Cơ chế tương tác và xác định các thông số tương tác đất với cốt phục vụ tính toán ổn định công trình đất có cốt

239 32(3), 239-248 T¹p chÝ C¸c khoa häc vÒ tr¸i ®Êt 9-2010 C¥ CHÕ T¦¥NG T¸C Vµ X¸C §ÞNH C¸C TH¤NG Sè T¦¥NG T¸C §ÊT VíI CèT PHôC Vô TÝNH TO¸N æN §ÞNH C¤NG TR×NH §ÊT Cã CèT Vò §×nh Hïng, Khæng Trung Du©n I. §ÆT VÊN §Ò §Êt ®−îc æn ®Þnh c¬ häc nhê cèt lµ c¸c vËt liÖu ®−a vµo tõ bªn ngoµi kh«ng ph¶i lµ mét ý t−ëng míi mµ ®· ®−îc thùc hiÖn tõ rÊt l©u. C«ng nghÖ ®Êt cã cèt ®−îc b¾t ®Çu tõ nh÷ng vËt liÖu cèt s¬ khai nh− r¬m thªm vµo ®Êt sÐt ®Ó n©ng cao chÊt l−îng g¹ch kh«ng nung, sö dông th©n c©y vµ cµnh c©y trong gia cè nÒn mãng cña ®ª vµ ®−êng, tiÕp ®Õn lµ viÖc sö dông c¸c thanh/d¶i kim lo¹i, sau ®ã lµ viÖc chÕ t¹o l−íi chÊt dÎo bÒn v÷ng nh− Tensar vµ Tanax cã ®é cøng chÞu gi·n cao vµ chèng ®−îc ¨n mßn, ®· lµm cho viÖc sö dông cèt l−íi víi ®Êt ®¾p ma s¸t - dÝnh ph¸t triÓn. Ngµy nay lµ vËt liÖu v¶i ®Þa b»ng chÊt dÎo (polymer geotextile), bao gåm c¶ lo¹i dÖt lÉn kh«ng dÖt (gäi chung lµ V¶i ®Þa kü thuËt) ®ang ®−îc sö dông réng r·i vµ hiÖu qu¶ nh»m gia cè nÒn ®Êt yÕu, taluy ®−êng, bê ®ª s«ng-biÓn, x©y dùng c¸c c«ng tr×nh chèng tr−ît lë s−ên dèc, h¹n chÕ ¶nh h−ëng cña ®éng ®Êt... Sù ph¸t triÓn cña c«ng nghÖ ®Êt cã cèt kh«ng chØ dõng l¹i ë ph¸t triÓn vÒ vËt liÖu chÕ t¹o cèt mµ cßn ph¸t triÓn c¶ ph−¬ng ph¸p tÝnh nh− [5] : ph−¬ng ph¸p khèi tr−ît nªm hai phÇn, ph−¬ng ph¸p ph©n m¶nh ®Ó tÝnh to¸n mÆt tr−ît trßn, ph−¬ng ph¸p øng suÊt kÕt hîp, ph−¬ng ph¸p mÆt tr−ît xo¾n èc logarit, ph−¬ng ph¸p träng lùc dÝnh kÕt... Kh«ng dõng l¹i ë c¸c ph−¬ng ph¸p tÝnh, c¸c phÇn mÒm tÝnh to¸n ®Þa kü thuËt (V§KT) còng ®· cè g¾ng ®−a thªm tr−êng hîp tÝnh to¸n cã cèt tham gia (Sted, Geo-Slope, Plaxis...). Thùc tÕ øng dông c«ng nghÖ nµy ë ViÖt Nam cßn gÆp mét sè khã kh¨n nh− ch−a cã tµi liÖu h−íng dÉn tÝnh to¸n ®Çy ®ñ vÒ c«ng nghÖ, nhiÒu ng−êi thiÕt kÕ vµ thi c«ng ch−a hiÓu b¶n chÊt c¬ chÕ t−¬ng t¸c ®Êt víi cèt, c¸c th«ng sè tÝnh to¸n vµ ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh, dÉn ®Õn chän vµ xö lý sè liÖu ®Çu vµo gÆp nhiÒu khã kh¨n mçi khi tÝnh to¸n... Bµi b¸o xin giíi thiÖu mét sè kÕt qu¶ nghiªn cøu lý thuyÕt, thÝ nghiÖm lµm c¬ së ®−a ra bé sè liÖu ®Çu vµo cho ph©n tÝch æn ®Þnh c«ng tr×nh ®Êt cã cèt cña nhãm nghiªn cøu Trung t©m Thñy c«ng nay lµ ViÖn Thñy c«ng thuéc ViÖn Khoa Thñy lîi ViÖt Nam. II. C¥ CHÕ T¦¥NG T¸C §ÊT CèT Cã hai c¬ chÕ t−¬ng t¸c chñ ®¹o ®Êt vµ cèt lµ ph−¬ng thøc truyÒn lùc th«ng qua ma s¸t vµ ph−¬ng thøc truyÒn lùc th«ng qua søc c¶n bÞ ®éng cña ®Êt. §èi víi cèt d¹ng ®ai máng, d¹ng tÊm, d¹ng khung, d¹ng l−íi, d¹ng m¹ng truyÒn lùc th«ng qua ma s¸t ; cèt d¹ng khung, d¹ng l−íi, d¹ng m¹ng lµ c¸c lo¹i cã c¸c phÇn tö cèt vu«ng gãc víi ph−¬ng truyÒn lùc kÐo th× míi cã thªm lùc truyÒn th«ng qua søc c¶n bÞ ®éng cña ®Êt. Bµi b¸o nµy giíi thiÖu c¸c nghiªn cøu sö dông cèt gia cè d¹ng v¶i víi ba tÝnh n¨ng (gia cè, läc + dÉn n−íc vµ ph©n c¸ch) nªn ph−¬ng thøc nghiªn cøu ®−îc xem xÐt chØ lµ søc c¶n do ma s¸t. Cã hai tr¹ng th¸i giíi h¹n cã thÓ xÈy ra ®èi víi c¬ chÕ t−¬ng t¸c nµy, ®ã lµ sù tr−ît cña ®Êt trªn cèt vµ cèt bÞ kÐo tuét khái ®Êt (h×nh 1). Søc c¶n ma s¸t ®−îc x¸c ®Þnh tõ hai tr¹ng th¸i nµy th«ng qua hai thÝ nghiÖm t−¬ng øng ®ã lµ C¾t trùc tiÕp vµ KÐo rót. 1. §Êt tr−ît trªn v¶i - søc kh¸ng c¾t H×nh 1a m« t¶ tr¹ng th¸i ph¸ ho¹i do khèi ®Êt tr−ît trùc tiÕp trªn bÒ mÆt cña cèt v¶i. BiÓu thøc tæng qu¸t cña søc kh¸ng c¾t trùc tiÕp ®−a ra nh− sau : (1 )ds ds ds ds dsf tg tg tgφ α δ α φ= + − (1) trong ®ã : fds - hÖ sè kh¸ng c¾t trùc tiÕp, ϕds - gãc ma s¸t cña ®Êt tõ thÝ nghiÖm c¾t trùc tiÕp, δ- gãc ma s¸t bÒ mÆt gi÷a cèt vµ ®Êt, αds - phÇn diÖn tÝch bÒ mÆt cèt t¹o ra søc kh¸ng c¾t trùc tiÕp. Khi αds = 0, ®ã lµ tr−êng hîp c¾t ®Êt trªn ®Êt vµ fds = 1,0. Khi αds = 1,0, ®Êt bÞ c¾t trªn bÒ mÆt ph¼ng cña cèt (d¹ng tÊm) vµ fds = tgδ/tgϕds. 240 H×nh 1. M« h×nh t−¬ng t¸c ®Êt - cèt a. Khèi ®Êt tr−ît trªn mÆt v¶i, b. Khèi tr−ît g©y ra sù kÐo rót v¶i khái khèi ®Êt 2. Cèt tuét khái ®Êt - søc kh¸ng kÐo H×nh 1b m« t¶ tr¹ng th¸i ph¸ ho¹i do cèt v¶i bÞ kÐo tuét khái khèi ®Êt. BiÓu thøc tæng qu¸t biÓu diÔn søc kh¸ng kÐo víi c¸c ®¹i l−îng liªn quan tr×nh bÇy ë (2) : ' b s vT A tgσ δ= (2) trong ®ã : Tf - søc kh¸ng kÐo, As - diÖn tÝch ma s¸t, σ'v - øng suÊt ph¸p trung b×nh, lÊy b»ng 0,75σv [2] víi σv - ¸p lùc th¼ng ®øng cña líp phñ, δ - gãc ma s¸t bÒ mÆt gi÷a cèt vµ ®Êt. 3. BiÓu hiÖn c¶i thiÖn gãc ma s¸t trong vµ lùc dÝnh cña khèi ®Êt nhê cèt D−íi t¸c dông cña t¶i träng, nÕu tr¹ng th¸i øng suÊt t¹i mçi ®iÓm bÊt kú trong khèi ®Êt ®Òu tho¶ m·n ®iÒu kiÖn τ ≤ σtgϕ + c th× khèi ®Êt æn ®Þnh. Tr−êng hîp kh«ng æn ®Þnh hay æn ®Þnh ë møc ®é thÊp, ta cÇn cã c¸c biÖn ph¸p lµm t¨ng gi¸ trÞ vÕ ph¶i cña ph−¬ng tr×nh (σtgϕ + c), tøc lµ t¨ng ϕ hoÆc c, hoÆc c¶ ϕ vµ c. §−a cèt víi sè l−îng vµ sù s¾p xÕp hîp lý vµo trong khèi ®Êt lµ mét biÖn ph¸p h÷u hiÖu. XÐt mét ph©n tè ®Êt cã cèt tham gia chÞu lùc ®ång thêi ë h×nh 2 d−íi ®©y : ← H×nh 2. S¬ ®å tÝnh to¸n æn ®Þnh cña khèi ®Êt ë tr¹ng th¸i giíi h¹n trong tr−êng hîp ®Êt cã cèt C¸c lùc trªn h×nh 2 : S1 = σ1.dA.cosα, S3 = σ3.dA. sinα, C = c.dA (lùc dÝnh) ; T = σR.dAT = σR.dA.sin(α-β) (lùc trong cèt), R - lùc ma s¸t trong cña ®Êt. Cã hai tr¹ng th¸i giíi h¹n ®èi víi ®Êt cã cèt xÈy ra : 1) khi cèt mÊt kh¶ n¨ng chÞu lùc vµ bÞ ®øt ; 2) khi cèt bÞ tr−ît trong ®Êt do thiÕu lùc ma s¸t gi÷a cèt vµ ®Êt. Giíi h¹n 1 : tr−êng hîp nµy xÈy ra khi σR = σRmax, víi tr¹ng th¸i giíi h¹n nµy ta cã lùc dÝnh trong ®Êt t¨ng thªm mét l−îng lµ [2] : max 2 R Rc c Ka σ= + víi, max 2 R Rc c Ka σΔ = + (lùc dÝnh "biÓu kiÕn") Giíi h¹n 2 : khi cèt bÞ tr−ît (chiÒu dµi neo v¶i kh«ng ®¶m b¶o) trong ®Êt th× σR = μ.σn, tr¹ng th¸i giíi h¹n nµy cho ta hÖ sè gãc ma s¸t trong cña ®Êt ®−îc t¨ng lªn [2] : 1 1 sin sin 1 1R Ka Ka Ka Ka μφ φμ − + −= > =+ − + Cã thÓ biÓu diÔn trÞ sè t¨ng cña gãc ma s¸t trong cña ®Êt d−íi d¹ng biÓu thøc sau, Δsinϕ : sin sin sinR Rφ φ φΔ = − = (1 )(1 ) (1 )(1 ) (1 )(1 ) a a a a a a K K K K K K μ μ μ − + + − + − −= + − + 2 (1 )(1 )a aK K μ μ= + − + trong ®ã : Ka = tg 2(π/4 - ϕ/2) = (1- sinϕ)/(1+ sinϕ), σmaxR - lùc lín nhÊt trong cèt lÊy ®èi víi 1 m2 mÆt c¾t ngang cña ph©n tè ®Êt, μ - hÖ sè ma s¸t gi÷a cèt (cR- lùc dÝnh quy ®æi khi cã cèt) 241 vµ ®Êt, ϕ - gãc ma s¸t