Các phương pháp xác định cường độ và biến dạng của nền đất yếu

các dòng sông và bờ biển. Thực tế này đã đòi hỏi phải hình thành và phát triển các công nghệ thích hợp và tiên tiến để xử lý nền đất yếu. Trong thực tế xây dựng, có rất nhiều công trình bị lún, sập hư hỏng khi xây dựng trên nền đất yếu do không có những biện pháp xử lý phù hợp, không đánh giá chính xác được các tính chất cơ lý của nền đất. Do vậy việc đánh giá chính xác và chặt chẽ các tính chất cơ lý của nền đất yếu (chủ yếu bằng các thí nghiệm trong phòng và hiện trường) để làm cơ sở và đề ra các giải pháp xử lý nền móng phù hợp là một vấn đề hết sức khó khăn, nó đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa kiến thức khoa học và kinh nghiệm thực tế để giải quyết, giảm được tối đa các sự cố, hư hỏng công trình khi xây dựng trên nền đất yếu. Từ khóa Đất yếu, cố kết 1. Mở đầu Đất yếu chưa có một khái niệm rõ ràng và thống nhất. Bởi vì trong mối quan hệ tương tác với công trình có qui mô và tải trọng khác nhau nền đất sẽ ứng xử khác nhau. Có khi nền đất là yếu với công trình này, lại không yếu với công trình khác. Nhìn chung đất yếu là đất có sức chịu tải thấp, vào khoảng 0.5–1.0 kg/cm2, có tính biến dạng lớn, hầu như bão hòa nước, có hệ số rỗng lớn (thường e > 1), module biến dạng thấp (E0 ≤ 50 kg/cm2), lực dính c theo kết quả cắt nhanh không thoát nước ≤ 0.15 kg/cm2, góc nội ma sát từ 00 đến 100 hệ số sức kháng cắt không đáng kể, Ngoài ra có thể định nghĩa nền đất yếu theo sức kháng cắt không thoát nước Su và trị số xuyên tiêu chuẩn N như sau: Đất rất yếu: Su ≤ 12.5kPa hoặc N≤2 Đất yếu: Su ≤ 25kPpa hoặc N ≤ 4 Như vậy nếu không áp dụng các giải pháp xử lý thích hợp thì việc xây dựng công trình trên nên đất yếu sẽ rất khó khăn hoặc không thực hiện được. 2. Nguyên nhân làm nền đất yếu Đất yếu trong định nghĩa của là đất có độ bền cơ học, thủy lực không cao, dễ bị biến dạng khi gặp tải trọng. Như vậy tác nhân làm ra đất yếu có thể qui về ba nhóm chính. 2.1. Do kết cấu Nguyên nhân này thường gặp ở các điều kiện địa chất đất sỏi, đá cuội, đá tảng. Các phần tử đất đá gối lên nhau không chắc chắn, ở một số tải trọng nhất định, công trình lún ít do đất biến dạng không nhiều, ở các tải trọng lớn hơn xảy ra đứt gãy hoặc lún lệch làm công trình đổ sập như đập Malpasset ở Pháp hoặc do yếu tố thay đổi về kết cấu Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 2/2016 No. 2/2016 128 chịu lực của vùng như sập một vài mỏ khai thác đá ở Việt Nam trong những năm gần đây có thể tính một phần là do yếu tố này. Cũng có trường hợp đất sét tạo gối nước trong lòng đất, công trình đặt lên làm nền đất biến dạng từ từ, hoặc khoan cọc móng tại vùng địa chất bên cạnh, dẫn tới nứt ra những khe ngang làm nước thoát đi, độ lún biến đổi đột ngột, một số nhà cao tầng ở thành phố Hồ Chí Minh có thể tính một phần là vì lí do này mà lún sập. 2.2. Do độ ẩm Nguyên nhân này thường gặp ở đất cát và đất sét, nước trong đất tồn tại dưới hai dạng chủ yếu là tự do và liên kết. Đây là các tác nhân chính gây ra hiện tượng đàn hồi thủy lực và tính nén của đất. Các nhân tố này gây ra sự khó khăn lớn trong thi công, cản trở việc lắp đặt và sử dụng