Nghiên cứu hóa lỏng cát nền đê Hữu Hồng đoạn km 73+500 - Km 74+100, chịu tải trọng chu kỳ, không thoát nước - Nguyễn Hồng Nam

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 9 NGHI N C U H ỎNG CÁT NỀN Đ H U H NG ĐO N K – K CH U T I TR NG CHU K KHÔNG THOÁT NƯỚC NGUYỄN HỒNG NAM*, NG THỊ NGỌC V N** Study on liquefaction of right red river dyke sand, K73+500 – K74+100 subjected to undrained cyclic loading Abstract: Study on earthquake liquefaction of sand specimens which had been sampled from layer 3a of the boreholes in the foundation of the right Red river dyke segment K73+500-K74+100 was implemented. A series of sand cylindrical specimens with diameter of 50mm, height of 100mm were subjected to sinusidal wave loading with the frequency of 0.1Hz, under constant confining stress of 100 kPa and void ratio with controlled stress ratios between 0.1 and 0.3. The test results revealed that it can be determined exactly the liquefaction characteristics of Red river sand such as the vartion of excess porewater pressure, axial strain and cyclic stress ratio with the number of loading cycles causing the specmien liquefied. The test results would be useful for liquefaction prediction for Red river sand subjected to earthquake loading. Keywords: eathquake, liquefaction, sand, river dyke, cyclic loading.. I. ĐẶT VẤN ĐỀ * Hóa lỏng do động đất có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng đối với công trình, gây sụt lún mặt đất, lún nền công trình, làm mất khả năng chịu tải của nền, gây phá hủy nghiêm trọng công trình. Nhiều sự cố đê sông do hóa lỏng nền đƣợc quan sát trong hầu hết các trận động đất lớn tại Nhật Bản (Adalier và Sharp, 2004). Hà Nội nằm trong vùng đứt gãy sông Hồng- sông Chảy, nơi đã xảy ra các trận động đất mạnh 5,1-5,5 độ Richter. Chu kỳ lặp lại động * Trường Đại học Thủy lợi, 175 Tây Sơn, Đ ng Đa, Hà Nội, Điện thoại liên hệ: 0904359460 Email: hongnam@wru.vn; ** Trường Đại học Thủy lợi, 175 Tây Sơn, Đ ng Đa, Hà Nội, Điện thoại liên hệ: 0989051551 Email: vanntn@tlu.edu.vn; đất mạnh 5,4 độ Richter ở Hà Nội là 1.100 năm và trận động đất mạnh cuối cùng xảy ra cách đây đã hơn 700 năm (1285). Hiện Hà Nội đang trong thời kỳ yên tĩnh nhƣng trong tƣơng lai hoạt động động đất có thể tăng lên và động đất mạnh có thể xảy ra. Ngoài ra, Hà Nội còn phải chịu tác động của động đất mạnh xảy ra ở những vùng đứt gãy lân cận nhƣ đứt gãy sông Lô, Đông Triều, Sơn La (Nguyễn Đình Xuyên, 2004). Hà Nội hiện có 20 tuyến đê chính với tổng chiều dài 469,913 km, trong đó: tuyến đê hữu Hồng đoạn qua thành phố Hà Nội dài tổng cộng 128,6km là đê cấp đặc biệt, bảo vệ cho trên 160.000ha diện tích lƣu vực của thủ đô Hà Nội. Tuyến đê hữu Hồng có nhiệm vụ cực kỳ quan trọng là phòng chống lụt bão, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho thủ đô Hà Nội. Tuy nhiên trong thân, nền đê tiềm ẩn nhiều ẩn họa khó lƣờng nhất là những đoạn đê đắp trực tiếp trên nền đất yếu, đất cát phân bố nông, bão hòa nƣớc dễ xảy ra khả năng hóa lỏng khi chịu tác động ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 10 của động đất mạnh. Hóa lỏng do động đất chƣa đƣợc xem xét khi thiết kế các công trình đê đập vật liệu địa phƣơng tại Việt Nam. Để đánh giá định lƣợng khả năng kích hoạt hóa lỏng, bƣớc quan trọng đầu tiên cần cho hầu hết các dự án chính là liên quan đến khả năng hóa lỏng do động đất. Có hai xu hƣớng tổng hợp cho việc này (Seed et al., 2003): (1) sử dụng thí nghiệm trong phòng trên các mẫu ―nguyên dạng‖ và (2) sử dụng các quan hệ kinh nghiệm dựa trên tƣơng quan ứng xử quan sát hiện trƣờng với các thí nghiệm hiện trƣờng. Nhiều thí nghiệm trong phòng đã đƣợc thực hiện trong những điều kiện khác nhau cho thấy biến dạng nền lớn thƣờng xuất