trong cña ®Êt, ϕR, cR- gãc ma s¸t trong vµ lùc dÝnh quy ®æi cña ®Êt cã cèt. III. X¸C §ÞNH C¸C TH¤NG Sè T¦¥NG T¸C B»NG THÝ NGHIÖM C¾T TRùC TIÕP Vµ THÝ NGHIÖM KÐO Quan s¸t sù lµm viÖc ë h×nh 1 vµ lý thuyÕt trong môc II.1 vµ II.2 trªn cho thÊy, ®Ó phôc vô cho tÝnh to¸n æn ®Þnh c«ng tr×nh ®Êt cã cèt, cÇn ph¶i thÝ nghiÖm x¸c ®Þnh c¸c th«ng sè t−¬ng t¸c. ThÝ nghiÖm t−¬ng øng víi tr−êng hîp ®Êt tr−ît trªn v¶i m« t¶ trªn h×nh 1a lµ thÝ nghiÖm c¾t trùc tiÕp vµ t−¬ng øng víi tr−êng hîp cèt tuét m« t¶ trªn h×nh 1b lµ thÝ nghiÖm kÐo rót. 1. ThiÕt bÞ thÝ nghiÖm ThiÕt bÞ thÝ nghiÖm ®−îc sö dông lo¹i AIM- 2656 - Modified Direct Shear Apparatus cña Ên §é (t¹i Phßng thÝ nghiÖm cña ViÖn Thuû c«ng vµ Phßng ThÝ nghiÖm ®Þa kü thuËt - Tr−êng §¹i häc Thuû lîi). ThÝ nghiÖm ®−îc thùc hiÖn trong hép c¾t cã kÝch th−íc 60 × 60 mm, chiÒu cao mÉu 30 mm (h×nh 3). 2. VËt liÖu thÝ nghiÖm VËt liÖu thÝ nghiÖm lµ n¨m lo¹i ®Êt ®iÓn h×nh x©y dùng ®ª biÓn ë miÒn B¾c ViÖt Nam (b¶ng 1). Cèt V§KT d¹ng v¶i dÖt, sö dông hai lo¹i phæ biÕn cã trong n−íc cña h·ng Polyfelt, lo¹i Pec vµ Aripack Co., Ltd, lo¹i ARM. 3. §iÒu kiÖn thÝ nghiÖm Tèc ®é c¾t (kÐo) : 0,125 mm/phót (tèc ®é B). NhiÖt ®é trong phßng thÝ nghiÖm ®−îc duy tr× trong kho¶ng tõ 18° ®Õn 20°. Tæ hîp lùc t¸c dông : 0,5, 1,0, 2,0 Kg/cm2. 4. KÕt qu¶ vµ b×nh luËn X©y dùng c¸c kÕt qu¶ ®o trªn hÖ trôc σoτ cho thÊy, quan hÖ gi÷a øng suÊt tiÕp víi øng suÊt ph¸p H×nh 3. M« h×nh c¾t tr−ît mÉu ®Êt trªn v¶i trong hép c¾t a. M« h×nh thÝ nghiÖm c¾t trùc tiÕp, b. M« h×nh thÝ nghiÖm kÐo rót cèt trong thÝ nghiÖm c¾t hép còng nh− trong thÝ nghiÖm kÐo rót v¶i khái khèi ®Êt ®Òu cã d¹ng ®−êng cong nh− h×nh 4. §−êng cong nµy cã thÓ xÊp xØ b»ng mét ®−êng th¼ng theo luËt Coulomb cã d¹ng ph−¬ng tr×nh τ = σtgδ1 + C1 (®èi víi thÝ nghiÖm c¾t hép) hay τ = σtgδ2 + C2 (®èi víi thÝ nghiÖm kÐo rót v¶i) ; nhê ®−êng th¼ng nµy cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc trÞ sè δ1, δ2, C1, C2. Do tÝnh phi tuyÕn cña ®−êng quan hÖ τ = f(σ) nªn khi tÝnh to¸n cã thÓ sö dông gãc kh¸ng kÐo ψ ®Ó ®Æc tr−ng cho c−êng ®é kh¸ng cña cèt. B¶ng 1. ChØ tiªu c¬ lý cña mét sè lo¹i ®Êt thÝ nghiÖm Lo¹i ®Êt Tû lÖ h¹t c¸t lät sµng 0,1 mm (%) §é Èm tèt nhÊt Wtn (%) Dung träng kh« lín nhÊt γk max (KN/m3) Lùc dÝnh c (KN/m2) Gãc ma s¸t trong ϕ (°) Ninh B×nh 54,10 17 1,56 5,30 4,60 H¶i Phßng 45,40 16 1,47 10,20 3,95 Nam §Þnh 81,20 12 1,90 19,48 29,26 Hµ Néi 64,00 13 1,66 15,60 20,15 §Êt c¸t ~100 9 2,05 0,00 35,00 242 H×nh 4. §−êng cong quan hÖ gi÷a øng suÊt tiÕp (τ) víi øng suÊt ph¸p (σ) a. §Êt c¸t (c = 0), b. §Êt dÝnh (c ≠ 0) KÕt qu¶ thÝ nghiÖm c¾t trùc tiÕp vµ kÐo ®èi víi c¸c lo¹i ®Êt ®−îc thÓ hiÖn ë trong b¶ng 2, thÝ nghiÖm thùc hiÖn ë nhiÒu cÊp ®é Èm kh¸c nhau (trong ph¹m vi ®é Èm tèi −u ®Õn ®é Èm tù nhiªn), lÊy gi¸ trÞ trung b×nh cña fds, fpo theo c¸c cÊp ®é Èm nµy. HÖ sè t−¬ng t¸c ma s¸t fds t×m ®−îc trong qu¸ tr×nh thÝ nghiÖm dao ®éng tõ 0,62 ®Õn 0,8, hÖ sè fpo dao ®éng tõ 0,59 ®Õn 0,75. HÖ sè t−¬ng t¸c ma s¸t trong thÝ nghiÖm kÐo cã xu h−íng nhá h¬n so víi thÝ nghiÖm c¾t hép ®èi víi cïng mét lo¹i ®Êt, lo¹i v¶i. Nh− vËy, sö dông thÝ nghiÖm nµo cho tÝnh to¸n