thiết bị gia cố. Hiện tượng này phổ biến ở các vùng đồng bằng ven sông, ven biển, các vùng rừng lâu năm và là yếu tố chính đối với các công trình thi công trên biển. 2.3. Do đặc tính sinh hóa Nguyên nhân này thường gặp ở các điều kiện địa chất đã được gia cố. Trải qua thời gian, do các tác động sinh hóa, như phản ứng hóa học trong thành phần của chất gia cố với nước, hoạt động của sinh vật và vi sinh vật, đất đã được gia cố trở nên yếu đi. Đây là một vấn đề tương đối khó khăn đối với các công trình sử dụng biện pháp hóa học để gia cố đất như xi măng, thủy tinh, 3. Phân biệt nền đất yếu và một số loại đất yếu thường gặp Đất mềm yếu nói chung là loại đất có khả năng chịu tải nhỏ (áp dụng cho đất có cường độ kháng nén quy ước dưới 0,50 daN/cm2), có tính nén lún lớn, hệ số rỗng lớn (e>1), có mô-đun biến dạng thấp (Eo< 50 daN/cm2), và có sức kháng cắt nhỏ. Khi xây dựng công trình trên đất yếu mà thiếu các biện pháp xử lý thích đáng và hợp lý thì sẽ phát sinh biến dạng thậm chí gây hư hỏng công trình. Nghiên cứu xử lý đất yếu có mục đích cuối cùng là làm tăng độ bền của đất, làm giảm tổng độ lún và độ lún lệch, rút ngắn thời gian thi công và giảm chi phí đầu tư xây dựng. 3.1. Cách phân biệt nền đất yếu Cách phân biệt nền đất yếu ở trong nước cũng như ở nước ngoài đều có các tiêu chuẩn cụ thể để phân loại nền đất yếu. Theo nguyên nhân hình thành: loại đất yếu có nguồn gốc khoáng vật hoặc nguồn gốc hữu cơ. - Loại có nguồn gốc khoáng vật: thường là sét hoặc á sét trầm tích trong nước ở ven biển, vùng vịnh, đầm hồ, thung lũng. - Loại có nguồn gốc hữu cơ: hình thành từ đầm lầy, nơi nước tích đọng thường xuyên, mực nước ngầm cao, tại đây các loại thực vật phát triển, thối rữa phân hủy tạo ra các vật lắng hữu cơ lẫn với trầm tích khoáng vật. Phân biệt theo chỉ tiêu cơ lý (trạng thái tự nhiên): Thông thường phân biệt theo trạng thái tự nhiên và tính chất cơ lý của chúng như hàm lượng nước tự nhiên, tỷ lệ lỗ rỗng, hệ số co ngót, độ bão hòa, góc nội ma sát (chịu cắt nhanh) cường độ chịu cắt. Phân biệt đất yếu loại sét hoặc á sét, đầm lầy hoặc than bùn theo độ sệt Một số chỉ tiêu phân biệt loại đất mềm yếu: Bảng 3.1.Phân loại đất yếu dựa vào lượng nước, độ rỗng, cường độ chịu cắt Chỉ tiêu Hàm lượng nước tự nhiên (%) Độ rỗng tự nhiên Cường độ chịu cắt (kPa) Giá trị chỉ tiêu ≥ 35 và giới hạn lỏng ≥ 1,0 < 35 Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 2/2016 No. 2/2016 129 Bảng 3.2. Phân loại đất yếu dựa vào hệ số co ngót, độ bão hòa, góc ma sát trong Chỉ tiêu Loại đất Hàm lượng nước tự nhiên (%) Độ rỗng tự nhiên Hệ số co ngót (Mpa-1) Độ bão hòa (%) Góc nội ma sát (o) (chịu cắt nhanh) Đất sét > 40 > 1,2 > 0,50 > 95 < 5 Đất á sét (Đất bột) > 30 > 0,95 > 0,30 > 95 < 5 3.2. Vị trí nền đất yếu Nền đất yếu thường gặp ở khu vực miền duyên hải (bãi bồi ven sông, biển) hoặc ở các thung lũng thuộc vùng núi, có chung đặc tính là lượng nước tự nhiên lớn (≥35%) độ lún cao, cường độ chịu cắt thấp (< 35kPa), hệ số rỗng lớn (e ≥ 1,0) và độ thoát nước kém, khi xây dựng công trình trên loại đất này dễ bị lún sụt. Từ các khu vực châu thổ Bắc bộ, Thanh - Nghệ Tĩnh, ven biển Trung bộ, đến đồng bằng Nam