Tính chất cơ học của một loại đất dính nhân tạo

Nội dung text: Tính chất cơ học của một loại đất dính nhân tạo

1. TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA MỘT LOẠI ĐẤT DÍNH NHÂN TẠO HOÀNG THỊ LỤA* Mechanical properties of an artificial cohesive soil Abstract: Mechanical behaviours of clayey soils are always known as problematic issues in geotechnical engineering. In this paper, mechanical properties of an artificial cohesive soil were investigated through a series of laboratory soil tests and a finite element method. The studied soil was a clayey soil consolidated from a slurry mixture under a final vertical consolidation pressure of 100 kPa. A series of soil tests including oedometer tests, consolidated-undrained triaxial compression tests, unconfined compression tests, cone penetration tests, and T-bar tests were conducted, in order to obtain mechanical properties of the soil such as the strength parameters, compressibility indices, and permeability property; the results from different testing methods are also compared and discussed. The soil parameters measured from the above-mentioned tests are then directly used for a soil constitutive model to simulate the soil element tests by a finite element method, employed Plaxis 3D. The simulation results are compared with measurement ones to evaluate the applicability of the soil constitutive model to analyse and estimate other soil properties as well as soil behaviour under construction loads. Keywords: clayey soil; laboratory soil tests; undrained shear strength; compression index; soft soil creep model; finite element method. 1. GIỚI THIỆU * (Toyota et al. (2001), Ya Li (2018), Yasodian et Khi nghiên cứu, xem xét sử dụng một loại al. (2015)). Hiện nay, có nhiều phƣơng pháp để đất trong l nh vực xây dựng, các tính chất cơ đánh giá, dự báo các chỉ tiêu tính chất cơ học của học, vật lý của loại đất đó luôn là vấn đề tiên đất, cùng một chỉ tiêu cũng có thể có nhiều quyết đƣợc quan tâm. Đặc biệt hơn là với các phƣơng pháp để xác định. Ví dụ để xác định sức loại đất dính, theo thời gian, dƣới tác dụng của kháng không thoát nƣớc cu của đất, có thể sử thay đổi độ ẩm, tải trọng, quá trình cố kết, quá dụng thí nghiệm cắt trực tiếp, thí nghiệm ba trục, trình nén từ biến, đất dính có những diễn biến thí nghiệm nén một trục nở hông tự do, thí phức tạp về cƣờng độ chống cắt, tính chất nén nghiệm xuyên côn t nh, thí nghiệm xuyên tiêu lún, và tính thấm nƣớc. (Lastiasih và Tantri chuẩn, thí nghiệm cắt cánh m i phƣơng pháp (2015), Pezowicz và Choma-Moryl (2016), Ya có những lợi thế và nhƣợc điểm riêng; mức độ Li (2018)). Rất nhiều nghiên cứu đã đƣợc thực chính xác của từng phƣơng pháp cũng khác nhau. hiện để đánh giá tính chất cơ học của đất dính, Nói chung việc đánh giá đúng tính chất cơ thƣờng xem xét mức độ ảnh hƣởng bởi các yếu học của đất dính rất quan trọng để khai thác, sử tố khác nhau đến một loại đất cụ thể nào đó dụng đất và dự báo những nguy cơ tiềm ẩn có thể xảy ra với đất trong quá trình sử dụng đất * Bộ môn Địa kỹ thuật, Tr ng Đ i học Thủy l i sau này. Trong bài báo này, tính chất cơ học của DĐ: 0936260288 Email: hoangthilua@tlu.edu.vn một loại đất dính nhân tạo sẽ đƣợc nghiêm cứu ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2021 59