thiÕt kÕ c«ng tr×nh ®Êt cã cèt cÇn c¨n cø vµo c¬ chÕ t−¬ng t¸c ®Êt víi cèt vµ ®Æc ®iÓm c«ng tr×nh ; trong ®iÒu kiÖn kh«ng biÕt ch¾c ®iÒu kiÖn t−¬ng t¸c, chän thÝ nghiÖm kÐo nh»m an toµn h¬n cho c«ng tr×nh. KÕt hîp kÕt qu¶ nghiªn cøu cña c¸c t¸c gi¶ kh¸c cho thÊy, ®èi víi cèt lµ v¶i ®Þa kü thuËt th× hÖ sè t−¬ng t¸c fsd vµ fpo ®Òu cho trÞ sè ≤ 1,0 (vÝ dô tiªu chuÈn cña nÒn mãng cña Canada, Mü th−êng chän lµ f = 2/3), chØ trõ ®èi víi sái vµ cèt d¹ng l−íi cã thÓ cho trÞ sè fpo = 1,05. HÖ sè t−¬ng t¸c ma s¸t biÕn ®æi kh«ng theo quy luËt ®èi víi gãc ma s¸t trong cña ®Êt (vÝ dô kh«ng ph¶i ®Êt cã gãc ma s¸t trong lín th× hÖ sè t−¬ng t¸c ma s¸t lín vµ ng−îc l¹i). §iÒu ®ã cµng kh¼ng ®Þnh viÖc cÇn ph¶i thÝ nghiÖm cho tõng lo¹i ®Êt, tõng c«ng tr×nh cô thÓ. B¶ng 2. HÖ sè fds, fpo ®èi víi mét sè lo¹i ®Êt Lo¹i ®Êt Ninh B×nh H¶i phßng Nam §Þnh Hµ Néi C¸t TC Gãc ma s¸t ϕ (°) 4,6 3,95 29,26 20,15 35 Polyfelt Rock Pec : δ1 fds 2,86 0,62 2,65 0,67 22,24 0,76 15 0,73 28,00 0,80 Polyfelt Rock Pec : δ2 fpo 2,72 0.59 2,54 0,64 21,08 0,72 14,01 0.68 26,25 0,75 Trong qu¸ tr×nh thÝ nghiÖm c¾t hép còng nh− kÐo rót v¶i khái khèi ®Êt, xuÊt hiÖn mét líp chuyÓn tiÕp gi÷a v¶i vµ ®Êt (ev®) bÞ x¸o trén lín, cho ®Õn ph¸ ho¹i. ChiÒu dÇy líp chuyÓn tiÕp ev® ®èi víi c¸c lo¹i ®Êt, ®é Èm, ®é chÆt còng nh− ®èi víi c¸c loai v¶i kh¸c nhau cã kh¸c nhau. §èi víi thÝ nghiÖm c¾t hép, chiÒu dÇy cña ev® = 2,5 - 5,3 mm, víi thÝ nghiÖm kÐo rót v¶i th× ev® = 2,6 - 6,5 mm. ChiÒu dÇy ev® cã thay ®æi lín khi ®Êt ë ®é Èm tèi −u vµ v¶i cã ®é nh¸m lín, ®iÒu nµy còng cã nghÜa hiÖu qu¶ t−¬ng t¸c tèt. Nh− vËy, sö dông V§KT cã tÝnh nh¸m lín sÏ cho hiÖu qu¶ gia cè t¨ng lªn. §é Èm cña ®Êt cã ¶nh h−ëng nhiÒu ®Õn kÕt qu¶ thÝ nghiÖm. Víi ®é Èm hoÆc qu¸ nhá hoÆc qu¸ lín, c¸c hÖ sè t−¬ng t¸c fds, fpo sÏ gi¶m ; ®iÒu nµy ®−îc gi¶i thÝch khi ®é Èm nhá bÒ mÆt h¹t ®Êt tr¬n vµ khi ®é Èm lín dÔ lµm mÆt v¶i tr¬n dÉn ®Õn hÖ sè ma s¸t nhá. Mçi lo¹i ®Êt cã mét ®é Èm cho trÞ sè ma s¸t lín nhÊt, tuú tõng ®iÒu kiÖn lµm viÖc cña kÕt cÊu ®Ó quyÕt ®Þnh ®é Èm nµo phôc vô cho thÝ nghiÖm, trong ®iÒu kiÖn kh«ng x¸c ®Þnh ®−îc ®é Èm lµm viÖc nªn chän ë tr¹ng th¸i tù nhiªn lµ an toµn. C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu cho thÊy søc kh¸ng c¾t t¹i mÆt tiÕp xóc gi÷a v¶i vµ ®Êt ®èi víi cïng mét lo¹i ®Êt sÏ kh«ng gièng nhau mÆc dï cïng mét lo¹i v¶i, bëi søc kh¸ng c¾t cßn phô thuéc vµo nhiÒu yÕu tè kh¸c nh− lo¹i ®Êt, ®é Èm, tr¹ng th¸i chÆt cña ®Êt vµ c¸c ®iÒu kiÖn thÝ nghiÖm nh− ®é chÝnh x¸c cña 243 thiÕt bÞ, ph−¬ng ph¸p thÝ nghiÖm, kÝch th−íc mÉu, tèc ®é c¾t, tæ hîp lùc, nhiÖt ®é,... Do vËy, cÇn thiÕt thÝ nghiÖm t−¬ng t¸c v¶i - ®Êt ®èi víi c¸c c«ng tr×nh cô thÓ vµ theo tiªu chuÈn thÝ nghiÖm cña tõng lo¹i v¶i. Trong thiÕt kÕ vµ x©y dùng c«ng tr×nh ®Êt cã cèt, cã thÓ sö dông c¸c hÖ sè t−¬ng t¸c kinh nghiÖm cho tÝnh to¸n ë b−íc nghiªn cøu kh¶ thi, giai ®o¹n thiÕt kÕ kü thuËt b¶n vÏ thi c«ng nhÊt thiÕt ph¶i thÝ nghiÖm x¸c ®Þnh c¸c hÖ sè nµy ®Ó ®−a vµo tÝnh to¸n míi ®¶m b¶o an toµn vµ hiÖu qu¶ cho c«ng tr×nh. IV. X¸C §ÞNH C¸C CHØ TI£U C¥ Lý CñA §ÊT Cã CèT B»NG THÝ NGHIÖM NÐN BA TRôC Thùc hiÖn c¸c thÝ nghiÖm nµy ®Ó chøng minh phÇn lý thuyÕt môc II.3, cèt gia cè cã t¸c dông lµm t¨ng c¸c chØ tiªu c¬ lý cña ®Êt, lµm t¨ng c−êng ®é chèng c¾t, t¨ng søc chÞu t¶i, ®ång thêi ®Ó x¸c ®Þnh chØ tiªu c¬ lý ®Êt cã cèt phôc vô tÝnh to¸n æn ®Þnh c«ng tr×nh. 1. ThiÕt bÞ thÝ nghiÖm ThiÕt bÞ thÝ nghiÖm nÐn ba trôc cña h·ng Whyken- hamFarance - Anh ®−îc ®Æt t¹i Phßng thÝ nghiÖm §Þa kü thuËt - Tr−êng §¹i häc Thuû lîi (¶nh 1). 