Bài viết trình bày việc xác định tương quan hợp lý để xác định SCC không thoát nước qua kết quả SPT và CPTu phục vụ việc phân tích ổn định nền đường đắp trên đất yếu.
Trang 1NGHIÊN CỨU SỨC CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT BẰNG CÁC THÍ NGHIỆM XUYÊN TIÊU CHUẨN (SPT),
XUYÊN TĨNH CÓ ĐO ÁP LỰC NƯỚC LỖ RỖNG (CPTU)
VÀ ỨNG DỤNG TRONG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH
NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU
NGUYỄN THÁI LINH, NGUYỄN ĐỨC MẠNH *
Study on shear strength of soil by standard penetration test (SPT) and piezocone penetration test (CPTu) and application in stabilization analysis of embankments on soft soil
Abstract: The paper presents the determination of shear strength and
undrained shear strength of the ground by results standard penetration test (SPT) and, piezocone penetration test (CPTu) at Ha Dong - Hanoi From this, the undrained shear strength is used for stability analysis of embankment on soft soil
Keyword: Standard penetration test (SPT), piezocone penetration test
(CPTu), undrained shear strength, stability, embankment.
1 ĐẶT VẤN ĐỀ *
Sức chống cắt (SCC) của đất nói chung và
sức chống cắt không thoát nước nói riêng là
tham số cơ bản sử dụng để phân tích ổn định
trượt sâu nền đường đắp trên đất yếu SCC
thường được xác định trực tiếp từ mẫu đất trong
phòng cũng có thể xác định trực tiếp hay gián
tiếp từ các thí nghiệm hiện trường
Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (Standard
Penetration Test - SPT) và thí nghiệm xuyên
tĩnh có đo áp lực nước lỗ rỗng (Piezocone
Penetration Test - CPTu) được nhiều tác giả
trong và ngoài nước sử dụng để nghiên cứu
SCC của các loại đất khác nhau thông qua các
tương quan thực nghiệm Các nghiên cứu này
đều khẳng định rằng việc xác định SCC từ kết
quả thí nghiệm SPT và CPTu có độ tin cậy dễ
tiến hành nhanh và thuận tiện [1,2,5,6,7,8,11]
Trong khi đó tiêu chuẩn hiện hành (22TCN
*
Bộ môn Địa kỹ thuật, khoa Công trình,
Đại học Giao thông Vận tải
E-mail: thailinh.303@gmail.com
E-mail: ndmanhgeot@gmail.com
262-2000) ở nước ta thường yêu cầu xác định sức chống cắt không thoát nước của các lớp đất yếu bằng thí nghiệm cắt cánh hiện trường phục
vụ phân tích ổn định khi thiết kế nền đắp trên đất yếu
Vấn đề đặt ra là có thể sử dụng thông số SCC không thoát nước xác định theo kết quả SPT hay CPTu thay thế cho thí nghiệm cắt cánh hiện trường để phân tích ổn định nền đắp trên đất yếu ở điều kiện nước ta được hay không? Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm công trình cụ thể tại Hà Đông - Hà Nội sử dụng các tương quan đã có của một số tác giả ngoài nước bài báo xác định tương quan hợp l để xác định SCC không thoát nước qua kết quả SPT và CPTu phục vụ việc phân tích ổn định nền đường đắp trên đất yếu
2 SỨC CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT THEO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM SPT VÀ CPTu 2.1 Theo kết quả SPT
Hiện có nhiều tương quan cho phép xác định SCC của đất rời và đất dính bằng kết quả SPT Với đất cát tiêu biểu có [1 7 8 11]:
Trang 2Công thức Peck Hanson và Thornburn
(1974),
Hay công thức Schmertmann (1975)
arctg[N60/(12,2+20,3 ‟vo)]0,34 (2)
Còn Meyerhof (1956) sử dụng bảng tra sau:
