NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI SỨC CHỐNG CẮT CỦA MỘT SỐ LOẠI ĐẤT ĐẮP CHẾ BỊ NGÂM NƯỚC THEO THỜI GIAN

Dựa theo kết quả thí nghiệm cắt nhanh không nén cố kết trước đối với những mẫu chế bị theo hệ số đầm nén ( K ) khác nhau được ngâm trong nước theo thời gian của một số loại đất thường dùng đắp đập ở miền Trung, trong bài báo các tác giả giới thiệu đặc điểm thay đổi sức chống cắt của đất đắp (đất chế bị) khi không chịu áp lực nén được ngâm trong nước theo thời gian

NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI SỨC CHỐNG CẮT CỦA MỘT SỐ LOẠI

ĐẤT ĐẮP CHẾ BỊ NGÂM NƯỚC THEO THỜI GIAN

RESEARCHING THE CHANGE OF EMBANKMENT SHEARING

RESISTANCE DURING THE SOAKING TIME

PGS.TS TRẦN THỊ THANH

Viện KHTL Miền Nam

NCS.Ths TRƯƠNG QUANG THÀNH

Khoa XD Đại học Kiến trúc TPHCM

TÓM TẮT

Dựa theo kết quả thí nghiệm cắt nhanh không nén cố kết trước đối với những mẫu chế

bị theo hệ số đầm nén ( K ) khác nhau được ngâm trong nước theo thời gian của một số loại đất thường dùng đắp đập ở miền Trung, trong bài báo các tác giả giới thiệu đặc điểm thay đổi sức chống cắt của đất đắp (đất chế bị) khi không chịu áp lực nén được ngâm trong nước theo thời gian

ABSTRACT

On the basic of Unconsolidated–Undrained shear test (UU) of remolded soil samples

having the different compacted coefficient (K), the authors would like to present the change of the shear strength remolded soil samples during the soaking time

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Sự làm việc của đất trong thân đập hồ chứa nước có thể phân chia thành ba giai đoạn như sau:

 Giai đoạn 1 – giai đoạn vừa thi công xong: theo một số kết quả nghiên cứu đã có [1] thì khối đất đắp trong thân đập đạt được độ chặt – độ ẩm ban đầu theo thiết kế γc = ( 0,95÷1,0 ) γcmax; độ ẩm W = Wop ± ΔW; độ bão hòa nước G = 0,75÷0,85 Các chỉW; độ bão hòa nước G = 0,75÷0,85 Các chỉ tiêu cơ lý của đất được xác lập như khi thiết kế phục vụ thi công Sức chống cắt ban đầu của khối đất đắp trong giai đoạn này khá cao

nước Tốc độ ngấm nước trong thân đập phụ thuộc chủ yếu vào hệ số thấm của đất đắp và tốc độ dâng nước của hồ chứa Trong thân đập sẽ có vùng đất hoàn toàn bão hòa nước Khối đất trên mức nước mao dẫn vẫn ở trạng thái chưa bão hòa Quá trình ngấm nước bão hòa kéo theo sự thay đổi sức chống cắt của đất đắp đập Kết quả nghiên cứu [3] cho thấy sức chống cắt của đất có xu hướng giảm nhỏ

dòng thấm ổn định Trong giai đoạn này đất trong thân đập sẽ được cố kết Mức độ

cố kết phụ thuộc vào trạng thái độ ẩm độ chặt ban đầu khi thi công, phụ thuộc vào

áp lực cột đất đắp ở bên trên so với điểm đang xét Có nghĩa là mức độ cố kết thay đổi theo chiều cao đập Điều đó dẫn đến sự thay đổi sức chống cắt trong thân đập trong quá trình khai thác hồ chứa Sự thay đổi sức chống cắt này nhất định ảnh hưởng đến sự ổn định lâu dài của đập đất Theo tài liệu khảo sát đập thực tế [2] cho thấy sức chống cắt của khối đất đắp có xu hướng tăng cao Sức chống cắt của đất trong thân đập được tăng cao là do:

a Khối đất đắp bên dưới được nén cố kết thêm do áp lực cột đất ở bên trên

b Theo thời gian các liên kết cấu trúc của đất được phục hồi làm tăng độ bền của đất

