Tài liệu Nghiên cứu tương quan sức chống cắt của thí nghiệm nén ba trục và cắt cánh hiện trường cho một số loại đất sét yếu

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ------------------ AO VĂN TOÀN NGHIÊN CỨU TƢƠNG QUAN SỨC CHỐNG CẮT CỦA THÍ NGHIỆM NÉN BA TRỤC VÀ CẮT CÁNH HIỆN TRƢỜNG CHO MỘT SỐ LOẠI ĐẤT SÉT YẾU LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ------------------ AO VĂN TOÀN NGHIÊN CỨU TƢƠNG QUAN SỨC CHỐNG CẮT CỦA THÍ NGHIỆM NÉN BA TRỤC VÀ CẮT CÁNH HIỆN TRƢỜNG CHO MỘT SỐ LOẠI ĐẤT SÉT YẾU Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 85.80.205 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS CHÂU TRƢỜNG LINH Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. TÁC GIẢ LUẬN VĂN AO VĂN TOÀN LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên, tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn đến tất cả quý thầy cô khoa xây dựng cầu đƣờng - Đại học Bách khoa Đà Nẵng đã truyền đạt cho tôi những kiến thức bổ ích trong suốt hai năm học vừa qua. Tôi xin đƣợc tỏ lòng biết ơn và gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Châu Trƣờng Linh ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn luận văn, đã tận tình chỉ bảo và hƣớng dẫn tôi về kiến thức cũng nhƣ phƣơng pháp nghiên cứu, chỉnh sửa trong quá trình thực hiện luận văn này. Sau cùng tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập, thực hiện luận văn. Mặc dù bản thân đã rất cố gắng nhƣng luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận đƣợc sự chỉ dẫn, góp ý của quý thầy/cô giáo và tất cả bạn bè./. TÁC GIẢ LUẬN VĂN AO VĂN TOÀN MỤC LỤC MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài: .........................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu:............................................................................................... 1 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: ..........................................................................2 4. Cơ sở dữ liệu và phƣơng pháp nghiên cứu: ............................................................ 2 5. Kết quả đạt đƣợc: ....................................................................................................3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SỨC CHỐNG CẮT KHÔNG THOÁT NƢỚC (SU) CỦA ĐẤT YẾU VÀ CÁC THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH GIÁ TRỊ (SU) ..........................4 1.1. Tổng quan:............................................................................................................4 1.2. Sức chống cắt không thoát nƣớc của đất yếu: ......................................................7 1.3. Sử dụng Su trong tính toán ổn định công trình trên nền đất yếu: ........................7 1.3.1. Tính toán ổn định nền đắp trên đất yếu: .......................................................7 1.3.2. Tính toán lún nền đắp trên đất yếu: .............................................................. 8 1.4. Phƣơng pháp phân tích thành phần chính (PCA-Principal Component Analysis): ..................................................................................................................11 1.5. Các thí nghiệm xác định Su trong phòng và hiện trƣờng: .................................12 1.5.1 Thí nghiệm nén ba trục (sơ đồ UU) và phƣơng pháp xác định giá trị Su [21]: .......................................................................................................................13 1.5.2. Thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng và phƣơng pháp xác định giá trị Su [20]: ............................................................................................................................... 20 1.6. Kết luận chƣơng 1: ............................................................................................. 28 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU TƢƠNG QUAN GIÁ TRỊ SU CỦA THÍ NGHIỆM NÉN BA TRỤC VÀ CẮT CÁNH HIỆN TRƢỜNG CỦA ĐẤT SÉT YẾU TỪ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CỦA CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN NỀN ĐẤT YẾU ............................ 29 2.1. Giới thiệu về khu vực nghiên cứu: .....................................................................29 2.1. 