Bảng 1 Góc ma sát trong của đất rời
theo kết quả SPT (Meyerhof, 1956)
N 0 - 4 4 - 10 10 - 30 30 - 50 > 50
(độ) < 30 30 - 35 35 - 40 40 - 45 > 45
Trong đó:
N‟60 là chỉ số SPT chuẩn hóa về 60% năng
lượng hữu ích;
N là chỉ số SPT;
CE là hệ số hiệu quả phụ thuộc vào thiết bị
thí nghiệm Ở nước ta được khuyến nghị lấy CE
= 0,5 – 0,9 [1,7,8];
CN là hệ số độ sâu có thể xác định CN bằng
một trong những quan hệ của:
Liao và Whitman (1986),
CN = (0,9576/‟vo)0,5
(4) Peck (1974),
Skempton (1986),
‟vo là ứng suất hữu hiệu do trọng lượng bản
thân lớp đất theo phương đứng (kg/cm2
)
Với đất sét bão hòa nước sức chống cắt
không thoát nước có nhiều tác giả đề cập điển
hình như [1 2 3 5 6 9 10]:
Công thức Sower (1979)
Trong đó:
a = 10 với đất sét
a = 15 với đất sét pha
a = 20 với đất cát pha Với Terzaghi và Peck (1967)
Còn theo Hara (1974),
2.2 Theo kết quả CPTu
Trong thí nghiệm CPTu sẽ đo được sức kháng mũi qc ma sát thành đơn vị fs và áp lực nước lỗ rỗng u nhờ những bộ chuyển tín hiệu riêng biệt Trong thiết bị CPTu sức kháng mũi
qc không phải áp lực thực tác dụng lên mũi côn
qT, vì thế có thể tính:
trong đó: uT là áp lực nước lỗ rỗng đo tại vòng đá thấm ở đầu mũi xuyên; a là tỷ số tiết diện ngang giữa trục và đáy mũi xuyên a = 0,8 – 0,82
Khi nghiên cứu về sức chống cắt không thoát nước của đất yếu (Su) bằng CPTu có thể sử dụng một trong các công thức Vésic (1975) Senneset (1985), Aas và nnk (1986), Konrad và Law (1987), Teh và Houlsby (1991), Yu và nnk (2000) hay Su và Liao (2002) [2,3,5,6]
Với đất cát SCC theo CPTu có một số quan
hệ như:
Công thức của Roberson và Campanella (1983),
arctg [0,1 + 0,38.log (qT/‟vo)] (11) Công thức Kulhawy và Mayne (1990)
Theo Meyerhof (1956) sử dụng bảng 2
Bảng 2 Góc ma sát trong của đất rời theo kết quả CPTu (Meyerhof, 1956)
qc (kPa) < 20 20 - 40 40 - 120 120 -
200
>
200
(độ) < 30 30 -35 35 - 40 40 - 45 > 45
Với đất dính sức chống cắt không thoát nước theo CPTu có thể sử dụng quan hệ sau [4 ]: Công thức Keaveny và Michell (1986)
Trang 3Su = (qT - ‟vo)/Nk (13)
Với Nk là hệ số hiệu chỉnh Nk = 15 – 20
Công thức Li (2011)
Theo Viện xây dựng Sichuan – Trung Quốc
(2014):
3 NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH TRƯỢT SÂU
NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU BẰNG
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM SPT VÀ CPTU
3.1 Vị trí nghiên cứu
Sử dụng kết quả nghiên cứu từ công trình
đường trục phía nam tỉnh Hà Tây (cũ) nay thuộc
địa phận Quận Hà Đông thành phố Hà Nội
nhóm nghiên cứu thực hiện công tác khoan thăm
dò thí nghiệm mẫu đất trong phòng thí nghiệm
xuyên tiêu chuẩn thí nghiệm cắt cánh trong lỗ
khoan và thí nghiệm xuyên tĩnh có đo áp lực
nước lỗ rỗng với 04 mặt cắt ngang nghiên cứu
bao gồm 08 lỗ khoan khảo sát địa chất và 03
điểm xuyên CPTu cho đoạn tuyến dài hơn 6km
Địa tầng của mặt cắt lựa chọn nghiên cứu ngoài
lớp kết cấu áo đường và đất đắp nền đường có
các lớp đất nền tự nhiên là sét dẻo cao - dẻo mềm
(lớp 2a) phía dưới là lớp bụi dẻo cao - dẻo chảy
(lớp 2b), lớp sét bụi dẻo cao xen kẹp cát dẻo
mềm (lớp 2c) dưới cùng là lớp cát chặt vừa
Mực nước ngầm ngang mặt đất Các lớp đất 2a,
2b và 2c được xem là ít thuận lợi cho xây dựng
đường ô tô đắp trên nó – đất yếu là đối tượng
