Nghiên cứu xác định hệ số cố kết cv và ch của đất yếu khu vực hiệp phước nhà bè

Thí nghiệm tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng của thiết bị xuyên tĩnh điện CPTu được thực hiện tại hiện trường dùng để xác định hệ số cố kết theo phương ngang Ch trước khi cải tạo nền đất theo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-[ \ -NGUYỄN DUY QUANG

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ CỐ KẾT

Cv VÀ Ch CỦA ĐẤT YẾU KHU VỰC HIỆP PHƯỚC - NHÀ BÈ

Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Mã số học viên : 00906218

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HCM, ngày 03 tháng 07 năm 2009

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1:

TS LÊ BÁ VINH Cán bộ hướng dẫn khoa học 2:

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 2009

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Tp HCM, ngày tháng năm 2009

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I- TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ CỐ KẾT C v VÀ C h CỦA ĐẤT YẾU KHU VỰC HIỆP PHƯỚC - NHÀ BÈ

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Nhiệm vụ : Nghiên cứu xác định hệ số cố kết Cv và Ch của đất yếu khu vực Hiệp Phước – Nhà Bè

2 Nội dung:

Chương 1 : Tổng quan

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết phương pháp nghiên cứu

Chương 3 : Phân tích hệ số cố kết Cv và Ch khu vực Hiệp Phước từ thí nghiệm trong phòng và hiện trường

Chương 4 : Phân tích ngược hệ số cố kết Cv và Ch từ kết quả quan trắc hiện trường và ứng dụng trong xử lý nền đất yếu

Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 03/01/2009

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/07/2009

Tôi xin chân thành cảm ơn hai thầy TS Lê Bá Vinh và ThS Trần Quang Hộ đã truyền ý tưởng cũng như đã nhiệt tình giúp đỡ, dìu dắt tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn anh Nguyễn Hữu Uy Vũ, Giám đốc Công ty Địa Kỹ thuật và Giao Thông Anh Vũ trực thuộc Công ty Cổ phần Tư vấn Thiết kế Cảng –

Kỹ thuật Biển (PortCoast Consultant Corporation) đã hỗ trợ rất nhiều trong việc hướng dẫn và đóng góp kinh nghiệm thực tế công tác khảo sát Địa chất và Quan trắc công trình Cảng tổng hợp Trung tâm Sài Gòn (P&O) để hoàn thành tốt luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp đặt biệt là bạn Ngô Quốc Huy Vũ

đã có nhiều đóng góp và cung cấp các nguồn số liệu quan trắc thực tế rất quý giá giúp phục vụ công tác tính toán

Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, đây là nguồn động viên giúp đỡ

về tinh thần cho tôi trong suốt quá trình làm luận văn

Cụm cảng khu vực TP Hồ Chí Minh bao gồm khu cảng Sài Gòn (sông Sài Gòn), khu cảng Nhà Bè (sông Nhà Bè), khu cảng Cát Lái (sông Đồng Nai), khu cảng Hiệp Phước (sông Soài Rạp) là cụm cảng phục vụ trực tiếp việc xuất nhập khẩu hàng hoá bằng đường biển của Tp Hồ Chí Minh và vùng kinh tế trọng điểm phía Nam Với việc quy hoạch và phát triển như thế thì việc xây dựng các công trình công nghiệp, giao thông, thủy lợi gặp phải khó khăn rất lớn do khu vực này có

bề dày lớp đất yếu lớn

Hệ số cố kết theo phương ngang (Ch) là một thông số rất quan trọng giúp dự đoán tốc độ lún của nền đất yếu trước và sau khi xử lý bằng biện pháp bấc thấm kết

hợp gia tải trước Mục tiêu của luận văn “Nghiên cứu xác định hệ số cố kết C v và

C h của đất yếu khu vực Hiệp Phước – Nhà Bè” tại khu vực Hiệp Phước – Tp Hồ

Chí Minh

Thí nghiệm trong phòng xác định hệ số cố kết đứng Cv từ thí nghiệm nén cố kết

và thí nghiệm CRS (thí nghiệm nén cố kết tốc độ biến dạng không đổi) Đặc biệt thí nghiệm CRS mô phỏng khá chính xác quá trình cố kết của nền đất ở hiện trường (gia tải từng cấp áp lực đủ nhỏ do đó đường cong nén lún trơn mịn hơn so với nén

cố kết truyền thống) Điểm nổi bật của phương pháp này so với nén cố kết truyền thống là có thể xác định được áp lực nước lỗ rỗng và thời gian thí nghiệm được rút ngắn

Thí nghiệm trong phòng xác định hệ số cố kết đứng Ch từ thí nghiệm thấm Rowe Cell nhưng do hạn chế về thiết bị nên tác giả đề xuất giải pháp thay thế bằng hộp cố kết truyền thống nhưng có trụ cát giữa để mô phỏng thấm ngang và phân tích gián tiếp Ch từ độ lún đo được Kết quả thu được cũng hợp lý và tạm chấp nhận Thí nghiệm tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng của thiết bị xuyên tĩnh điện CPTu được thực hiện tại hiện trường dùng để xác định hệ số cố kết theo phương ngang Ch trước khi cải tạo nền đất theo các phương pháp khác nhau như: phương pháp tính gián tiếp, phương pháp CE-CSSM, phương pháp đường biến dạng (Strain path) Dựa trên việc so sánh các phương pháp khác nhau, tác giả đề xuất lựa chọn phương pháp ứng dụng trong thực tế

Trong nội dung luận văn, các kết quả quan trắc lún được dùng để phân tích ngược để tìm hệ số cố kết ngang Ch đất trong quá trình xử lý nền bằng biện pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước theo các phương pháp khác nhau như: phương pháp Asaoka, phương pháp Hyperbolic và đo áp lực nước lỗ rỗng

Các kết quả được phân tích, đánh giá trên cơ sở so sánh các phương pháp với nhau

Hy vọng rằng luận văn này có thể giúp ích phần nào việc hiểu rõ hơn về đặc điểm hệ số cố kết của đất yếu ở khu vực Hiệp Phước – Tp Hồ Chí Minh

The port complex in Ho Chi Minh city, which includes ports named Sai Gon (Sai Gon River), Nha Be (Nha Be River), Cat Lai (Dong Nai River), and Hiep Phuoc (Soai Rap River), is to serve directly import-export goods by seaways of Ho Chi Minh city and key economic zones in Southern Vietnam The development of the port complex would encounter many difficulties in geotechnical works because soil profile of the area includes thick and soft clay layer

The coefficient of consolidation in the horizontal direction (Ch) is very important parameter for predicting the rate of settlement of soft soil before and after applying prefabricated vertical drains treatment in combination with pre-loading

The main objective of this research is “Study of determining vertical and horizontal consolidation coefficient of Hiep Phuoc – Nha Be soft clay” at Hiep

Phuoc-Ho Chi Minh city area

Laboratory tests are used to find the coefficient of vertical consolidation (Cv) from consolidation test and CRS test Specially, CRS test imitated exactly consolidation process of soft ground at site (increment load is small enough to get smooth consolidation curve comparing with conventional consolidation test Remarkable feature of this method comparing with conventional consolidation test can be determined pore water pressure and shorter period time testing

Laboratory tests are used to find the horizontal consolidation coefficient (Ch) from Rowe Cell permeability test But not having Rowe Cell equipment, author proposed alternative solution by using oedometer cell with center sand cylinder in order to imitate horizontal permeability and interpret indirectly Ch from settlement Result of test is acceptable

Piezocone (CPTu) dissipation tests are usually carried out in the field to

interpretation methods to determine Ch from the test namely: indirect interpretation method, CE-CSSM method, Strain path method Base on comparing different methods, author proposed to select application method in pratice

In this study, monitored settlement results were used to estimate Ch values of the ground improvement prefabricated vertical drains in combination with pre-loading

by using back-analysis methods such as Asaoka method, Hyperbolic method, and method of monitoring excess pore water pressure

comparison between the methods

It is expected from the study that geotechnical engineers would understand more clearly about soft clay coefficient parameter’s characteristic of Hiep Phuoc-Ho Chi Minh city area

MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1-1

1.1 Mở đầu 1-1 1.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1-5 1.3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 1-6