2. qua các thí nghiệm khác nhau và qua phƣơng khi đạt cấp cuối 100 kPa. Với m i cấp áp lực, pháp phần tử hữu hạn, sử dụng phần mềm thời gian cố kết đƣợc duy trì cho tới khi độ cố Plaxis 3D. Mục đích ngoài việc xác định các chỉ kết đạt 90% theo lý thuyết cố kết thấm một tiêu cƣờng độ của đất còn để so sánh kết quả từ hƣớng của Terzaghi. Riêng cấp cuối cùng, thời các phƣơng pháp thí nghiệm thông qua công gian cố kết đƣợc duy trì thêm 10 ngày sau khi thức/ phƣơng trình thực nghiệm và kết quả từ độ cố kết đạt 90 % để đất đạt đƣợc độ cố kết cao các phƣơng pháp cho giá trị tính trực tiếp cho hơn nữa. Sau cùng, áp lực cố kết đƣợc giảm loại đất nghiên cứu; đánh giá khả năng mô dần, đất chế bị đƣợc trải qua quá trình trƣơng nở phỏng ứng xử của đất bằng các mô hình vật liệu trong 10 ngày sau khi giải phóng hoàn toàn áp có sẵn trong chƣơng trình phần tử hữu hạn lực cố kết. Hình 1 thể hiện sơ đồ lắp đặt thiết bị Plaxis, từ đó có thể đánh giá một phần độ tin trong quá trình cố kết mẫu. Hình 2 thể hiện mối cậy của kết quả khi sử dụng mô hình đất để mô quan hệ thời gian – lún ở (a) cấp tải cố kết cuối phỏng các bài toán địa kỹ thuật khác nhƣ mái cùng (tăng từ 70 kPa đến 100 kPa) và (b) quá dốc, hố đào, móng công trình trình chờ mẫu trƣơng nở. Tổng số 7 thùng mẫu 2. ĐẤT VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU đã đƣợc chuẩn bị lặp lại trong nghiên cứu. 2.1 Đất nghi n cứu Trƣớc khi xác định các tính chất cơ học của Đất nghiên cứu là một loại đất dính nhân tạo, đất nhƣ sức kháng cắt không thoát nƣớc, góc ma đƣợc chế từ h n hợp của một loại bột sét thƣơng sát trong, hệ số thấm, chỉ số nén, chỉ số nở, chỉ mại có tên là Kasaoka và một loại cát mịn số nén thứ cấp, một loạt các thí nghiệm đƣợc thƣơng mại có tên là Silica (loại số 6). Đất đƣợc thực hiện để xác định tính chất vật lý của đất chế trong một thùng hình trụ có đƣờng kính bao gồm trọng lƣợng riêng tự nhiên, độ ẩm tự trong thùng là 420 mm và chiều cao hiệu quả là nhiên, độ ẩm giới hạn Atterberg, khối lƣợng 420 mm. Thùng chế bị mẫu có van đáy để nƣớc riêng hạt, hệ số r ng và cấp phối hạt. Các kết có thể thoát qua khi mở van. quả thí nghiệm đƣợc tổng hợp trong bảng 1. Từ Tuần tự chuẩn bị đất đƣợc diễn ra nhƣ sau: độ ẩm giới hạn Atterberg (độ ẩm giới hạn chảy Trƣớc hết, một lớp silica hạt thô (số 3) đƣợc đổ LL và chỉ số dẻo PI = LL – PL), đất nghiên cứu và đầm chặt đến độ chặt tƣơng đối Dr ≈ 82 % ở đƣợc phân loại (theo USCS) về đất sét có tính đáy thùng để làm lớp thoát nƣớc đáy. Lớp này dẻo thấp (hình 3), đất quá cố kết dƣới áp lực coi nhƣ lớp cát chặt, đƣợc bão hòa và phủ giấy tiền cố kết là 100 kPa. thấm. Sau đó bột sét Kasaoka và cát mịn silica đƣợc trộn ở tỷ lệ khối lƣợng khô 1:1, trộn với 10 Lớp thoát nƣớc mặt nƣớc để đƣợc một h n hợp sệt với độ ẩm w gấp (Silica số 6) 1,3 lần độ ẩm giới hạn chảy LL. H n hợp sệt Hỗn hợp đƣợc đổ lên trên lớp thoát nƣớc đáy đến đầy sét lỏng thùng và đƣợc cố kết tự do dƣới trọng lƣợng bản 360 K50S50 Giấy thấm thân trong 2 ngày. Tiếp theo, giấy thấm đƣợc đặt lên bề mặt lớp h n hợp sệt và một lớp silica Lớp thoát thô khác đƣợc đổ lên bề mặt để làm lớp thoát nƣớc đáy (Silica số 3) nƣớc mặt. Sau đó, các tấm đệm gia tải, load-cell đo áp lực (LC), máy gia tải (AC), đồng hồ đo 50 Van thoát nƣớc mm lún (DG) đƣợc lắp đặt để thực hiện cố kết h n 420 hợp và đo áp lực cố kết, đo độ lún cho từng cấp áp lực. Áp lực cố kết đƣợc tăng từng cấp đến (a) Mặt cắt ngang 60 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2021