1. Giới thiệu về KKT Dung Quất, huyện Bình Sơn, tỉnh Quảng Ngãi: .........29 2.1.2. Giới thiệu về cảng Container quốc tế Cái Mép: .........................................29 2.2. Hồ sơ địa chất các công trình nghiên cứu: .........................................................30 2.2.1. Hồ sơ địa chất dự án cảng Container quốc tế Cái Mép [10]: ......................30 2.2.2. Hồ sơ địa chất dự án đầu tƣ xây dựng công trình cầu Trà Bồng [11]: .......31 2.2.3. Hồ sơ địa chất dự án đƣờng Trì Bình – cảng Dung Quất [12]: ..................36 2.2.4. Hồ sơ địa chất dự án Kè chống sạt lỡ kết hợp đƣờng cứu hộ, cựu nạn di dân tái định cƣ neo đậu tàu thuyền đập Cà Ninh – hạ lƣu sông Trà Bồng phục vụ KKT Dung Quất, huyện Bình Sơn (giai đoạn 1): .................................................40 2.3. Xây dựng tƣơng quan giá trị Su của thí nghiệm nén 3 trục và thí nghiệm cắt cánh từ công trình cảng Container quốc tế Cái Mép:................................................43 2.3.1. Đất sét trạng thái dẻo chảy:.........................................................................43 2.3.2. Đất sét trạng thái dẻo mềm: ........................................................................45 2.3.3. Tƣơng quan sức chống cắt không thoát nƣớc theo độ sâu: ........................48 2.4. Phân tích thành phần chính (PCA): ....................................................................49 2.5. Kết quả thí nghiệm và thiết lập tƣơng quan sức chống cắt không thoát nƣớc: ..58 2.5.1. Đất sét trạng thái dẻo chảy:.........................................................................58 2.5.2. Đất sét trạng thái dẻo mềm: ........................................................................59 2.6. Kết luận chƣơng 2: ............................................................................................. 61 CHƢƠNG 3: KIỂM ĐỊNH CÁC TƢƠNG QUAN SỨC CHỐNG CẮT VÀ CÁC THÍ NGHIỆM THỰC TẾ TẠI TUYẾN TRÌ BÌNH - DUNG QUẤT..................................64 3.1. Giới thiệu tuyến Trì Bình - cảng Dung Quất: ....................................................64 3.2. Đặc điểm địa chất công trình và tính chất cơ lý của nền đất yếu: .....................64 3.3. Tính toán giá trị sức chống cắt không thoát nƣớc từ các phƣơng trình thực nghiệm: ......................................................................................................................65 3.3.1. Theo phƣơng trình tƣơng quan với các tính chất cơ lý đất: ........................65 3.3.2. Theo hệ số tƣơng quan: ...............................................................................70 3.4. Giá trị sức chống cắt không thoát nƣớc theo kết quả thí nghiệm: .....................70 3.4.1. Theo kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng: ..........................................70 3.4.2. Theo kết quả thí nghiệm nén ba trục (sơ đồ UU): ......................................73 3.5. Kiểm định các tƣơng quan sức chống cắt của các thí nghiệm: .......................... 73 3.6. Kết luận chƣơng 3: ............................................................................................. 74 KẾT LU N VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................75 * Kết luận: .................................................................................................................75 * Kiến nghị: ...............................................................................................................76 NGHIÊN CỨU TƢƠNG QUAN SỨC CHỐNG CẮT CỦA THÍ NGHIỆM NÉN BA TRỤC VÀ CẮT CÁNH HIỆN TRƢỜNG CHO MỘT SỐ LOẠI ĐẤT SÉT YẾU Học viên: Ao Văn Toàn Mã số: 8580205 Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông Khóa: K34 Trƣờng Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt - Luận văn hƣớng đến việc thiết lập tƣơng quan giữa các giá trị sức chống cắt của thí nghiệm nén ba trục (Sơ đồ không cố kết – không thoát nƣớc UU) và thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng (VST) cho một số loại đất sét yếu, áp dụng cho các công trình giao thông trên nền đất yếu trên địa bàn Khu kinh tế Dung Quất, huyện Bình Sơn, tỉnh Quảng Ngãi. Sử dụng để tính toán giá trị sức chống cắt không thoát nƣớc Su từ kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý đất, trên cơ sở phƣơng trình tƣơng quan giúp cho cán bộ thiết kế có thể chỉ dựa vào kết quả thí nghiệm nén ba trục UU trong phòng sẽ cho ra đƣợc sơ bộ sức chống cắt không thoát nƣớc theo thí nghiệm cắt cánh ngoài hiện trƣờng và ngƣợc lại; dùng để tính ổn định nền đƣờng trên nền đất yếu trên địa bàn Khu kinh tế Dung Quất, huyện Bình Sơn, tỉnh Quảng Ngãi nói riêng và trên địa bàn tỉnh quảng Ngãi nói chung. Từ khóa – sức chống cắt không thoát nƣớc Su; thí nghiệm xuyên tĩnh; thí nghiệm nén ba trục sơ đồ UU; thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng; phƣơng pháp phân tích thành phần chính (PCA). TO RESEARCH THE CORRELATION OF SHEAR STRENGTH OF TRIAXIAL LABORATORY TEST AND FIELD VANE SHEAR TEST FOR SOME SOFT CLAYS Abstract - Thesis's trend is studied to establish the correlation of shear strength value of triaxial laboratory (non-coherent scheme – undrained UU) and field vane shear test (VST) for some soft clays, to apply for traffic words soft clay on Dung Quất economic zone, Binh Son distric, Quảng Ngãi province. Using for calculate undrained shear strength value Su from test results of clay physical parameters, on basic of correlation equation helped designers can rely on the results of triaxial laboratory test UU to establish of undrained