Bộ đều có những vùng đất yếu. Trong lĩnh vực nghiên cứu và xử lý nền đường đắp trên đất yếu trên các tuyến đường của Việt Nam, ngành GTVT đã có nhiều cố gắng trong việc ứng dụng công nghệ mới để xử lý hàng trăm km đường bộ đắp trên đất yếu và đã thu được những kết quả bước đầu đầy khích lệ. 3.3. Các loại nền đất yếu thường gặp Đất sét mềm: gồm các loại đất sét hoặc á sét tương đối chặt, ở trạng thái bão hòa nước, có cường độ thấp; Bùn: Các loại đất tạo thành trong môi trường nước, thành phần hạt rất mịn (<200μm) ở trạng thái luôn no nước, hệ số rỗng rất lớn, rất yếu về mặt chịu lực; Than bùn: Là loại đất yếu có nguồn gốc hữu cơ, được hình thành do kết quả phân hủy các chất hữu cơ có ở các đầm lầy (hàm lượng hữu cơ từ 20 – 80%); Cát chảy: Gồm các loại cát mịn, kết cấu hạt rời rạc, có thể bị nén chặt hoặc pha loãng đáng kể. Loại đất này khi chịu tải trọng động thì chuyển sang trạng thái chảy gọi là cát chảy. Đất bazan: Đây cũng là đất yếu với đặc điểm độ rỗng lớn, dung trọng khô bé, khả năng thấm nước cao, dễ bị lún sập. 4. Các phương pháp xác định cường độ và biến dạng nền đất yếu 4.1. Các phương pháp thí nghiệm xác định sức kháng cắt của đất yếu * Thí nghiệm nén đơn (Unconfined compression test) Cường độ chống nén của đất thường được xác định bằng cách nén đến phá hoại một mẫu trong điều kiện nở hông tự do. Lực phá hoại khi nén mẫu chỉ tác dụng theo một hướng. Do đó thí nghiệm này gọi là nén một trục – nén đơn. Cường độ chống nén của đất ứng với lúc mẫu bị phá hoại, được thể hiện khi có sự tăng biến dạng tương đối một cách rõ rệt hoặc thấy rõ mẫu đất bị phá hoại bằng mắt. Cường độ chống nén của đất cho phép đánh giá được sức chịu tải của nền tức là tải trọng cho phép để nền không bị phá hoại hoặc sức chịu tải của nền tức thời. Cường độ chống nén qu hay sức kháng nén đơn cực hạn của mẫu đất được tính theo công thức: A Pq u max (1) Trong đó: Pmax– Lực nén lớn nhất làm mẫu bị phá hoại (ghi nhận trên đồng hồ đo lực) A – Diện tích tiết diện mẫu bị phá hoại Tương quan giữa cường độ chống Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 2/2016 No. 2/2016 130 nén qu và giá trị sức chống cắt. Sức chống cắt không thoát nước hay lực dính không thoát nước. 2 u u qc  (2) Trong đó: u= 0 Thí nghiệm phù hợp để xác định sức chống cắt của đất sét bão hòa nước hoàn toàn. * Thí nghiệm cắt trực tiếp (Direct shear test) Tùy theo tương quan giữa tốc độ truyền lực nén và lực cắt, cùng điều kiện thoát nước của mẫu đất khi thí nghiệm, có thể phân biệt các phương pháp (sơ đồ) chính sau đây để xác định sức chống cắt. Tiến hành thí nghiệm trên mẫu đất có h=2cm, Ø=6.3cm. - Sơ đố cắt nhanh không cố kết (UU): Sau khi mẫu thí nghiệm đặt vào hộp cắt, cho tác dụng lực thẳng đứng N để xác định cấp áp lực pháp tuyến đầu tiên σ1. Cho hộp cắt ngập nước và kiểm tra các thiết bị đo. Tác động lực cắt ngang (T) chuyển động với vận tốc cắt khoảng 1.25mm/phút và cho chuyển vị liên tục trong khoảng 9mm. Số đo ứng suất cắt được đọc ở đồng hồ gắn với vòng ứng biến theo từng khoảng chuyển vị bằng nhau. Phương thức tiến hành tương tự như trên cho 3 mẫu đất thí nghiệm với các cấp áp lực pháp tuyến khác nhau. Như vậy, ngay