3. DG1 AC DG2 3 LC 2 Tấm gia tải 1 0 0 50 100 150 200 Heaveground of surface (mm) Thời gian (hrs) Time, t (hours) (b) Quá trình trƣơng nở Hình 2: Quan hệ lún theo th i gian Van thoát trong quá trình chuẩn bị đất thí nghiệm nước 100 (b) Sơ đồ lắp đặt thiết bị đo Hình 1: Quá trình chuẩn bị đất thí nghiệm 80 60 Bảng 1: Tính chất vật lý của đất thí nghiệm 40 Chỉ ti u Giá trị 20 3 Khối lƣợng riêng hạt, s (Mg/m ) 2,653 0 a 3 1E-3 0.01 0.1 1 Khối lƣợng riêng bão hòa , sat (Mg /m ) 1,98 Đường kính hạt, d (mm) Độ ẩm giới hạn dẻo, PL (%) 13,6 (a) Đƣờng cong cấp phối Độ ẩm giới hạn chảy, LL (%) 33,9 60 Ký hiệu: Chỉ số dẻo, PI (%) 20,3 - 8) 50 LL a U LINE: -20) ) ) (%) LL Độ ẩm tự nhiên , w (%) 26,2 A LINE: Loại đất: PI = 0.9( 40 PI C: sét a ( Đất nghiên = 0.73( Hệ số r ng , e 0,703 PI O: hữu cơ 30 cứu CH or OH M: bụi mịn 20 a MH or OH Trạng thái: Ghi chú: Kết quả ở thời điểm sau khi hoàn CL or OL L: dẻo thấp 10 ML H: dẻo cao thành quá trình cố kết nền dƣới áp lực 100 kPa CL-ML or OL 0 và quá trình dỡ tải. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Độ ẩm giới hạn chảy, (LL) (%) 70 (b) Phân loại đất theo USCS Hình 3: Phân lo i đất thí nghiệm 72 (mm) w straightĐường thlineẳng ban 74 đầu nhân hệ số 1.15 times of initial 2.2 Phƣơng pháp thí nghiệm ĐInitialường 1.15 straight line 76 thstraightẳng a. Sức kháng cắt không thoát nước line ban Để xác định sức kháng cắt không thoát nƣớc 78 đầu của đất, ba loại thí nghiệm xuyên côn t nh CPT, Settlement, t 80 90 thí nghiệm T-bar và thí nghiệm nén một trục hở 0 2 4 6 8 10 12 hông tự do (UCT) đƣợc thực hiện. ElapsedThờ itime, gian t (hours) Thí nghiệm xuyên côn t nh: Thí nghiệm đƣợc (a) Quá trình cố kết thực hiện với bộ xuyên côn cỡ nhỏ. Thiết bị ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2021 61
4. gồm hai bộ phận chính là mũi xuyên (mũi côn) 7mm và chiều dài LT-bar 35 mm. Cần xuyên có và cần xuyên. Mũi xuyên có dạng hình côn hình dạng, chức năng tƣơng tự cần xuyên CPT (nón) với góc ở đỉnh là 600, đƣờng kính đáy nón với đƣờng kính 7mm. Sức kháng của đất tác là 20 mm và là bộ phận trực tiếp xuyên vào đất. dụng lên đầu xuyên cũng đƣợc đo đạc qua cổng Cần xuyên có dạng thanh hình trụ, đƣờng kính đo biến dạng gắn trên cần xuyên ngay sát đầu 10 mm, chiều dài hiệu quả là 500 mm và gắn xuyên. Tốc độ xuyên 2 mm/s cũng đƣợc sử một đầu với mũi côn. Cần xuyên là bộ phận dụng trong tất cả thí nghiệm T-bar. Với m i truyền lực đến mũi côn để đƣa mũi côn vào đất. thùng mẫu, 2-3 thí nghiệm T-bar đƣợc thực Các cổng đo biến dạng đƣợc gắn trên cần xuyên hiện. Sức kháng cắt không thoát nƣớc cu đƣợc ở hai vị trí (i) ngay sát mũi côn để đo sức kháng tính toán từ kết quả đo sức kháng của đất tác của đất tác dụng lên mũi côn và (ii) phía đầu cần dụng lên đầu xuyên qcone tip, sử dụng phƣơng xuyên để đo toàn lực truyền tới cần xuyên để trình tính thực nghiệm (theo Low et al., 2010) đƣa hệ cần và mũi xuyên vào đất. Tất cả các thí nhƣ sau: nghiệm xuyên côn đƣợc thực hiện với tốc độ (2) xuyên tƣơng đối cao và ổn định ở 2 mm/s. Với trong đó: P là lực tác dụng lên toàn bộ đầu m i thùng mẫu, 1-3 thí nghiệm CPT đƣợc thực xuyên (đo qua cổng đo biến dạng đã đề cập ở hiện. Khoảng