Nghiên 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

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 12 NGHIÊN 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 nƣớc nói riêng là tham số cơ bản sử dụng để phân tích ổn định trƣợt sâu nền đƣờng đắp trên đất yếu SCC thƣờng đƣợc xác định trực tiếp từ mẫu đất trong phòng cũng có thể xác định trực tiếp hay gián tiếp từ các thí nghiệm hiện trƣờng Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (Standard Penetration Test - SPT) và thí nghiệm xuyên tĩnh có đo áp lực nƣớc lỗ rỗng (Piezocone Penetration Test - CPTu) đƣợc nhiều tác giả trong và ngoài nƣớc sử dụng để nghiên cứu SCC của các loại đất khác nhau thông qua các tƣơng 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 nƣớc ta thƣờng yêu cầu xác định sức chống cắt không thoát nƣớc của các lớp đất yếu bằng thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng 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 nƣớc xác định theo kết quả SPT hay CPTu thay thế cho thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng để phân tích ổn định nền đắp trên đất yếu ở điều kiện nƣớc ta đƣợc hay không? Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm công trình cụ thể tại Hà Đông - Hà Nội sử dụng các tƣơng quan đã có của một số tác giả ngoài nƣớc bài báo xác định tƣơng quan hợp l để xác định SCC không thoát nƣớc qua kết quả SPT và CPTu phục vụ việc phân tích ổn định nền đƣờng 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 tƣơng 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]: ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 13 Công thức Peck Hanson và Thornburn (1974),  54 – 27,6034e-0 014N‟60 (1) 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) 45 Trong đó: N‟60 = N × CE× CN (3) N‟60 là chỉ số SPT chuẩn hóa về 60% năng lƣợng hữu ích; N là chỉ số SPT; CE là hệ số hiệu quả phụ thuộc vào thiết bị thí nghiệm Ở nƣớc ta đƣợc 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), CN = 0,77 log(19,2/‟vo) (5) Skempton (1986), CN = 2/(1+‟vo) (6) ‟vo là ứng suất hữu hiệu do trọng lƣợng bản thân lớp đất theo phƣơng đứng (kg/cm2). Với đất sét bão hòa nƣớc sức chống cắt không thoát nƣớc có nhiều tác giả đề cập điển hình nhƣ [1 2 3 5 6 9 10]: Công thức Sower (1979) Su= 100N/a (7) Trong đó: a = 10 với đất sét a = 15 với đất sét pha a = 20 với đất cát pha Với Terzaghi và Peck (1967) Su = 0,06 N60 (8) Còn theo Hara (1974), Su = 0,29N60 0,72 (9) 2.2. Theo kết quả CPTu Trong thí nghiệm CPTu sẽ đo đƣợc sức kháng mũi qc ma sát thành đơn vị fs và áp lực nƣớc 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: qT = qc + uT (1-a) (10) trong đó: uT là áp lực nƣớc 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 nƣớc 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 nhƣ: Công thức của Roberson và Campanella (1983),  arctg [0,1 + 0,38.log (qT/‟vo)] (11) Công thức Kulhawy và Mayne (1990)  17,6 + 11log(qT) (12) 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) 45 Với đất dính sức chống cắt không thoát nƣớc theo CPTu có thể sử dụng quan hệ sau [4 ]: Công thức Keaveny và Michell (1986) ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 14 Su = (qT - ‟vo)/Nk (13) Với Nk là hệ số hiệu chỉnh Nk = 15 – 20. Công thức Li (2011) Su = 0,063(qT - ‟vo) – 1,91 (14) Theo Viện xây dựng Sichuan – Trung Quốc (2014): Su = 0,0543(qT - ‟vo) + 4,8 (15) 3. NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH TRƢỢT SÂU NỀN ĐƢỜNG 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 đƣờng 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 nƣớc 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 đƣờng và đất đắp nền đƣờng có các lớp đất nền tự nhiên là sét dẻo cao - dẻo mềm (lớp 