Nghiên cứu ứng xử cắt của đất bùn ven biển hòn tre theo độ đầm chặt và độ bão hòa
NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CẮT CỦA ĐẤT BÙN VEN BIỂN HÒN TRE
THEO ĐỘ ĐẦM CHẶT VÀ ĐỘ BÃO HÒA
THE STUDY ON THE CORRELATION OF SHEAR STRENGTH OF HONTRE
SEASIDE SOFT CLAY WITH THE DENSITY AND DEGREE OF
SATURATION
Lam Vinh Nghi1, Nguyen Minh Duc2
Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
TÓM TẮT
Bài báo nghiên cứu ứng xử cắt của đất bùn ven biển Hòn Tre theo độ đầm chặt và độ bão hòa.
Ứng dụng thí nghiệm cắt trực tiếp nhằm xác định sức kháng cắt của mẫu đất sét yếu được chế bị
theo các độ đầm chặt và độ bão hòa khác nhau. Kết quả nghiên cứu cho thấy, đối với đất đầm
chặt bão hòa và chưa bão hòa, lực dính C tăng tuyến tính và góc ma sát trong tăng theo dạng
hàm mũ với độ chặt K. Tương quan theo độ bão hòa cho thấy, sức kháng cắt của đất sét giảm rõ
rệt khi đất sét bão hòa. Căn cứ vào phân tích kết quả thí nghiệm, bài báo đề xuất hệ số đầm nén
K = 0.95 tại độ ẩm tối ưu 26,45% nhằm đảm bảo điều kiện chịu tải công trình tại Hòn Tre.
Từ khóa: đất bùn yếu ven biển Hòn Tre; thí nghiệm cắt trực tiếp; độ đầm chặt; lực dính; góc ma
sát trong; hệ số đầm nén.
ABSTRACT
This study focus on the shear strength behavior of soft clay in Hontre Seaside under different density and
degree of saturation using a series of direct shear tests. The result reveals that of which unsaturated and
saturarted clay, the cohesion and friction angle of increased linearly and exponentially respectively with
the increment of density of soil. The shear strength of compacted clay was reduced significantly when
saturated. The paper proposes the relative density, K = 0.95 and the optimum moisture content of 26.5%
to ensure the bearing capacity of shallow foundation in Hontre area
Keywords: Hon Tre soft clay; direct shear test; density; shear strength
sát trong và lực dính. Hai thành phần này lại
thay đổi do yếu tố độ ẩm và độ lèn chặt của
đất. Ngoài ra, bài toán về thời gian cố kết để
của nền cũng là một vấn đề rất cần thiết
nhằm xác định thời gian khả dụng để bắt đầu
xây dựng công trình và phương án móng hợp
lý. Chính vì vậy, để có thể xử lý đất nền đạt
đến cường độ đủ chịu được tải trọng công
trình, chúng ta cần nghiên cứu ứng xử cắt
của đất nền theo độ cố kết và độ bão hòa. Từ
đó chúng ta sẽ có biện pháp xử lý nền để
giảm nước trong lỗ rỗng làm tăng sức chịu
tải đất nền và đưa ra phương án móng phù
hợp đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, đem lại hiệu
quả kinh tế cho chủ đầu tư.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
tại đây sẽ được thực hiện bằng cách thổi bùn
từ biển đến cao độ 2 - 2,15m; tương đương
với cao độ san nền khu quy hoạch Hòn Tre
hiện nay. Với đặc tính là loại đất được tạo
thành trong nước, thành phần hạt rất mịn ở
trạng thái luôn no nước, hệ số rỗng lớn, rất
yếu về mặt chịu lực nên nền bùn sau khi
được thổi lên sẽ được để phơi khô, cho lượng
nước bề mặt giảm đi dần, đất sẽ từ từ cố kết
lại. Quá trình cố kết sẽ diễn ra rất chậm,
không những vậy với điều kiện cố kết tự
nhiên như vậy thì không thể đảm bảo đất có
thể đủ khả năng chịu tải trọng của công trình
nếu muốn nhanh chóng xây dựng công trình
trên nền đất đó.