cách giữa các vị trí thí nghiệm trên), Nt là hệ số sức kháng cho đầu xuyên có đƣợc bố trí cách nhau tối thiểu 10 lần đƣờng giá trị trung bình Nt = 10,5 và khoảng giao động kính đáy côn để đảm bảo kết quả của thí nghiệm từ 8,5 đến 12,5 (theo nghiên cứu của Low et al. thực hiện sau không bị ảnh hƣởng bởi thí (2010), nhƣ trình bày ở phần hệ số Nk ở trên) nghiệm trƣớc. Sức kháng cắt không thoát nƣớc cho các loại sét quá cố kết nguyên trạng. cu đƣợc tính toán từ kết quả đo sức kháng của Thí nghiệm nén một trục nở hông tự do đất tác dụng lên mũi côn qcone tip, sử dụng (UCT): Với m i thùng mẫu, ngay sau khi hoàn phƣơng trình tính thực nghiệm (theo Low et al., thành thí nghiệm CPTs và T-bars, các đất đƣợc 2010) nhƣ sau: lấy lên bằng các ống lấy mẫu với đƣờng kính (1) trong 100 mm. Đất lấy lên đƣợc cắt gọt thành trong đó: vo là ứng suất tổng theo phƣơng mẫu có đƣờng kính 35 mm và chiều cao khoảng thẳng đứng và là Nk hệ số sức kháng cho mũi 75 - 90 mm. Sau khi cắt gọt, mẫu đƣợc nén trên côn. Hệ số này đƣợc lấy theo nghiên cứu của máy nén dọc trục, nở hông tự do. Với m i thùng Low et al. (2010), nghiên cứu đã sử dụng hệ mẫu, 2-3 thí nghiệm UCT đƣợc thực hiện. Sức thống dữ liệu chất lƣợng cao đƣợc thu thập rộng kháng cắt không thoát nƣớc cu đƣợc dự đoán rãi trên toàn thế giới dành cho sét quá cố kết nhẹ trực tiếp từ lực nén dọc trục cực đỉnh qu trong ở cả dạng nguyên mẫu và mẫu bị xáo trộn. Kết quá trình nén mẫu: quả nghiên cứu của Low et al. (2010) đã cho cu = qu /2 (3) thấy giá trị Nk giao động trong phạm vi từ 10 b. Góc ma sát trong và các đặc trưng cơ học đến 14 cho các mẫu nguyên trạng và giá trị khác của đất trung bình là 12. Trong bài báo này, giá trị trung Để xác định góc ma sát trong và các đặc bình Nk = 12 sẽ đƣợc sử dụng để tính toán. trƣng cơ học khác của đất nhƣ hệ số thấm, chỉ Thí nghiệm T-bar: Thí nghiệm cũng đƣợc số nén, chỉ số nở (nén lại), mô đun biến dạng, hệ thực hiện trên thiết bị là một bộ T-bar cỡ nhỏ. số poisson của đất nền, thí nghiệm nén ba trục Thiết bị T-bar cũng gồm hai bộ phận chính là cố kết không thoát nƣớc CU và thí nghiệm nén cần xuyên và đầu xuyên. Đầu xuyên T-bar là cố kết Oedometer đƣợc thực hiện. một hình trụ nằm ngang có đƣờng kính dT-bar Thí nghiệm nén ba trục cố kết không thoát 62 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2021
5. nƣớc CU: đƣợc thực hiện trên mẫu có kích hình "Sekiguchi-Ohta" đều là những mô hình thƣớc 50 mm x 100 mm. Mẫu đƣợc cố kết dƣới vật liệu nâng cao, có khả năng mô phỏng tính ép áp lực buồng là 100 kPa trƣớc khi tăng tải dọc co của đất sét thông thƣờng. Tuy nhiên, chỉ mô trục nén mẫu. hình SSC mô phỏng đƣợc ứng xử theo thời gian Thí nghiệm nén cố kết Oedometer: đƣợc thực cho sét quá cố kết. Vì vậy trong bài báo này, mô hiện trên mẫu có đƣờng kính 60 mm và chiều hình SSC đƣợc lựa chọn. Chi tiết về mô hình cao ban đầu là 20 mm. Mẫu đƣợc nén qua nhiều SSC đƣợc trình bày trong cuốn hƣớng dẫn sử cấp áp lực tăng dần, bao gồm cả quá trình giảm dụng mô hình vật liệu của Plaxis (PLAXIS tải và nén lại. Ở cấp áp lực cuối cùng (v = 1250 2018, Material Models Manual). Một số đặc kPa), mẫu đã đƣợc duy trì nén trong tổng cộng trƣng cơ bản của mô hình SSC nhƣ sau: hơn 200 ngày để quan sát lún thứ cấp và xác - Độ cứng của đất phụ thuộc, thay đổi theo định chỉ số nén thứ cấp. ứng