Xác định mối quan hệ giữa Cv và Ch trong đất loại sét phân bố ở Đồng

Tháp và Tiền Giang

Người thực hiện: Đoàn Huy Lợi

Hiện nay trong việc tính toán xử lý nền đất yếu tại Việt Nam bằng các thiết

bị tiêu thoát nước thẳng đứng như bấc thấm, cọc cát, giếng cát vẫn sử dụng hệ

số cố kết ngang (Cv) theo kinh nghiệm của nước ngoài mà chưa có thí nghiệm

trực tiếp xác định các thông số này. Do đó việc xác định trực tiếp hệ số cố kết

ngang bằng thí nghiệm trong phòng rất có ý nghĩa thực tế.

Hệ số Cv xác định bằng thí nghiệm nén cố kết thoát nước theo phương

ngang (thoát nước từ ngoài rìa vào trong). Thiết bị được sử dụng là hộp thấm

kiểu Rowe, cố kết đất bằng cách thoát nước hướng tâm từ ngoài, kết hợp với

bàn nén của giàn máy Tam Liên để thí nghiệm. Hệ thống thiết bị đã được

Trung tâm đo lường chất lượng I kiểm tra và cấp giấy chứng chỉ đạt tiêu chuẩn

về chất lượng. Nguyên tắc của việc thiết kến hộp nén và hệ thống đo áp lực

nước lỗ rỗng như sau:

Sử dụng kiểu gia tải theo điều kiện biến dạng đều; Thoát nước tỏa tia vào trong, tới một đường thoát, có đo áp lực nước lỗ

rỗng tại một điểm ở ngoài trung tâm; Nhiệt độ duy trì trong hộp nén là không đổi phù hợp với nhiệt độ phòng

thí nghiệm, tránh ánh nắng trực tiếp, các nguồn nhiệt và gió lùa; Hộp nén làm bằng kim loại không gỉ và mi ca, không bị rò rỉ, không bị

biến dạng khi chịu tác dụng của áp suất nước bên trong kéo dài tới 1000kPa; Thân trong của hộp nén nhẵn, không bị rỗ; Tấm nén bên trên có lỗ thoát khí, mục đích để khi thoát ra trong quá

trình bão hòa nước; Đế hộp nén có lỗ hõm trung tâm nhằm mục đích thoát nước và bão hòa

mẫu. Cách tâm một điểm 0.55R có một điểm đo áp lực nước lỗ rỗng; Sử dụng giàn nén Tam Liên của Trung Quốc để gia tải bằng các quả

cân; Hộp nén phải hoàn toàn kín trong quá trình thí nghiệm để đo được áp

lực nước lỗ rỗng.Từ các nguyên tắc trên, hệ thống thiết bị cố kết ngang thiết kế gồm các bộ

phận chủ yếu sau:

Hộp nén dạng xy lanh, có đường kính d = 6.2cm, phía đáy có lắp gioăng

tạo độ kín giữa khuôn và khuôn đáy hộp nén. Giữa đáy hộp nén được đục lỗ có

đường kính 3.2mm nối với van thoát nước ra ngoài, cách tâm một khoảng

0.55R (1.07cm), có điểm đo nối với thiết bị đo áp lực nước lỗ rỗng. Tấm nén

trên có hình tròn được khoan một lỗ thoát khí, có lắp gioăng cao su để tạo độ

kín với thành hộp nén và được gắn chặt vào trụ nén dùng để đỡ đồng hồ đo

biến dạng.

Ảnh 1: Hợp nén Rower và các dụng cụ trong thí nghiệm nén cố kết thoát

nước hướng tâm

Đồng hồ đo biến dạng có độ chính xác là 0.01mm;

Hệ thống thoát nước: van thoát nước, đường ống dẫn nước vào, khi bão hòa hệ thống ống sẽ được treo trên cao;

Thiết bị đo áp lực nước lỗ rỗng bao gồm:

+ Đồng hồ đo áp lực có độ chính xác 0.005kG/cm2;

+ Hệ thống ống và van chịu áp lực;

+ Màng tạo độ nhạy của đồng hồ đo áp lực;

Khung bàn nén của máy Tam Liên ( Trung Quốc ).

Ảnh 2: Thiết bị thí nghiệm nén cố kết thoát nước hướng tâm, nắp đặt trên

bàn nén Tam Liên .

Dụng cụ thí nghiệm có ưu điểm sau:

Mẫu đất được tác dụng lực nén theo từng cấp tăng dần bằng hệ thống

cách tay đòn và các quả cân. Đất được nén theo chiều thẳng đứng, nước thoát

ra khỏi lỗ rỗng của đất từ ngoài mẫu đất vào lõi thấm nước ở giữa mẫu (thoát

nước theo phương ngang hướng xuyên tâm);

Có thể thí nghiệm với các lõi thấm có đường kính khác nhau;

Đo được áp lực nước lỗ rỗng trong quá trình thí nghiệm.