hiện sau hóa lỏng đất cát. Việc sử dụng các thí nghiệm hiện trƣờng là xu hƣớng phổ biến trong thực tiễn kỹ thuật do tính đơn giản, thuận tiện trong việc ƣớc tính sức kháng hóa lỏng tại thực địa. Mặt khác, việc sử dụng thí nghiệm trong phòng là phức tạp bởi những khó khăn liên quan đến sự xáo trộn mẫu khi lấy mẫu và cố kết lại nhƣng có nhiều mặt tích cực (Seed et al., 2003). Nghiên cứu khả năng hóa lỏng của cát nền đê Hữu Hồng đƣợc thực hiện đối với đoạn đê Hữu Hồng từ K73+500 đến K74+100 thuộc địa phận quận Hoàng Mai, Thành phố Hà Nội. Một loạt các thí nghiệm trong phòng trên máy ba trục động đƣợc tiến hành đối với đất cát đƣợc lấy mẫu từ các hố khoan tại thực địa. II. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Thiết bị thí nghiệm Nghiên cứu hóa lỏng của đất cát nền đê hữu sông Hồng đƣợc thực hiện tại phòng thí nghiệm địa kỹ thuật động đất, Trƣờng Đại học Thủy lợi. Hệ thống thiết bị thí nghiệm 3 trục động, model DTC – 367D do hãng Seiken, Nhật Bản (Hình 1) chế tạo bao gồm: Máy nén khí tạo áp lực buồng và áp lực ngƣợc lên tới 1000 kPa; máy hút chân không tạo áp suất lớn nhất -95kPa; thiết bị gia tải động cho các tần số tải từ 0.001 đến 1Hz. Tất cả các đầu đo lực và chuyển vị đƣợc kết nối với một máy vi tính thông qua các giao diện cảm biến Kyowa PCD-300B-F. Biến dạng dọc trục đƣợc đo bằng một cảm biến không tiếp xúc có độ chính xác bằng 0.1mm lắp bên trong buồng 3 trục và 1 cảm biến LVDT có độ chính xác bằng 0,05 mm lắp bên ngoài buồng 3 trục. Sự thay đổi thể tích của mẫu đƣợc đo bằng đầu đo thể tích tự động có dung tích 25ml. Đầu đo tải trọng buồng tải trọng có công suất 2kN đƣợc lắp trực tiếp trên nắp mẫu, phía trong buồng 3 trục, nhằm giảm thiểu lực ma sát giữa piston và ống trục. Hình 1 Hệ th ng thiết bị thí nghiệm 3 trục động, DTC 367-D 2.2. Vật liệu thí nghiệm n n ệm Vật liệu thí nghiệm là loại cát nền đê, lớp 3a đƣợc lấy mẫu tại hố khoan HK3 tại độ sâu từ 6,8 đến 7,05m, trong phạm vi K73+500-K74+100 đê hữu sông Hồng, Hà Nội (Đại học Thủy lợi, 2015). Các chỉ tiêu cơ lý của mẫu đất thí nghiệm nhƣ sau: hàm lƣợng hạt mịn fc =4,46 ; t trọng hạt Gs=2,65; hệ số rỗng lớn nhất emax = 0.993; hệ số rỗng nhỏ nhất emin=0,554. Thí nghiệm phân tích thành phần hạt của đất đƣợc thực hiện theo theo tiêu chuẩn ASTM D422-63 cho giá trị đƣờng kính D60 = 0,299 mm, D10=0,118mm (Hình 2). ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 11 Hình 2: Biểu đồ cấp ph i hạt của đất thí nghiệm (ASTM D422-63) Các mẫu cát hình trụ có đƣờng kính Di = 50mm, chiều cao Hi = 100mm, đƣợc chế bị theo phƣơng pháp mƣa cát trong không khí để đảm bảo có cùng một độ chặt tƣơng đối, Dr, (Hình 3). Sau khi thiết lập mẫu trong buồng 3 trục, làm bão hòa mẫu bằng cách sử dụng khí CO2 đảm bảo hệ số áp lực nƣớc lỗ rỗng, B 95 . Sau đó, các mẫu chịu quá trình cố kết đẳng hƣởng với áp lực cố kết hiệu quả tăng từ 30 kPa đến 100 kPa. Sau thời gian cố kết tại cấp áp lực 100kPa, mẫu chịu tác dụng của các tải trọng chu kỳ hình sin có tần số 0,1Hz với các biên độ tải trọng khác nhau, sao cho t số ứng suất chu kỳ thay đổi trong khoảng từ 0,1 đến 0,3 trong điều kiện không thoát nƣớc. T số ứng suất chu kỳ CSR = d/2o , trong đó o là ứng suất hiệu quả ban đầu; d là độ lệch ứng suất, d = v-h, v là ứng suất theo phƣơng đứng, h là ứng suất theo phƣơng ngang. Thí nghiệm kết thúc khi mẫu bị hóa lỏng sau một số chu kỳ tải trọng (JGS 0541-2000). Thông số của các mẫu thí nghiệm đƣợc thể hiện trong bảng 1. Hình 3 Mẫu đất thí nghiệm lấy từ h khoan được thiết lập trong buồng 3 trục Bảng 1: Các thông số mẫu thí nghiệm Tên mẫu Di (mm) Hi (mm) B (%) dc (g/cm 3 ) ec Dr (%) SH-HL10 50.06 98.80 96 1.425 0.860 30.3 SH-HL11 49.80 98.50 96 1.425 0.860 30.3 SH-HL12 49.90 98.40 97 1.428 0.856 31.2 