Mục tiêu của đề tài là phân tích sức
chống cắt của đất bùn ven biển khu vực Hòn
Tre - Kiên Giang thông qua các nội dung
nghiên cứu sau:
Sức chống cắt của đất phụ thuộc góc ma
1
- Tìm hiểu đặc tính địa chất của khu vực
ven biển Hòn Tre.
(TCVN 4200:2012).
3. ĐẶC TÍNH ĐỊA CHẤT HÒN TRE
3.1 Lớp đất thứ nhất
- Xác định sức chống cắt của đất trong
phòng thí nghiệm theo độ cố kết và bộ bão
hòa.
Lớp 1 là lớp đất bùn lẫn vỏ xò, vỏ ốc
được khảo sát có chiều dày biến đổi từ
2,5m đến 3m.
- Phân tích phương pháp xử lý nền và
phương án móng phù hợp cho khu vực
nghiên cứu.
Bꢀng 3.1 Bảng tính chất cơ lý lớp đất 1
Thí nghiệm
Giá trị Đơn vị
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Phương pháp nghiên cứu
68,68
85,48
31,82
53,66
0,69
%
%
Độ ẩm tự nhiên của đất
Giới hạn nhão LL
Giới hạn dẻo PL
Phương pháp thống kê: Thí nghiệm
xác định tính chất vật lý và cơ học đất
bùn sét yếu khu vực khu dân cư Hòn Tre,
tỉnh Kiên Giang.
%
%
Chỉ số dẻo PI
%
Độ sệt
15,16
27,1
kN/m3
kN/m3
Dung trọng tự nhiên của đất w
Phương pháp tổng hợp: Sau khi thu
thập mẫu đất bùn sét yếu, thí nghiệm xác
định cường độ chịu cắt và ứng xử, ứng
suất biến dạng thông qua thí nghiệm cắt
đất trực tiếp.
Dung trọng riêng của hạt, h
Thành phần hạt của đất. Phần
trăm hạt mịn lọt sàn 200
Thành phần hạt của đất. Phần
trăm hạt thô trên sàn 200
65,12
34,88
%
%
Phương pháp tính toán: Tính toán tải
trọng trên mô hình Etabs, lập dự toán xác
định chi phí các phương án móng.
8,41
12,08
0,94
48
độ
Góc ma sát trong của đất φ
Lực dính c
kPa
Hệ số rỗng, e
2.2 Phương pháp thí nghiệm địa chất
%
Độ rỗng, n
-
Thí nghiệm xác định dung trọng tự
6,1
T/m2
Cường độ chịu tải quy ước
nhiên γtn (TCVN 4197:2012).
3.2 Lớp đất thứ hai
-
Thí nghiệm xác định độ ẩm tự nhiên
W% (TCVN 4196:2012).
Lớp 2 là lớp đất sét nâu lẫn sạn, trạng
thái dẻo cứng – nửa cứng, được khảo sát
có chiều dày biến đổi từ 5m đến 6m.
Bꢀng 3.2 Bảng tính chất cơ lý lớp đất 2
-
Thí nghiệm xác định giới hạn chảy
LL (%) theo TCVN 4197:2012).
-
Thí nghiệm xác định giới hạn dẻo PL
Thí nghiệm
Giá trị
20,76
36,01
18,41
17,60
0,13
Đơn vị
%
(%) (TCVN 4197:2012).
Độ ẩm tự nhiên của đất
Giới hạn nhão LL
Giới hạn dẻo PL
Chỉ số dẻo PI
-
Thí nghiệm thành phần hạt và phần
%
trăm loạt sàn bằng rây ướt (TCVN
4198:2012).