sau khi đặt ứng suất pháp σ, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư xuất hiện trong mẫu đất và trong suốt quá trình cắt nhanh áp lực nước lỗ rỗng thay đổi nhưng không đo đạc được chúng. Từ kết quả thí nghiệm, ta xác định được các thông số sức kháng cắt ở trạng thái ứng suất tổng cu và φu . - Sơ đồ cắt nhanh, cố kết (CU): Quá trình chuẩn bị đến thí nghiệm cắt là tương tự như trong thí nghiệm UU, ngoại trừ các dao vòng mẫu thí nghiệm cho cố kết trước theo từng cấp áp lực pháp tuyến dự kiến trước khi tiến hành thí nghiệm cắt. Trong thí nghiệm này cũng không đo được áp lực nước lỗ rỗng. Từ kết quả thí nghiệm, ta xác định được các thông số sức kháng cắt ở trạng thái ứng suất tổngccu và φcu . - Sơ đồ cắt chậm, cố kết (CD): Mẫu đất thí nghiệm được cố kết dưới áp lực nén thẳng đứng cho đến khi kết thúc giai đoạn cố kết ban đầu. Sau đó cắt mẫu với tốc độ dịch chuyển đủ chậm để nước có thể thoát ra. Tùy theo loại đất và khả năng của thiết bị mà chọn vận tốc cắt cho phù hợp. Sơ đồ thí nghiệm này có thể được xem như cắt ở trạng thái cố kết, thoát nước, cung cấp thông số ứng suất hữu hiệu. Từ kết quả thí nghiệm, ta xác định được trị số c’ và φ’ - Ưu điểm: + Cơ sở lý thuyết đơn giản dễ chấp nhận. + Là thí nghiệm đơn giản nhất để xác định sức chống cắt: cách chuẩn bị mẫu, thực hiện thí nghiệm đơn giản, không đòi hỏi máy móc phức tạp. Do vậy, thí nghiệm được sử dụng rộng rãi. + Thời gian thực hiện nhanh. - Khuyết điểm: + Máy cắt trực tiếp chỉ cắt theo một mặt phẳng ấn định trước, đôi khi mặt phẳng này chưa phải là mặt phẳng yếu nhất trong nền (đối với đất trầm tích không đồng nhất, mặt trượt là mặt xiên). Do vậy kết quả c, φ tìm được theo thí nghiệm này không phản ánh trung thực ứng xử của nền. + Sự phân bố ứng suất trên bề mặt cắt là không đều. Do vậy để có kết quả chính xác hơn về hình ảnh của một mẫu đất khi làm việc trong phòng thí nghiệm giống như nền đất khi làm việc ở ngoài hiện trường, người ta thường dựa vào thí nghiệm nén 3 trục (triaxial compression test) thì sẽ tìm được c, φ chính xác hơn. Hơn nữa c, φ cũng được xác định theo 3 sơ đồ khác nhau phù hợp điều kiện thoát nước và tốc độ xây dựng công trình trong thực tế nhằm mục đích ứng dụng các thiết bị hiện đại trong nghiên cứu thí nghiệm xác định các thông Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 2/2016 No. 2/2016 131 số phục vụ cho tính toán ổn định lâu dài các công trình. * Thí nghiệm nén ba trục (Triaxial compression test) Thí nghiệm nén ba trục là thí nghiệm xác định sức kháng cắt của đất được áp dụng rộng rãi nhất hiện nay bởi vì thí nghiệm này mô hình hóa được đúng hơn trạng thái ứng suất tự nhiên của mẫu đất trong điều kiện thế nằm tự nhiên. Thí nghiệm được thực hiện trên mẫu đất hình trụ có tỉ số giữa chiều cao và đường kính bằng 2/1: kích thước mẫu thường là 100 x 50mm hoặc 76 x 38mm. Trong thực tế, sức kháng cắt của đất thường được thực hiện theo 3 sơ đồ: Thí nghiệm không cố kết, không thoát nước đối với đất bão hòa, ký hiệu UU. Đây là sơ đồ thí nghiệm đơn giản, vận hành nhanh, giá thành rẻ và thông dụng nhất của thí nghiệm nén ba trục. Kết quả sức kháng cắt thu được là ở trạng thái ứng