shear strength of the field vane shear test and vice versa, it was be used to calculate background stabilizer on soft clays on Dung Quất economic zone, Binh Son distric, Quảng Ngãi province and across the Quang Ngai province in general. Keywords - Undrained shear strength Su; Electronic Friction Cone and Piezocone Penetration Test; Field Vane Shear Test; Unconsolidated - Undrained Triaxial Compression Test; Principal Component Analysis (PCA). DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Su CPTu VST UU KKT KCN ASTM TCVN TCN BS QLDA LK Sức chống cắt không thoát nƣớc Thí nghiệm xuyên tĩnh Thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng Thí nghiệm nén ba trục sơ đồ không cố kết, không thoát nƣớc Khu kinh tế Khu công nghiệp Tiêu chuẩn mỹ Tiêu chuẩn Việt Nam Tiêu chuẩn ngành Tiêu chuẩn Anh Quản lý dự án Lỗ khoan DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1: trạng thái ứng suất tại thời điểm phá hủy ......................................................4 Hình 1-2: vòng tròn mohr của một số loại đất ................................................................ 5 Hình 1-4: quan hệ giữa ứng suất và biến dạng đối với đất ở trạng thái rời và chặt ......6 Hình 1-5: sơ đồ cấu tạo điển hình thiết bị thí nghiệm nén ba trục ............................... 14 Hình 1-5: công tác chế bị mẫu ......................................................................................16 Hình 1-6: lắp mẫu vào màng cao su .............................................................................17 Hình 1-7: sơ đồ lắp đặt của mẫu trong buồng nén .......................................................17 Hình 1-8: tạo áp lực buồng ........................................................................................... 18 Hình 1-9: (a) đường ứng suất - biến dạng; (b) đường thẳng quan hệ coulomb với các vòng tròn mohr ......................................................................................................19 Hình 1-10: cấu tạo máy cắt cánh hiện trường .............................................................. 21 Hình 1-11: thiết bị cắt cánh loại đọc ngay kết quả .......................................................23 Hình 1-12: thiết bị cắt cánh hãng geonor .....................................................................23 Hình 1-13: thiết bị cắt cánh cơ học mvst ......................................................................24 Hình 1-14: thiết bị cắt cánh điện tử evst .......................................................................24 Hình 1-15: trình tự thí nghiệm cắt cánh trong hố khoan ..............................................24 Hình 1-16: cánh có vát và cánh hình chữ nhật ............................................................. 26 Hình 1-17: biểu đồ xác định hệ số hiệu chỉnh μr theo chandler (1988) .......................27 Hình 1-18: biểu đồ xác định hệ số hiệu chỉnh μr theo bjerrum (1972)........................27 Hình 2-1: mặt cắt tổng hợp tính chất vật lý theo cao độ ...............................................30 Hình 2-2: tương quan giữa su theo kết quả thí nghiệm cptu và vst ............................... 44 Hình 2-3: tương quan giữa su theo kết quả thí nghiệm cptu và uu ............................... 45 Hình 2-4: tương quan giữa su theo kết quả thí nghiệm vst và uu .................................45 Hình 2-5: tương quan giữa su theo kết quả thí nghiệm cptu và vst .............................. 47 Hình 2-6: tương quan giữa su theo kết quả thí nghiệm cptu và uu ............................... 47 Hình 2-7: tương quan giữa su theo kết quả thí nghiệm vst và uu .................................48 Hình 2-8: tương quan giữa su theo kết quả thí nghiệm vst và uu .................................48 Hình 2-9: kết quả phân tích trên vòng tròn đơn vị tương quan su từ kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh cptu ......................................................................................................52 Hình 2-10: kết quả phân tích trên vòng tròn đơn vị tương quan su từ kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường ................................................................................52 Hình 2-11: kết quả phân tích trên vòng tròn đơn vị tương quan su từ kết quả thí nghiệm nén ba trục sơ đồ uu .................................................................................53 Hình 2-12: tương quan giữa su theo kết quả thí nghiệm vst và uu ............................... 59 Hình 2-13: tương quan giữa su theo kết quả thí nghiệm vst và uu ............................... 