Nhược điểm: việc theo dõi đồng thời ở những thời điểm bắt đầu thí nghiệm

(khoảng 30s đầu) gặp khó khăn do vừa phải theo dõi biến dạng của mẫu trên

đồng hồ biến dạng và áp lực nước lỗ rỗng trên đồng hồ đo biến dạng.

Hình 1: Sơ đồ cấu tạo của buồng nén Rower dùng trong thí nghiệm cố kết

ngang.

Hệ số cố kết ngang tính theo công thức sau (theo đường cong log thời

gian)

(m2/năm)

Trong đó D: Đường kính mẫu thí nghiệm, D=62mm;

t50: thời gian khi lún cố kết đạt 50%, phút.

Kết quả nghiên cứu được trình bày trong bảng 1

0,55R

Đồng hồ đo áp lực nước lỗ rỗng

Đồng hồ đo biến dạng

Đường thấm

bằng cát mịn

Ống thoát nước

Bảng 1: Hệ số cố kết ngang của một số mẫu đất sét tại Đồng Tháp và Tiền Giang.

TT Số hiệu mẫu

Hệ số cố kết, Cv. m2/năm Hệ số cố kế ngang, Ch ,m2/năm Tỷ số Ch/Cv

Áp lực nén kG/cm2 Áp lực nén kG/cm2 Áp lực nén kG/cm2

0-0,125

0,125-0,25

0,25-0,5

0,5-1,0

1,0 -2,0

2,0-4,0

0-0,125

0,125-0,25

0,25-0,5

0,5-1,0

1,0 -2,0

2,0-4,0

0-0,125

0,125-0,25

0,25-0,5

0,5-1,0

1,0 -2,0

2,0-4,0

1 ĐT4 1,46 1,10 1,30 1,11 0,61 1,05 19,56 15,18 11,52 7,61 3,40 2,46 13,40 13,80 8,86 6,86 5,57 2,342 ĐT6 0,69 1,08 1,14 0,78 1,62 2,06 12,34 13,53 10,03 3,64 5,64 4,80 17,88 12,53 8,83 4,66 3,47 2,333 ĐT11 1,07 0,53 1,53 1,17 0,32 1,36 28,93 13,53 17,03 22,46 15,54 24,06 27,16 25,42 11,11 19,16 48,69 17,72Gía trị TB 1,07 0,90 1,32 1,02 0,85 1,49 20,28 14,08 12,86 11,24 8,19 10,44 19,48 17,25 9,60 10,23 19,25 7,47

Max 1,46 1,10 1,53 1,17 1,62 2,06 28,93 15,18 17,03 22,46 15,54 24,06 27,16 25,42 11,11 19,16 48,69 17,72

min 0,69 0,53 1,14 0,78 0,32 1,05 12,34 13,53 10,03 3,64 3,40 2,46 13,40 12,53 8,83 4,66 3,47 2,33

5 TG1 1,10 0,91 0,30 0,57 0,87 0,33 4,60 5,64 0,66 0,89 0,96 1,35 4,18 6,20 2,20 1,56 1,10 4,096 TG2 2,00 2,46 0,67 0,28 0,99 1,13 12,98 9,04 8,54 0,82 1,05 1,35 6,49 3,67 12,75 2,93 1,06 1,197 TG4 4,34 2,20 1,92 0,76 0,95 1,04 18,25 2,52 6,78 1,13 1,00 4,09 4,21 1,15 3,53 1,49 1,05 3,938 TG5 1,93 2,05 0,74 0,51 0,49 0,74 10,26 5,64 7,27 5,14 2,00 4,18 5,32 2,75 9,82 10,08 4,08 5,659 TG6 4,06 2,12 1,29 1,47 1,27 1,69 14,17 7,27 6,04 3,10 2,52 5,64 3,49 3,43 4,68 2,11 1,98 3,34Gía trị TB 2,69 1,95 0,98 0,72 0,91 0,99 12,05 6,02 5,86 2,22 1,51 3,32 4,74 3,44 6,60 3,63 1,86 3,64

Max 4,34 2,46 1,92 1,47 1,27 1,69 18,25 9,04 8,54 5,14 2,52 5,64 6,49 6,20 12,75 10,08 4,08 5,65min 1,10 0,91 0,30 0,28 0,49 0,33 4,60 2,52 0,66 0,82 0,96 1,35 3,49 1,15 2,20 1,49 1,05 1,19

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

18,00

0 1 2 3 4 5

ĐT TG

Hình 2: Đồ thị quan hệ giữa hệ số cố kết ngang và cấp áp lực nén các

mẫu đất.