%
-
Thí nghiệm đầm chặt để xác định độ
%
ẩm tối ưu của đất (TCVN 4201:2012).
%
Độ sệt
Dung trọng tự nhiên của đất
w
-
Xác định cường độ chống cắt đất bão
20
kN/m3
kN/m3
%
hòa tại các độ ẩm khác nhau để xác định
sức chống cắt, φ, c của đất bằng thí
nghiệm cắt đất trực tiếp (TCVN
4199:1995).
27,3
27,1
Dung trọng riêng của hạt, h
Thành phần hạt của đất. Phần
trăm hạt mịn lọt sàn 200
Thành phần hạt của đất. Phần
trăm hạt thô trên sàn 200
62,9
%
-
Đất xây dựng – Phương pháp xác
định tính nén lún trong phòng thí nghiệm
20,03
độ
Góc ma sát trong của đất φ
2
33,3
0,65
kPa
39,4
26,1
%
Lực dính c
Độ rỗng, n
T/m2
Hệ số rỗng, e
Cường độ chịu tải quy ước
Hình 3.1 Mặt cắt địa chất tại HK1 và HK2
3.3 Lớp đất thứ ba
Lớp 3 là lớp đá trầm tích nguồn gốc
granit phong hóa mạnh, lớp này chỉ tiến hành
khoan khảo sát địa chất vào 2m.
40
30
20
10
0
K80
K85
K90
K95
Bꢀng 3.3 Bảng tính chất cơ lý lớp đất 3
Giá
trị
24,6
Thí nghiệm
Dung trọng khô
Đơn vị
0
50
100
150
kN/m3
kN/m3
Ứng suất pháp σ (kPa)
28,2
Khối lượng riêng
78,4 kG/cm2
28,03 kG/cm2
0,35
Cường độ kháng nén khi khô
Cường độ kháng nén khi bh
Hệ số hóa mềm
Hình 4.2 Biểu đồ tương quan ứng suất cắt và
ứng suất pháp theo độ chặt ở trạng thái bão
hòa
4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Căn cứ vào hình 4.1, 4.2, các biểu
đồ tương quan giữa đất bão hòa và đất
không bão hòa được nhận xét như sau:
80
60
40
20
0
K80
K85
K90
K95
- Độ chặt càng lớn, sức kháng cắt càng
tăng.
- Sức kháng cắt tại các độ chặt tăng
theo độ tăng cấp tải.
0
50
100
150
- Trong điều kiện bão hòa, sức kháng
cắt vẫn tăng theo cấp tải nhưng không
nhiều.
Ứng suất pháp σ (kPa)
Nguyên nhân: khi đất bị nén chặt thì lỗ
rỗng trong đất ít đi, lực dính tăng lên làm
cho liên kết giữa các phần tử đất tốt hơn
Hình 4.1 Biểu đồ tương quan ứng suất cắt và
ứng suất pháp theo độ chặt ở trạng thái không
bão hòa
3
và khả năng kháng cắt cao hơn. Trong điều
kiện bảo hòa, khi tăng cấp tải nước vẫn bị
thoát ra một phần nên làm gia tăng sức
kháng cắt.
45,00
40,00
35,00
30,00
25,00
20,00
15,00
10,00
5,00
y = 80x - 38,958
R² = 0,9272
20,00
15,00
K80
10,00
K85
5,00
0,00
K90
K95
0,00
0,75
0,8
0,85
0,9
0,95
1
26,45
30
BH
Độ chặt K
Độ ẩm (%)
Hình 4.5 Biểu đồ quan hệ lực dính với hệ số
Hình 4.3 Biểu đồ quan hệ góc ma sát trong
với độ ẩm tại các hệ số đầm chặt của đất
đầm chặt của đất không bão hòa
40,00
40,00
30,00
y = 85x - 51,667
R² = 0,9946
30,00
K80
20,00
10,00
0,00
20,00
10,00
0,00
K85
K90
K95
0,75
0,8
0,85
0,9
0,95
1
26,45
30
BH
Độ chặt K
Độ ẩm (%)
Hình 4.6 Biểu đồ quan hệ lực dính với hệ số
Hình 4.4 Biểu đồ quan hệ lực dính với độ ẩm
đầm chặt của đất bão hòa
tại các hệ số đầm chặt của đất
20,00
y = 0,4877e3,6237x
Căn cứ vào hình 4.3, 4.4, ta có các
nhận xét như sau:
15,00
10,00
5,00
R² = 0,9213
- Góc ma sát trong của đất lớn nhất tại
độ ẩm 26,45% với hệ số đầm chặt k=0,95.