suất tổng. Những nguyên lý được trình bày sau đây chỉ liên quan đến đất bão hòa. Trong suốt quá trình thí nghiệm, nước lỗ rỗng bị khống chế không được thoát ra ngoài, mẫu đất không được cố kết dưới các tải trọng tác dụng lên nó. Vì nước và cốt đất hầu như không chịu nén và giả thiết trong nước không chứa không khí nên trong quá trình thí nghiệm mẫu không bị biến dạng thể tích. Khi thí nghiệm với đất bão hòa, độ tăng nào đó của ứng suất tổng tạo nên sự tăng tương ứng của áp lực nước lỗ rỗng (Δu = Δσ) và vì thế không xảy ra sự tăng ứng suất hiệu quả, tức là Δσ’=0. Khi đó ta có: Su = cu vàu = 0. Giá trị Su gọi là sức kháng cắt không thoát nước của đất. Thí nghiệm cố kết, không thoát nước đối với đất bão hòa, ký hiệu CU. Trong phương pháp thí nghiệm có cố kết – không thoát nước, sau khi bơm nước vào buồng nén và tăng áp tạo ứng suất đẳng hướng σc lên mẫu đất, áp lực nước trong mẫu đất sẽ tăng lên một lượng bằng với σc, nếu mẫu đất là mềm và bão hòa hoàn toàn. Giữ yên áp lực trong buồng nén cho đến lúc áp lực nước lỗ rỗng thặng dư bên trong mẫu phân tán hết (có cố kết), lúc này ứng suất hữu hiệu theo các phương như nhau và bằng với áp lực buồng nén (σ1’= σ2’= σ3’= σc). Sau đó giữ nguyên áp lực buồng nén, khóa van thoát nước tức là thể tích mẫu đất bão hòa nước không đổi thể tích, gia tăng ứng suất thẳng đứngσ1 cho đến lúc mẫu đất bị trượt, đo áp lực nước lỗ rỗng gia tăng u trong suốt quá trình tăng tải. Vận tốc nén từ 1mm/phút đến 2mm/phút. Trong quá trình áp ứng suất lệch q=Δu = σ1 - σ3 = Δσ1 . - Mẫu đất là cát rời hoặc đất dính cố kết thường (NC = normally consolidation), nếu không thoát nước áp lực nước lỗ rỗng sẽ tăng. - Mẫu đất là cát chặt hoặc đất dính cố kết trước mạnh (OC = over consolidation), nếu không thoát nước áp lực nước lỗ rỗng sẽ giảm. Kết quả thu được theo sơ đồ này là sức kháng cắt theo hai trạng thái: Đặc trưng sức kháng cắt cố kết không thoát nước: ccu và φcu sử dụng cho thiết kế đắp đất theo giai đoạn trên nền đất yếu. Đặc trưng sức kháng cắt cố kết, thoát nước: c’ và φ’ được dùng trong tính ổn định dài hạn. Thí nghiệm cố kết, thoát nước, ký hiệu CD. Giống như trong thí nghiệm cố kết không thoát nước, mẫu thí nghiệm trước tiên được tiến hành cố kết dưới các tải trọng tác dụng lên nó nhưng ở giai đoạn nén, mẫu đất được thoát nước tự do. Sau đó tăng tải trọng gây cắt. Tốc độ tăng tải trọng gây cắt phải chậm đủ để đảm bảo rằng không xảy ra việc tăng áp lực nước lỗ rỗng. Vận tốc cắt (nén) cực đại được suy ra từ thời gian cố kết mẫu: 100 0 max tb H V f    (3) Trong đó: Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 2/2016 No. 2/2016 132 εf : Biến dạng tương ứng giai đoạn sụp đổ theo các thí nghiệm trước (εf=3% cho sét cứng hoặc sét cố kết trước; εf = 6% cho các trường hợp khác); t100 : Thời gian cố kết 100% của mẫu; H0 : Chiều cao ban đầu của mẫu; b = 8.5; Đặc trưng sức kháng cắt nhận được, theo sơ đồ thí nghiệm này, ở trạng thái ứng suất hữu hiệu với các thông số c’ và φ’ riêng của mẫu. Thí nghiệm theo phương pháp CD nhằm mô phỏng ứng xử của đất vào giai đọan mà cố kết sơ cấp đã kết thúc. Các tham số sức chống cắt (c, φ) được thí nghiệm theo cùng một sơ đồ dựa