suất 2.3 Phƣơng pháp phần tử hữu hạn (FEM) - Có sự phân biệt giữa các giai đoạn tăng tải Để xem xét khả năng mô phỏng ứng xử của lần đầu, giảm tải và tăng lại tải đất thông qua các mô hình đất có sẵn trong một - Xét đến nén/ biến dạng thứ cấp số chƣơng trình phần tử hữu hạn phổ biến, đồng - Xét ảnh hƣởng của ứng suất tiền cố kết thời đánh giá độ tin cậy của kết quả khi sử dụng - Ứng xử bền tuân theo tiêu chuẩn Mohr- mô hình đất đó để mô phỏng các bài toán địa kỹ Coulomb. thuật khác, hai thí nghiệm nén ba trục CU và Các thông số nhập vào cho mô hình đất SSC cũng nén cố kết oedometer sẽ đƣợc mô phỏng bằng nhƣ nguồn gốc các thông số đƣợc liệt kê ở bảng 2. phƣơng pháp phần tử hữu hạn, sử dụng chƣơng Các kích thƣớc mô hình, điều kiện thoát nƣớc, trình Plaxis 3D. tải trọng, tốc độ tăng tải, thời gian cố kết đƣợc lấy giống thí nghiệm trong phòng đã thực hiện, tuy nhiên, chỉ 1/4 mẫu thí nghiệm đƣợc mô phỏng để giảm thời gian tính toán, lợi dụng tính chất đối xứng của mẫu. Hình 4 thể hiện lƣới phần tử hữu hạn trong mô phỏng thí nghiệm CU. 3. KẾT QUẢ VỀ CÁC TÍNH CHẤT CƠ m m HỌC CỦA ĐẤT NGHIÊN CỨU 0 0 1 3.1 Kết quả thí nghiệm a. Sức kháng c t không thoát n ớc cu Kết quả sức kháng không thoát nƣớc thu đƣợc từ thí nghiệm CPTs và T-bars và UCTs đƣợc tổng hợp trong hình 5. 2 Nhƣ đã đề cập ở phần trƣớc, sức kháng cắt c 5 mm u Hình 4: Kích th ớc mô hình, l ới phần tử đƣợc thu trực tiếp từ cƣờng độ kháng nén dọc hữu h n và mặt gia tải trong mô phỏng trục trong thí nghiệm UCTs theo công thức (3) thí nghiệm nén ba tr c CU và tính toán theo công thức (1), (2) đề xuất bởi Low et al. (2010) đối với thí nghiệm CPTs và T- Mô hình vật liệu: trong các mô hình vật liệu bars. Ba phƣơng pháp thí nghiệm cho kết quả sẵn có của Plaxis, một số mô hình nhƣ "Cam- tƣơng đối gần nhau. Nếu sử dụng một đƣờng Clay", mô hình "Soft Soil", mô hình "Soft Soil trung bình đại diện cho các kết quả tính toán Creep (SSC)", mô hình "Hardening Soil" và mô trực tiếp để biểu diễn sự biến đổi của cu theo độ ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2021 63
6. sâu thì cu có thể biểu diễn xấp xỉ theo phƣơng b. Góc ma sát trong và các đặc trưng cơ học trình đƣờng thẳng sau: khác của đất (4) Kết quả các đặc trƣng cơ học khác của đất thu Hình 5 cho thấy phƣơng trình 4 cũng tƣơng đối đƣợc từ thí nghiệm nén ba trục CU gồm góc ma phù hợp với sức kháng trung bình tính toán từ cả sát trong của đất ở trạng thái cực đỉnh p' = 36,9 hai phƣơng pháp CPTs và T-bars, ngoại trừ và trạng thái ổn định ' = 34,8, hệ số Poisson khoảng 50 mm đầu tiên (tính từ mặt nền). Cũng có trong điều kiện không thoát nƣớc s ≈ 0,5. Ngoài thể giải thích sự sai khác ở vùng đầu tiên là do giai ra, thí nghiệm còn cho kết quả đƣờng cong quan đoạn đầu mũi côn (CPTs) và đầu xuyên (T-bars) hệ biến dạng – độ lệch ứng suất chính cực đại, từ chƣa xuyên ngập hoàn toàn trong đất nên diện tích đó có thể tính toán các giá trị về mô đun biến dạng tiếp xúc giữa mũi côn/ đầu xuyên chƣa huy động của đất. Các đặc trƣng về khả năng ép co và tính đầy đủ. Thêm một yếu tố khác, khi độ sâu xuyên thấm nƣớc của đất thu đƣợc từ thí nghiệm còn nhỏ, đất có xu hƣớng trƣợt và đẩy trồi lên trên oedometer trình bày trong bảng 2. bề mặt nên kết quả cu thu đƣợc giai đoạn này có Đƣờng cong quan hệ thời gian - biến dạng thể chƣa tin cậy