0,00
- Với phương án xử lý nền bằng
phương pháp đầm nén, đề xuất thi công và
kiểm tra với hệ số đầm chặt là k=0.95 với
độ ẩm là 26,45%.
0,75
0,8
0,85
0,9
0,95
1
Độ chặt K
Hình 4.7 Biểu đồ quan hệ góc ma sát trong
với hệ số đầm chặt của đất không bão hòa
4
4,00
3,00
2,00
1,00
0,00
y = 0,0655e4,1107x
R² = 0,9916
0,75
0,8
0,85
0,9
0,95
1
Độ chặt K
Hình 4.8 Biểu đồ quan hệ góc ma sát trong
với hệ số đầm chặt của đất bão hòa
Căn cứ vào hình 4.5, 4.6, 4.7, 4.8,
ta có các nhận xét như sau:
Hình 4.9 Mặt bằng khung nhà cần tính toán
- Đối với đất không bão hòa được đầm
nén, lực dính C tăng tuyến tính với độ chặt
K, hệ số tương quan R2 = 0,9272. Góc ma
sát trong tăng đồng biến với độ chặt K
theo dạng hàm mũ, hệ số tương quan R2 =
0,9213, tương quan chặt chẽ.
- Đối với đất bão hòa được đầm nén,
lực dính C tăng tuyến tính với độ chặt K,
hệ số tương quan R2 = 0,9946. Góc ma sát
trong tăng đồng biến với độ chặt K theo
dạng hàm mũ, hệ số tương quan R2 =
0,9916, tương quan chặt chẽ.
Bài toán chi phí xây dựng:
Hình 4.10 Kết quả tính toán khung nhà bằng
Xây đựng công trình nhà khu dân cư
phổ thông 1 trệt 1 lầu, diện tích 5x20 m,
khung nhịp 5 m, chiều cao 10m, dầm
200x300mm, cột 200x200mm, tường xây
100mm, có đổ sàn trệt, lợp mái tôn, hoạt
tải sàn 200 kg/m2. Mô hình Etabs cho kết
quả tải trọng như sau:
Etabs
Hình 4.11 Khung nhà có tải trọng lớn nhất
5
Trong trường hợp công trình này ta sẽ
so sánh phương án móng băng và phương
án móng cọc.
cao và chắc chắn nhất dù chi phí xây dựng
có cao hơn thi công móng băng nhưng
không đáng kể, có thể chấp nhận được.
5. KẾT LUẬN
Sử dụng phương án móng băng:
Việc sử dụng móng băng khá đơn giản
trong trường hợp này, sau khi tính toán ta
chọn kích thước móng băng là 5x1,2m,
cao 0,4m. Độ sâu chôn móng là 1,3m.
- Sau khi nghiên cứu đặc điểm địa chất
ven biển Hòn Tre, ta nhận thấy khu vục
nghiên cứu gồm 3 lớp đất đá. Trong đó lớp
dưới cùng là đá chân núi, có sức chịu tải
lớn, có thể dùng để chịu lực cho móng cọc
công trình ven biển. Lớp giữa là lớp sét có
sức chịu lực tương đối tốt. Lớp trên cùng
là lớp bùn sét được bơm từ biển lên để san
lấp, sức chịu tải ban đầu khá yếu nhưng
sau quá trình thoát nước dần theo thời gian
để mực nước ngang bằng mực nước biển
(-2m so với cote 0.0 san lấp), lớp đất này
cũng đã đạt được sức chịu tải tương đối để
xây dựng những công trình nhà cấp 4 (nhà
trệt).