Nội dung thí nghiệm ở đây nhằm nghiên cứu sự phát triển sức chống cắt của đất đắp khi không chịu áp lực nén, được ngâm nước theo thời gian

II CHỌN LOẠI ĐẤT ĐỂ NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

2.1 Các loại đất được dùng trong thí nghiệm

Nhằm mục đích phục vụ cho công tác xây dựng đập đất ở miền Trung và Tây nguyên, nên trong thí nghiệm đã chọn một số loại đất thường dùng để đắp các đập thực

tế sau đây:

1 Đất tàn tích có nguồn gốc Granite được lấy ở hồ chứa nước Thuận Ninh – Bình Định Loại đất này có tính trương nở mạnh

2 Đất sườn – tàn tích có nguồn gốc sét bột kết, cát bột kết được lấy ở hồ chứa nước Sông Sắt – Ninh Thuận Loại đất này trương nở rất yếu

3 Đất sườn tàn tích – tàn tích trên nền Bazan cổ được lấy tại công trình thủy điện DakRtih – Daklak Loại đất này hầu như không trương nở

Chỉ tiêu tính chất vật lý và kết quả đầm nện Proctor tiêu chuẩn của ba nhóm đất trên được ghi ở bảng 1

Bảng 1: Chỉ tiêu tính chất vật lý của đất dùng thí nghiệm

Loại đất đắp Thuận

Ninh-Bình Định

Sông Sắt -Ninh Thuận

DakRtih-Daklak

Kết

quả

Hạt sỏi sạn ( mm )

Chỉ tiêu vật lý Đơn vị

Loại đất đắp Thuận

Ninh-Bình Định

Sông Sắt -Ninh Thuận

DakRtih-Daklak tích

thành

phần

cỡ

hạt

Hạt cát

( mm )

Hạt bụi

2.2 Phương pháp chế bị mẫu và nội dung thí nghiệm

Căn cứ theo kết quả đầm nện Proctor (γcmax, Wop) của các loại đất được ghi ở

chế bị theo hệ số đầm nén ( K) khác nhau:

với K = 0,92 ; 0,95; 0,98

Độ ẩm của mẫu khi chế bị ( Wcb ) chọn bằng độ ẩm tốt nhất (Wop) khi đầm nén theo từng loại đất

Đất Thuận Ninh Đất Sông sắt Đất Daklak

Hình 1: Hình ảnh của ba loại đất phục vụ nghiên cứu

Các mẫu đất được chế bị trong các ông nhựa PVC và ống sắt có thành ống dày 5mm và đường kính trong của ống 114mm, chiều dài ống mẫu là 30cm Hai đầu ống mẫu có nắp đậy dán keo giữ chặt Xung quanh thân ống và nắp đậy có khoan lỗ nhỏ đường kính 2mm nhằm mục đích để nước ngấm bão hòa đất trong ống mẫu khi ngâm nước

Hình 2: Chế bị ống mẫu đất đem ngâm nước bão hòa

Tại phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật Xây Dựng - Viện KHTL Miền Nam, các mẫu sau khi chế bị xong được ngâm trực tiếp vào bể chứa nước Sau các khoảng thời gian 2; 6; 12; 18 tháng vớt các ống mẫu ra để thí nghiệm Ngoài ra khi chế bị mẫu xong cũng tiến hành thí nghiệm với mẫu chưa ngâm nước t = 0 để xem xét sự giảm sức chống cắt của mẫu khi bão hòa nước

Theo dõi đúng thời gian qui định, các ống mẫu được vớt ra để thí nghiệm Khi lấy mẫu vào dao vòng cắt đồng thời có kiểm tra dung trọng và độ ẩm của mẫu sau thời gian ngâm nước

Các thí nghiệm cắt thực hiện theo sơ đồ không cố kết – cắt nhanh (sơ đồ UU) trên máy cắt phẳng để xác định góc ma sát trong (φt) và lực dính (Ct) của mẫu ứng với thời gian t (tháng) đã ngâm nước Kết quả thí nghiệm được ghi trên các bảng thống kê ứng với từng loại đất Ngoài ra để tiện đánh giá mức độ tăng giảm của thông số chống cắt (φ, C) các Tác giả dùng các chỉ số sau đây:

- Mức độ tăng giảm của góc ma sát φ :

-o

o t







- Mức độ tăng giảm của lực dính C :

o

o t C

C

C

C 



φo, Co – góc ma sát trong và lực dính của mẫu đất sau khi đã bão hòa nước (thời gian ngâm mẫu 2 tháng)

φt, Ct – góc ma sát trong và lực dính của mẫu đất sau thời gian ngâm mẫu t (tháng), (t > 2 tháng)

Các giá trị ηφ , ηc của từng loại đất theo hệ số đầm nén (K) và thời gian ngâm mẫu (t) cũng được liệt kê trên các bảng kết quả thí nghiệm của từng loại đất ở mục III

III KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

3.1 Đối với đất tàn tích có nguồn gốc Granite ở hồ chứa nước Thuận Ninh – Bình Định

Kết quả thí nghiệm sức chống cắt (φ, C), mức độ thay đổi góc ma sát trong (ηφ), mức độ thay đổi lực dính (ηc) theo mức độ đầm nén ( K ) và thời gian ngâm mẫu t (tháng) được liệt kê ở bảng 2a và bảng 2b, thể hiện bằng đồ thị trên các hình 3a, 3b, 3c

và hình 4a, 4b, 4c

Bảng 2a: Sự thay đổi góc ma sát trong φ và lực dính C của đất có hệ số đầm nén (K)

khác nhau ứng với độ ẩm tốt nhất và sau khi bão hòa nước (t = 2 tháng)

Hệ số

đầm

chặt K

Dung trọng chế

bị

c ( T/m3)

Góc ma sát trong φ

( độ )

Mức độ giảm của góc ma sát trong

ηφ ( % )

Lực dính C

giảm của lực dính

C

ηC ( % )

Trạng thái độ

ẩm tốt nhất

Trạng thái bão hòa nước

Trạng thái độ

ẩm tốt nhất

Trạng thái bão hòa nước

Bảng 2b: Sự thay đổi góc ma sát trong φ và lực dính C của đất có hệ số đầm nén ( K )

khác nhau theo thời gian ngâm mẫu trong nước

Hệ số đầm

chặt K

Dung trọng chế bị

c ( T/m3)

Thời gian ngâm mẫu ( tháng )

Góc ma sát trong φ ( độ )

Mức độ tăng của góc ma sát trong

ηφ ( % )

Lực dính

C ( kG/cm2 )

Mức độ tăng của lực dính C

ηC ( % )

2 6 12 18

6,29 6,68 6,96 7,01

0 6,0 10,7 11,4

0,176 0,182 0,212 0,215

0 3,4 20,4 22,2

Hệ số đầm

chặt K

Dung trọng chế bị

c ( T/m3)

Thời gian ngâm mẫu ( tháng )

Góc ma sát trong φ ( độ )

Mức độ tăng của góc ma sát trong

ηφ ( % )

Lực dính

C ( kG/cm2 )

Mức độ tăng của lực dính C

ηC ( % )

2 6 12 18

10,49 10,93 11,37 11,7

0 4,2 8,4 11,5

0,305 0,321 0,371 0,382

0 5,2 21,7 25,3

2 6 12 18

15,34 16 16,9 17,2

0 4,3 10,2 12,1

0,336 0,341 0,416 0,431

0 1,5 23,9 28,3

Hình 3a: Quan hệ giữa C, φ theo thời gian ngâm mẫu đất Thuận Ninh (K = 0,92)

o 6

10o

14o

o 18

22o

26o

30o

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80

0

( t )