cao. So sánh kết quả giữa CPTs thể tích trong giai đoạn cố kết mẫu và đƣờng và T-bars, ban đầu, cu thu đƣợc từ CPTs cao hơn quan hệ giữa ứng suất chính trung bình - độ lệch so với thu từ T-bars. Tuy nhiên càng xuống sâu thì ứng suất chính trong giai đoạn tăng tải dọc trục kết quả từ hai phƣơng pháp càng giống nhau. Cần cắt mẫu trong thí nghiệm CU đƣợc thể hiện lƣu ý rằng, các hệ số sức kháng Nk và Nt sử dụng trong hình 6. Trong hình 6, các kết quả tính toán trong công thức tính toán cu là giá trị trung bình từ theo FEM cũng thể hiện để thuận tiện trong thảo kết quả nghiên cứu của Low và đồng nghiệp cho luận và so sánh kết quả đo đạc với kết quả tính hàng loạt các loại đất dính cố kết khác nhau rộng toán. Tƣơng tự, đƣờng cong quan hệ lún theo rãi trên toàn thế giới. Hệ số này có thể giao động/ thời gian đo đạc từ thí nghiệm oedometer đƣợc điều chỉnh lên/ xuống nhƣ đã trình bày ở mục 2.2. thể hiện trong hình 7 cùng với kết quả FEM. Nhìn chung, đối với loại đất nghiên cứu thì cả 3.2 Kết quả tính toán theo FEM CPTs và T-bars đều đã cho kết quả tƣơng đối phù Nhƣ đã trình bày ở mục 2.3, hai thí nghiệm nén hợp với kết quả đo trực tiếp từ UCTs, thí nghiệm ba trục CU và oedometer sẽ đƣợc mô phỏng lại CPTs/ T-bars nhanh và đơn giản hơn và cho đƣợc bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn FEM, sử dụng biểu đồ phân phối cu liên tục theo độ sâu. chƣơng trình phần mềm Plaxis 3D (bản 2018). Các thông số sử dụng cho mô hình đất "soft soil Sức kháng cắt không tho át nước, cu (kPa) creep (SSC)" đƣợc liệt kê trong Bảng 2. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 c = q / N u u T-bar t Bảng 2: Các thông số đầu vào cho N = 10.5 50 t mô hình đất SSC c = (q - )/ N u u cone tip vo k N = 12 100 k Thông số đất Giá trị c (kPa) = 10 kPa + 0,291 (từ thí nghiệm u 150 Chỉ số nén Cc +0.04 (kPa/mm) oedometer) x z (mm) 200 0,055 (từ thí nghiệm Chỉ số nở Cs UCTs oedometer) 250 CPTs Chỉ số nén thứ cấp (creep 0,00125 (từ thí nghiệm Tbars index）C oedometer) 300 0,005 N/mm2 / 5 kPa Hình 5: Biểu đồ phân bố sức kháng Lực dính hiệu quả c' (dự đoán qua mô phỏng không thoát n ớc cu theo độ sâu thí nghiệm CU) 64 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2021
7. Thông số đất Giá trị 34,8 Góc ma sát trong ' (từ thí nghiệm CU) Sức căng t 0 (đặt chế độ defaut) Hệ số Poisson ur 0,17 (giả thiết) Áp lực tiền cố kết POP 0,1 N/mm2 / 100 kPa Hệ số r ng ban đầu e0 0,703 0,00038 mm/min Hệ số thấm k (a) Sự biến đổi áp lực nƣớc l r ng (trái) (thí nghiệm oedometer) và biến dạng (phải) của mẫu 0,425 8 Chỉ số thấm ck (thí nghiệm oedometer) Thí nghiệm 6 FEM Trọng lƣợng riêng không 3 0,000019 N/mm (+) bão hòa unsat 4 Trọng lƣợng riêng bão 3 0, 000019 7 N/mm 2 hòa sat Trọng lƣợng riên của 3 0 0,00001 N/mm 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 nƣớc water Thời gian, t (phút) (b) Quan hệ biến đổi thể tích mẫu – thời gian Hình 6 thể hiện mối quan hệ biến dạng thể Hình 6: Biến d ng thể tích mẫu trong giai đo n tích theo thời gian của mẫu đất thí nghiệm trong cố kết - thí nghiệm n n ba tr c CU quá trình cố kết mẫu. Kết quả tính toán và kết quả thí nghiệm cùng đƣợc trình bày để so sánh Hình 7 thể hiện quan hệ ứng suất chính hiệu khả năng mô phỏng ứng xử của đất theo mô quả trung bình với độ lệch ứng suất chính trong hình SSC. Có thể thấy từ hình 