61 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1: độ nhạy (tính nhạy) của đất sét ......................................................................7 Bảng 1-2: khả năng ứng dụng chung thí nghiệm hiện trường (roberson, p.k., 1986) ..12 Bảng 1-3: so sánh kích thước thực tế lưỡi cắt với tiêu chuẩn astm và tiêu chuẩn bs ...21 Bảng 1-4: phân loại độ nhạy của đất theo skempton và northey (1952) ......................26 Bảng 1-5: ưu và nhược điểm thí nghiệm cắt cánh ........................................................28 Bảng 2-1: bảng tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất .........................................30 Bảng 2-2: số lỗ khoan khảo sát dự án cầu trà bồng .....................................................31 Bảng 2-3: tính chất cơ lý lớp 1 ......................................................................................32 Bảng 2-4: tính chất cơ lý lớp 2 ......................................................................................33 Bảng 2-5: tính chất cơ lý lớp 3a ....................................................................................34 Bảng 2-6: tính chất cơ lý lớp 3b ....................................................................................35 Bảng 2-7: tính chất cơ lý phụ lớp d ...............................................................................36 Bảng 2-8: tính chất cơ lý phụ lớp e ...............................................................................37 Bảng 2-9: tính chất cơ lý lớp 1 ......................................................................................40 Bảng 2-10: tính chất cơ lý lớp 2 ....................................................................................41 Bảng 2-11: giá trị su của lớp đất sét trạng thái dẻo chảy theo kết quả tn cptu .............43 Bảng 2-12: giá trị su của lớp đất sét trạng thái dẻo chảy theo kết quả thí nghiệm vst 44 Bảng 2-13: giá trị su của lớp đất sét trạng thái dẻo chảy theo kết quả thí nghiệm uu .44 Bảng 2-14: giá trị su của lớp đất sét trạng thái dẻo mềm theo kết quả thí nghiệm cptu ............................................................................................................................... 46 Bảng 2-15: giá trị su của lớp đất sét trạng thái dẻo mềm theo kết quả thí nghiệm vst 46 Bảng 2-16: giá trị su của lớp đất sét trạng thái dẻo mềm theo kết quả thí nghiệm uu .46 Bảng 2-17: bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm phân tích pca .......................................50 Bảng 2-18: ma trận tương quan giữa độ sâu lấy mẫu và các tính chất cơ lý của đất nền với giá trị sức chống cắt không thoát nước su theo kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh cptu ................................................................................................................54 Bảng 2-19: ma trận tương quan giữa độ sâu lấy mẫu và các tính chất cơ lý của đất nền với giá trị sức chống cắt không thoát nước su theo kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường vst. ............................................................................................ 55 Bảng 2-20: ma trận tương quan giữa độ sâu lấy mẫu và các tính chất cơ lý của đất nền với giá trị sức chống cắt không thoát nước su theo kết quả thí nghiệm nén ba trục sơ đồ uu. ........................................................................................................56 Bảng 2-21: hệ số tương quan. .......................................................................................57 Bảng 2-22: gia trị su của lớp dất set trạng thai dẻo chảy theo kết quả thi nghiệm vst .58 Bảng 2-23: giá trị su của lớp đất sét trạng thái dẻo chảy theo kết quả thí nghiệm uu ..58 Bảng 2-24: giá trị su của lớp đất sét trạng thái dẻo mềm theo kết quả thí nghiệm vst .59 Bảng 2-25: giá trị su của lớp đất sét trạng thái dẻo mềm theo kết quả thí nghiệm uu ..60 Bảng 2-26: các tương quan giữa su theo kết quả thí nghiệm cptu, vst và uu công trình cảng container quốc tế cái mép ............................................................................61 Bảng 3-1: chỉ tiêu cơ lý đất lớp 2 ..................................................................................64 Bảng 3-2: quan hệ f~cv và f~e .......................................................................................65 Bảng 3-3: kết quả thí nghiệm nén cố kết .......................................................................65 Bảng 3-4: bảng tổng hợp giá trị su theo phương trình tương quan .............................. 66 Bảng 3-5: giá trị su theo hệ số tương quan vst và uu....................................................70 Bảng 3-6: bảng tổng hợp giá trị su từ kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường chưa hiệu chỉnh ..............................................................................................................71 Bảng 3-7: bảng tổng hợp giá trị su từ kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường sau hiệu chỉnh ..............................................................................................................72 Bảng 3-8: bảng tổng hợp kết quả su theo thí nghiệm nén ba trục uu ........................... 