2. VËt liÖu thÝ nghiÖm §Êt thÝ nghiÖm ®−îc khai th¸c t¹i ®ª vïng ven biÓn Giao Thuû - Nam §Þnh lµ ®Êt c¸t pha sÐt. §Êt ®−îc chÕ bÞ ®Ó thÝ nghiÖm cã c¸c chØ tiªu c¬ b¶n tr×nh bÇy ë b¶ng 3. ¶nh 1. ThiÕt bÞ nÐn ba trôc B¶ng 3. C¸c chØ tiªu c¬ lý cña ®Êt nghiªn cøu ChØ tiªu thÝ nghiÖm §¬n vÞ TrÞ sè Thµnh phÇn h¹t 2,00 mm - 0,5 mm % 2,37 0,25 mm % 61,76 0,10 mm - 0,01 mm 25,09 < 0,005 mm 10,79 §é Èm chÕ bÞ, Wcb % 12,00 Dung träng −ít chÕ bÞ (K=0,95), γw, cb T/m3 2,022 Dung träng kh« chÕ bÞ, γd, cb T/m3 1,805 Giíi h¹n chÈy, LL % 23,78 Giíi h¹n dÎo, PL % 17,02 ChØ sè dÎo, PI % 6,76 ChØ sè chÈy, LI -2,34 Lùc dÝnh ®¬n vÞ, c Kg/cm2 19,48 Gãc ma s¸t trong, ϕ ®é 24,24 Cèt V§KT ®−îc sö dông cã hai lo¹i : lo¹i kh«ng thÊm n−íc (biÕn d¹ng khi ®øt 15 %, T = 15 kN/m) vµ mÉu V§KT cho phÐp thÊm n−íc (biÕn d¹ng khi ®øt 60 %, T = 15k N/m). 3. Néi dung vµ quy tr×nh thÝ nghiÖm a. Néi dung thÝ nghiÖm ThÝ nghiÖm thùc hiÖn víi n¨m mÉu : mÉu CU kh«ng cã cèt (MI), mÉu CU cã V§KT kh«ng thÊm n−íc (MII), mÉu CU cã cèt V§KT thÊm n−íc (MIII), mÉu nÐn ba trôc CD kh«ng cã cèt (MI-CD), mÉu nÐn ba trôc CD cã cèt V§KT tho¸t n−íc (MIII-CD). b. Quy tr×nh chÕ t¹o mÉu ♦ ChÕ bÞ mÉu thÝ nghiÖm nÐn ba trôc ®Êt kh«ng cã cèt : ®Êt ®−îc chÕ bÞ víi ®é Èm tèi −u Wcb = 12,0 %, 244 ®−a vµo cèi ®Çm chuyªn dông, ®Çm ba líp ®ång ®Òu ®¶m b¶o ®ñ ®é chÆt theo quy ®Þnh K = 0,95. ♦ ChÕ bÞ mÉu thÝ nghiÖm nÐn ba trôc víi ®Êt cã cèt v¶i ®Þa kü thuËt : t−¬ng tù nh− víi chÕ bÞ mÉu ®Êt kh«ng cã cèt, ®Êt ®−îc chÕ bÞ víi ®é Èm tèi −u theo tiªu chuÈn ; cèt V§KT ®−îc c¾t trßn víi ®−êng kÝnh nhá h¬n ®−êng kÝnh mÉu ®Êt kho¶ng 2 mm (37/39 mm). Thùc hiÖn viÖc ®Çm nÐn theo líp, ®Çu tiªn lµ ®Êt, sau lµ v¶i, råi l¹i líp ®Êt. MÉu ®−îc chÕ bÞ hoµn chØnh ®¹t ®é chÆt K = 0,95, ba líp V§KT ®Æt c¸ch ®Òu nhau, tæng chiÒu cao mÉu nÐn lµ 80 mm. ♦ Quy tr×nh t¹o mÉu CU víi c¸c giai ®o¹n : • Giai ®o¹n b·o hoµ mÉu ®Êt : sö dông quy tr×nh ¸p suÊt ng−îc ; • Giai ®o¹n cè kÕt : kh«ng dïng ¸p suÊt ng−îc ; • Giai ®o¹n nÐn víi tèc ®é gia t¶i theo quy ®Þnh cña tiªu chuÈn ASTM D2166, 0,66 mm/phót. ♦ Quy tr×nh t¹o mÉu CD cho ®Êt cã cèt V§KT còng thùc hiÖn theo ba trôc CU, chØ kh¸c nhau ë giai ®o¹n nÐn, ®Êt ®−îc cè kÕt theo thÓ tÝch thay ®æi, tèc ®é c¾t dùa vµo ®−êng cong thÝ nghiÖm cè kÕt. 4. KÕt qu¶ thÝ nghiÖm a. ThÝ nghiÖm nÐn ba trôc CU ThÝ nghiÖm tiÕn hµnh ®èi víi ba lo¹i mÉu : 1) mÉu ®Êt kh«ng cã cèt, 2) mÉu ®Êt cã cèt lµ mµng c¸ch n−íc, 3) mÉu ®Êt cã cèt lµ V§KT (¶nh 2). Khi mÉu ®Êt chÞu ¸p lùc h«ng (σ3), c¸c kÕt qu¶ thÝ nghiÖm víi mÉu ®Êt cã cèt ®Òu ®· chøng minh tÝnh ®óng ®¾n vÒ mÆt lý thuyÕt, ®ã lµ c¸c gi¸ trÞ vÒ lùc dÝnh (c) vµ gãc ma s¸t trong (ϕ) cña khèi ®Êt cã cèt ®−îc t¨ng lªn rÊt lín, t¨ng nhiÒu ë mÉu ®Êt cã