6, với hầu hết các giai đoạn cắt mẫu của thí nghiệm CU. Kết quả thông số nhập vào cho mô hình SSC lấy từ thí tính toán đã cho kết quả tốt so với kết quả đo từ nghiệm thì kết quả tính toán thể hiện rằng, giai thí nghiệm trong giai đoạn đầu quá trình tăng tải đoạn đầu m i cấp tăng áp lực cố kết, tốc độ biến cắt mẫu. Tại gần thời điểm mẫu bị phá hoại (q > dạng thể tích (tốc độ thoát nƣớc ra khỏi l r ng) trong tính toán cao hơn kết quả đo đạc. Ở cuối 75 kPa), độ dốc của đƣờng quan hệ tính toán có giai đoạn cố kết của cấp áp lực cố kết đầu, độ xu hƣớng giảm trong khi ngƣợc lại, độ dốc của biến dạng thể tích mẫu từ cả hai phƣơng pháp đƣờng quan hệ đo đạc có xu hƣớng tăng và tăng khá giống nhau (khoảng 3,3 %). Ở cuối giai khá nhanh. Tuy ở gần thời điểm phá hoại mẫu, đoạn cố kết của cấp áp lực sau, kết quả tính toán kết quả mô phỏng có xu hƣớng ngƣợc với kết (6,2%) trở lên nhỏ hơn kết quả đo đạc (7%). quả thí nghiệm, nhƣng cũng cần lƣu ý thêm Tuy có những sự khác nhau về giá trị, nhƣng rằng, kết quả đo đạc thu đƣợc có thể cao hơn giá tổng quan chung mô hình đất SSC đã mô phỏng trị thực do ảnh hƣởng (cản trở) của màng bọc một cách tƣơng đối tốt ứng xử của đất trong giai cao su quanh mẫu trong thí nghiệm, đặc biệt ở đoạn cố kết mẫu. giai đoạn mẫu biến dạng lớn. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2021 65
8. Hình 8 thể hiện kết quả tính toán và đo đạc bố ứng suất hiệu quả, áp lực nƣớc l r ng theo cho thí nghiệm oedometer ở cấp tải cuối cùng. không gian và thời gian, biến dạng cắt, biến Với các giá trị chỉ số nén, nở và nén thứ cấp thu dạng thể tích theo các phƣơng trong trƣờng đƣợc từ thí nghiệm, độ lún của mẫu trong các hợp không có kết quả đo đạc hoặc kết quả đo giai đoạn lún cố kết, lún từ biến đều tƣơng đối đạc bị hạn chế. hợp lý. Tuy nhiên, có thể thấy từ kết quả, tốc độ cố kết mô phỏng qua FEM cao hơn so với tốc 6.6 độ đo đạc thực tế. Hiện tƣợng này tƣơng tự nhƣ Thí nghiệm 6.7 kết quả thu đƣợc trong giai đoạn cố kết mẫu của FEM thí nghiệm CU (hình 6). Tốc độ thoát nƣớc 6.8 thƣờng liên quan đến hệ số thấm k và điều kiện 6.9 thoát nƣớc. Điều kiện thoát nƣớc ở hai thí 7.0 nghiệm này đã đƣợc mô phỏng tƣơng đƣơng 7.1 trong thí nghiệm. Nhƣ vậy nếu một hệ số thấm 7.2 nhỏ hơn hệ số thấm đo đạc đƣợc đƣa vào cho 7.3 mô hình SSC thì có thể sẽ đạt đƣợc một kết quả -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 10 10 10 10 10 10 10 10 10 hợp lý hơn. Thời gian t (min) [log t] (a) Quan hệ độ lún và thời gian theo hàm log 125 6.6 Thí nghiệm Thí nghiệm 100 FEM 6.7 FEM 6.8 75 6.9 50 M = 1.41 7.0 1 7.1 25 Đường bao 7.2 phá hoại 0 0 100 200 300 400 500 600 700 0 25 50 75 100 125 Thời gian t (min) [ 푡] Ứng suất chính hiệu quả (b) Quan hệ lún và thời gian theo hàm căn bậc hai trung bình, p (kPa) Hình 8: Đo đ c và tính toán quan hệ lún-th i gian ở cấp tải cuối trong thí nghiệm oedometer Hình 7: Quan hệ ứng suất chính hiệu quả trung bình - độ lệch ứng suất chính trong 4. KẾT LUẬN giai đo n c t mẫu - thí nghiệm n n ba tr c CU Trong bài báo này, một số tính chất cơ học của một loại đất dính nhân tạo đã đƣợc nghiên Nhận xét chung từ kết quả mô phỏng hai thí cứu và thảo luận qua các thí nghiệm đất đơn nghiệm trong phòng là mô hình vật liệu SSC với giản thực hiện trong phòng và qua phƣơng pháp các thông số đầu vào xác định trực tiếp từ các phần tử hữu hạn, sử dụng Plaxis 3D. Kết quả thí nghiệm trong phòng đã mô phỏng tƣơng đối giữa các phƣơng pháp đƣợc so sánh và thảo đúng ứng xử của đất, từ đó có thể nghiên cứu luận. Một số nhận xét rút ra từ kết quả thí các tính chất cơ học khác của đất nhƣ sự phân nghiệm và tính toán nhƣ sau: 66 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2021