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2-7

2.1 Lý thuyết cố kết thấm dứng và ngang 2-7

2.1.1 Lý thuyết cố kết thấm đứng 2-7 2.1.2 Lý thuyết cố kết thấm ngang 2-9

2.1.2.1 Trường hợp thoát nước xuyên tâm hướng vào trong 2-9 2.1.2.2 Thoát nước xuyên tâm theo chu vi 2-12

2.2 Các phương pháp xác định Cv và Ch từ thí nghiệm trong phòng 2-14

2.2.1 Các phương pháp xác định C v từ thí nghiệm nén cố kết 2-14

2.2.1.1 Phương pháp Casagrande 2-14 2.2.1.2 Phương pháp Taylor 2-15

2.2.2 Các phương pháp xác định C v từ thí nghiệm CRS 2-16

2.2.2.1 Phương pháp theo ASTM D 4186 – 98 2-17 2.2.2.2 Phương pháp Wissa (1971) 2-17 2.2.2.3 Phương pháp Smith & Wahls (1969) 2-19 2.2.2.4 Phương pháp Lee (1981) 2-20

2.2.3 Phương pháp xác định C h từ thí nghiệm hộp thấm Rowe Cell 2-21

2.3 Xác định Ch hiện trường từ thí nghiệm tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng của thiết bị

CPTu 2-23

2.3.1 Phương pháp tính gián tiếp (Phương pháp Teh & Houlsby) 2-23 2.3.2 Phương pháp CE-CSSM (Cavity Expansion-Critical State Soil Mechanics) 2-24 2.3.3 Phương pháp đường biến dạng (Strain path) 2-26 2.3.4 Hoán chuyển giá trị Ch từ thí nghiệm CPTu sang Ch ở trạng thái cố kết thường 2-27

2.4 Các phương pháp xác định Cv và Ch từ kết quả quan trắc hiện trường 2-27

2.4.1 Phân tích các dữ liệu từ các thiết bị quan trắc 2-28

2.4.1.1 Quan trắc độ lún 2-28 2.4.1.2 Đo áp lực nước lỗ rỗng (Piezometers) 2-28

2.4.2 Phân tích ngược từ các dữ liệu quan trắc độ lún 2-29

2.4.2.1 Phương pháp Asaoka 2-29 2.4.2.2 Phương pháp Hyperbolic 2-30

2.4.3 Phân tích ngược từ các dữ liệu quan trắc áp lực nước lỗ rỗng (piezometer) 2-33

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH HỆ SỐ CỐ KẾT C V & C H KHU VỰC HIỆP PHƯỚC

TỪ THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG VÀ THÍ NGHIỆM CPTU 3-35

3.1 Giới thiệu công trình 3-35 3.2 Công tác lấy mẫu nguyên dạng 3-39 3.3 Xác định Cv từ thí nghiệm nén cố kết 3-40

3.3.1 Thiết bị thí nghiệm 3-40 3.3.2 Kết quả thí nghiệm 3-40 3.3.3 Nhận xét 3-42

3.4 Xác định Cv từ thí nghiệm CRS 3-44

3.4.1 Thiết bị thí nghiệm 3-44 3.4.2 Kết quả thí nghiệm 3-45 3.4.3 Nhận xét 3-47

3.6.3 Phương pháp tính gián tiếp (Phương pháp Teh & Houlsby) 3-57

3.6.3.1 Tính giá trị Ir từ thí nghiệm ba trục (CU) 3-57 3.6.3.2 Tính I r từ quan hệ (OCR, I p ) 3-59 3.6.3.3 Nhận xét 3-60

3.6.4 Phương pháp CE-CSSM (Cavity Expansion - Critical State Soil Mechanics) 3-61

4.3.1 Bàn đo lún 4-77

4.3.1.1 Mục đích lắp đặt 4-77

4.3.2 Mốc quan trắc lún 4-77 4.3.3 Đo sâu bằng nhện từ 4-78

4.3.3.1 Trình tự lắp đặt thiết bị 4-78 4.3.3.2 Mục đích lắp đặt 4-79

4.3.4 Đo áp lực nước lỗ rỗng bằng dây rung 4-79

4.3.4.1 Trình tự lắp đặt 4-80 4.3.4.2 Mục đích lắp đặt 4-81

4.3.5 Đo chuyển vị ngang bằng thiết bị đo inclinometer 4-81

4.3.5.1 Trình tự lắp đặt 4-81 4.3.5.2 Mục đích lắp đặt 4-82

4.3.6 Trình tự thi công thiết bị quan trắc 4-82

4.4 Các số liệu quan trắc điển hình tại các Phase nghiên cứu 4-83

4.4.1.1 Số liệu đo lún sâu 4-83 4.4.1.2 Số liệu đo ALNLR 4-87

4.5 Phân tích ngược giá trị Ch từ kết quả đo lún 4-91

4.5.1.1 Phương pháp Asaoka 4-91 4.5.1.2 Phương pháp Hyperbolic 4-94

4.6 Phân tích ngược giá trị Ch từ kết quả áp lực nước lỗ rỗng 4-96 4.7 So sánh kết quả giữa các phương pháp Asaoka, Hyperbolic và Piezometer 4-98

4.7.1.1 Nhận xét 4-100 4.7.1.2 Hạn chế phương pháp Hyperbolic 4-101

4.8 Ứng dụng Cv và Ch trong xử lý nền đất yếu 4-101

4.8.1.1 Mô hình FEM 4-105 4.8.1.2 Kết quả FEM so sánh với quan trắc hiện trường 4-106 4.8.1.3 Nhận xét 4-109

•

• Kết luận chung đề tài 4-110

•

• Hướng nghiên cứu tiếp theo 4-111

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC 1: Mặt bằng khảo sát địa chất khu vực P&O và Hiệp Phước

PHỤ LỤC 2: Các mặt cắt địa chất

PHỤ LỤC 3: Tổng hợp kết quả thí nghiệm cơ lý trong phòng

PHỤ LỤC 4: Tổng hợp kết quả thí nghiệm nén ba trục CU

PHỤ LỤC 5: Tổng hợp kết quả thí nghiệm tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng (CPTu)

PHỤ LỤC 6: Tổng hợp kết quả quan trắc hiện trường

PHỤ LỤC 7: Kết quả FEM

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1-1 Đồ thị quan hệ giữa tỉ số Cv(90)/Cv(50) và ứng suất đứng có hiệu σ’ vo 1-1 Hình 1-2 Đồ thị so sánh tỉ số ch(CRS)/cv(cố kết) 1-1 Hình 1-3 Đồ thị so sánh tỉ số kh(CRS)/kv(cố kết) 1-2 Hình 1-4 Đồ thị so sánh tỉ số ch(quan trắc)/ ch(CRS) 1-2 Hình 1-5 So sánh hệ số cố kết xác định từ CRS và nén cố kết truyền thống 1-3 Hình 1-6 So sánh giá trị Cv giữa phương pháp Hyperbolic, Asaoka và Cv từ TN cố kết 1-4 Hình 1-7 So sánh giá trị Ch giữa phương pháp Hyperbolic, Asaoka và Ch từ quan trắc 1-5 Hình 2-1 Cố kết 1 trục: a) Mô hình Terzaghi b) Đường cong ứng suất theo thời gian (Nguồn: Whitlow, 2001) 2-7 Hình 2-2 Mối quan hệ Tv (logarith) với Uv(%)(Nguồn: Head, 1982) 2-9 Hình 2-3 Mối quan hệ Tv (căn t) với Uv(%)(Nguồn: Head, 1982) 2-9

Hình 2-4 Mối quan hệ mức độ cố kết trung bình theo nhân tố thời gian trường hợp điều kiện biên biến dạng đều và biến dạng tự do khi n=5 (Nguồn: Trautwein,1980) 2-11

Hình 2-5 Hai dạng bố trí lưới thoát nước và hình trụ tương đương (Nguồn: Holtz et al., 1991) 2-12 Hình 2-6 Đường cong lý thuyết quan hệ giữa t và U v trường hợp thoát nước xuyên tâm hướng ra ngoài theo chu vi với tải biến dạng đều (Nguồn: Head, 1968) 2-12 Hình 2-7 Đường cong lý thuyết quan hệ giữa t và Uv trường hợp thoát nước xuyên tâm hướng ra ngoài với tải biến dạng tự do (Nguồn: McKinlay, 1961) 2-13 Hình 2-8 Xác định hệ số Cv theo phương pháp Casagrande 2-15