chính được phân tích trong nghiên cứu này
Bảng 3 Thông số cơ bản các lớp đất nền
Lớp Chiều dày
lớp đất (m) (kN/m 3 ) S u *
(kPa)
**
(độ)
* Su từ thí nghiệm cắt cánh hiện trường
** xác định theo TCVN 9351:2012
Một số thông số cơ bản của các lớp đất nền trong mặt cắt nghiên cứu như bảng 3
3.2 Đặc điểm sức chống cắt không thoát nước của đất theo kết quả SPT và CPTu trong phạm vi nghiên cứu
Thí nghiệm SPT và CPTu được thực hiện tại công trình nghiên cứu đường trục phía Nam Hà Tây (cũ) dùng các hàm tương quan thực nghiệm tại mục 2 xác định được thông số sức chống cắt các lớp đất 2a 2b và 2c mặt cắt nghiên cứu
* Với thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn
Các hình 1, 2, 3 và 4 cho thấy, sức chống cắt không thoát nước (Su) xác định bằng N60, theo Sower, Terzaghi và Peck, hay Hara rất khác nhau Su xác định qua SPT theo công thức Hara cho các lớp đất 2a, 2b và 2c là lớn nhất, còn theo Sower là bé hơn cả
So sánh với thí nghiệm cắt cánh hiện trường (bảng 3, hình 4), Su tính theo Sower nhỏ hơn từ 16% đến 19% theo Hara cao hơn từ 7% đến 18% trong khi độ chênh lệch này với công thức của Terzaghi và Peck chỉ là 3%
Hình 1 Su xác định qua N60 của lớp đất 2a
Trang 4Hình 2 S u xác định qua N60 của lớp đất 2b
Hình 3 S u xác định qua N60 của lớp đất 2c
Hình 4 So sánh Su xác định theo N60 với Su từ
cắt cánh hiện trường
Với lớp đất cát (lớp đất số 3), góc ma sát
trong xác định qua N60 theo các công thức
Meyerhof, Peck và Schmertmann cho kết quả có
sự khác biệt không lớn (lệch nhau 4%-10%)
(hình 5)
Hình 5 xác định qua N60 của lớp đất 3
* Với thí nghiệm xuyên tĩnh có đo áp lực nước lỗ rỗng
Sức chống cắt không thoát nước (Su) các lớp đất 2a 2b 2c xác định bằng kết quả thí nghiệm CPTu theo các công thức Li, Keaveny và Michell, hay Viện xây dựng Sichuan có sự khác biệt (hình 6, 7, 8) Khi so sánh Su xác định theo CPTu với cắt cánh hiện trường (hình 9), Su theo Keaveny và Michell thấp hơn so với thí nghiệm cắt cánh từ 1% đến 15% trong khi đó Su theo công thức Viện xây dựng Sichuan cao hơn Su từ cắt cánh 6-12% Đối với công thức liên hệ của
Li cho kết quả độ lệch nhỏ nhất, khoảng 3,5%
Hình 6 Su xác định qua qT của lớp đất 2a
Trang 5Hình 7 Su xác định qua qT của lớp đất 2b
Hình 8 S u xác định qua q T của lớp đất 2c
Hình 9 So sánh S u xác định theo qT với S u từ cắt
cánh hiện trường các lớp đất
Trường hợp đất cát (lớp 3), góc ma sát trong
() xác định theo các công thức 10, 11 và bảng
2 Kết quả nghiên cứu cho thấy, xác định theo
các tác giả khác nhau có sự chênh lệch không lớn (2,5 - 9 4%) (hình 10) Trường hợp này, công thức liên hệ của Meyerhof cho giá trị góc
ma sát trong của đất cát bé nhất
Hình 10 xác định theo CPTu của lớp 3
3.3 Phân tích ổn định trượt sâu nền đường đắp trên đất yếu khi sử dụng sức chống cắt không thoát nước theo kết quả SPT và CPTu
Sử dụng mặt cắt địa chất gồm các lớp đất nền như bảng 3 phân tích ổn định nền đường đắp cao từ 3 5m đến 6m với bề rộng mặt đường
40m xét ở 3 trường hợp:
- Trường hợp 1 (TH1): Sử dụng Su của các lớp đất 2a 2b 2c từ thí nghiệm cắt cánh hiện trường
và lớp 3 lấy theo TCVN 9351:2012 (bảng 3)
- Trường hợp 2 (TH2): Sử dụng Su xác định qua chỉ số SPT theo công thức của Terzaghi và Peck, và lớp 3 lấy theo công thức Peck (hình