C = f (t)

φ= f (t)

φo

Hình 3b: Quan hệ giữa C, φ theo thời gian ngâm mẫu đất Thuận Ninh (K = 0,95)

Hình 3c: Quan hệ giữa C, φ theo thời gian ngâm mẫu đất Thuận Ninh ( K = 0,98 )

0

0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00

o 32 o 28 o 24

20o o 16 o 12

8o

24 tháng

18 tháng

12 tháng

6 tháng

2 tháng

φ= f (t)f f (t)(t)

f (t)C f (t)= f (t)f f (t)(t)

( t )

C ( kG/cm 2 )

0

0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00

o 32 o 28 o 24

20o o 16 o 12

8o

24 tháng

18 tháng

12 tháng

6 tháng

2 tháng

( t ) φ= f (t)

C = f (t)

0 0

18 tháng

12 tháng

6 tháng

2 tháng

η ( % )

20 40 60

η φ

ηc

C ( kG/cm2)

φo

φo

Hình 4a: Mức độ tăng của ηC, ηφ theo thời gian ngâm mẫu đất Thuận Ninh ( K= 0,92 )

Hình 4b- Mức độ tăng của ηC, ηφ theo thời gian ngâm mẫu đất Thuận Ninh ( K= 0,95 )

Hình 4c: Mức độ tăng của ηC, ηφ theo thời gian ngâm mẫu đất Thuận Ninh (K= 0,98)

3.2 Đối với đất sườn – tàn tích có nguồn gốc sét bột kết - cát bột kết ở hồ chứa nước Sông Sắt – Ninh Thuận

Kết quả thí nghiệm sức chống cắt (φ, C), mức độ thay đổi góc ma sát trong (ηφ ),

(tháng) được liệt kê ở bảng 3a và bảng 3b, thể hiện bằng đồ thị trên các hình 5a, 5b, 5c

và hình 6a, 6b, 6c

Bảng 3a: Sự thay đổi góc ma sát trong φ và lực dính C của đất có hệ số đầm nén ( K )

khác nhau ứng với độ ẩm tốt nhất và sau khi bão hòa nước ( t = 2 tháng )

Hệ số

đầm

chặt K

Dung trọng chế

bị

c ( T/m3)

Góc ma sát trong φ

( độ ) giảm củaMức độ

góc ma sát trong

ηφ ( % )

Lực dính C

giảm của lực dính

C

ηC ( % )

Trạng thái độ

ẩm tốt nhất

Trạng thái bão hòa nước

Trạng thái độ

ẩm tốt nhất

Trạng thái bão hòa nước

0

0

18 tháng

12 tháng

6 tháng

2 tháng 20

40

c

η

ηφ

0

0

18 tháng

12 tháng

6 tháng

2 tháng 20

40

φ

c

η ( % )

η η

η ( % )

0,95 1,77 16,22 12,51 22,9 0,495 0,158 68,1

Bảng 3b: Sự thay đổi góc ma sát trong φ và lực dính (C) của đất có hệ số đầm nén ( K )

khác nhau theo thời gian ngâm mẫu trong nước

Hệ số đầm

chặt K

Dung trọng chế bị

c ( T/m3)

Thời gian ngâm mẫu ( tháng )

Góc ma sát trong φ ( độ )

Mức độ tăng của góc ma sát trong

ηφ ( % )

Lực dính

C ( kG/cm2 )

Mức độ tăng của lực dính C

ηC ( % )

2 6 12 18

8,83 9,03 9,86 10,01

0 2,3 11,6 13,3

0,119 0,162 0,186 0,189

0 36,1 56,3 58,8

2 6 12 18

12,51 13,11 13,98 14,25

0 4,8 11,75 13,9

0,158 0,183 0,265 0,270

0 15,8 67,7 70,8

2 6 12 18

13,80 14,31 15,64 15,75

0 4,3 13,3 14,1

0,175 0,199 0,296 0,312

0 13,7 69,2 78,2

Hình 5a: Quan hệ giữa C, φ theo thời gian ngâm mẫu đất Sông Sắt (K = 0,92)

