởng của áp lực hông và ứng suất lệch
nên không thể xác định chính xác MĐĐH của đất dính đối với một chuỗi trạng thái ứng
suất của đất.
Thông số đầu vào và ưu khuyết điểm của sáu công thức sử dụng phổ biến ở Mỹ có thể
trình bày tóm tắt như bảng 1.2
Bảng 1.2 Tóm tắt thơng số đầu vào, ưu khuyết điểm của 6 công thức phổ biến ở Mỹ [3]

Công thức
USDA (Carmichael&
Stuart, 1986)

Thông số đầu vào
Loại đất USCS, PI, w, % hạt
lọt sàng No.200, 3, d

Ưu điểm
Xét đến:
3
- PI và w

Hyperbolic (Drumm, et at,
1990)

qu, % hạt sét, PI, Sr, % hạt
lọt sàng No.200, hệ số a,
LL,d

- Phi tuyến
- Xét đến:
- qu , PI và Sr

Không xét đến 3

GDOT (Santha, 1994)

w, wopt, d, dmax, % hạt bụi,
% hạt sét, % co dãn, % hạt

lọt sàng No.200,% trương
nở, LL,PI,d , Pa

Phi tuyến
- Xét đến:
- w và wopt
- PI và Sr
- Pa

- Không xét đến 3
- cơng thức phức tạp
- u cầu nhiều thí nghiệm

TDOT (Pezo& Hudson,
1994)

w, d, dmax, PI, tuổi mẫu, 3,
d

Xét đến:
- 3, PI và w
- Tuổi mẫu

- Tuyến tính
- Phạm vi thông số đầu vào
hẹp

UCS (Lee, et al, 1995)

Su tại 1% biến dạng trục,

3, d

Phi tuyến, công thức
đơn giản

3 = 0, 20.7,41.4 kPa
13kPa < d < 60kPa

ODT (ODT, 1999)

GI (% hạt lọt sàng No.200,
LL, PI), CBR

Cơng thức đơn giản

- Tuyến tính
- Khơng xét đến 3, d

22

Khuyết điểm
-Tuyến tính
- Loại đất


1.3

NHẬN XÉT

- Kết quả nghiên cứu đã thiết lập các tương quan giữa: lực hút dính của đất với độ ẩm của

nền đường, chỉ số DCP với MĐĐH trong phòng và cải tiến công thức hồi qui. Thiết lập
công thức ước tính MĐĐH với: độ ẩm đầm chặt, ứng suất lệch, độ ẩm tương đối, thí
nghiệm CPT và đặc trưng vật lý của đất. Đề xuất phương pháp ước tính MĐĐH: bằng thí
nghiệm nén ba trục tĩnh, hiệu chỉnh giá trị MĐĐH theo sự gia tăng độ bão hòa, so sánh thí
nghiệm trong phịng với bàn nén tải trọng tĩnh hiện trường.
- MĐĐH của nền đường đắp đất dính chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố. Cùng loại đất
nhưng phân bố ở vùng miền khác nhau, nghiên cứu về MĐĐH cho kết quả khác nhau.
Các đặc trưng vật lý của đất như độ ẩm, thành phần hạt mịn, chỉ số dẻo là những nhân tố
quan trọng ảnh hưởng đến MĐĐH của nền đường đắp đất dính được các nhà nghiên cứu
quan tâm nhiều.
- Hiện nay, ở vùng ĐBSCL ảnh hưởng của thành phần hạt mịn đến MĐĐH thông qua các
hệ số hồi qui chưa được nghiên cứu.