1, 2, 3, 5)
- Trường hợp 3 (TH3): Sử dụng Su xác định qua kết quả CPTu theo công thức của Li, và
lớp đất 3 lấy theo quan hệ Meyerhof (hình 6,7,8,10)
Sử dụng phần mềm Geostudio 2007 mô đun Slope/W, phân tích ổn định trượt sâu khi nền đắp cao 3,5m; 4m; 4,5m; 5m; 5,5m và 6m Kết quả phân tích ổn định cho các trường hợp và các điều kiện khác nhau được thể hiện tại bảng 4
Trang 6Bảng 4 Hệ số ổn định trượt sâu nền đường
đắp trên đất yếu các trường hợp nghiên cứu
Hệ số ổn định (F s )
TH
Bảng 4 cho thấy, ở trường hợp cụ thể, cùng
tải trọng tác dụng (cùng chiều cao đắp), hệ số ổn
định trượt (Fs) gần tương đương nhau (độ chênh
lệch < 2,7%) khi sử dụng thông số sức chống
cắt không thoát nước xác định qua chỉ số SPT
theo công thức Terzaghi và Peck xác định qua
kết quả CPTu theo công thức Li và theo kết quả
thí nghiệm cắt cánh hiện trường
Khi chiều cao đắp nền tăng hệ số ổn định
trượt giảm tuyến tính tương ứng mỗi trường hợp
xem xét (bảng 4)
4 KẾT LUẬN
Sức chống cắt không thoát nước (Su) các lớp đất
dính mềm yếu (trạng thái dẻo mềm – dẻo chảy) xác
định thông qua các kết quả thí nghiệm xuyên tiêu
chuẩn (SPT) bằng công thức Terzaghi và Peck, hay
xuyên tĩnh có đo áp lực nước lỗ rỗng (CPTu) theo
công thức Li có thể sử dụng để thay thế kết quả thí
nghiệm cắt cánh hiện trường khi phân tích ổn định
trượt sâu nền đường đắp trên đất yếu
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Vũ Công Ngữ, Nguyễn Thái (2006), "Thí
nghiệm đất hiện trường và ứng dụng trong phân
tích nền móng", Nxb KH&KT, Hà Nội
[2] Fernando Schnaid (2006), "Piezocone
Penetration Tests CPTu", Universidade Federal
do Rio Grande do Sul, Brazil
[3] Hara, A., Ohta, T., Niwa, M., Tanaka, S.,
and Banno, T (1974), “Shear modulus and
shear strength of cohesive soils”, Soils and
Foundation., 14(3), 1-12
[4] Li, Z.M (2011), "Soft soil foundation
reinforcement with quality control", Beijing -
China Building Industry Press
Department of Civil Engineering, "Manual On
Interpretation Of Seismic Piezocone Test Data For Geotechnical Design (2001) Practical Applications of the Cone Penetration Test", The
University of British Columbia USA 235pp [6] United States Department of Agriculture Natural Resources Conservation Service (2012),
National Engineering Handbook
[7] Liao, S.S.C and Whitman, R.V (1986),
"Overburden Correction Factors for SPT in Sand", Journal of Geotechnical Engineering,
A.S.C.E., v 112:3, p 373-377
[8] Skempton (1986), "Standard Penetration
Test Procedures and the Effects in Sands of Overburden Pressure, Relative Density, Particle Size, Aging and Overconsolidation",
Geotechnique, v 36:3, p 425-447
[9] Sowers, G.B and Sowers, G.F (1970),
"Introductory Soil Mechanics and Foundations",
Third Edition, The MacMillan Co., New York [10] Peck, R., Hanson,W., and Thornburn
(1974), "Foundation Engineering Handbook",
Wiley, London
[11] Terzaghi, K and Peck, R.B (1967),
"Soil Mechanics in Engineering Practice", John
Wiley, NewYork 729
[12] TCVN 9351:2012 - Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT
[13] TCVN 9846:2013 - Quy trình thí nghiệm xuyên tĩnh có đo áp lực nước lỗ rỗng (CPTu) [14] 22TCN 262:2000 - Quy trình khảo sát nền đường ô tô đắp trên đất yếu
Người phản biện: PGS.TS TRẦN MẠNH LIỄU