Hình 2-9 Xác định hệ số Cv theo phương pháp Taylor 2-15

Hình 2-10 Đặc trưng biến dạng không đổi trong thí nghiệm CRS 2-16

Hình 2-11 Hộp thấm Rowe Cell 2-21 Hình 2-12 Mặt cắt ngang hộp thấm Rowe Cell 2-21 Hình 2-13 Mô hình thí nghiệm thấm đứng và thấm ngang từ hộp thấm Rowe Cell 2-22 Hình 2-14 Sự phân bố áp lực nước từ thí nghiệm thấm Rowe Cell 2-22

Hình 2-15 Các thành phần chuẩn & lực cắt do tác động bên ngoài của ALNLR xung quanh đầu cone 2-24 Hình 2-16 Giá trị ALNLR thặng dư với log(t) theo phương pháp CE-CSSM 2-26 Hình 2-17 Đường cong tiêu táp áp lực nước lỗ rỗng (Teh & Housby, 1991) 2-27 Hình 2-18 Phương pháp Asaoka dùng để tính ngược lại giá trị Ch 2-30 Hình 2-19 Phương pháp Hyperbolic theo lý thuyết Terzaghi 2-31 Hình 2-20 Phương pháp Hyperbolic theo số liệu quan trắc hiện trường 2-31

Hình 2-21 Biểu đồ xác định hệ số độ dốc (αi) phụ thuộc vào n, tỉ số H/De và ch/cv cho trường hợp bấc thấm 2-32

Hình 2-22 Phương pháp Aboshi và Monden (1963) dùng để xác định giá trị Ch 2-34 Hình 3-1 Sơ đồ vị trí Cảng Container Trung tâm Sài Gòn 3-35 Hình 3-2 Mặt bằng khảo sát địa chất khu vực Hiệp Phước 3-37

Hình 3-3 Mặt cắt địa chất điển hình 3-38 Hình 3-4 Thiết bị lấy mẫu Piston (Osterberg) đường kính 100mm 3-39 Hình 3-5 Đánh giá chất lượng mẫu khu vực Hiệp Phước (Theo Lunne et al 1997) 3-39 Hình 3-6 Thiết bị thí nghiệm nén cố kết 3-40 Hình 3-7 Mối quan hệ hệ số cố kết cv theo độ sâu 3-41 Hình 3-8 Đồ thị so sánh tỉ số cố kết cv90 và cv50 từ TN cố kết truyền thống 3-42 Hình 3-9 Hệ số cố kết cv90 từ TN cố kết truyền thống lớp 1a&1b 3-43 Hình 3-10 Dạng điển hình của đất sét hạt mịn (silty clay) 3-43 Hình 3-11 Hệ thống Load Trac để tăng tải trong quá trình thí nghiệm CRS 3-44 Hình 3-12 Hộp nén CRS có đo áp lực nước lỗ rỗng 3-44 Hình 3-13 Mô hình hộp nén CRS có đo áp lực nước lỗ rỗng 3-45 Hình 3-14 Hệ thống Loadcell cảm biến đo áp lực đứng tự động 3-45 Hình 3-15 Mối quan hệ hệ số cố kết c v từ CRS theo độ sâu 3-46 Hình 3-16 Đồ thị so sánh tỉ số cố kết c v90 từ TN nén cố kết và c v từ TN CRS 3-46 Hình 3-17 Tỉ số ub/σv từ thí nghiệm CRS 3-48 Hình 3-18 Hệ số cố kết cv xác định từ CRS lớp 1a&1b 3-49 Hình 3-19 Một số hình ảnh về công tác chuẩn bị mẫu 3-50 Hình 3-20 So sánh hệ số cố kết Ch với hệ số cố kết Cv90 và Cv50 3-51 Hình 3-21 Các thiết bị hệ thống xuyên tĩnh điện không dây 3-53 Hình 3-22 Một số hình ảnh thực tế tại công trường 3-53 Hình 3-23 Lắp đặt vòng đo áp lực NLR vào mũi xuyên trong phễu glycerin 3-55 Hình 3-24 Dữ liệu xuyên CPT trên màn hình 3-55 Hình 3-25 Bảng số liệu thí nghiệm tiêu tán áp lực NLR 3-56 Hình 3-26 Đường cong tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng 3-57 Hình 3-27 Đồ thị biểu diễn độ lệch ứng suất theo biến dạng 3-57 Hình 3-28 Giá trị E 50 theo S u trong thí nghiệm nén 3 trục CU 3-58 Hình 3-29 Giá trị I r được xác định từ đường cong ứng suất – biến dạng trong thí nghiệm nén 3 trục theo S u 3-58 Hình 3-30 Giá trị I r xác định từ quan hệ (OCR, Ip) 3-59 Hình 3-31 So sánh giá trị C h xác định từ quan hệ (OCR, Ip) với thí nghiệm CU 3-60 Hình 3-32 Quan hệ (OCR, Ip) với chỉ số cứng I r từ thí nghiệm CU (Nguồn: Interpretation of In-Situ Tests, P.W Mayne) 3-61 Hình 3-33 Dạng đường cong xấp xỉ và đường cong tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng đều 3-62 Hình 3-34 Dạng đuờng cong xấp xỉ và đường cong tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng trễ 3-63

Hình 3-35 Giá trị OCR theo phương pháp CE-CSSM 3-64 Hình 3-36 Giá trị Ch theo phương pháp CE-CSSM 3-64 Hình 3-37 Dạng đuờng cong tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng trễ quan hệ với OCR 3-65

Hình 3-38 Đường cong tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng tại độ sâu 3.0-5.0m 3-66

Hình 3-39 Đường cong tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng tại độ sâu 5.0-10.0m 3-66

Hình 3-40 Đường cong tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng tại độ sâu 15.0-20.0m 3-67

Hình 3-41 Đường cong tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng tại độ sâu 20.0-25.0m 3-67 Hình 3-42 Đường cong tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng tại độ sâu 25.0-30.0m 3-68

Hình 3-43 Giá trị C h theo phương pháp Strain path 3-68

Hình 3-44 Đồ thị các tỉ số nén (theo thí nghiệm trong phòng và hiện trường) theo độ sâu 3-69 Hình 3-45 Tổng hợp hệ số cố kết theo các phương pháp tính khác nhau 3-70 Hình 3-46 So sánh giá trị OCR trong phòng và hiện trường 3-71 Hình 4-1 Sơ đồ bố trí các thiết bị quan trắc 4-73 Hình 4-2 Quá trình gia tải cát khu vực xử lý PVD 4-74 Hình 4-3 Đóng bấc thấm phạm vi khu vực xử lý 4-74 Hình 4-4 Thi công trải vải địa kỹ thuật 4-75 Hình 4-5 Ghi nhận số liệu đo lún sâu và áp lực nước lỗ rỗng 4-75 Hình 4-6 Quan trắc mực nước ngầm và đo lún mặt 4-76 Hình 4-7 Các thiết bị quan trắc cơ bản 4-76 Hình 4-8 Chi tiết bàn đo lún mặt 4-77 Hình 4-9 Chi tiết mốc quan trắc 4-78 Hình 4-10 Bộ đo lún sâu bằng nhện từ 4-78 Hình 4-11 Chi tiết lắp đặt thiết bị đo sâu bằng nhện từ 4-79 Hình 4-12 Thiết bị đo áp lực nước lỗ rỗng bằng dây rung 4-80 Hình 4-13 Chi tiết lắp đặt đầu đo áp lực nước lỗ rỗng 4-81 Hình 4-14 Bộ thiết bị đo chuyển vị ngang 4-81 Hình 4-15 Kết quả đo lún sâu ở vị trí E01 (Phase 1-1) 4-83 Hình 4-16 Kết quả đo lún sâu ở vị trí E1A (Phase 1-1) 4-84 Hình 4-17 Kết quả đo lún sâu ở vị trí E2D (Phase 1-2) 4-85 Hình 4-18 Kết quả đo lún sâu ở vị trí E03A (Phase 1-3) 4-86 Hình 4-19 Kết quả đo ALNLR ở vị trí P01 (Phase 1-1) 4-87 Hình 4-20 Kết quả đo ALNLR ở vị trí P01A (Phase 1-1) 4-88 Hình 4-21 Kết quả đo ALNLR ở vị trí P02D (Phase 1-2) 4-89 Hình 4-22 Kết quả đo ALNLR ở vị trí P03A (Phase 1-3) 4-90 Hình 4-23 Đồ thị biểu diễn độ lún lớp 1a theo phương pháp Asaoka ở vị trí E01 4-91 Hình 4-24 Đồ thị biểu diễn độ lún lớp 1a theo phương pháp Asaoka ở vị trí E01A 4-91 Hình 4-25 Đồ thị biểu diễn độ lún lớp 1a theo phương pháp Asaoka ở vị trí E02D 4-92 Hình 4-26 Đồ thị biểu diễn độ lún lớp 1a theo phương pháp Asaoka ở vị trí E03A 4-92 Hình 4-27 Đồ thị biểu diễn độ lún lớp 1a theo phương pháp Hyperbolic ở vị trí E01 4-94 Hình 4-28 Đồ thị biểu diễn độ lún lớp 1a theo phương pháp Hyperbolic ở vị trí E01A 4-94 Hình 4-29 Đồ thị biểu diễn độ lún lớp 1a theo phương pháp Hyperbolic ở vị trí E02D 4-95 Hình 4-30 Đồ thị biểu diễn độ lún lớp 1a theo phương pháp Hyperbolic ở vị trí E03A 4-95

