Xác định các đặc trưng cơ lý đất nền | Kỹ năng nền tảng thiết kế xây dựng

Khi thiết kế nền móng, người thiết kế xây dựng nhận được số liệu về những chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất trong nền. Các số liệu này do người khảo sát địa chất công trình cung cấp, thường dưới dạng bảng tổng hợp trong đó ghi rõ lỗ khoan, số thứ tự mẫu đất, độ sâu lấy mẫu và trị số các chỉ tiêu vật lý cũng như cơ học của từng mẫu. Xem xét các số liệu về một chỉ tiêu của từng lớp đất, các kỹ sư thiết kế cần phân biệt:

• Trị riêng: là trị số của một đặc trưng cơ học hoặc vật lý nào đó của đất xác định theo riêng một mẫu thí nghiệm, tức là xác định cho riêng một điểm nào đó của lớp đất.

Vì đất là vật liệu rất phức tạp nên dù là ở một lớp đất đã được xem là đồng nhất thì giá trị định lượng một tính chất cơ học, vật lý nào đó của nó cũng biến đổi từ điểm này sang điểm khác. Do đó các chỉ tiêu riêng của một lớp đất bao giờ cũng sai khác nhau, lớp đất càng không đồng đều, các chỉ tiêu riêng càng sai khác nhau nhiều, trị số lớn nhất và trị số nhỏ nhất càng chênh lệch nhau nhiều.

• Trị tiêu chuẩn: là trị số của một đặc trưng cơ học, vật lý nào đó của lớp đất chung cho toàn bộ lớp đất. Trị tiêu chuẩn không thể lấy giá trị nhỏ nhất, hay lớn nhất, mà sẽ có trị số nằm trong khoảng giữa 2 trị số đó. Vì đây là chỉ số đại diện cho toàn bộ lớp đất nên trong các Tiêu chuẩn, chỉ dẫn kỹ thuật, tư vấn thiết kế lấy chỉ tiêu này làm chỉ tiêu tiêu chuẩn cho lớp đất đang xét.
• Trị tính toán: là trị số của một đặc trưng cơ lý nào đó của một lớp đất dùng trong các tính toán thiết kế kết cấu nền móng như một hằng số vật lý.

Kết quả thí nghiệm các mẫu đất lấy về phòng thí nghiệm hoặc kết quả thí nghiệm trên hiện trường với một số điểm cho ta các chỉ tiêu riêng, từ đó ta sẽ xác định các chỉ tiêu tiêu chuẩn và chỉ tiêu tính toán. Dùng phương pháp thống kê toán học để xử lý các chỉ tiêu riêng và rút ra các chỉ tiêu tiêu chuẩn, chỉ tiêu tính toán cho một lớp đất.

Tiêu chuẩn TCVN 9362:2012 "Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình" thay thế cho TCXD 45-78 quy định rõ trong điều 4.3: Trị tiêu chuẩn các đặc trưng cơ lý của đất cần xác định trên cơ sở những thí nghiệm trực tiếp làm tại hiện trường hoặc trong phòng thí nghiệm cho cả đất tự nhiên hay đất nhân tạo.

1. Trị tiêu chuẩn

Trị tiêu chuẩn của tất cả các đặc trưng cơ lý của đất (trừ lực dính đơn vị c và góc ma sát trong φ) là giá trị trung bình cộng của các kết quả thí nghiệm riêng rẽ (trị riêng). Trong bảng tổng hợp của các báo cáo khảo sát địa chất hiện nay thường ghi giá trị trung bình cộng này.

Trị tiêu chuẩn của lực dính đơn vị $c^{tc}$ và góc ma sát trong ${\varphi}^{tc}$ là các thông số tìm được bằng phương pháp bình phương bé nhất từ biểu đồ đường thẳng sức chống cắt của đất nền: $$\tau=p.tg{\varphi}+c$$

Trong đó:

$\tau$ là sức chống cắt của mẫu đất;

$p$ là áp lực pháp tuyến truyền lên mẫu đất.

Như vậy trị tiêu chuẩn $c^{tc}$ và ${tg\varphi}^{tc}$ được tính toán theo các công thức:

$$c^{tc}=\frac{1}{\varDelta}.\left(\sum_{i=1}^n{\tau_i}\sum_{i=1}^n{p_i^2} - \sum_{i=1}^n{p_i}\sum_{i=1}^n{\tau_i}.p_i\right)$$

$$tg{\varphi}^{tc}=\frac{1}{\varDelta}.\left(n.\sum_{i=1}^n{\tau_i}.p_i - \sum_{i=1}^n{\tau_i}\sum_{i=1}^n{p_i}\right)$$

$${\varDelta}=n.\sum_{i=1}^n{p_i^2} - {\left(\sum_{i=1}^n{p_i}\right)}^2$$

Trong đó n là số lần thí nghiệm của đại lượng $\tau$.

2. Trị tính toán

Việc tính toán thiết kế kết cấu nền móng phải thực hiện trên trị tính toán của các đặc trưng cơ lý của đất A trong mọi trường hợp, xác định theo: $$A=\frac{A^{tc}}{k_d}$$

với $A^{tc}$ là trị tiêu chuẩn của đặc trưng cơ lý đang xét, xác định như điều 1 ở trên

$k_d$ là hệ số an toàn về đất.

• Các chỉ tiêu cơ lý về khối lượng thể tích $\gamma$, về độ bền (lực dính đơn vị $c$, góc ma sát trong $\varphi$ của đất và cường độ giới hạn về nén một trục $R_n$ của đá cứng): xác định hệ số an toàn về đất $k_d$ theo quy định trong phụ lục A của TCVN 9362:2012.
• Các chỉ tiêu cơ lý khác lấy $k_d=1$, tức là trị tính toán lấy bằng trị tiêu chuẩn.