0

2

4

6

8

10

12

14

0 1 2 3 4 5

ĐT TG

Hình 3: Đồ thị quan hệ giữa Ch/Cv và cấp áp lực nén các mẫu đất.

Qua bảng số liệu trên ta thấy, hệ số cố kết ngang Ch thay đổi theo cấp

áp lực và biến đổi trong một khoảng rộng (3,40 đến 20,32 m2/năm đối

với đất Đồng Tháp và 18,25 đến 0,66 m2/năm đối với đất ở Tiền Giang).

Cấp áp lực P, kG/cm2

Hệ

số c

ố kế

t Ch,

m2 /

năm

Tỷ

số C

h/C

v

Cấp áp lực P, kG/cm2

Hệ số cố kết ngang của Đồng Tháp đa phần đều cao hơn so với đất ở Tiền

Giang, điều này lại ngược lại với hệ số cố kết thẳng đứng.

Trên hình 2 ta thấy ở cáp cấp áp lực nhỏ hơn áp lực tiền cố kết thì hệ

số cố kết ngang thường rất lớn, nguyên nhân là do ở cáp áp lực này đất bị

nén lún ít nên thời gian để đất đạt độ cố kết nhỏ nên Ch lớn.

Ở cáp cấp áp lực lớn hơn áp lực tiền cố kết thì đất bị nén lún mạnh và

Ch nhỏ hơn rất nhiều, nguyên nhân đất đã cố kết dần ở các cấp áp lực

trước nên kích thước lỗ rỗng giảm dần và do đó đồi hỏi thời gian nước

thoát khỏi lỗ rỗng lớn hơn nên Ch giảm. Ở cấp áp lực 4kG/cm2 Ch lại có

xu hướng tăng chậm, nguyên nhân có thể cấp áp lực này lớn mà đất lại là

đất yếu nên thời gian thoát nước có thể giảm nhẹ, mặc dù kích thước lỗ

rỗng đã giảm.

So sánh hệ số cố kết ngang và hệ số cố kết thẳng đứng, ta thấy hệ số

cố kết ngang thường lớn hơn nhiều so với hệ số cố kết thẳng đứng. Tỷ số

Ch/Cv dao động lớn, trung bình từ 2,59 đến 13,23 đối với đất ở Đồng

Tháp và từ 1,86 đến 6,60 đối với đất ở Tiền Giang, như vậy ta có thể

nhận xét sơ bộ với đất có chứa nhiều hàm lượng sét hơn và độ chặt nhỏ

hơn thì tỷ số Ch/Cv thường nhỏ hơn. Ở các áp lực nhỏ Ch/Cv thường lớn,

chứng tỏ tính dị hướng cao, ở các cấp áp lực lớn hơn thì đất bị nén chặt

nên tính dị hướng giảm và dẫn đến Ch/Cv giảm (hình 3)

Trong thí nghiệm cố kết ngang, tôi còn tiến hành đo áp lực nước lỗ

rỗng, kết quả được trình bày dưới dạng đồ thị quan hệ giữa áp lực nước lỗ

rỗng và cấp áp lực (hình 4 đến 9). Nhìn vào đồ thị, tôi có số nhận xét sau:

-Ở cáp cấp áp lực nhỏ áp lực lỗ rỗng thay đổi ít, còn ở cáp cấp áp lực

lớn như 1,2,4 kG/cm2 thì chúng ta có thể dễ dành nhận ra sự thay đổi của

áp lực nước lỗ rỗng.

- Khi gia tải áp lực nước lỗ rỗng không giảm ngay mà tăng đến một

giá trị nào đó sau đó mới giảm, điều này cho thấy không phải khi vừa gia

tải nước lỗ rỗng thoát ra ngay, quá trình này chỉ xảy ra khi áp lực nước lỗ

rỗng chỉ vượt qua một giá trị nhất định, đó là áp lực bắt đầu xảy ra cố kết

thấm.

- Ở những đất có độ ẩm lớn và chứa hàm lượng sét cao như các mẫu

TG1, TG3, TG4, ĐT4 thì áp lực nước lỗ rỗng đặc biệt lớn ở các cấp áp

lực 1, 2, 4 kG/cm2, có mẫu lên tới 17 kPa.

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

0 500 1000 1500 2000

0,125 0,25 0,5 1 2 4

Hình 4: Đồ thị quan hệ giữa áp lực nước lỗ rỗng và thời gian trong thí

nghiệm cố kết ngang, mẫu ĐT4.

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

4 2 0,25 0,125 1 0,5

Hình III5: Đồ thị quan hệ giữa áp lực nước lỗ rỗng và thời gian trong

thí nghiệm cố kết ngang, mẫu ĐT6

Thời gian, phút

Áp

lực

nước

lỗ r

ỗng,

kpa

Thời gian, phút

Áp

lực

nước

lỗ r

ỗng,

kpa

0,4

0,9

1,4

1,9

2,4

2,9

3,4

3,9

4,4

4,9

5,4

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0,125 0,25 0,5 1 2 4

Hình 6: Đồ thị quan hệ giữa áp lực nước lỗ rỗng và thời gian trong thí

nghiệm cố kết ngang, mẫu ĐT11.