Hình 4-31 So sánh độ lún cuối cùng giữa Asaoka và Hyperbolic 4-99 Hình 4-32 So sánh hệ số cố kết ngang c h giữa Asaoka và Piezometer 4-99 Hình 4-33 So sánh kết quả U(%) và C h theo các phương pháp khác nhau 4-100

Hình 4-34 Mô hình mô phỏng các lớp nền, lớp gia tải và CDM 4-105

Hình 4-35 Chuyển vị đứng Uy sử dụng mô hình Soft Soil Model 4-106 Hình 4-36 So sánh giữa kết quả mô phỏng bằng FEM và kết quả quan trắc tại SP04 4-107 Hình 4-37 So sánh giữa kết quả mô phỏng bằng FEM và kết quả quan trắc tại E03 4-108

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-1 Tỉ số kh/kv của một số loại đất sét (theo nghiên cứu Jamiokowski,1983) 1-2 Bảng 1-2 Bảng so sánh Cv từ thí nghiệm cố kết và phân tích ngược 1-4 Bảng 1-3 Bảng so sánh Ch từ thí nghiệm và phân tích ngược 1-4 Bảng 2-1 Tốc độ biến dạng phụ thuộc vào LL trong TN CRS (ASTM D4186-89) 2-16

Bảng 3-1 Bảng tổng hợp khối lượng khảo sát địa chất 3-36 Bảng 3-2 Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng mẫu dựa trên hệ số rỗng chuẩn hóa Δe/e o (Lunne et al 1997) 3-39 Bảng 3-3 Bảng tổng hợp số lượng mẫu thí nghiệm nén cố kết 3-40 Bảng 3-4 Bảng tổng hợp hệ số cố kết của các lớp đất yếu 3-41 Bảng 3-5 Bảng so sánh hệ số cố kết trong giai đoạn đàn hồi và giai đoạn dẻo 3-41 Bảng 3-6 Bảng tổng hợp hệ số cố kết từ TN CRS của các lớp đất yếu 3-46 Bảng 3-7 Giá trị đề xuất u/σ v của một số nhà nghiên cứu trước đây 3-48 Bảng 3-8 Bảng tổng hợp hệ số cố kết C h từ TN nén cố kết hiệu chỉnh 3-51 Bảng 3-9 Đặc trưng kỹ thuật đầu xuyên và tiêu chuẩn kỹ thuật Memocone II 3-54 Bảng 3-10 Bảng tổng hợp số lượng hố xuyên CPTu 3-56 Bảng 3-11 Tổng hợp giá trị C h theo phương pháp tính gián tiếp 3-60 Bảng 3-12 Tổng hợp giá trị I r từ quan hệ (OCR, I p ) 3-60 Bảng 3-13 Tổng hợp giá trị C h theo phương pháp CE-CSSM 3-65 Bảng 3-14 Tổng hợp giá trị C h theo phương pháp Strain path 3-69 Bảng 3-15 Tổng kết hệ số cố kết theo các phương pháp khác nhau 3-70 Bảng 4-1 Khối lượng quan trắc 4-72 Bảng 4-2 Tổng hợp kết quả tính theo phương pháp Asaoka 4-93 Bảng 4-3 Tổng hợp kết quả tính theo phương pháp Hyperbolic 4-96 Bảng 4-4 Tổng hợp các kết tính từ quan trắc áp lực nước lỗ rỗng 4-97 Bảng 4-5 Tổng hợp kết quả tính toán theo phương pháp Asaoka, Hyperbolic và đo áp lực nước lỗ rỗng 4-98 Bảng 4-6 Các thông số nền sử dụng trong mô hình FEM 4-103 Bảng 4-7 Các thông số cát gia tải và CDM sử dụng trong mô hình FEM 4-104

Bảng 4-8 Bảng thống kê và so sánh tỉ số c h / c v từ TN trong phòng và hiện trường 4-109

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Mở đầu

Hiện nay trên thế giới khó khăn nhất trong xử lý nền đất yếu là xác định hệ số

cố kết ngang Ch Vì hệ số ngang Ch có vai trò quyết định trong việc dự báo độ lún theo thời gian dựa trên lý thuyết cố kết xuyên tâm của Barron (1948) và Hansbo (1981) Do đó các nhà nghiên cứu trước đây tìm cách xác định tỉ số Ch/Cv để tìm ra qui luật chung cho đất sét yếu của mỗi vùng, mỗi khu vực:

¾ T.H.Seah (Ph.D, MIT) nghiên cứu xác định được tỉ số Cv(90)/Cv(50) = 1.3 và

C h(CRS) /C v(cố kết) =1.45 lần cho đất sét yếu Bangkok

Hình 1- 1 Đồ thị quan hệ giữa tỉ số C v(90) /C v(50) và ứng suất đứng có hiệu σ’ vo

Hình 1-2 Đồ thị so sánh tỉ số c h (CRS)/c v (cố kết)

Không có hoặc ít cấu trúc hạt lớn, chủ yếu nền đồng nhất 1 ÷1.5

Có cấu trúc hạt lớn, các loại sét trầm tích với các thấu

Sét trầm tích ao hồ và các lớp trầm tích có chứa nhiều

¾ Tỉ số kh/kv = 1.5 đối với đất sét trầm tích biển Singapore (Luận văn Tiến sĩ về

đề tài “Phân tích ngược các đặc trưng địa kỹ thuật đất sét trầm tích biển Singapore” của Ts Arulrajah

¾ Theo Qui trình khảo sát thiết kế nền đường ôtô đắp trên đất yếu

22TCN-262-2000, tỷ số m= kh/kv =2 ÷ 5

Khi sự phát triển vũ bão của khoa học kỹ thuật thì các phương pháp xác định hệ số

cố kết đứng Cv và hệ số cố kết ngang Ch trong phòng thí nghiệm ra đời thay cho việc sử dụng hộp nén cố kết truyền thống Đó là thí nghiệm CRS (cố kết với tốc độ biến dạng là hằng số - Constant rate of strain) để xác định Cv và hộp thấm Rowe để xác định Ch Các thí nghiệm mới này khắc phục nhược điểm hộp nén cố kết truyền thống chỉ xác định Cv mà không xác định được Ch, cũng như không đo được áp lực nước lỗ rỗng nhằm xác định chính xác thời gian cố kết Ngoài ra những nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng xác định Cv từ CRS cho kết quả thấp hơn nén cố kết truyền thống trên hộp nén thương mại (hộp nén Trung Quốc) nhưng xấp xỉ nhau trên hộp nén nghiên cứu (hộp nén Nhật) (nghiên cứu của Man B.T, Takemura J, Watabe Y,

Phương pháp Teh và Housby

Phương pháp CE-CSSM

Phương pháp đường biến dạng (Strain path)

Cách xác định hệ số Ch từ thí nghiệm này cũng là phương pháp hiệu quả để so sánh đối chiếu với các phương pháp xác định trong phòng và quan trắc ở hiện trường

Và vấn đề quan trọng trong việc dự báo tốc độ cố kết nền đất yếu là việc xác định hệ số cố kết ngang Ch ở hiện trường để so sánh với tính toán dự báo bằng

phương pháp giải tích cũng như so sánh với thí nghiệm xác định Cv, Ch trong

phòng Siew Ann Tan (1995) đã nghiên cứu hệ số Cv từ quan trắc và từ thí nghiệm

nén cố kết trong phòng trên đất sét Kaolin đưa ra kết luận sau:

Bảng 1- 2 Bảng so sánh Cv từ thí nghiệm cố kết và phân tích ngược

Hình 1-6 So sánh giá trị C v giữa phương pháp Hyperbolic, Asaoka và C v từ TN cố kết

Tương tự như trên, ông đã nghiên cứu hệ số Ch từ quan trắc và từ thí nghiệm

nén cố kết trong phòng trên những mẫu đất sét Kaolin đại diện khu vực trên công

trường, rồi gián tiếp xác định Ch dựa trên lý thuyết Hansbo (1981) cho truờng hợp

cố kết xuyên tâm và đưa ra kết luận sau:

Bảng 1- 3 Bảng so sánh Ch từ thí nghiệm và phân tích ngược

Hình 1-7 So sánh giá trị C h giữa phương pháp Hyperbolic, Asaoka và C h từ quan trắc

Do đó các vấn đề trên sẽ được giải quyết trong đề tài này để làm sáng tỏ các đặc trưng đối với đất yếu khu vực Hiệp Phước – TP HCM

1.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Thông số cố kết Cv và Ch được xác định từ thí nghiệm trong phòng và thí nghiệm hiện trường theo nhiều phương pháp khác nhau Từ các số liệu đo lún có được tại khu vực xử lý nền tiến hành phân tích ngược để xác định thông số cố kết

Cv và Ch chung cho khu vực Hiệp Phước – Nhà Bè

Do đó, mục tiêu nghiên cứu của đề tài là “Nghiên cứu xác định hệ số cố kết

C v và C h của đất yếu khu vực Hiệp Phước-Nhà Bè” Hệ số cố kết ngang của đất

sét Ch là một trong những thông số rất quan trọng giúp cho việc tính toán, dự đoán tốc độ lún của đất sét yếu trong công tác xử lý bằng phương pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước trên cơ sở lý thuyết cố kết thấm

Đối tượng nghiên cứu bao gồm các mục chính sau đây:

¾ Xác định hệ số cố kết Cv và Ch từ thí nghiệm trong phòng

Xác định Cv từ thí nghiệm nén Oedometer và CRS

Xác định Ch từ thí nghiệm hộp thấm Rowe

¾ Xác định hệ số cố kết Cv và Ch từ thí nghiệm hiện trường

Xác định Ch từ thí nghiệm đo áp lực nước lỗ rỗng của thiết bị xuyên tĩnh điện CPTu theo các phương pháp khác nhau

™ Phương pháp tính gián tiếp

™ Phương pháp CE-CSSM (Cavity Expension – Critical State Soil Mechanic)

™ Phương pháp đường biến dạng (Strain Path)

Xác định hệ số cố kết Cv và Ch từ kết quả phân tích ngược tại hiện

trường từ kết quả quan trắc lún và kết quả quan trắc áp lực nước lỗ rỗng (piezometer) theo 2 phương pháp

™ Phương pháp Asaoka

™ Phương pháp Hyberbol

¾ So sánh, đánh giá kết quả Cv và Ch trong phòng và ngoài hiện trường

1.3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đề tài “Nghiên cứu hệ số cố kết C v và C h trong phòng và ngoài hiện trường”

tại khu vực Hiệp Phước – Nhà Bè dựa trên các hồ sơ báo cáo khảo sát địa chất, hồ

sơ báo cáo quan trắc địa kỹ thuật do Công ty Cổ phần Tư vấn Thiết kế Cảng - Kỹ thuật Biển (PortCoast Consultant) lập:

1 Cảng Khu công nghiệp Hiệp Phước - Tp Hồ Chí Minh (Tháng 11/2005)

2 Cảng Container Trung Tâm Sài Gòn - Khu công nghiệp Hiệp Phước, Tp Hồ Chí Minh (Tháng 07/2006)

3 Cảng Sài Gòn - Hiệp Phước tại Tp Hồ Chí Minh (Tháng 11/2008)

4 Số liệu quan trắc lún khu vực Hiệp Phước (Tháng 04/2007 – 06/2008)

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

Hầu hết các loại trầm tích sét có đặc điểm cố kết theo phương đứng và ngang

khác nhau do sự khác biệt về hệ số thấm cũng như tính nén lún theo hai phương

này Các đặc điểm cố kết này có thể được xác định từ thí nghiệm trong phòng hoặc

thí nghiệm hiện trường

2.1 Lý thuyết cố kết thấm dứng và ngang

2.1.1 Lý thuyết cố kết thấm đứng

Cố kết mô tả quá trình phụ thuộc vào thời gian trong đó đất bảo hòa thay đổi thể

tích nước trong lỗ rỗng tương ứng với tải trọng tác động Quá trình này kết hợp với

sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng Ban đầu tải trọng do nước gánh đỡ, sau khi áp lực

nước lỗ rỗng tiêu tán hết thì phần tải trọng bên trên sẽ do khung hạt đất gánh đỡ

tương ứng với ứng suất có hiệu

Năm 1925, Terzaghi đã trình bày lý thuyết dựa trên mô hình thể hiện Hình 2-1

để đánh giá cố kết sơ cấp Để phát triển lý thuyết cố kết 1 trục, Terzaghi đã đưa ra

các giả thiết sau:

9 Đất bão hòa nước, đồng nhất và đẳng hướng

9 Hạt đất và nước lỗ rỗng không bị nén

9 Tính nén lún và dòng chảy nước trong lỗ rỗng là 1 chiều theo phương đứng

9 Biến dạng là tương đối nhỏ

9 Định luật Darcy mô tả dòng chảy của nước trong đất Định luật được tổng

quát hóa trong môi trường thấm không đẳng hướng

9 Những đặc trưng của đất như: mv, kv, cv vẫn giữ hằng số trong suốt quá trình

Liên quan đến giả thiết trên, có những hạn chế của mô hình Terzaghi trong thực tế:

9 Định luật Darcy chỉ áp dụng đối với độ dốc thủy lực thấp

9 Khi đất bị nén, hệ số rỗng giảm vì thế hệ số thấm đứng kv giảm Hệ số nén

thể tích mv, cũng giảm theo; quan hệ logarith với hệ số rỗng e và ứng suất có

hiệu σ’v Tuy nhiên, đối với biến dạng nhỏ, giả thiết mv, kv, cv hằng số và

mối quan hệ tuyến tính giữa e và σ’v là hợp lý

Quá trình cố kết có liên quan đến quá trình tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng Vì thế,

phương trình Terzaghi liên quan đến áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tại độ sâu z, với

Trong trường hợp áp lực nước thủy tĩnh ban đầu là hằng số, Terzaghi (1943) đã

đưa ra mức độ cố kết trung bình dựa trên thoát nước theo phương đứng như sau:

Giá trị Uv là hàm của nhân tố thời gian Tv Hình 2-2&2-3 thể hiện mức độ cố kết

trung bình Uv vẽ theo nhân tố thời gian Tv dưới dạng logarith và dạng căn bậc 2

(2.1)

(2.2)

(2.3)

Hình 2-2 Mối quan hệ Tv (logarith) với Uv(%)(Nguồn: Head, 1982)

Hình 2-3 Mối quan hệ T v (căn t) với U v (%)(Nguồn: Head, 1982)

2.1.2 Lý thuyết cố kết thấm ngang

Việc phân loại thí nghiệm cố kết ngang được dựa trên 02 điều kiện thoát nước ngang, lần lượt là thoát nước xuyên tâm hướng ra ngoài và hướng vào trong Trong thí nghiệm cố kết ngang xuyên tâm hướng vào trong, áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán xuyên tâm từ mẫu thử hướng vào tâm thoát nước Đối với thí nghiệm cố kết ngang xuyên tâm hướng ra ngoài, áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán xuyên tâm hướng ra ngoài mẫu thử khi chịu nén hướng về phía chu vi đường thoát nước

2.1.2.1 Trường hợp thoát nước xuyên tâm hướng vào trong

Barron (1948) đã tiến hành nghiên cứu 1 cách toàn diện cố kết xuyên tâm hướng vào trong bằng việc giả thiết tương tự như lý thuyết cố kết 1 trục của Terzaghi Ngoại trừ dòng chảy chảy theo phương ngang Việc phân tích cố kết ngang dựa trên các giả thiết sau:

9 Đất bão hòa nước, đồng nhất và đẳng hướng

9 Đất biến dạng chỉ theo phương đứng

9 Hạt đất và nước lỗ rỗng không bị nén

9 Tuân theo định luật Darcy

9 Nước lỗ rỗng chỉ tiêu tán theo phương ngang, thoát nước xuyên tâm hướng vào trong hoặc hướng ra ngoài và theo phương đứng không xảy ra

Barron đưa ra 02 điều kiện biên thoát nước: biến dạng đứng tự do và biến dạng đứng đồng đều

Biến dạng đứng tự do là kết quả từ sự phân phối đều của tải trọng lên bề mặt Giả thiết rằng ứng suất đứng trên bề mặt là hằng số trong suốt quá trình thí nghiệm

Vì thế kết quả chuyển vị đứng bề mặt là không giống nhau

Biến dạng đứng đồng đều tức là biến dạng theo phương đứng giống nhau tại mọi điểm trên bề mặt Giả thiết rằng chuyển vị đứng bề mặt là hằng số và ứng suất theo phương đứng trên bề mặt là không giống nhau

Đối với cố kết xuyên tâm, điều kiện biến dạng đứng tự do, phương trình cơ bản trong hệ tọa độ trụ như sau:

Trong đó: u áp lực nước lỗ rỗng thặng dự

ch hệ số cố kết theo phương ngang, ch= kh mv/γw

kh hệ số thấm theo phương ngang

mv hệ số nén thể tích

γw dung trọng nước (kN/m3)

Kết quả so sánh của Barron giữa trường hợp biến dạng tự do và biến dạng đồng đều cho thấy rằng mức độ cố kết trung bình giống nhau khi giá trị tỉ số khoảng cách thoát nước n=de/dw > 5 và nhân tố thời gian Th>0.1 (Hình 2-4)

(2.4)

Hình 2- 4 Mối quan hệ mức độ cố kết trung bình theo nhân tố thời gian trường hợp điều kiện biên biến dạng đều và biến dạng tự do khi n=5 (Nguồn: Trautwein,1980)

Việc hiệu chỉnh trong trường hợp biến dạng đều nhận được phương trình sau:

Trong đó: u áp lực nước lỗ rỗng thặng dư

uo áp lực nước lỗ rỗng ban đầu

re bán kính tương đương khối trụ (de/2)

rw bán kính thoát nước (dw/2)

Th =Cht/de2

n =de/dw

dw đường kính thoát nước

Do đó, mức độ cố kết trung bình trường hợp thoát nước xuyên tâm trở thành:

Đường kính hình trụ tương tương, de được xác định dựa trên việc bố trí theo lưới

ô vuông hay lưới tam giác Trong tế, việc bố trí theo lưới tam giác kinh tế hơn theo lưới ô vuông (Barron, 1948) Trong cả 02 trường hợp, vấn đề điều kiện biên được phân tích dựa trên đường kính hình trụ tương đương de, có bề mặt đứng bên ngoài không thấm và thoát nước theo hình trụ bên trong

(2.5)

(2.6)

(2.7)

Hình 2-5 Hai dạng bố trí lưới thoát nước và hình trụ tương đương (Nguồn: Holtz et

al., 1991)

2.1.2.2 Thoát nước xuyên tâm theo chu vi

Đối với cố kết ngang thoát nước xuyên tâm theo chu vi do tải tác dụng với biến dạng đều thì mối quan hệ giữa nhân tố thời gian và mức độ cố kết trung

bình được thể hiện Hình 2-6 Vị trí của điểm T90 tương quan với đoạn tuyến tính của đường cong với hệ số độ dốc là 1.17 trên đồ thị độ lún theo t Điểm t50 tìm được bằng cách nội suy

Hình 2-6 Đường cong lý thuyết quan hệ giữa t và U v trường hợp thoát nước xuyên tâm hướng ra ngoài theo chu vi với tải biến dạng đều (Nguồn: Head, 1968)

Từ Hình 2-6, ta nhận được giá trị nhân tố thời gian Tv như sau:

Hệ số cố kết ngang, ch, được tính toán dựa trên công thức sau:

hệ nhân tố thời gian theo lý thuyết với mức độ cố kết Uv được thể hiện Hình 2-7

Hình 2-7 Đường cong lý thuyết quan hệ giữa t và U v trường hợp thoát nước xuyên tâm hướng ra ngoài với tải biến dạng tự do (Nguồn: McKinlay, 1961)

Vị trí của điểm cố kết 90% tương quan với đoạn tuyến tính của đường cong với

hệ số độ dốc là 1.22 Trong thí nghiệm, đồ thị vẽ độ lún theo t0.465 sẽ xác định được

t90

(2.8) (2.8)

(2.9)

Giá trị nhân tố thời gian theo lý thuyết nhận được từ mối quan hệ độ lún của McKinlay tương ứng là:

Tương ứng giá trị đo áp lực nước lỗ rỗng nhận được tại tâm của đáy mẫu thử:

2.2 Các phương pháp xác định C v và C h từ thí nghiệm trong phòng

2.2.1 Các phương pháp xác định C v từ thí nghiệm nén cố kết

Hệ số cố kết theo phương thẳng đứng (Cv) được xác định theo hai phương pháp thông thường:

(a) Phương pháp Taylor hay còn gọi là phương pháp t

(b) Phương pháp Casagrande hay còn gọi là phương pháp log(t)

Phương pháp Casagrande để xác định hệ số Cv tương ứng với độ cố kết 50% và phương pháp Taylor dùng để xác định được hệ số Cv tương ứng với độ cố kết 90%

t

HT

C = (2.10)

Trong đó:

Tv - hệ số thời gian ứng với cố kết 50%, Tv = 0.197

H – chiều dài đường thấm, cm

t50 - thời gian cần thiết để đạt đến độ cố kết 50%, phút

Hình 2-8 Xác định hệ số Cv theo phương pháp Casagrande

2.2.1.2 Phương pháp Taylor

Trong phương pháp Taylor, số đọc đồng hồ đo chuyển vị được ghi nhận trong

suốt quá trình cố kết và vẽ trên đồ thị theo căn bậc hai thời gian (Hình 2-9) Từ đó

tính ra hệ số cố kết Cv theo công thức sau:

90

2 v

HT

C = (2.11)

Trong đó:

Tv - hệ số thời gian ứng với cố kết 90%, Tv = 0.848

H – chiều dài đường thấm, cm

t50 - thời gian cần thiết để đạt đến độ cố kết 90%, phút

Hình 2 - 9 Xác định hệ số Cv theo phương pháp Taylor

2.2.2 Các phương pháp xác định C v từ thí nghiệm CRS

Thí nghiệm nén cố kết với tốc độ biến dạng là hằng số (CRS) là thí nghiệm mà biến dạng đứng của mẫu được tác động với tốc độ là hằng số [δ(ΔH/δt) = constant]

và trình bày Hình 2-10 Thực ra, thí nghiệm này được xem như thí nghiệm “tốc độ

chuyển vị là hằng số”, giống với thí nghiệm tốc độ biến dạng là hằng số nếu biến dạng luôn luôn xác định theo chiều cao mẫu ban đầu

Tải trọng trong thí nghiệm CRS được áp vào liên tục phù hợp với tốc độ biến dạng Với tốc độ biến dạng phù hợp, thời gian thí nghiệm cố kết tốn chỉ hơn 26 giờ ứng với biến dạng mẫu là 30% so với 01 tuần của thí nghiệm cố kết tiêu chuẩn

Hình 2-10 Đặc trưng biến dạng không đổi trong thí nghiệm CRS

Bảng 2- 1 Tốc độ biến dạng phụ thuộc vào LL trong TN CRS (ASTM D4186-89)

Znidarcic (1984) cho rằng Hamilton và Crawford là những nhà nghiên cứu đầu tiên đề xuất tốc độ hằng số để tăng nhanh quá trình cố kết và thí nghiệm dưới tốc độ biến dạng gần xấp xỉ với tốc độ biến dạng tại công trường Họ nhận thấy rằng mối quan hệ giữa hệ số rỗng và ứng suất có hiệu thẳng đứng phụ thuộc đáng kể vào mức độ biến dạng của thí nghiệm Ứng suất có hiệu trong mẫu đất không thể tính được bởi vì không đo được áp lực nước lỗ rỗng trong suốt quá trình thí nghiệm

Sau những đề xuất đầu tiên trong thí nghiệm CRS của Hamilton và Crawford, nhiều phương pháp và khái niệm cải tiến trong thí nghiệm CRS được đề nghị Smith

và Wahls (1969), Wissa (1971), Umehara và Zen, Lee (1981) đã tiến hành phân tích thí nghiệm CRS (Znidarcic 1984) Các nhà nghiên cứu này đã sử dụng khái niệm