73 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Để phân tích khi thiết kế, xử lý khi thi công nền và móng các công trình xây dựng (dân dụng và công nghiệp, giao thông và thủy lợi) ta cần xác định các tính chất cơ lý của đất nền. Có thể thí nghiệm trong phòng hoặc hiện trƣờng để xác định các tính chất này. Mẫu đất thí nghiệm là mẫu xáo động hoặc mẫu nguyên dạng. Từ mẫu xáo động, ta có thể xác định một số chỉ tiêu vật lý nhƣ: thành phần hạt của đất dính và đất rời, giới hạn Atterberg của đất dính (LL, PL). Nếu việc lấy mẫu, vận chuyển và bảo quản đúng quy cách thì các kết quả này là chắc chắn (đáng tin cậy). Hầu hết các tính chất khác, nhất là tính chất cơ học đều phải xác định trên mẫu nguyên dạng nhƣ: đặc trƣng biến dạng (E, ao, hay mv, Cc, Cr, Cv), tính thấm (k), sức chống cắt (φ, c), hệ số rỗng ban đầu (eo), độ chặt tƣơng đối của đất rời (Dr, vì Dr đƣợc xác định qua eo),… Ngay cả với đất dính, ta cũng chỉ lấy đƣợc những mẫu xáo động nhiều hay ít, mà không bao giờ lấy đƣợc mẫu hoàn toàn nguyên dạng. Vì vậy, ta bắt buộc phải tiến hành thí nghiệm hiện trƣờng trên đất tự nhiên để kiểm chứng và bổ sung các kết quả. Từ số đo của thí nghiệm hiện trƣờng, ta suy ra đƣợc các đặc trƣng, tính chất của đất theo các tƣơng quan thực nghiệm (đã đƣợc thiết lập với mức độ chặt chẽ đạt yêu cầu). Mặt khác, việc thí nghiệm mẫu nén ba trục tại các công trình trên địa bàn tỉnh Quảng Ngãi, các đơn vị tƣ vấn khảo sát thiết kế phải gửi mẫu đi thí nghiệm tại các phòng thí nghiệm ở Thành phố Hồ Chí Minh hoặc Đà Nẵng, nên việc bảo quản, di chuyển, và thí nghiệm mẫu nén ba trục gặp nhiều khó khăn, đôi lúc khó kiểm soát kết quả thí nghiệm. Nghiên cứu, thiết lập tƣơng quan giữa các giá trị sức chống cắt của thí nghiệm nén ba trục (Sơ đồ không cố kết – không thoát nƣớc UU) và thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng (VST) cho một số loại đất sét yếu. Từ đó giúp cho cán bộ thiết kế có thể chỉ dựa vào kết quả thí nghiệm nén ba trục UU trong phòng sẽ cho ra đƣợc sơ bộ sức chống cắt không thoát nƣớc theo thí nghiệm cắt cánh ngoài hiện trƣờng và ngƣợc lại. Điều này giúp cho việc thí nghiệm đƣợc thực hiện dễ dàng hơn tùy điều kiện, tính chất công trình, đồng thời giúp cho việc tính toán thiết kế sơ bộ thuận lợi hơn khi điều kiện thí nghiệm nén ba trục gặp khó khăn hoặc chiều sâu đất yếu lớn khó làm thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng. 2. Mục tiêu nghiên cứu: a. Mục tiêu tổng quát: Thiết lập tƣơng quan giữa các giá trị sức chống cắt của thí nghiệm nén ba trục (Sơ đồ không cố kết – không thoát nƣớc UU) và thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng (VST) cho một số loại đất sét yếu, áp dụng cho các công trình giao thông trên nền đất yếu trên địa bàn Khu kinh tế Dung Quất, huyện Bình Sơn, tỉnh Quảng Ngãi. Giúp cho cán bộ thiết kế có thể chỉ dựa vào kết quả thí nghiệm nén ba trục UU trong phòng sẽ cho ra đƣợc sơ bộ sức chống cắt không thoát nƣớc theo thí nghiệm cắt cánh ngoài hiện trƣờng và ngƣợc lại; dùng để tính ổn định nền đƣờng trên nền đất yếu trên địa bàn Khu 2 kinh tế Dung Quất, huyện Bình Sơn, tỉnh Quảng Ngãi nói riêng và trên địa bàn tỉnh quảng Ngãi nói chung. b. Mục tiêu cụ thể: - Xây dựng tƣơng quan giữa các giá trị sức chống cắt của thí nghiệm nén ba trục (Sơ đồ UU) và thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng (VST) công trình cảng Container quốc tế Cái Mép; - Tìm hiểu đặc điểm địa chất khu vực Khu kinh tế Dung Quất, huyện Bình Sơn, tỉnh Quảng Ngãi. Nghiên cứu, thiết lập tƣơng quan giữa các giá trị sức chống cắt của thí nghiệm nén ba trục (Sơ đồ không cố kết – không thoát nƣớc UU) và thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng (VST) cho một số loại đất sét yếu; - Tƣơng quan sức chống cắt sức chống cắt của thí nghiệm nén ba trục (Sơ đồ không cố kết – không thoát nƣớc UU) và thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng (VST) với các chỉ tiêu cơ lý của đất sét yếu; - Sử dụng các phƣơng trình, hệ số tƣơng quan vừa xây dựng đƣợc, kiểm định với các thí nghiệm thực tế tại tuyến trì bình - dung quất. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: a. Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu, thiết lập tƣơng quan giữa các giá trị sức chống cắt của thí nghiệm nén ba trục (sơ đồ không cố kết – không thoát nƣớc UU) và thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng (VST) cho một số loại đất sét yếu. b. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu, thiết lập tƣơng quan giữa các giá trị sức chống cắt của một số loại đất sét yếu, dùng để tính ổn định nền đƣờng trên nền đất yếu trên địa bàn tỉnh Quảng Ngãi. 4. Cơ sở dữ liệu và phƣơng pháp nghiên cứu: a. Cơ sở dữ liệu: - Thu thập các đề tài, dự án liên quan (hồ sơ khảo sát địa Hình, địa chất công trình, hồ sơ thiết kế, hồ sơ hoàn công,...); - Kế thừa kết quả của các đề tài nghiên cứu khoa học đã thực hiện, các dự án có liên quan đã và đang triển khai; - Các tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam và các nƣớc khác trên thế giới; - Thiết lập tƣơng quan giữa các giá trị sức chống cắt của thí nghiệm nén ba trục (UU) và cắt cánh hiện trƣờng (VST) cho một số loại đất sét yếu các công trình giao thông trên địa bàn Khu kinh tế Dung Quất, huyện Bình Sơn, tỉnh Quảng Ngãi dựa vào hồ sơ báo cáo khảo sát địa chất, hồ sơ báo cáo quan trắc địa kỹ thuật của các dự án sau: + Dự án cảng Container quốc tế Cái Mép; + Dự án đầu tƣ xây dựng công trình cầu Trà Bồng, nằm trên địa bàn xã Bình Đông, huyện Bình Sơn, tỉnh Quảng Ngãi; 3 + Dự án đƣờng Trì Bình – cảng Dung Quất, nằm trên địa bàn xã Bình Chánh, Bình Thạnh và Bình Đông, huyện Bình Sơn, tỉnh Quảng Ngãi; + Dự án Kè chống sạt lỡ kết hợp đƣờng cứu hộ, cựu nạn di dân tái định cƣ neo đậu tàu thuyền đập Cà Ninh – hạ lƣu sông Trà Bồng phục vụ Khu kinh tế Dung Quất, huyện Bình Sơn (giai đoạn 1), nằm trên địa bàn xã Bình Đông, huyện Bình Sơn, tỉnh Quảng Ngãi. b. Phương pháp nghiên cứu: Với nội dung trên, việc nghiên cứu đƣợc tiến hành theo các phƣơng pháp: - Phƣơng pháp địa chất: Nghiên cứu về điều kiện thành tạo và quy luật phân bố các trầm tích Holocen tại khu vực Khu kinh tế Dung Quất, huyện Bình Sơn, tỉnh Quảng Ngãi; - Phƣơng pháp thực nghiệm: Tiến hành các thí nghiệm trong phòng (thí nghiệm xác định các chỉ tiêu vật lý, cơ học, thí nghiệm nén ba trục,...) và các thí nghiệm hiện trƣờng (khoan khảo sát địa chất công trình, thí nghiệm SPT, thí nghiệm cắt cánh VST,…); - Phƣơng pháp tính toán lý thuyết: Tính toán sức chống cắt theo kết quả thí nghiệm nén ba trục UU và thí nghiệm cắt cánh VST, tính toán kiểm tra ổn định nền đƣờng trên nền đất yếu; - Phƣơng pháp xác suất thống kê: Xử lý và tổng hợp kết quả thí nghiệm, nghiên cứu thiết lập tƣơng quan giữa các giá trị sức chống cắt; - Sử dụng các phần mềm hỗ trợ: Office 2016, AutoCad 2017,... 5. Kết quả đạt đƣợc: Nghiên cứu, thiết lập tƣơng quan sức chống cắt của thí nghiệm nén ba trục (Sơ đồ không cố kết – không thoát nƣớc UU) và thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng (VST) cho một số loại đất sét yếu. Từ đó giúp cho cán bộ thiết kế có thể chỉ dựa vào kết quả thí nghiệm nén ba trục UU trong phòng sẽ cho ra đƣợc sơ bộ sức chống cắt không thoát nƣớc theo thí nghiệm cắt cánh ngoài hiện trƣờng và ngƣợc lại trong điều kiện dữ liệu đầu vào không đầy đủ. Dùng để tính ổn định nền đƣờng trên nền đất yếu trên địa bàn tỉnh quảng Ngãi. Giúp cho việc thí nghiệm đƣợc thực hiện dễ dàng hơn tùy điều kiện, tính chất công trình, đồng thời giúp cho việc tính toán thiết kế sơ bộ thuận lợi hơn khi điều kiện thí nghiệm gặp khó khăn. Khu vực nghiên cứu đƣợc mở rộng, xây dựng cơ sở dữ liệu dựa trên số liệu của nhiều công trình, tại nhiều khu vực khác nhau để thiết lập tƣơng quan giữa các giá trị sức chống cắt cho một số loại đất sét yếu trên địa bàn toàn tỉnh Quảng Ngãi và các khu vực lân cận, giúp cho cán bộ thiết kế có thể dựa vào đó tính toán ổn định nền đƣờng trên nền đất yếu các công trình mới nằm trong khu vực đã nghiên cứu nhằm tiết kiệm chi phí, đẩy nhanh tiến độ khảo sát, thiết kế. 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỨC CHỐNG CẮT KHÔNG THOÁT NƢỚC (SU) CỦA ĐẤT YẾU VÀ CÁC THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH GIÁ TRỊ (SU) 1.1. Tổng quan: Trạng thái của đất sét có thể đƣợc xác định dựa trên cƣờng độ nén đơn qu hoặc sức chống cắt Su của đất trong điều kiện không thoát nƣớc. Terzaghi và Peck (1967) [26] định nghĩa sét rất yếu khi qu < 25kPa và yếu khi 25kPa < qu < 50kPa. Cũng có một số nhà nghiên cứu cho rằng sét yếu có Su < 40kPa. Hệ số rỗng của sét yếu là e > 1 và giới hạn lỏng wl > 50%. a, Phương trình Mohr – Coulomb: Coulomb là ngƣời đầu tiên đƣa ra giả thiết về sức chống cắt của đất [4]: (1.1) s  c  v Trong đó: s : độ bền cắt trên mặt phẳng đang xét (kPa) c : lực dính hay lực hút giữa các hạt (lực này gần nhƣ độc lập với ứng suất pháp tác dụng trên mặt phẳng đang xét) (kPa) σ : ứng suất pháp tác dụng trên mặt phẳng đang xét (kPa) ν : hệ số ma sát giữa các hạt tiếp xúc với nhau Trong địa kỹ thuật, hệ số ma sát ν đƣợc lấy bằng tg υ. Nếu xét theo ứng suất có hiệu σ’ thay vì σ, ta có: s  c' ' tg ' (1.2) Chú ý: sức chống cắt độc lập với áp lực nƣớc lỗ rỗng, do đó ta không có s’ trong phƣơng trình trên.