Sử dụng phương án móng cọc: Sử
dụng cọc 25x25cm có chiều dài 10m ép
đến tầng đá cứng chân núi, móng kích
thước 1x1m, cao 0,8m. Độ sâu chôn móng
là 0,8m.
Tiến hành lập dự toán trên phần mềm
Hitosoft theo các hệ số chi phí nhân công,
vật liệu, mấy thi công hiện hành tại tỉnh
Kiên Giang được công bố bởi Ủy ban
nhân dân tỉnh và Sở xây dựng Kiên Giang.
Khối lượng lập dự toán là móng tại
trục D-4
- Về đặc tính sức chống cắt của đất, ta
nhận thấy một số mối tương quan sau:
Bꢀng 4.1 Bảng so sánh giá trị kinh tế
+ Lực dính C tăng tuyến tính với độ
chặt K. Góc ma sát trong tăng đồng biến
với độ chặt K theo dạng hàm mũ, tương
quan chặt chẽ.
Phương án thi Kinh phí cho cột trục D-4
công
+ Góc ma sát trong của đất lớn nhất tại
độ ẩm 26,45% với hệ số đầm chặt k=0,95.
Với phương án xử lý nền bằng phương
pháp đầm nén, đề xuất thi công và kiểm
tra với hệ số đầm chặt là k=0.95 với độ ẩm
là 26,45%.
Phương án
móng băng
23.600.005 đ
40.070.003 đ
Phương án
móng cọc
+ Sức kháng cắt của mẫu tại độ ẩm bão
hòa và mẫu dưỡng bão hòa đều tăng lên
khi áp lực pháp tuyến tăng lên. Đất có xu
thế cho phép nước thoát ra khỏi mẫu trong
quá trình cắt đất.
Chi phí xử lý nền + thí nghiệm cho
100m2 khoảng: 8.000.000 đ
Nhận xét:
+ Độ bão hòa càng tăng, sức kháng cắt
càng giảm.
- Sau khi tính toán và so sánh, ta nhận
thấy phương án móng băng trên nền đất
cho hiệu quả kinh tế cao nhất. Tuy nhiên
trước khi thi công móng băng ta còn phải
xử lý nền đất đầm nén với diện tích 100m2
và thí nghiệm để kiểm tra độ chặt của đất.
+ Đối với mẫu được dưỡng bão hòa,
kết quả thí nghiệm cho thấy sức kháng cắt
thay đổi rất ít khi thay đổi ứng suất pháp
(tương tự ứng xử cắt không thoát nước của
đất sét bão hòa). Đây là do khi đất được
đầm chặt, hệ số thấm của mẫu nhỏ, nước
khó thoát ra khỏi mẫu trong quá trình cắt
- Trong các phương án thi công móng,
ta thấy phương án móng cọc có độ ổn định
6
đất, do đó đất biểu hiện tương tự sức
kháng cắt không thoát nước của đất bùn
sét bão hòa.
[4] Lareal Nguyễn Thành Long, Lê Bá
Lương, Nguyễn Quang Chiêu, Vũ Đức
Lực, 1990. Công trình trên đất yếu trong
điều kiện Việt Nam. Trường Đại học Bách
Khoa TP. HCM .
+ Sức kháng cắt của đất tại độ bão hòa
tăng lên theo cấp tải - không tuân theo quy
luật sức kháng cắt không thoát nước của
đất bão hòa (Su không đổi khi thay đổi áp
lực nén).