0

2

4

6

8

10

12

14

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0,125 0,25 0,5 1 2 4

Hình 7: Đồ thị quan hệ giữa áp lực nước lỗ rỗng và thời gian trong thí

nghiệm cố kết ngang, mẫu TG1.

Thời gian, phút

Áp

lực

nước

lỗ r

ỗng,

kpa

Áp

lực

nước

lỗ r

ỗng,

kpa

Thời gian, phút

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 500 1000 1500 2000

0,125 0,25 0,5 1 2 4

Hình 8: Đồ thị quan hệ giữa áp lực nước lỗ rỗng và thời gian trong thí

nghiệm cố kết ngang, mẫu TG3.

3

5

7

9

11

13

15

17

19

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0,125 0,25 0,5 1 2 4

Hình 9: Đồ thị quan hệ giữa áp lực nước lỗ rỗng và thời gian trong thí

nghiệm cố kết ngang, mẫu TG4.

Thời gian, phút

Thời gian, phút

Áp

lực

nước

lỗ r

ỗng,

kpa

Áp

lực

nước

lỗ r

ỗng,

kpa

Hệ số cố kết, Cv. m2/năm Hệ số cố kế ngang, Ch ,m

2/năm Tỷ số Ch/Cv

Áp lực nén kG/cm2 Áp lực nén kG/cm2 Áp lực nén kG/cm2

TT Số hiệu mẫu

0-0,125

0,125-0,25

0,25-0,5

0,5-1,0

1,0 -2,0

2,0-4,0

0-0,125

0,125-0,25

0,25-0,5

0,5-1,0

1,0 -2,0

2,0-4,0

0-0,125

0,125-0,25

0,25-0,5

0,5-1,0

1,0 -2,0

2,0-4,0

1 ĐT4 1,46 1,10 1,30 1,11 0,61 1,05 19,56 15,18 11,52 7,61 3,40 2,46 13,40 13,80 8,86 6,86 5,57 2,34 2 ĐT6 0,69 1,08 1,14 0,78 1,62 2,06 12,34 13,53 10,03 3,64 5,64 4,80 17,88 12,53 8,83 4,66 3,47 2,33 3 ĐT11 1,07 0,53 1,53 1,17 0,32 1,36 28,93 13,53 17,03 22,46 15,54 24,06 27,16 25,42 11,11 19,16 48,69 17,72 Gía trị TB 1,07 0,90 1,32 1,02 0,85 1,49 20,28 14,08 12,86 11,24 8,19 10,44 19,48 17,25 9,60 10,23 19,25 7,47

Max 1,46 1,10 1,53 1,17 1,62 2,06 28,93 15,18 17,03 22,46 15,54 24,06 27,16 25,42 11,11 19,16 48,69 17,72

min 0,69 0,53 1,14 0,78 0,32 1,05 12,34 13,53 10,03 3,64 3,40 2,46 13,40 12,53 8,83 4,66 3,47 2,33

5 TG1 1,10 0,91 0,30 0,57 0,87 0,33 4,60 5,64 0,66 0,89 0,96 1,35 4,18 6,20 2,20 1,56 1,10 4,09 6 TG2 2,00 2,46 0,67 0,28 0,99 1,13 12,98 9,04 8,54 0,82 1,05 1,35 6,49 3,67 12,75 2,93 1,06 1,19 7 TG4 4,34 2,20 1,92 0,76 0,95 1,04 18,25 2,52 6,78 1,13 1,00 4,09 4,21 1,15 3,53 1,49 1,05 3,93 8 TG5 1,93 2,05 0,74 0,51 0,49 0,74 10,26 5,64 7,27 5,14 2,00 4,18 5,32 2,75 9,82 10,08 4,08 5,65 9 TG6 4,06 2,12 1,29 1,47 1,27 1,69 14,17 7,27 6,04 3,10 2,52 5,64 3,49 3,43 4,68 2,11 1,98 3,34 Gía trị TB 2,69 1,95 0,98 0,72 0,91 0,99 12,05 6,02 5,86 2,22 1,51 3,32 4,74 3,44 6,60 3,63 1,86 3,64

Max 4,34 2,46 1,92 1,47 1,27 1,69 18,25 9,04 8,54 5,14 2,52 5,64 6,49 6,20 12,75 10,08 4,08 5,65 min 1,10 0,91 0,30 0,28 0,49 0,33 4,60 2,52 0,66 0,82 0,96 1,35 3,49 1,15 2,20 1,49 1,05 1,19