SH-HL13 50.04 98.80 96 1.427 0.857 30.9 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 12 V Hình 4, 5 thể hiện kết quả thí nghiệm đại diện đối với mẫu SH-HL12, SH-HL13. Có thể thấy rằng khi số chu kỳ tải trọng gia tăng thì hệ số áp lực nƣớc lỗ rỗng dƣ Ru và biến dạng dọc trục biên độ kép a tăng cho đến khi mẫu bị hóa lỏng. Điều kiện xuất hiện hóa lỏng mẫu đất đƣợc tính dựa trên các tiêu chí về áp lực nƣớc lỗ rỗng dƣ Ru 0.95 hoặc biến dạng dọc trục biên độ kép a 5 (JGS 0541-2000). Từ kết quả hóa lỏng đối với các mẫu khác nhau, đƣờng cong hóa lỏng (Hình 6) đƣợc xây dựng, biểu thị quan hệ giữa t số ứng suất CSR và số các vòng lăp N gây hóa lỏng mẫu đất ứng với cùng điều kiện về độ chặt tƣơng đối và ứng suất khống chế hiệu quả. Đƣờng cong hóa lỏng cát 3a đƣợc thể hiện trên Hình 6 ứng với các đƣờng đẳng giá trị biến dạng dọc trục biên độ kép a= 1 , 2 , 5 và hệ số áp lực nƣớc lỗ rỗng dƣ, Ru= 95%. Có thể thấy rằng khi biên độ ứng suất tăng thì số vòng lặp gây hóa lỏng giảm, đất sớm xuất hiện biến dạng lớn. Hệ số áp lực nƣớc lỗ rỗng dƣ, Ru tăng theo số chu kỳ tải trọng tác dụng và khi biên độ ứng suất tăng thì hệ số áp lực nƣớc lỗ rỗng dƣ tăng nhanh. Hình 4 Các kết quả thí nghiệm đ i v i mẫu SH-H 12 chịu tải trọng động ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 13 Hình 5 Các kết quả thí nghiệm đ i v i mẫu SH-HL13 chịu tải trọng động Hình 6 Đường cong hóa lỏng của các mẫu đất cát 3a ─o─DA= 1% ──DA= 2% ──DA= 5% ─*─ Nu95 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 14 Có thể thấy rằng đƣờng cong hóa lỏng của cát 3a có dạng phù hợp với các kết quả đã công bố đối với các loại cát khác nhau (Towhata 2008). Kết quả nghiên cứu thực nghiệm này là cơ sở hữu ích cho việc đánh giá mô phỏng bài toán hóa lỏng, ổn định của đê tại hiện trƣờng theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn. IV. KẾT LUẬN Nghiên cứu hóa lỏng cát đƣợc lấy mẫu từ lớp 3a, tại hố khoan HK3 thuộc nền đê hữu sông Hồng, đoạn K73+500 đến K74+100, Hà Nội đã đƣợc thực hiện thông qua một loạt các thí nghiệm 3 trục động. Kết quả thí nghiệm cho thấy có thể xác định chính xác các đặc tính hóa lỏng của cát nền đê Hữu Hồng nhƣ sự gia tăng áp lực nƣớc lỗ rỗng, biến dạng dọc trục, t số ứng suất chu kỳ theo số chu kỳ gây hóa lỏng. Kết quả thí nghiệm hữu ích cho việc dự báo hóa lỏng, ổn định đê Hữu Hồng trong điều kiện chịu tải trọng động đất mạnh. LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu đƣợc thực hiện tại Phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật động đất, Trƣờng Đại học Thủy lợi trong khuôn khổ của đề tài khoa học cấp nhà nƣớc, mã số KC08.23/11-15. Các tác giả chân thành cảm ơn Bộ Khoa học và Công nghệ đã cấp kinh phí thực hiện nghiên cứu này. TÀI LIỆU THAM KHẢO Đại học Thủy lợi. Báo cáo kết quả khảo sát địa chất đê hữu Hồng Km73+500- Km74+100, 2015. Nguyễn Đình Xuyên (2004). Nghiên cứu dự báo động đất và dao động nền ở Việt Nam. Báo cáo tổng kết đề tài độc lập cấp nhà nƣớc. Adalier K. and Sharp M. Embankment Dam on Liquefiable Foundation—Dynamic Behavior and Densification Remediation,Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2004, Vol. 130, No. 11, pp. 1214-1224. ASTM D422-63 (2007). Standard Test Method for Particle-Size Analysis of Soils, ASTM International, West Conshohocken, PA. JGS 0541-2000 Method for Cyclic Undrained Triaxial Test on Soils. Seed R.B et al. Recent advances in soil liquefaction engineering: a unified and consistent framework, Keynote Presentation, 26th Annual ASCE Los Angeles Geotechnical Spring Seminar, Long Beach, 2003, Report No. EERC 2003-06. Towhata I. Geotechnical earthquake engineering, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008. Người phản biện: GS. NGUYỄN CÔNG MẪN