vào máy cắt trực tiếp và máy nén 3 trục có sự khác nhau nhưng không đáng kể. Trong đó góc ma sát φ được thí nghiệm theo 2 sơ đồ khác nhau (CU) và (CD) trên các lọai máy lớn hơn góc ma sát của đất trong điều kiện không cố kết và không thoát nước (UU) trên 100 tùy theo tốc độ cắt hoặc nén. Lực dính của đất có khác nhau, nhưng không nhiều. Khi các công trình đất đắp như đường, đê, đập, được đặt trưc tiếp trên nền đất sét mềm và phải hoàn thành công trong một đợt thi công thì nên chọn các tham số sức chống cắt (c, φ) theo sơ đồ (UU). Khi đợt đắp thứ 2 trở đi thì chọn các tham số sức chống cắt (c, φ) theo sơ đồ (CU) hoặc (CD). Nếu các công trình này được đắp trên nền đất sét mềm có gia cố bằng giếng cát hoặc bấc thấm kết hợp gia tải trước thì các tham số sức chống cắt (c, φ) được chọn để thiết kế phải theo sơ đồ (CD). Bảng tổng kết của Ladd, năm 1971, về ứng dụng các phương pháp thí nghiệm khác nhau để tính sức chống cắt và sức chịu tải của đất nền dưới công trình. Bảng 4.1. Một số ứng dụng của phương pháp CD Công trình Ứng suất chống cắt CD Thi công công trình đất đắp từng lớp thật chậm trên nền sét mềm Ứng suất chống cắt tại chỗ có thoát nước sau khi đã cố kết Đập đất với sự thấm qua thường trực Ứng suất chống cắt của lõi đập có thoát nước, sau khi đã cố kết Mái dốc tự nhiên hoặc mái đào của hố móng Ứng suất chống cắt tại chỗ có thoát nước, sau khi đã cố kết Móng nông trên nền đất sét, sau khi lún ổn định Ứng suất chống cắt tại chỗ có thoát nước, sau khi đã cố kết Bảng 4.2. Một số ứng dụng của phương pháp CU Công trình và giai đọan làm việc tương ứng Ứng suất chống cắt CU Đắp lớp đất tiếp theo sau khi đã cho nền cố kết hoàn toàn với lớp đắp trước của công trình đất đắp, hoặc gia tải từng cấp trong gia tải trước Ứng suất chống cắt tại chỗ không thoát nước, ngay sau khi đắp lớp sau và nền đã cố kết hoàn toàn bởi tải của lớp đắp trước Xả nước hồ chứa nhanh. Lõi không thấm của đập chưa kịp thoát nước trong quá trình tháo đập Ứng suất chống cắt lõi đập không thoát nước, trong lúc xả nhanh hồ chứa, sau khi lõi đã cố kết hoàn toàn trong sự thấm thường trực Thi công nhanh công trình đất đắp trên suờn dốc Ứng suất chống cắt ngay sau khi gia tải không thoát nước, nền đã cố kết hoàn toàn bởi trọng lượng bản thân trước đó Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 2/2016 No. 2/2016 133 Bảng 4.3. Một số ứng dụng của phương pháp UU Công trình và giai đọan làm việc tương ứng Ứng suất chống cắt UU Thi công nhanh công trình đất đắp trên lớp sét mềm Ứng suất chống cắt ngay sau khi gia tải không thoát nước, nền sét mềm chưa cố kết hoàn toàn bởi tải trọng lượng bản thân (NC) Đập kích thước lớn khi thi công nhanh, độ ẩm của lõi không kịp thay đổi Ứng suất chống cắt không thoát nước của lõi sét đầm chặt của đập Móng nông thi công nhanh trên nền sét Sức chịu tải phụ thuộc ứng suất chống cắt không thoát nước * Thí nghiệm cắt cánh hiện trường (Field Vane test) Ta đã biết, khả năng thoát nước của lỗ rỗng của đất dính rất chậm nên trong một số trường hợp tính toán nền móng, đặc biệt nghiên cứu đất đắp trên nền đất yếu, thì thí nghiệm theo sơ đồ UU (không thoát nước, không cố kết) là thích hợp. Trong khi đó, việc xác định cu ở trong phòng thí nghiệm không phải lúc nào cũng thuận lợi, nhất là sét yếu và than bùn. Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, người ta đề xuất một loại thí nghiệm, không cần tiến hành lấy mẫu nguyên dạng, có thể xác định nhanh chóng sức kháng cắt không thoát nước của đất yếu. Phương pháp cắt cánh thường được sử dụng trong các loại đất mềm yếu, khó có khả năng lấy mẫu nguyên dạng để thí nghiệm trong phòng như đất loại sét mềm yếu, cát hạt nhỏ và mịn bão hòa nước, các loại đất bùn và than bùn. Hiện nay, ở nước ta, khi thiết kế nền đất yếu, thiết kế thi công cọc khoan nhồi, hố móng, người ta thường sử dụng phổ biến các tài liệu thí nghiệm cắt cánh. Thí nghiệm cắt cánh theo nguyên tắc là cắt đất trên một mặt phẳng định sẵn. Nguyên lý thí nghiệm rất đơn giản là ấn vào trong đất một cánh cắt chữ thập bằng thép, sau đó quay cánh cắt cho đến khi đất bị cắt xoay tròn (phá hủy) xung quanh trục của nó và đo mô-men xoắn. Đất bị cắt trong thời gian khá nhanh, nước không kịp thoát ra ngoài nên thí nghiệm được xem như là theo sơ đồ UU. Ta tính được ứng suất tiếp τ, từ đó có sức kháng cắt không thoát nước Su (tức là cu) của đất yếu, do u = 0. 37 6 d M x   (4) Trong đó: Mx: Mô-men giới hạn do ngọai lực tác dụng lên cần nối và cánh chữ thập d : Đường kính cánh chữ thập Thí nghiệm cắt cánh có độ tin cậy tương đối tốt. Các sai sót có thể có do thí nghiệm cắt cánh thường là: cánh cắt quá dày, tỷ lệ chiều cao với bề rộng cánh không phù hợp, ma sát. 4.2. Các phương pháp thí nghiệm xác định tính nén lún của đất yếu Bên cạnh các tham số (c, φ) đặc trưng cho sức chống cắt của đất nền. Tính nén lún của nền đất yếu còn được đặc trưng bởi các hệ số nén lún a hoặc chỉ số nén Cc; hệ số cố kết thẳng đứng Cv; mô- đun biến dạng E0. Sau đây là một số phương pháp thí nghiệm xác định mô đun biến dạng E của nền đất. Mô-đun biến dạng E cho biết khả năng chống lại tác dụng nén lún của tải trọng tác dụng. - Khi E càng nhỏ thì đất càng yếu và biến dạng lún lớn. - Khi E càng lớn thì đất tốt và biến dạng lún nhỏ. E = 300 ÷ 5000kN/m2 (đất bùn yếu) đến 100000kN/m2 (đá gốc, đá tảng). - Mô-đun đàn hồi là mô đun chỉ xét đến biến dạng đàn hồi. - Mô-đun biến dạng khi xét đến biến Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 2/2016 No. 2/2016 134 dạng đàn hồi và biến dạng dư. * Thí nghiệm bàn nén hiện trường: Khi xác định E trong phòng nghiệm không phản ánh hoàn toàn đầy đủ tính liên tục của đất (đất nền bị nở hông khi chịu nén), để có giá trị E phù hợp với trạng thái của khối đất tự nhiên, người ta dùng phương pháp thí nghiệm bàn nén hiện trường. Ngành xây dựng thường dùng bàn nén vuông có cạnh từ 0,3m; 0,45m; 0,6m; 0,75m; Ngành cầu đường thường sử dụng bàn nén tròn có đường kính 0,75m. Đôi khi, bàn nén được tiến hành ở đáy hố khoan với những bàn nén tròn cùng đường kính lỗ khoan. Thí nghiệm bàn nén hiện trường là tăng tải từng cấp lên bàn nén, đo chuyển vị đứng của bàn nén ứng với từng cấp tải trọng, cho đến khi đạt được tải trọng giới hạn Pult (tải trọng ứng với giá trị đó, chuyển vị đứng của bàn nén giảm dần về giá trị ổn định. Giá trị ổn định được chọn khi trong