υ đƣợc gọi là góc ma sát trong. Nhƣ chúng ta đã thấy ở trên, υ không phải là một hằng số. Vì υ  υ’, do đó ta phải cẩn thận khi sử dụng, phải xem bài toán đang giải là bài toán về ứng suất tổng hay ứng suất có hiệu. Hình 1-1: Trạng thái ứng suất tại thời điểm phá hủy Mohr đã giới thiệu lý thuyết phá hủy ở trạng thái ứng suất tới hạn nhƣ sau: S f  f ( ' ) (1.3) Phƣơng trình trên có nghĩa là trên mặt phẳng phá hủy, ứng suất cắt phá hủy là một hàm số của ứng suất pháp có hiệu trên mặt phẳng đó. Phƣơng trình (1.3) có thể đƣợc viết lại là: 5 S f   ' ( )   ' tg (1.4) Và xem nhƣ đây là một trƣờng hợp đặc biệt của phƣơng trình Coulomb (1.2). Kết hợp cả hai phƣơng trình ta sẽ có Tiêu chuẩn phá hủy Mohr – Coulomb nhƣ sau: (1.5) S f  c 'f   'f tg Ngƣời ta thƣờng bỏ chỉ số f và do đó ta có phƣơng trình (1.2). Trạng thái phá hủy còn đƣợc gọi là trạng thái tới hạn, trạng thái giới hạn hay trạng thái cân bằng giới hạn. Bởi vì (1.1) và (1.2) là phƣơng trình của một đƣờng thẳng biểu thị ứng suất cắt giới hạn và tất cả các điểm trên đƣờng tròn phá hủy của Mohr cũng biểu thị ứng suất cắt giới hạn, do đó sẽ hợp lý nếu ta vẽ đƣờng bao của các đƣờng tròn Mohr và đƣờng bao đó cũng chính là tiếp tuyến của các vòng tròn Mohr. Nghĩa là sức chống cắt của đất tại thời điểm phá hủy có thể dự báo đƣợc thông qua đƣờng bao của các vòng tròn Mohr. Phƣơng trình của đƣờng bao này sẽ phụ thuộc vào việc ta xem xét đất nền đang làm việc dƣới tác dụng của ứng suất tổng hay ứng suất có hiệu. Hình 1-2: Vòng tròn Mohr của một số loại đất b, Đường bao phá hủy của một số loại đất (Hình 1.2): 1 - Đất không dính: Nhận thấy lực dính c bằng 0. 2 - Đất quá cố kết: Khi ứng suất còn nhỏ hơn ứng suất tiền cố kết thì đất có lực dính và góc ma sát trong nhỏ. Nếu ứng suất vƣợt quá thì đất có hành vi nhƣ đất cố kết bình thƣờng nhƣ trên Hình 1.2d. 3 - Đường bao Mohr: Gần nhƣ đối với mọi loại đất, đƣờng bao Mohr là một đƣờng cong. Tiếp tuyến sẽ đƣợc lấy ở vùng có σ = σlàm việc, từ đó ta suy ra υ và chiếu lên trục tung ta sẽ có c. 6 4 - Các thông số ứng với ứng suất có hiệu: Nếu trong quá trình thí nghiệm có đo áp lực nƣớc lỗ rỗng thì ta có thể hiệu chỉnh vòng tròn Mohr nhƣ trên Hình 1.3d. Đối với đất sét cố kết bình thƣờng, đƣờng bao Mohr gần nhƣ đi qua gốc tọa độ. Xét trở lại mục 2 ta thấy, nếu thực hiện thí nghiệm với một loạt vòng tròn Mohr ứng với σn > σp thì đất có hành vi là cố kết bình thƣờng. Nếu ta hiệu chỉnh các vòng tròn Mohr theo áp lực nƣớc lỗ rỗng (để có vòng tròn Mohr biểu diễn theo ứng suất có hiệu), khi σn < σp thì không nhất thiết lực dính c’ sẽ bằng không nhƣng υ’ sẽ khác với υ’ trong khu vực cố kết bình thƣờng. Trong thực tế, ta không cần phải vẽ các vòng tròn Mohr để sau đó vẽ đƣờng bao phá hủy. Ta chỉ cần tác dụng lên mẫu đất các ứng suất σn khác nhau và đo các giá trị s cực đại tƣơng ứng. Hai hoặc hơn hai bộ giá trị (σn, s) cho phép ta tìm ra c và υ bằng cách: giải hệ các phƣơng trình (1.2) hoặc xác định các thông số của đƣờng hồi quy tuyến tính đi qua các điểm thí nghiệm (σn, s). Đối với đa số các loại đất, các phƣơng trình (1.1) và (1.2) không đƣợc dùng để xác định ứng suất cắt cực đại. Các phƣơng trình Mohr-Coulomb xác định ứng suất cắt tới hạn gây phá hủy và chúng đƣợc xây dựng từ các ứng suất pháp và ứng suất tiếp trên các mặt phẳng tới hạn. c, Các đường cong ứng suất – biến dạng Hình 1-3: Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng đối với đất ở trạng thái rời và chặt 7 Một số loại đất thể hiện hành vi giòn trên đƣờng cong ứng suất – biến dạng. Theo đó, ứng suất tăng lên đến đỉnh điểm và rồi giảm đột ngột. Một số loại đất sau có khả năng có hành vi giòn (Hình 1.4a): - Đất khô hay đất hạt thô, ẩm và ở trạng thái chặt. - Đất dính nhƣng có OCR cao hay độ bão hòa thấp. - Đất bị xi măng hóa. - Đất đƣợc đầm nện ở độ ẩm thấp hơn độ ẩm tối ƣu Wopt. - Ứng suất nén lớn hơn 70kPa trong thí nghiệm nén ba trục. Đối với một số loại đất, khi ứng suất tăng thì biến dạng cứ tăng cho đến một trị số ứng suất gần nhƣ bằng hằng số, trị số này tƣơng ứng với một trị số biến dạng khá lớn. Ta nói đất bị phá hoại kiểu tăng dần. Các loại đất có kiểu phá hủy này là: đất loại cát ở trạng thái rời rạc, đất dính ở trạng thái không nguyên dạng, đất đầm nện ở độ ẩm cao hơn độ ẩm tối ƣu Wopt và đặc biệt, đất trong thí nghiệm nén một trục nở hông và thí nghiệm nén ba trục ở ứng suất nén nhỏ (Hình 1.4b). Phá hủy giòn xảy ra ở biến dạng nhỏ, thƣờng vào khoảng 1 – 3%. Đối với phá hủy kiểu tăng dần thì không dễ xác định đƣợc ứng suất tại thời điểm phá hủy. Tuy nhiên, ngƣời ta thƣờng sử dụng ứng suất ứng với biến dạng tƣơng đối đạt 20% làm ứng suất cực đại. 1.2. Sức chống cắt không thoát nƣớc của đất yếu: Trong chƣơng này chúng ta tập trung đề cập đến sức chống cắt trong điều kiện không thoát nƣớc Su của loại đất dính trầm tích bão hòa nƣớc có tỷ số quá cố kết OCR từ thấp đến trung bình vì loại đất này thƣờng đạt tới trạng thái tới hạn nhất trong điều kiện chất tải ở công trƣờng. Khi đƣợc gia tải nhanh và đất hoàn toàn không thoát nƣớc (UU), thì đất sét bão hòa không có ma sát trong (υu = 0), sức kháng cắt hoàn toàn do lực dính sinh ra, ta gọi đó là sức chống cắt không thoát nƣớc Su (τmax = Su = qu /2). Khi đất sét bị xáo trộn (do tác dụng đóng cọc,…), sức chống cắt không thoát nƣớc của nó giảm xuống còn Sur (sức chống cắt xáo động). Đất sét có độ nhạy cao rất dễ bị phá hoại và sạt lỡ. Bảng 1.1 phân loại mức độ nhạy do Michell (1976) đề xuất [4]. Bảng 1-1: Độ nhạy (tính nhạy) của đất sét ST 1 1-2 2-4 4-8 >8 Độ nhạy không ít vừa cao rất cao 1.3. Sử dụng Su trong tính toán ổn định công trình trên nền đất yếu: Tính toán ổn định nền đắp trên đất yếu theo tiêu chuẩn ngành 22 TCN 262:2000 về quy trình khảo sát thiết kế nền đƣờng ô tô đắp trên nền đất yếu do Bộ giao thông vận tải ban hành (Ban hành theo Quyết định số 1398/QĐ-BGTVT ngày 01/6/2000 của Bộ trƣởng Bộ giao thông vận tải) [14]. 