9. Cƣờng độ kháng cắt không thoát nƣớc của [2]. Li, Y., 2018. Fundamental engineering đất nghiên cứu xác định từ thí nghiệm nén một characteristics of cohesive sediments in the trục nở hông tự do UCTs tăng theo độ sâu và có Northern resion of south china sea. In thể biểu diễn gần đúng bằng phƣơng trình (4). proceeding of IFCEE 2018 March 5-10, Cƣờng độ kháng cắt xác định từ thí nghiệm Orlando Florida. CPTs và T-bars thông qua phƣơng trình thực /9780784481639.013 nghiệm và sử dụng giá trị trung bình hệ của số [3]. Low, H.E., Lunne, T., Andersen, K.H., sức kháng mũi côn/ đầu xuyên T-bar (từ nghiên Sjursen, M.A., Li, X., Randolph, M.F., 2010. cứu của Low và đồng nghiệp) cho kết quả tƣơng Estimation of intact and remoulded undrained đối gần nhau và gần với kết quả xác định trực shear strengths from penetration tests in soft tiếp từ thí nghiệm UCTs. clays. Géotechnique 60(11), 843–859. Các kết quả mô phỏng thí nghiệm nén ba trục cố kết không thoát nƣớc CU và oedometer trên [4]. Pezowicz, P., Choma-Moryl, K., 2016. chƣơng trình phần tử hữu hạn Plaxis 3D, sử Moisture content impact on mechanical dụng mô hình đất "soft soil creep" và các thông properties of selected cohesive soils from the số đầu vào lấy trực tiếp từ kết quả các thí Wielkopolskie Voivodeship southern part. nghiệm trong phòng cho kết quả tƣơng đối hợp Studia geotechnica et mechanica 37(4), 37-46. lý so với kết quả đo đạc. Từ đó, có thể sử dụng kết quả mô phỏng để nghiên cứu một số ứng xử [5]. PLAXIS 3D 2018 - Material Models cơ học khác của đất khi không có dữ liệu đo đạc Manual, PLAXIS, hoặc việc đo đạc khó khăn, đồng thời đánh giá support/manuals/plaxis-3d-manuals/ độ tin cậy của kết quả khi sử dụng mô hình đất [6]. Toyota, H., Sakai, N., and Nakamura, này để mô phỏng các ứng xử của đất nghiên cứu K., 2001. Mechanical properties of saturated trong các bài toán địa kỹ thuật khác. cohesive soil with shear history under three dimensional stress conditions. Soils and LỜI CẢM ƠN foundations 41(6), 97-110. Tác giả trân trọng cảm ơn Phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật, Viện Khoa học và Công nghệ - [7]. Toyota, H., Nakamura, K., Sakai, N., Đại học Kanazawa Nhật Bản đã giúp đỡ trong Sramoon, W., 2001. Mechanical properties of quá trình nghiên cứu. unsaturated cohesive soil in consideration of tensile stress. Soils and foundations 43(2), 115- TÀI LIỆU THAM KHẢO 122. 30806-4 [1]. Lastiasih, Y., Tantri, P. K. S., 2015. [8]. Yasodian, S. E., Dutta, R. K., Mathew, Analysis of increasing shear strength of soil to L., Anima, T. M., and Seena, S. B., 2012. Effect slope stability after consolidation settlement of microorganism on engineering properties of completed with various method. International cohesive soils. Geomechanics and Engineering Conference of landslide and slope stability at 4(2). Bali, Indonesia. Ng i phản biện: PGS,TS. HOÀNG VIỆT HÙNG ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2021 67