cèt V§KT kh«ng thÊm n−íc (biÕn d¹ng ®Ó ®¹t c−êng ®é kh¸ng c¾t ®øt nhá). ChØ tiªu kh¸ng c¾t hiÖu qu¶ ®èi víi mÉu MII t¨ng gÇn nh− gÊp hai lÇn ë c¶ hai trÞ sè, cßn mÉu MIII, gãc ma s¸t trong t¨ng gÇn gÊp hai lÇn, cßn lùc dÝnh t¨ng mét lÇn r−ìi (b¶ng 4, h×nh 5). ¶nh 2. ThÝ nghiÖm CU víi mÉu ®Êt kh«ng vµ cã cèt V§KT H×nh 5. BiÓu diÔn qua vßng trßn Morh øng suÊt, x¸c ®Þnh gãc ma s¸t trong vµ lùc dÝnh hiÖu qu¶ cña mÉu ®Êt kh«ng vµ cã cèt V§KT 245 Nhê cã cèt V§KT tham gia mµ kh¶ n¨ng biÕn d¹ng cña mÉu ®Êt cã cèt còng ®−îc t¨ng thªm, biÕn d¹ng ®Õn khi mÉu ®Êt bÞ ph¸ ho¹i t¨ng lªn h¬n hai lÇn so víi mÉu ®Êt kh«ng cã cèt (®Êt kh«ng cã cèt biÕn d¹ng lín nhÊt lµ 20 %, ®Êt cã cèt lµ 40 %, h×nh 6). Cã ®−îc ®iÒu nµy nhê cèt V§KT ®· lµm nhiÖm vô ph©n t¸n øng suÊt ra toµn miÒn chÞu lùc, nªn khi mÉu ®Êt ®¹t ®Õn tr¹ng th¸i ph¸ ho¹i ®−îc B¶ng 4. Tæng hîp chØ tiªu kh¸ng c¾t cña c¸c mÉu ®Êt ChØ tiªu kh¸ng c¾t tù nhiªn ChØ tiªu kh¸ng c¾t hiÖu qu¶ MÉu ®Êt ϕ (®é, phót) c (kG/cm2) ϕ' (®é, phót) c' (kG/cm2) §Êt kh«ng cã cèt (MI) 21o50' 20,98 22o39' 20,28 §Êt cã cèt V§KT kh«ng thÊm n−íc 40o15' 55,84 48o57' 39,16 §Êt cã cèt V§KT thÊm n−íc (MIII) 39o19 37,06 42o25' 28,35 H×nh 6. Quan hÖ øng suÊt vµ biÕn d¹ng cña mÉu ®Êt cã cèt vµ kh«ng cã cèt V§KT diÔn ra trªn toµn miÒn, kh«ng xuÊt hiÖn ph¸ ho¹i côc bé nh− mÉu ®Êt kh«ng cã cèt, nhê ®ã mµ ®iÒu kiÖn biÕn d¹ng cña mÉu ®Êt ®−îc t¨ng lªn. Nh− vËy, nhê cã cèt V§KT mµ ®Êt gia cè ®· t¨ng c−êng søc kh¸ng c¾t, t¨ng kh¶ n¨ng chÞu lùc vµ t¨ng kh¶ n¨ng cho phÐp biÕn d¹ng. Nghiªn cøu nÐn mét trôc (kh«ng tr×nh bÇy trong bµi b¸o nµy) vµ nÐn ba trôc cho ta thÊy, ®Ó cèt V§KT ph¸t huy hiÖu qu¶ trong khèi ®Êt gia cè, cèt V§KT cÇn neo ®Çu hoÆc bè trÝ cèt ®ñ chiÒu dµi neo b¸m. §iÒu nµy rÊt quan träng trong khi thiÕt kÕ t−êng ch¾n ®Êt hoÆc m¸i dèc (khi ®é dèc lín), cèt V§KT t¹i bÒ mÆt ®−îc neo l¹i b»ng c¸ch cuén trë l¹i míi ph¸t huy tèt nhÊt kh¶ n¨ng gia cè. Khi thiÕt kÕ, nÕu sö dông cèt chØ cã chøc n¨ng gia cè, nªn chän cèt V§KT cã biÕn d¹ng nhá khi ®¹t ®Õn c−êng ®é kh¸ng c¾t lín nhÊt ; nÕu xÐt ®Õn yÕu tè cè kÕt cña khèi ®Êt theo thêi gian, nªn sö dông V§KT cã tÝnh thÊm vµ dÉn n−íc ®Ó khai th¸c tèi ®a c¸c tÝnh n¨ng cña cèt ®em l¹i trong gia cè ®Êt (t¨ng c−êng ®é, t¨ng tèc ®é cè kÕt lµ ®Êt còng t¨ng c−êng ®é), sÏ ®em l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ cao h¬n. Sö dông thÝ nghiÖm nµy ®Ó x¸c ®Þnh gãc ma s¸t trong vµ lùc dÝnh ®¬n vÞ cña mÉu ®Êt cã cèt, tøc lµ x¸c ®Þnh ®−îc c¸c chØ tiªu c¬ lý mÉu ®Êt t−¬ng ®−¬ng (mÉu ®Êt cã bao gåm c¶ cèt), cã thÓ dïng c¸c chØ tiªu nµy vµo c¸c phÇn mÒm tÝnh to¸n æn ®Þnh c«ng tr×nh th«ng dông hiÖn nay ®Ó ph©n tÝch (nh÷ng phÇn mÒm ch−a cã hç trî tÝnh to¸n ®Êt cã cèt). Tuy nhiªn, sö dông c¸c sè liÖu nµy cÇn l−u ý tÝnh t−¬ng thÝch vÒ chiÒu cao líp ®Êt vµ c−êng ®é cèt V§KT sö dông trong m« h×nh thÝ nghiÖm vµ trong thùc tÕ c«ng tr×nh. 0 10 20 30 40 50 BiÕn d¹ng ε (%) 2000 1500 1000 500 0 ø ng s uÊ t l Öc h (k N /m 2 ) MI MII MIII 246 b. ThÝ nghiÖm nÐn ba trôc CD §èi víi c¸c lo¹i ®Êt yÕu chøa hµm l−îng sÐt lín, khi chän cèt V§KT gia cè cho ®Êt cÇn quan t©m ®Õn hai yÕu tè lµ c−êng ®é vµ kh¶ n¨ng dÉn vµ tho¸t n−íc cña chóng. C−êng ®é cña cèt lµm t¨ng c¸c chØ tiªu c¬ lý nh− ®· chøng minh trong c¸c thÝ nghiÖm môc IV.4.a trªn, cßn kh¶ n¨ng tho¸t n−íc cña cèt sÏ cã t¸c dông lµm t¨ng kh¶ n¨ng kh¸ng c¾t vµ t¨ng c¸c chØ tiªu c¬ lý cña ®Êt. Nghiªn cøu nµy ®−îc thùc hiÖn víi hai mÉu ®Êt, mét mÉu kh«ng cã cèt (MI-CD) vµ mét mÉu cã cèt V§KT lo¹i tho¸t n−íc (MIII-CD) (¶nh 3). ThÝ nghiÖm víi mÉu CD còng cho c¸c kÕt luËn gièng thÝ nghiÖm CU (môc b), ®ã lµ chØ tiªu c¬ lý cña mÉu ®Êt cã cèt còng ®−îc t¨ng lªn, tuy nhiªn cã nhiÒu −u ®iÓm h¬n so víi thÝ nghiÖm CU lµ : - Nhê cèt V§KT cã kh¶ n¨ng tho¸t vµ dÉn n−íc tõ trong khèi ®Êt ra bªn ngoµi ®· lµm cho ¸p lùc lç rçng trong khèi ®Êt nhanh chãng bÞ tiªu t¸n, chØ tiªu c¬ lý ®Êt t−¬ng ®−¬ng t¨ng lªn ; thÝ nghiÖm CU (môc IV.4.a, b¶ng 4) cã ϕ'= 42°25' vµ c'= 28,35 kG/cm2, trong khi ®ã víi thÝ nghiªm CD (môc IV.4.b, b¶ng 5, h×nh 7-9) cho ta ϕ'= 47°30' vµ c'= 39,73 ®Òu lín h¬n. ¶nh 3. MÉu ®Êt thÝ nghiÖm CD ®Êt kh«ng vµ cã cèt V§KT thÊm n−íc H×nh 7. Quan hÖ biÕn d¹ng víi øng suÊt cña mÉu ®Êt kh«ng cã cèt vµ mÉu ®Êt cã cèt V§KT thÊm n−íc B¶ng 5. Tæng hîp chØ tiªu kh¸ng c¾t cña c¸c mÉu ®Êt thÝ nghiÖm CD ChØ tiªu kh¸ng c¾t hiÖu qu¶MÉu ®Êt ϕ' (®é, phót) c' (kG/cm2) §Êt kh«ng cã cèt (MI) 29o43' 21,65 §Êt cã cèt V§KT thÊm n−íc (MIII) 47 o30' 39,73 - §Êt nhanh chãng ®¹t biÕn d¹ng cuèi cïng, kh¶ n¨ng chÞu t¶i cña ®Êt còng ®¹t gi¸ trÞ lín nhÊt, hiÖu qu¶ khèi ®Êt gia cè tèi −u (®Êt ®¹t ®Õn gi¸ trÞ lín nhÊt, cèt V§KT ph¸t huy hÕt tÝnh n¨ng lµ t¨ng c−êng ®é vµ t¨ng tèc ®é cè kÕt khèi ®Êt). - Sö dông cèt víi chøc n¨ng gia c−êng vµ tho¸t dÉn n−íc ®Ó gia cè ®Êt trong tr−êng hîp 0 10 20 30 40 50 BiÕn d¹ng ε (%) 2000 1500 1000 500 0 ø ng s uÊ t l Öc h (k N /m 2 ) MIII (CD) MI (CD) 247 H×nh 8. BiÓu diÔn qua vßng trßn Mohr øng suÊt, x¸c ®Þnh gãc ma s¸t trong vµ lùc dÝnh hiÖu qu¶ cña mÉu ®Êt kh«ng cã cèt MI-CD vµ mÉu ®Êt cã cèt V§KT thÊm n−íc MIII-CD H×nh 9. BiÓu diÔn qua vßng trßn Mohr øng suÊt, x¸c ®Þnh gãc ma s¸t trong vµ lùc dÝnh hiÖu qu¶ cña mÉu ®Êt cã cèt V§KT thÊm n−íc cho tr−êng hîp thÝ nghiÖm CU vµ CD ®Êt c¸t pha sÐt cã hµm l−îng sÐt lín vµ ®Êt cã tÝnh tho¸t n−íc kÐm, sÏ ph¸t huy hiÖu qu¶ cao nhÊt. KÕT LUËN C¬ chÕ t−¬ng t¸c chñ ®¹o gi÷a ®Êt víi cèt trong c¸c c«ng tr×nh ®Êt tån t¹i ë hai d¹ng chÝnh, ®ã lµ ma s¸t gi÷a ®Êt vµ cèt t¹o ra lùc c¶n ma s¸t vµ søc kh¸ng t¶i bÞ ®éng cña ®Êt lªn c¸c phÇn tö thanh ®èi víi cèt d¹ng l−íi hay khung. Nghiªn cøu c¬ chÕ t−¬ng t¸c ®Êt-cèt cã thÓ thùc hiÖn b»ng ph©n tÝch lý thuyÕt, thÝ nghiÖm m« h×nh vËt lý hay thÝ nghiÖm m« h×nh sè. ThÝ nghiÖm c¾t trùc tiÕp vµ thÝ nghiÖm kÐo rót lµ hai thÝ nghiÖm mÉu ®¬n gi¶n thuéc lo¹i thÝ nghiÖm m« h×nh vËt lý, nh−ng rÊt hiÖu qu¶ trong nghiªn cøu c¬ chÕ t−¬ng t¸c ®Êt-cèt. ThÝ nghiÖm c¾t trùc tiÕp vµ kÐo rót x¸c ®Þnh ®−îc c¸c hÖ sè t−¬ng t¸c (fds, fpo) cho c¸c lo¹i v¶i kh¸c nhau, ®Êt kh¸c nhau. C¸c hÖ sè t−¬ng t¸c nµy thay ®æi phô thuéc vµo lo¹i v¶i, ®é nh¸m cña v¶i, lo¹i ®Êt, thµnh phÇn, ®é chÆt, ®é Èm cña ®Êt, nhiÖt ®é thÝ nghiÖm,... Gi÷a v¶i vµ ®Êt tån t¹i mét líp tiÕp xóc, chiÒu dÇy líp nµy biÕn thiªn tõ 2,5 ®Õn 5,3 mm ®èi víi