2a) phía dƣới là lớp bụi dẻo cao - dẻo chảy (lớp 2b), lớp sét bụi dẻo cao xen kẹp cát dẻo mềm (lớp 2c) dƣới cùng là lớp cát chặt vừa. Mực nƣớc ngầm ngang mặt đất. Các lớp đất 2a, 2b và 2c đƣợc xem là ít thuận lợi cho xây dựng đƣờng ô tô đắp trên nó – đất yếu là đối tƣợng chính đƣợc phân tích trong nghiên cứu này. Bảng 3. Thông số cơ bản các lớp đất nền Lớp Chiều dày lớp đất (m)  (kN/m3) Su* (kPa) ** (độ) 2a 1,2 – 1,8 17,4 31,0 - 2b 0,9 – 1.0 15,4 28,6 - 2c 3,3 – 5,0 17,64 26,6 - 3 2,0 – 3,0 17,72 - 30,1 * Su từ thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng **  xác định theo TCVN 9351:2012 Một số thông số cơ bản của các lớp đất nền trong mặt cắt nghiên cứu nhƣ bảng 3. 3.2. Đặc điểm sức chống cắt không thoát nƣớc của đất theo kết quả SPT và CPTu trong phạm vi nghiên cứu Thí nghiệm SPT và CPTu đƣợc thực hiện tại công trình nghiên cứu đƣờng trục phía Nam Hà Tây (cũ) dùng các hàm tƣơng quan thực nghiệm tại mục 2 xác định đƣợc 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 nƣớc (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 trƣờng (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 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 15 Hình 2. Su xác định qua N60 của lớp đất 2b Hình 3. Su 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 nƣớc (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 trƣờng (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 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 16 Hình 7. Su xác định qua qT của lớp đất 2b Hình 8. Su xác định qua qT của lớp đất 2c Hình 9. So sánh Su xác định theo qT với Su từ cắt cánh hiện trường các lớp đất Trƣờng 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) Trƣờng 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 trƣợt sâu nền đƣờng đắp trên đất yếu khi sử dụng sức chống cắt không thoát nƣớc theo kết quả SPT và CPTu Sử dụng mặt cắt địa chất gồm các lớp đất nền nhƣ bảng 3 phân tích ổn định nền đƣờng đắp cao từ 3 5m đến 6m với bề rộng mặt đƣờng 40m xét ở 3 trƣờng hợp: - Trƣờng hợp 1 (TH1): Sử dụng Su của các lớp đất 2a 2b 2c từ thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng và  lớp 3 lấy theo TCVN 9351:2012 (bảng 3) - Trƣờng 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). - Trƣờng 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 trƣợt sâu khi nền đắp cao 3,5m; 4m; 4,5m; 5m; 5,5m và 6m. Kết quả phân tích ổn định cho các trƣờng hợp và các điều kiện khác nhau đƣợc thể hiện tại bảng 4. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2017 17 Bảng 4. Hệ số ổn định trƣợt sâu nền đƣờng đắp trên đất yếu các trƣờng hợp nghiên cứu Hệ số ổn định (Fs) TH Hđắp(m) TH1 TH2 TH3 3,5 2,31 2,31 2,29 4,0 1,99 2,00 1,99 4,5 1,77 1,79 1,79 5,0 1,61 1,64 1,61 5,5 1,47 1,51 1,49 6,0 1,36 1,39 1,37 Bảng 4 cho thấy, ở trƣờng hợp cụ thể, cùng tải trọng tác dụng (cùng chiều cao đắp), hệ số ổn định trƣợt (Fs) gần tƣơng đƣơng nhau (độ chênh lệch < 2,7%) khi sử dụng thông số sức chống cắt không thoát nƣớc 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 trƣờng. Khi chiều cao đắp nền tăng hệ số ổn định trƣợt giảm tuyến tính tƣơng ứng mỗi trƣờng hợp xem xét (bảng 4). 4. KẾT LUẬN Sức chống cắt không thoát nƣớc (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 nƣớc lỗ rỗng (CPTu) theo công thức Li có thể sử dụng để thay thế kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng khi phân tích ổn định trƣợt sâu nền đƣờng 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. [5]. Geotechnical Research Group 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 nƣớc lỗ rỗng (CPTu) [14]. 22TCN 262:2000 - Quy trình khảo sát nền đƣờng ô tô đắp trên đất yếu Người phản biện: PGS.TS. TRẦN MẠNH LIỄU