Hamilton và Crawford như là khái niệm cơ bản để đề xuất ra nhiều phương cách phân tích mới cải tiến và phát triển thí nghiệm CRS

2.2.2.1 Phương pháp theo ASTM D 4186 – 98

Biến dạng dọc trục xác định theo công thức sau:

Trong đó: Ho chiều cao mẫu ban đầu

ΔH biến dạng mẫu

Áp lực đứng xác định theo công thức sau:

Trong đó: P tải dọc trục

Ứng suất thẳng dứng có hiệu xác định theo công thức sau:

Trong đó: ub áp lực nước lỗ rỗng thặng dư đo được tại đáy mẫu

Khi áp lực nước lỗ rỗng thặng dư đo được tại đáy mẫu tiến đến 3kPa, công thức xác định hệ số cố kết Cv giữa 2 lần đo xác định theo công thức sau:

Trong đó: σv1 ứng suất dọc trục tại thời điểm t1

σv2 ứng suất dọc trục tại thời điểm t2

H chiều cao mẫu trung bình giữa t1 và t2

Δt = t2 - t1

ub áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trung bình giữa t1 và t2

σv ứng suất dọc trục trung bình giữa t1 và t2

Khi xác định Cv, tốc độ biến dạng không được thay đổi trong suốt quá trình thí nghiệm

2.2.2.2 Phương pháp Wissa (1971)

Trong phương pháp Wissa, phương trình cơ bản cố kết thấm được viết dưới dạng:

2 2

v c

Phương trình này nhận được từ lý thuyết cố kết biến dạng hữu hạn bằng cách

bỏ qua trọng lượng bản thân của vật liệu, giả thiết biến dạng vô cùng nhỏ, hệ số cố

(2.12)

(2.13)

(2.14)

(2.15)

kết c v =k/γw m v là hằng số Để giải phương trình này, Wissa đã định nghĩa chuyển

vị không thứ nguyên D với biến dạng ε = −δD/δX và nhận được phương trình cơ bản dưới dạng chuyển vị không thứ nguyên

Trong điều kiện tức thời, hàm mũ exp trong phương trình 2.18 bỏ qua và nhận được phân phối biến dạng theo hàm parabol:

2 2 2

2'

2

2

o v

h c

Trong đó:

2.2.2.3 Phương pháp Smith & Wahls (1969)

Việc phân tích của Smith và Walhs dựa trên phương trình liên tục thể hiện bằng hệ tọa độ Eulerian

1 1

tan

d e

r cons t dt

−

Trong đó e hệ số rỗng trung bình tại thời điểm bất kì

Các tác giả đưa ra 2 giả thiết để nhận được 1 lời giải duy nhất Giả thiết thứ nhất là hệ số rỗng được giả thiết là hàm tuyến tính với thời gian và giả thiết thứ 2 là

nó tuyến tính với biến số không gian Sau khi giả thiết, biểu thức xác định hệ số rỗng thu nhận được từ phương trình sau:

và thời gian Nhận thấy rằng khoảng giới hạn thực cho tỉ số b/r nằm trong khoảng 0 đến 2

Sử dụng định nghĩa hệ số rỗng và điều kiện biên của bài toán, biểu thức đơn giản thu được bằng cách thay (1+e) trong phương trình 2.27 bằng (1+e)

b e

2.2.2.4 Phương pháp Lee (1981)

Lee (1981) sử dụng phương trình cơ bản theo biến số hệ số rỗng n:

Trong đó, ζ là hệ tọa độ Euler, t là biến số thời gian Giải phương trình trên với điều kiện biên thích hợp bằng phương pháp số bằng việc giả thiết hệ số cố kết là hằng số trong suốt quá trình thí nghiệm Thông số không thứ nguyên β được xác định như sau:

Thông số β thường nhỏ (< 0.1), lời giải biến dạng hữu hạn gần xấp xỉ lời giải biến dạng vi phân Phương pháp phân tích này giống với phương pháp đề xuất bởi Wissa et al (1971) Phương pháp này chia làm 2 phần: trạng thái tức thời và lâu dài

Ở trạng thái tức thời, có sự đồng dạng giữa lý thuyết biến dạng hữu hạn và lý thuyết vi phân, và vì thế việc phân tích giống với phương pháp được đề xuất bởi Wissa et al (1971) Việc phân tích trạng thái lâu dài có sự điều chỉnh đôi chút Trước tiên, người ta nhận thấy rằng trạng thái lâu dài không tồn tại trong suốt quá trình thí nghiệm khi công thức biến dạng hữu hạn được sử dụng Vì thế cần phải sử dụng một số giả thiết bổ sung để phân tích tương tự như phương pháp đề xuất bởi Wissa et al (1971) cho trạng thái ổn định Giả thiết trước tiên là sự phân phối biến dạng của mẫu thử có thể xấp xỉ bằng hàm parabol Giả thiết này là kết quả phân tích khi sử dụng lý thuyết biến dạng vi phân Sau đó bỏ qua số hạng bậc cao của thông

số β, ta nhận được biểu thức đơn giản xác định hệ số cố kết

(2.30)

(2.31)

(2.32)

(2.33)

Biểu thức này tương tự như biểu thức được đề xuất bởi Wissa et al (1971), chỉ khác

là chiều cao H ứng với chiều cao mẫu hiện tại, trong khi biểu thức Wissa et al

(1971) chiều cao H ứng với chiều cao mẫu ban đầu

2.2.3 Phương pháp xác định C h từ thí nghiệm hộp thấm Rowe Cell

Hộp thấm Rowe được phát triển tại Đại học Manchester bởi Giáo sư

P.W.Rowe và Barden (1996) Họ tìm cách khắc phục nhược điểm của hộp nén cố

kết truyền thống khi thí nghiệm trên những mẫu có hệ số thấm bé

Hình 2- 11 Hộp thấm Rowe Cell

Hình 2- 12 Mặt cắt ngang hộp thấm Rowe Cell

Thiết kế hộp thấm Rowe khác biệt so với hộp nén cố kết truyền thống là gia tải thủy lực bằng áp lực nước tác động lên màn chắn (diaphram) mềm thay cho hệ

thống cơ khí (Hình 2-11) Thí nghiệm này sử dụng mẫu đường kính lớn (10 inches)

và cho phép biến dạng lún lớn Đặc điểm quan trọng là khả năng điều khiển thoát nước và đo áp lực nước lỗ rỗng (p.w.p) trong suốt quá trình thí nghiệm Thí nghiệm

có thể tiến hành theo các điều kiện thoát nước khác nhau (thoát nước đứng và ngang)

Hình 2- 13 Mô hình thí nghiệm thấm đứng và thấm ngang từ hộp thấm Rowe Cell

Hình 2- 14 Sự phân bố áp lực nước từ thí nghiệm thấm Rowe Cell

Xác định hệ số thấm dựa trên định luật Darcy:

(2.34)

Ta có phương trình xác định hệ số thấm kr:

2 1

ln 2

r

r

q g k

ρπ

Do những lý do trên, mà việc xác định Ch và Cv trong phòng còn nhiều sai số

Để hạn chế những sai số trên cũng như xác định Ch và Cv đúng với trạng thái làm

việc tại hiện trường, hiện nay trên thế giới đã phát triển những thiết bị đo tiên tiến

để xác định Ch và Cv ở hiện trường Trong đó phải kể đến thiết bị xuyên có gắn đầu

đo áp lực nước lỗ rỗng Nó không chỉ cung cấp các thông tin về địa tầng cũng như

loại đất mà còn dùng để xác định Ch của đất tại hiện trường

2.3 Xác định C h hiện trường từ thí nghiệm tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng của

thiết bị CPTu

Tiêu tán lỗ rỗng chiếm ưu thế theo phương ngang Hệ số cố kết theo phương

ngang Ch từ thí nghiệm với thiết bị piezocone có thể xác định theo 3 phương pháp

khác nhau

2.3.1 Phương pháp tính gián tiếp (Phương pháp Teh & Houlsby)

Tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian sau khi dừng cần xuyên trong suốt

quá trình tiến hành thí nghiệm CPTu dùng để đánh giá hệ số cố kết ngang Ch, đây là

một thông số quan trọng trong việc thiết kế thoát nước và phương pháp này được đề

nghị bởi Teh và Houlsby (1991) theo công thức sau:

50 r 2

IR

*T

t50 – thời gian tiêu tán 50%

Ir – chỉ số độ cứng Đối với đất sét, chỉ số độ cứng (Ir) được xác định theo:

1 Ir = G/Su = E/3Su với G là môđun cắt của đất và E là môđun biến dạng E =

E50 tính từ thí nghiệm ba trục CU, Su = cường độ kháng cắt không thoát nước

2 Ir được xác định dựa theo công thức kinh nghiệm theo tương quan kinh nghiệm giữa hệ số quá cố kết và chỉ số dẻo (OCR, Ip) - Keaveny & Mitchell,

1986 - như sau:

8 0 2 3

p

r

26

)1OCR(1ln1

23

I137expI

Một phương pháp khác để đánh giá giá trị Ch từ thí nghiệm tiêu tán áp lực nước

lỗ rỗng (ALNLR), Burns & Mayne (1998), đã chứng tỏ phù hợp với hai trường hợp

tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng là đều (monotonic) và trễ (dilatory) Mô hình phân tích này dựa trên khái niệm trương nở hai bên và trạng thái tới hạn (CE-CSSM)

τmax = S u

Số liệu đo Δu = Δυ oct + Δu shear

Vùng đàn hồi

Eu = 3G

Độ gia tăng áp lực nước lỗ rỗng

Δu trong quá trình cắt (CSSM)

Ứng suất bát diện Δu (SCE)

Hình 2-15 Các thành phần chuẩn & lực cắt do tác động bên ngoài của ALNLR xung

quanh đầu cone

Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư thu được từ thí nghiệm CPTu trên thực tế là sự kết hợp của hai thành phần ứng suất khác nhau:

Δu = Δuoct + Δushear (2.39)

Thay cho việc đơn thuần là tìm một điểm trên đường cong tiêu tán áp lực nước

lỗ rỗng thì đường cong liên tục được làm cho phù hợp để đưa ra giá trị hệ số cố kết ngang Ch chung tiêu biểu nhất Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư Δut tại bất kì thời điểm t nào cũng có thể so sánh với giá trị ban đầu trong suốt quá trình xuyên (Δui =

u2-uo) cho bởi công thức sau:

Δui = (Δuoct)i + (Δushear)i (2.40)Trong đó:

(Δuoct)i = (2/3)Mσ’vo(OCR/2) ΛlnIr

(Δushear)i = σ’vo[1-(OCR/2)Λ]

M = 6sinφ’/(3-sinφ’) – Độ dốc của đường trạng thái tới hạn

)u(

*T501

)u(

u oct i shear i

+

Δ++

h

)IR

tC

*

Thử dần để tìm giá trị Ch có đường cong xấp xỉ theo phương pháp CE-CSSM gần khít với các điểm đo nhất

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Hình 2-16 Giá trị ALNLR thặng dư với log(t) theo phương pháp CE-CSSM

2.3.3 Phương pháp đường biến dạng (Strain path)

Biểu đồ chuẩn hóa được trình bày với áp lực lỗ rỗng thặng dư tiêu chuẩn U tại

thời gian t trong Hình 2-17 như sau:

o i

o t i

t

uu

uuu

uU

−

−

=Δ

Δ

Trong đó, U là áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tiêu chuẩn, ut là áp lực nước lỗ rỗng tại thời gian t, ui là áp lực nước lỗ rỗng ban đầu tại thời điểm t=0, uo là áp lực nước lỗ rỗng ban đầu trước khi tiến hành xuyên

cố kết ngang Ch được ứng tính thông qua áp lực nước lỗ rỗng thu được từ CPTu kết hợp với việc xem xét chỉ số độ cứng Ir (= G/Su = E/3Su) từ thí nghiệm 3 trục CU cho bởi công thức sau:

r 2

hIR

tC

Hình 2-17 Đường cong tiêu táp áp lực nước lỗ rỗng (Teh & Housby, 1991)

2.3.4 Hoán chuyển giá trị Ch từ thí nghiệm CPTu sang Ch ở trạng thái cố kết thường

Nói chung, các giá trị Ch tính được từ thí nghiệm CPTu theo các phương pháp khác nhau tương ứng trạng thái quá cố kết (OC) Vì vậy ta cần phải chuyển các giá trị Ch ở trạng thái OC thành các giá trị Ch ở trạng thái cố kết thường (NC) Phương

pháp được đề nghị bởi Baligh và Levadoux (1986) dựa trên mối quan hệ sau đây:

CR

RR)NC(

oe1

CrRR

+

oe1

CcCR

2.4 Các phương pháp xác định Cv và C h từ kết quả quan trắc hiện trường

Hệ số cố kết theo phương ngang Ch là một thông số rất quan trọng trong việc dự đoán tốc độ lún của đất sét yếu trong xử lý nền đất yếu bằng phương pháp bấc thấm kết hợp với gia tải trước.Việc dự đoán đúng phụ thuộc vào sự lựa chọn các thông số tính toán của người kỹ sư thiết kế

Vì thế, các kỹ sư phải kiểm tra lại các ứng xử của đất bằng các thiết bị quan trắc

về lún, áp lực nước lỗ rỗng, cho phép tính toán ngược xác định thông số Ch từ các kết quả đo

2.4.1 Phân tích các dữ liệu từ các thiết bị quan trắc

Nghiên cứu các thông số cố kết nêu trên giúp ta lựa chọn các giải pháp thiết kế, chọn ra phương pháp và lập ra một kế hoạch thi công hợp lý, loại trừ tối đa các sự

cố hoặc sai số lớn có thể xảy ra Tuy nhiên, để nghiên cứu các hiện tượng thực tế đang diễn ra trong quá trình thi công và sau khi đưa công trình vào khai thác cần tiến hành công tác quan trắc và kiểm tra Có các phương pháp khác nhau để đánh giá và kiểm tra được trạng thái làm việc của nền móng là phù hợp với kết quả tính toán trong những khoảng thời gian thi công như nhau Mức độ thay đổi có thể được quan trắc và đánh giá thông qua theo từng giai đoạn của dự án Đánh giá độ cố kết

và hệ số cố kết Cv và Ch thông qua các hiện tượng quan trắc như độ lún biến đổi theo thời gian và áp lực nước lỗ rỗng biến đổi theo thời gian là cách thực hiện phổ biến hiện nay

2.4.1.1 Quan trắc độ lún

Mục đích của quan trắc lún là thể hiện được tiến trình lún thực tế của đất đắp trên nền đất yếu theo thời gian ấn định trong quá trình và sau khi kết thúc thi công như dự báo Có hai phương pháp dùng để đo đạc trong quá trình quan trắc lún là đo lún mặt (Settlement Plate) và đo lún sâu (Extensometer)

Độ cố kết trung bình có thể được xác định một cách đơn giản dựa trên cơ sở lún

Độ cố kết trung bình tại thời điểm t sau khi chất tải được định nghĩa bằng tỷ số của

độ lún ở thời điểm t và độ lún sau khi cố kết thấm kết thúc

ult

tS

S(%)

U(%) = độ cố kết

St = độ lún ở thời điểm t

Sult = độ lún ổn định sau khi cố kết thấm kết thúc

Đối với các công trình xây dựng trên nền đất yếu, việc dự đoán cường độ và tốc

độ lún từ các thông số thiết kế ở công tác khảo sát trước đó Từ kết quả đo lún và dự

đoán độ lún ổn định sẽ xác định được độ cố kết theo công thức (2.48)

Để dự đoán chính xác hơn độ lún ổn định từ các dữ liệu quan trắc có thể được

tính toán bằng cách phân tích các dữ liệu đo lún Theo báo cáo của Tan (1993) thì

phương pháp hyperbolic là phương pháp thích hợp để dự đoán lún cho việc xử lý nền đất bằng thiết bị tiêu nước thẳng đứng nếu hệ số mái dốc hiệu chỉnh có liên

quan đến hệ số thoát nước và bề dày của nó Đề xuất của Asaoka (1978) là phương

pháp dự đoán lún dựa trên dữ liệu quan trắc lún và điều chỉnh đường cong đó

2.4.1.2 Đo áp lực nước lỗ rỗng (Piezometers)

Thiết bị Piezometer hay còn gọi là đầu đo áp lực nước lỗ rỗng thường được sử dụng để đo áp lực lỗ rỗng trong đất nằm dưới và chịu tác động của một đất đắp Áp