[5] Nguyễn Thị Nụ, Đỗ Minh Toàn,
2013. Nghiên cứu đặc điểm kháng cắt đặc
điểm sức kháng cắt của đất loại sét yếu
amQ22-3 phân bố ở các tỉnh ven biển
đồng bằng sông Cửu Long. Tạp chí KHKT
Mỏ - Địa chất 42: 36-43.
- Về ứng dụng của đất sau khi đầm nén,
phương án an toàn nhất để thi công móng
tại khu vực ven biển Hòn Tre là phương án
móng cọc với chiều dài cọc từ 8m đến
11,7m. Ngoài ra, phương án móng băng
cũng là một lựa chọn khá ổn định và có lợi
về mặt kinh tế. Bên cạnh đó, với những
công trình nhà trệt cấp, nhà tiền chế 1 tầng,
chiều cao ≤ 6 m vẫn có thể dùng móng cọc,
chiều sâu chôn móng không nên nhỏ hơn
1m để hạn chế độ lún của công trình.
[6] Ngô Kim Thạo, Trần Thọ Hùng,
2017. Báo cáo khảo sát địa chất khu dân
cư Hòn Tre tỉnh kiên Giang. Công ty cổ
phần tư vấn đầu tư và xây dựng Kiên
Giang.
[7] Lê Hoàng Việt, Huỳnh Văn Hiệp,
2013. Tương quan sức chống cắt không
thoát nước của sét mềm theo độ sâu và
mức độ nén chặt. Tạp chí khoa học công
nghệ 8:24 – 29.
Kiến nghị:
- Cần nghiên cứu thêm về hệ số thấm
K theo độ đầm chặt và cấp tải trọng.
[8] Suzuki, K. and Yasuhara, K., 2007.
Increase in undrained shear strength of
clay with respect to rate of consolidation.
Soils and Foundations Vol. 47(2): 303 –
318.
- Cần nghiên cứu thêm về hàm lượng
muối trong đất.
- Đề tài chỉ nghiên cứu ứng xử của đất
bùn ven biển Hòn Tre, cần nghiên cứu
thêm tại các khu vực khác của tỉnh Kiên
Giang.
[9] U. S. Army Engineer Waterways
Experiment Station, 1967. USCS. The
Unified Soil Classification System, U.S.
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
DEPARTMENT
Of
COMMERCE
National Technical lInfo ation Serco.
[1] Châu Ngọc Ẩn, 2010. Cơ học đất
Nhà xuất bản Đại học quốc gia TP. Hồ Chí
Minh.
Undrained Strength of Clays from Direct
Shear Testing at Fast Displacement Rates,
Geo-Congress 2013: 106 - 119.
[2] Trần Văn Hiển, Lê Văn Hùng,
2015. Tương quan độ chặt với hệ số thấm,
với lực dính và đề xuất lựa chọn hệ số đầm
nén hợp lý. Tạp chí khoa học thủy lợi và
môi trường 50: 3 – 8
[3] Nguyễn Thi Ngọc Hương, Trịnh
Minh Thụ, 2013. Nghiên cứu sức chống
cắt của đất không bão hòa bằng thí nghiệm
cắt trực tiếp. Tạp chí khoa học thủy lợi và
môi trường 42: 94 – 99.
7
Tác giải chịu trách nhiệm bài viết:
Họ tên: Lâm Vĩnh Nghi
Đơn vị: Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
Điện thoại: 0942.75.35.01
Xác nhận của Giꢀng viên hướng dẫn:
8
BÀI BÁO KHOA HỌC
THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ
Bài báo khoa học của học viên
có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn
Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ
Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam.
Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý
của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!
Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2018-2019 của Thư viện Trường Đại học
Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
9 trang
12/01/2024
23140
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu ứng xử cắt của đất bùn ven biển hòn tre theo độ đầm chặt và độ bão hòa", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_ung_xu_cat_cua_dat_bun_ven_bien_hon_tre_theo_do_d.pdf