thÝ nghiÖm c¾t trùc tiÕp vµ tõ 2,6 ®Õn 6,5 mm ®èi víi thÝ nghiÖm kÐo rót. ChØ tiªu c¬ lý líp tiÕp xóc còng cã nhiÒu thay ®æi phô thuéc vµo ®é Èm, hÖ sè ®Çm chÆt, thµnh phÇn cña ®Êt vµ líp nh¸m bÒ mÆt cña v¶i,... TÊt c¶ nh÷ng ®iÒu ®ã nãi 248 lªn mét thùc tÕ, khi thiÕt kÕ c«ng tr×nh ®Êt cã cèt cÇn thùc hiÖn c¸c thÝ nghiÖm nµy ®Ó x¸c ®Þnh c¸c hÖ sè t−¬ng t¸c phôc vô cho tÝnh to¸n, ®Ó ®¶m b¶o æn ®Þnh vµ hiÖu qu¶ kinh tÕ cña c«ng tr×nh. Ph©n tÝch lý thuyÕt vµ thÝ nghiÖm nÐn ba trôc ®· cho thÊy râ hiÖu qu¶ cña c«ng nghÖ ®Êt cã cèt, lµm t¨ng c¸c chØ tiªu c¬ lý dÉn ®Õn t¨ng kh¶ n¨ng chÞu t¶i, cho phÐp ®Êt lµm viÖc ë ®iÒu kiÖn biÕn d¹ng lín h¬n nªn t¨ng kh¶ n¨ng lµm viÖc. Cèt V§KT kh«ng chØ cã hiÖu Ých ë chç trùc tiÕp lµm t¨ng c−êng ®é, cßn t¨ng kh¶ n¨ng tho¸t n−íc lµm cho ®Êt nhanh chãng cè kÕt, gi¶m ¸p lùc n−íc lç rçng, nh− vËy l¹i dÉn ®Õn lµm t¨ng chØ tiªu c¬ lý cña ®Êt. C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu còng cho thÊy, sö dông v¶i cã ®é nh¸m vµ ®é dÉn n−íc cao lµm cèt cho ®Êt lµ mét ®Ò xuÊt ®¸ng quan t©m ®èi víi thiÕt kÕ c«ng tr×nh ®Êt cã cèt. TµI LIÖU dÉn [1] D.T. Bergado, J.C.Chai, M.C. Alfaro, A.S. Balasubrameniam, 1996 : Nh÷ng biÖn ph¸p kü thuËt míi c¶i t¹o ®Êt yÕu trong x©y dùng. Nxb Gi¸o dôc, Hµ Néi. [2] Vò §×nh Hïng, Khæng Trung Du©n, 2001 : TÝnh to¸n øng dông c«ng nghÖ ®Êt cèt v¶i ®Þa kü thuËt cho x©y dùng bê bao vïng ®Êt yÕu ®ång b»ng s«ng Cöu Long. Tc Th«ng tin KHCN NN&PTNT, Th¸ng 5/2001, 25-28. [3] Vò §×nh Hïng, Khæng Trung Du©n vµ nnk, 2007 : Nghiªn cøu c«ng nghÖ x©y dùng ®ª biÓn b»ng vËt liÖu cã hµm l−îng c¸t cao ë miÒn B¾c ViÖt Nam. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi nghiªn cøu KHCN cÊp Bé (Bé N«ng nghiÖp vµ Ph¸t triÓn N«ng th«n). [4] §oµn ThÕ T−êng, Lª ThuËn §¨ng, 2002 : ThÝ nghiÖm ®Êt vµ nÒn mãng c«ng tr×nh. Nxb Giao th«ng VËn t¶i. §µ N½ng. [5] Tiªu chuÈn Anh (BS 8006 : 1995) : Tiªu chuÈn thùc hµnh ®Êt vµ c¸c vËt liÖu ®¾p kh¸c cã gia c−êng (cã cèt). Nxb X©y dùng, Hµ Néi. summary Study on interaction mechanism and determination of soil-reinforced material interaction parameters for stabilization analysis of reinforced soil works Due to high economical and technical efficiency Geotextile reinforced soil technology is presently a widely applicable solution in construction of weak earth works, slope stability structures and in preven- tion of earthquake acceleration. However, there were difficulties in applying this technology in Vietnam as lack of a guidance on required parameters, their de- termination methods and their utilization in design. This paper presents major mechanisms of interaction between soil and reinforced geotextiles, then figure out required parameters and the way to determine them. Besides, the paper also introduces results of several experiments determining those parameters and comments to have better understanding on them, their selection and/or determination and their application for a appropriate design analysis. Ngµy nhËn bµi : 24-5-2010 Ban qu¶n lý Trung −¬ng c¸c dù ¸n Thuû lîi Vô Khoa häc C«ng nghÖ vµ M«i tr−êng (Bé N«ng nghiÖp vµ Ph¸t triÓn N«ng th«n)