23


CHƯƠNG 2
BẢN CHẤT VẬT LÝ LIÊN QUAN ĐẾN MÔ ĐUN ĐÀN
HỒI CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẮP BẰNG ĐẤT SÉT PHA CÁT THEO ĐỘ ẨM
VÀ THÀNH PHẦN HẠT MỊN
2.1

ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ ẨM ĐẾN MĐĐH

2.1.1

Định nghĩa đất hạt mịn

Đất hạt mịn gồm chủ yếu là hạt mịn lọt qua sàng No.200 như sét, sét pha cát và bụi. Lực
dính trong đất sét pha cát xuất phát từ lực hút bề mặt của các hạt sét, hàm lượng hạt sét

càng nhiều, tỷ diện tích các hạt đất càng lớn dẫn đến lực hút bề mặt của các hạt đất càng
lớn và tính dẻo của đất càng tăng, điều này ảnh hưởng đến giá trị MĐĐH.
2.1.2

Ảnh hưởng của độ ẩm

Độ ẩm là thông số ảnh hưởng chủ yếu đến giá trị MĐĐH của đất sét pha cát bởi vì khi độ
ẩm thấp, nước liên kết các hạt đất lại và làm tăng ứng suất có hiệu giữa các hạt đất thơng
qua sự hút và sức căng mặt ngồi của nước. Vì vậy trong trường hợp này, độ ẩm thấp dẫn
tới giá trị MĐĐH cao. Ngoài ra, ở độ ẩm thấp đất sét pha cát sinh ra sự hút trong nước đủ
mạnh để tái tạo hiệu ứng keo đáng kể giữa các hạt đất. Ảnh hưởng này là tạm thời khi có
sự gia tăng độ ẩm sẽ phá hoại hiện tượng này. Trạng thái của đất sét pha cát phụ thuộc rất
lớn vào độ chứa nước, cụ thể là các lớp nước liên kết vật lý của vỏ nước bao quanh các
hạt đất dạng bảng như hình 2.1.

Hình 2.1 Nước hút bám xung quanh hạt đất

24


Khi đất hồn tồn khơ, độ ẩm gần bằng khơng, trạng thái tương ứng là rất cứng hoặc rắn,
biến dạng ít và MĐĐH của đất sét pha cát có giá trị lớn do lực hút giữa các ion trái dấu.
Độ ẩm tăng dần ứng với lớp nước hút bám mạnh, làm tăng ứng suất có hiệu giữa các hạt
đất thơng qua sự hút và sức căng mặt ngoài của nước nhưng thể tích mẫu đất chưa thay
đổi, cho tới lúc lớp nước hút bám đạt đầy đủ, thể tích đất bắt đầu tăng dần do độ dày các
vỏ nước lớn dần, nước chiếm chỗ các lổ rỗng đẩy các hạt đất ra xa nhau, lực hút bề mặt
các hạt đất giảm, MĐĐH của đất có giá trị giảm dần, đất chuyển sang trạng thái nữa cứng
rồi dẻo và khi xuất hiện nước tự do, MĐĐH của đất có giá trị rất thấp, đất chuyển sang
trạng thái lỏng. Khi quá nhiều nước, đất chuyển sang trạng thái huyền phù [43].
Khảo sát trực tiếp ảnh hưởng của độ ẩm đối với MĐĐH đặc biệt là sự thay đổi nhỏ về giá

trị độ ẩm trong phạm vi nhỏ hơn 2% so với giá trị độ ẩm tối ưu và lớn hơn 2% so với giá
trị độ ẩm tối ưu sẽ dễ dàng nhận thấy ảnh hưởng hết sức lớn của độ ẩm đối với MĐĐH,
giá trị của MĐĐH giảm thậm chí đến hơn 80% như được thể hiện trên hình 2.2. Giá trị
MĐĐH của mẫu có độ ẩm tối ưu lớn hơn nhiều so với giá trị MĐĐH của mẫu bão hòa.
GREEN-25-21.13,302,400 (A-4)
WAS-821-113,116 (A-6)
ATH-50-222,228,413 (A-6)
CRA-Beal (A-7-6)
ATH-SR7 (A-7-6)

WAR-741-3 (A-6)
WAS-7-Mari (A-6)
SHE-SR47 (A-4)
FAI-I 70 (A-7-6)

120

A-4
A-6

100

Mô đun đàn hồi, MPa

MUSK-60-21 (A-4)
ATH-50-Cool (A-6)
HEN-SR6/24 (A-7-6)
BEL-SR147,265 (A-6)

A-7-6

80
60
40
20
0

18
20
22
24
26
28
Độ ẩm %
Hình 2.2 Ảnh hưởng của độ ẩm đến MĐĐH theo thí nghiệm của Kim.MS [8]
10

12

14

16

25