khoảng thời gian 1 giờ độ lún nhỏ hơn 0,2mm). Từ kết quả bàn nén hiện trường, ta vẽ đường cong quan hệ giữa ứng suất và biến dạng đứng của bàn nén. Mô đun đàn hồi của nền đất được xác định theo biểu thức: s pRE    .).1(57,1 2 (5) Trong đó: ν : hệ số Poisson R : bán kính bàn nén Δp: biến thiên cấp áp lực trong pha đàn hồi Δs: biến thiên độ lún, tương ứng khoảng cấp áp lực nêu trên * Phương pháp nén cố kết (OCT): Độ lún của đất yếu bão hòa nước, dưới tác dụng của tải trọng, xảy ra hiện tượng cố kết. Hiện tượng này có thể xác định trên thiết bị nén một trục không nở hông và thí nghiệm nén 3 trục. Tuy nhiên, thí nghiệm nén 3 trục tiến hành khá phức tạp. Thí nghiệm nén cố kết được tiến hành trên máy nén một trục nhằm xác định sự thay đổi chiều cao của một mẫu đất nguyên dạng trong một hộp hình trụ không cho phép biến dạng ngang và chịu áp lực thẳng đứng. Mẫu đất được lấy vào trong một dao vòng bằng thép không rỉ, cứng có đường kính 70mm, chiều cao 20mm. Dao vòng, có mẫu đất, được đặt trong một hộp nén với 2 viên đá bọt ốp trên và dưới. Cả hộp được đặt chìm trong nước. Hộp mẫu được đặt trong hệ khung đặc biệt, có thể gia tải qua cánh tay cân, trên đó treo các quả cân có trọng lượng khác nhau. Đo chuyển vị thẳng đứng mẫu đất bằng thiên vân kế gắn liền với khung. Tiến hành chất tải theo cấp đầu tiên của cấp áp lực dự kiến (0,25 - 0,5 - 1,0 - 2,0 - 4,0 - 8,0 - 16,0 - 32,0 kg/cm2) Kết quả quan trắc được thể hiện dưới 2 dạng biểu đồ: + Biểu đồ quan hệ giữa hệ số rỗng – cấp áp lực. + Biểu đồ quan hệ giữa chuyển vị - thời gian. Tại hai điểm bất kỳ trên đường cong nén lún ta có thể rút ra biểu thức: )1( 00 ee H HE        (6) Ta gọi v e a     là hệ số nén lún và khi đó ta có: 0 0 1 v eE a   Phương pháp dùng bảng tra: Loại đất Mô đun biến dạng E (Mpa) Hệ số Poisson ν Cát rời 10,35÷24,15 0,20÷0,40 Cát chặt trung bình 17,25÷27,60 0,25÷0,40 Cát chặt 34,50÷55,20 0,30÷0,45 Cát lẫn đất bột 1,035÷17,25 0,20÷0,40 Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 2/2016 No. 2/2016 135 Loại đất Mô đun biến dạng E (Mpa) Hệ số Poisson ν Cát sỏi 69,00÷172,50 0,15÷0,35 Sét mềm 2,07÷5,18 0,20÷0,50 Sét dẻo trung bình 5,18÷10,35 0,20÷0,50 Sét cứng 10,35÷24,15 0,20÷0,50 5. Kết luận Khi nghiên cứu về các đất yếu, cần tiến hành các thí nghiệm để xác định các đặc trưng cơ học (cường độ chống cắt và các đặc trưng biến dạng) của chúng. Các chỉ tiêu biểu thị sức kháng cắt của đất gồm có lực dính kết c và góc ma sát trong φ. Tuỳ theo các giải pháp thiết kế khác nhau màc, φ sẽ được xác định theo các phương pháp thí nghiệm khác nhau. Các chỉ tiêu biểu thị tính nén lún của đất gồm có: hệ số nén lún av hoặc chỉ số nén Cc; hệ số cố kết thẳng đứng Cv; mô đun biến dạng E0. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Trường Sơn, 2009. “Bài giảng địa chất công trình”. [2] Bùi Trường Sơn, 2009. “Thổ chất và công trình đất”. [3] Châu Ngọc Ẩn, 2009. “Cơ học đất”. NXB Đại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh [4] K.H.Head, 1994. “Soil laboratory testing, volume 2, Permeability, shear strength and compressibility”. [5] Tiêu chuẩn xây dựng TCVN 8868-2011; TCVN 4199-1995; TCVN 4200-2012; TCVN 9354-2012.