0

0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05

o 32 o 28 o 24

20o o 16 o 12

8o

24 tháng

18 tháng

12 tháng

6 tháng

2 tháng

C ( kG/cm2)

C = f (t)

φ = f (t)

φo

Hình 5b: Quan hệ giữa C, φ theo thời gian ngâm mẫu đất Sông Sắt (K = 0,95)

Hình 5c: Quan hệ giữa C, φ theo thời gian ngâm mẫu đất Sông Sắt (K = 0,98)

C ( kG/cm2)

o 8

12o

16o

o 20

24o

28o

32o

0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55

0

C = f (t)

φ = f (t)

0

0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05

o 32 o 28 o 24

20o o 16 o 12

8o

24 tháng

18 tháng

12 tháng

6 tháng

2 tháng

C ( kG/cm2)

C = f (t)

φ = f (t)

φo

φo

Hình 6a: Mức độ tăng của ηC, ηφ theo thời gian ngâm mẫu đất Sông Sắt ( K= 0,92 )

Hình 6b: Mức độ tăng của ηC, ηφ theo thời gian ngâm mẫu đất Sông Sắt ( K= 0,95 )

Hình 6c: Mức độ tăng của ηC, ηφ theo thời gian ngâm mẫu đất Sông sắt (K= 0,98)

3.3 Đất sườn – tàn tích trên nền đá Bazan cổ lấy ở hồ thủy điện DakRtih - Daklak

Kết quả thí nghiệm sức chống cắt (φ, C), mức độ thay đổi góc ma sát trong (ηφ ),

(tháng) được liệt kê ở bảng 4a và bảng 4b, thể hiện bằng đồ thị trên các hình 7a, 7b và hình 8a, 8b

0

0

18 tháng

12 tháng

6 tháng

2 tháng 20

40

c

ηφ

0

0

18 tháng

12 tháng

6 tháng

2 tháng 20

40 60 80

η φ

η c

0

0

18 tháng

12 tháng

6 tháng

2 tháng 20

40 60 80

η φ

η c

η ( % )

η ( % )

η ( % )

Bảng 4a: Sự thay đổi góc ma sát trong φ và lực dính C của đất có hệ số đầm nén (K)

khác nhau ứng với độ ẩm tốt nhất và sau khi bão hòa nước ( t = 2 tháng )

Hệ số

đầm

chặt K

Dung trọng chế

bị

c ( T/m3)

Góc ma sát trong φ

( độ )

Mức độ giảm của góc ma sát trong

ηφ ( % )

Lực dính C

giảm của lực dính

C

ηC ( % )

Trạng thái độ

ẩm tốt nhất

Trạng thái bão hòa nước

Trạng thái độ

ẩm tốt nhất

Trạng thái bão hòa nước

Bảng 4b: Sự thay đổi góc ma sát trong φ và lực dính C của đất có hệ số đầm nén (K)

khác nhau theo thời gian ngâm mẫu trong nước

Hệ số đầm

chặt K

Dung trọng chế bị

c ( T/m3)

Thời gian ngâm mẫu ( tháng )

Góc ma sát trong φ ( độ )

Mức độ tăng của góc ma sát trong

ηφ ( % )

Lực dính

C ( kG/cm2 )

Mức độ tăng của lực dính C

ηC ( % )

2 6 12 18

14,18 14,81 15,51 15,62

0 4,45 9,34 10,2

0,389 0,455 0,482 0,508

0 16,97 23,91 30,59

2 6 12 18

15,49 16,14 17,01 17,09

0 4,2 9,81 10,33

0,442 0,501 0,540 0,595

0 13,35 22,17 34,62

Hình 7a: Quan hệ giữa C, φ theo thời gian ngâm mẫu đất Bazan lấy ở DakRtih (K=

0,92 )