1.3.1. Tính toán ổn định nền đắp trên đất yếu: a) Phương pháp tính toán: 8 Trong quy trình này sử dụng phƣơng pháp phân mảnh cổ điển hoặc phƣơng pháp Bishop với mặt trƣợt tròn khoét xuống vùng đất yếu làm phƣơng pháp cơ bản để tính toán đánh giá mức độ ổn định của nền đắp trên đất yếu. b) Các trường hợp tính toán ổn định: Kiểm toán ổn định trƣợt theo phƣơng pháp Bishop, sử dụng phần mềm GEO SLOPE/W. Kiểm toán ổn định trƣợt đƣợc thực hiện cho các trƣờng hợp sau: - Trƣờng hợp 1: Nền đắp đƣợc xây dựng trong điều kiện đất yếu phía dƣới chƣa kịp cố kết hoặc có cố kết nhƣng ở mức độ không đáng kể ( các đoạn không xử lý đắp đến cao độ thiết kế, các đoạn có xử lý gia tải đắp đến cao độ gia tải, các đoạn xử lý đắp đến cao độ phòng lún). Sử dụng kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng và trị số lực dính tính toán Cu đƣợc tính toán theo công thức sau: Cu = µ.Ss (1.6) Trong đó: + Ss – là sức chống cắt nguyên dạng không thoát nƣớc từ thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng. + µ - là hệ số hiệu chỉnh xét đến ảnh hƣởng bất đẳng hƣớng của đất, tốc độ cắt và tính phá hoại liên tiếp của nền đất yếu tùy thuộc vào chỉ số dẻo của đất. - Trƣờng hợp 2: Nền đắp trên đất yếu sau khi hoàn thành đƣa vào khai thác sử dụng. Đặc trƣng sức chống cắt (C và ) đƣa vào tính toán đƣợc xác định với mẫu nguyên dạng thông qua thí nghiệm cắt nhanh cố kết trong phòng thí nghiệm. Cui = Ci + Ci (1.7) Ci = z.U.tgi (1.8) Trong đó: + Cui – là lực dính tính toán. +  - là góc ma sát trong của lớp đất yếu. Nếu kết quả tính toán ổn định theo trƣờng hợp 1 với chiều cao đắp một lần bằng chiều cao nền đắp thiết kế đã cho thấy đảm bảo K ≥ 1.4 thì không cần kiểm tra các trƣờng hợp còn lại. 1.3.2. Tính toán lún nền đắp trên đất yếu: Tính lún theo phƣơng pháp phân tầng lấy tổng, chiều sâu ảnh hƣởng lún đƣợc tính đến độ sâu mà tại đó P = 0.15.P0 (P - ứng suất do tải trọng nền đắp, P0 - ứng suất bản thân nền đất). Tổng lún gồm hai thành phần đó là lún tức thời và lún cố kết. Tải trọng gây lún, ngoài tải trọng bản thân nền đắp theo chiều cao thiết kế còn xét đến tải trọng do phần bù lún.  Dự báo lún: * Trình tự tính lún: Tính độ lún tổng cộng S theo công thức: S = m.Sc (1.9) Với m = 1.1 – 1.4; Sc: là độ lún cố kết. 9 Độ lún tức thời tính theo công thức: Si = (m-1).Sc (1.10) * Tính độ lún cố kết của đất dính Sc: Độ lún cố kết Sc đƣợc tính theo phƣơng pháp phân tầng lấy tổng với công thức:  ipz hi  i  Sc   Cr lg i 1 1  e0 i   vz  n i  i    Cci lg  z   vz   i pz     (1.11)   Trong đó: hi: Bề dày lớp đất tính lún thứ i (phân thành n lớp có đặc trƣng biến dạng khác nhau) i từ 1 đến n; hi  2.0m. ei0: là hệ số rỗng của lớp đất thứ i ở trạng thái tự nhiên ban đầu (chƣa đắp nền bên trên). Cic: là chỉ số nén lún hay độ dốc của đoạn đƣờng cong nén lún (biểu diễn dƣới dạng e~log ) trong phạm vi i > ipz của lớp đất thứ i. < ipz Cir : là chỉ số nén lún hay độ dốc của đoạn đƣờng cong nén lún trong phạm vi i (còn gọi là chỉ số nén lún phục hồi ứng với quá trình dỡ tải). ivz , ipz , iz: áp lực (ứng suất nén thẳng đứng) do trọng lƣợng bản thân các lớp đất tự nhiên nằm trên lớp i, áp lực tiền cố kết ở lớp i và áp lực do tải trọng đắp gây ra ở lớp i (xác định các trị số áp lực này tƣơng ứng với độ sâu z ở chính giữa lớp đất yếu i). * Tính độ lún cố kết của đất rời Sc: Khi đất nền dƣới đất đắp là đất rời: nhƣ cát, cát pha, cát sạn..., chịu tác dụng của áp lực nền đắp thì vẫn gây lún. Tuy nhiên, độ lún này thƣờng xảy ra tức thời, do đất rời thoát nƣớc ngay lập tức sau khi đắp nền. Kết quả tính toán lún cho đất rời cung cấp tổng thể độ lún của đất nền dƣới đất đắp. Độ lún cố kết của đất rời diễn ra rất nhanh thƣờng kết thúc ngay sau khi thi công nên độ lún này không ảnh hƣởng đến biến dạng cồng trình theo thời gian. Do đó, tính toán độ lún của đất rời để phục vụ công tác đắp bù lún đảm bảo cao độ nền đƣờng thiết kế. * Tính chiều cao đắp phòng lún: Chiều cao nền đắp thiết kế có dự phòng lún: H’tk = Htk + S (1.12) Nhƣ vậy cao độ đắp nền trên đất yếu phải thiết kế thêm một trị số S để dự phòng lún. Bề rộng nền đắp tại cao độ H’tk phải bằng bề rộng nền đắp thiết kế.  Tính độ lún cố kết theo thời gian: * Trường hợp không dùng biện pháp thoát nước theo phương thẳng đứng: - Độ lún cố kết của nền đắp sau thời gian t: St = Sc.Uv (1.13) Độ cố kết đứng đƣợc tính theo công thức: Uv=f(Tv) (1.14)