Hình 7b: Quan hệ giữa C, φ theo thời gian ngâm mẫu đất Bazan lấy ở DakRtih (K=

0,98 )

o 8

12o

16o

o 20

24o

28o

32o

0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50

0

0,55 0,60

C = f (t)

φ = f (t)

0,60 0,55

0

0,50 0,45 0,40

o 32 o 28 o 24

K f (t)= f (t)0,98 f (t)- f (t)bz

20o o 16 o 12

8o

24 tháng

18 tháng

12 tháng

6 tháng

2 tháng

C f (t)( f (t)kG/cm2)

C = f (t)

φ = f (t)

φo

φo

Hình 8a: Mức độ tăng của ηC, ηφ theo thời gian ngâm mẫu đất Bazan lấy ở DakRtih (K= 0,92)

Hình 8b: Mức độ tăng của ηC, ηφ theo thời gian ngâm mẫu đất Bazan lấy ở DakRtih (K= 0,98)

3.4 So sánh mức độ biến đổi η C , η φ của ba loại đất có cùng hệ số đầm nén (K) theo thời gian ngâm mẫu đất trong nước.

Để tiện nhận xét, so sánh, trên hình 9 và hình 10 biểu diễn tổng hợp mức độ tăng

ηC, ηφ của ba loại đất có cùng hệ số đầm nén ( K = 0,92 ) theo thời gian ngâm mẫu

Hình 9: Mức độ tăng góc ma sát trong (ηφ) của ba loại đất được nghiên cứu theo thời gian ngâm mẫu ( các mẫu đều có hệ số đầm nén K = 0,92 )

0

0

18 tháng

12 tháng

6 tháng

2 tháng 20

40

ηφ

η c

0

0

18 tháng

12 tháng

6 tháng

2 tháng 20

40

η φ

η c

0

0

18 tháng

12 tháng

6 tháng

2 tháng 10

Đất hồ Sông sắt

5

15

25

Đất hồ DakRtih

η ( % )

η ( % )

η φ ( % )

Hình 10: Mức độ tăng lực dính (ηc) của ba loại đất được nghiên cứu theo thời gian ngâm mẫu ( các mẫu đều có hệ số đầm nén K = 0,92 )

IV NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN

1 Từ khi chế bị mẫu đất ứng với độ ẩm tốt nhất cho đến khi mẫu bão hòa nước sức chống cắt của đất giảm

nhau

càng bé

2 Từ khi mẫu đã bão hòa nước (sau 2 tháng) và ngâm mẫu đến 18 tháng nói chung sức chống cắt của đất tăng lên

trong (ηφ)

 Với cùng một loại đất, hệ số đầm chặt (K) càng lớn thì mức độ tăng lên của sức chống cắt (chủ yếu là lực dính) càng nhiều

tăng ηC, ηφ của đất sườn tàn tích có nguồn gốc sét bột kết, cát bột kết được lấy ở Sông Sắt là lớn hơn so với hai loại đất kia Mức độ tăng ηφ của đất Bazan ở Daklak, mức độ tăng ηC của đất tàn tích có nguồn gốc granite ở Thuận Ninh – Bình Định là nhỏ hơn so với đất ở hồ Sông Sắt

3 Đất được đầm chặt ứng với độ ẩm tốt nhất, khi tiến hành ngâm nước bão hòa thì độ ẩm của mẫu đất tăng lên nên sức chống cắt của đất giảm đi Sau

đó có sự phục hồi và phát triển các liên kết kiến trúc của đất trong quá trình tiếp xúc với nước theo thời gian làm tăng sức chống cắt của đất chế bị.

0

0

18 tháng

12 tháng

2 tháng 20

40 60 80

6 tháng

Đất hồ Thuận ninh Đất hồ Sông sắt Đất hồ DakRtih

η c ( % )