Theo điều A.2.3 của tiêu chuẩn, hệ số an toàn về đất $k_d$ khi xác định trị tính toán của lực dính đơn vị $c$, góc ma sát trong $\varphi$, khối lượng thể tích đất $\gamma$ và cường độ giới hạn về nén một trục của đá cứng $R_n$ được tính toán theo công thức:

$$k_d=\frac{1}{1\pm\rho}$$

trong đó $\rho$ là chỉ số xác định độ chính xác đánh giá trị trung bình các đặc trưng của đất, trong thiết kế xây dựng tính theo:

• Với c và tgφ: $\rho=t_{\alpha}.\nu$
• Với R_n và γ: $\rho=\frac{t_{\alpha}.\nu}{\sqrt{n}}$

$t_{\alpha}$ là hệ số lấy theo bảng A.1 của tiêu chuẩn tuỳ thuộc vào xác suất tin cậy đã cho $\alpha$ và số bậc tự do (n-1) khi xác định trị tính toán cho $R_n$ và γ, (n-2) khi xác định trị tính toán cho c và φ.

$\nu$ là hệ số biến đổi của đặc trưng cơ lý: $$\nu=\frac{\sigma}{A^{tc}}$$

$\sigma$ là sai số toàn phương trung bình của đặc trưng, tính toán như sau:

• Với c và tgφ:

$$\sigma_c=\sigma_{\tau}\sqrt{\frac{1}{\Delta}\sum_1^n{p_i^2}}$$

$$\sigma_{tg{\varphi}}=\sigma_{\tau}\sqrt{\frac{n}{\Delta}}$$

$$\sigma_{\tau}=\sqrt{\frac{1}{n-2}\sum_1^n{\left(p_i.tg{\varphi}^{tc}+c^{tc}-\tau_i\right)^2}}$$

• Với $R_n$ :

$$\sigma_{R_n}=\sqrt{\frac{1}{n-1}\sum_1^n{\left(R_n^{tc}-R_{ni}\right)^2}}$$

• Với γ:

$$\sigma_{\gamma}=\sqrt{\frac{1}{n-1}\sum_1^n{\left(\gamma^{tc}-\gamma_i\right)^2}}$$

Như vậy có thể thấy việc xác định các chỉ tiêu cơ lý cho thiết kế xây dựng, đưa vào trong tính toán nền móng, địa kỹ thuật, theo Tiêu chuẩn Việt Nam là tương đối phức tạp, cần khối lượng tính toán lớn. Không cho phép lấy giá trị trung bình đối với các chỉ tiêu quan trọng như $c, φ, γ, R_n$.

3. Số lượng thí nghiệm n

Số lượng thí nghiệm n để thiết lập trị tiêu chuẩn và trị tính toán các đặc trưng cơ lý của đất phụ thuộc vào mức độ đồng nhất của đất nền, độ chính xác yêu cầu của tính toán các đặc trưng và loại công trình.

Số lượng tối thiểu của 1 thí nghiệm chỉ tiêu nào đó đối với mỗi đơn nguyên địa chất công trình là 6. Khi tìm giá trị tính toán của c, φ cần phải xác định không nhỏ hơn 6 giá trị τ đối với mỗi trị số áp lực pháp tuyến p.

4. Đánh giá các chỉ tiêu

Các phần đã trình bày ở trên là cách xác định các giá trị tính toán của các thông số quan trọng như c, φ hoàn toàn từ kết quả thí nghiệm. Tuy nhiên từ các con số thu được, tư vấn thiết kế cần có sự xem xét hiệu chỉnh dựa trên sự nắm biết về ưu khuyết điểm của từng phương pháp thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý đó.

Với người thiết kế kết cấu nền móng, các chỉ tiêu về biến dạng của đất (module biến dạng E), các chỉ tiêu về cường độ của đất (c,φ) là những chỉ tiêu quan trọng hơn cả.  Bản chất vật lý của các chỉ tiêu c và φ rất phức tạp, đặc biệt đối với đất dính (đất sét), người ta xem c và φ là những thông số tính toán sức chống cắt của đất mà không thể gắn liền nó với một hình tượng vật lý đơn giản là hiện tượng ma sát, hiện tượng dính như tên gọi. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến c và φ và chưa có phương pháp thí nghiệm đơn giản chắc chắn cho phép xác định c và φ với tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến chúng.

Nhiệm vụ của người kỹ sư thiết kế nền móng thực tế là nhận định, đánh giá các số liệu kết quả thí nghiệm xác định c và φ mà đơn vị khảo sát địa chất cung cấp. Từ đó chọn lấy trị số c và φ hợp lý hơn, đáng tin cậy hơn để dùng cho việc tính toán thiết kế nền móng, cụ thể để tính ra trị số áp lực tính toán R của nền đất theo công thức của Tiêu chuẩn TCVN 9362:2012:

$$R=\frac{m_1m_2}{k_{tc}}\left(A.b.\gamma_{II}+B.h.\gamma'_{II}+D.c_{II}-\gamma_{II}.h_o\right)$$

Cần lưu ý rằng các số liệu c và φ từ báo cáo khảo sát địa chất hiện nay hầu hết được xác định từ thí nghiệm theo phương pháp cắt nhanh. Theo lý thuyết, đây là phương pháp cắt trong điều kiện nước hoàn toàn không thoát đi cả dưới ảnh hưởng của áp lực nén, cả dưới ảnh hưởng của lực cắt. Trên thực tế thí nghiệm, mặc dù đã lót ở mặt trên và dưới của mẫu đất bằng vải không thấm, nhưng mẫu đất vẫn không kín nước và nước vẫn thoát ra một phần. Tuỳ loại đất và thao tác của người thí nghiệm, trong thực tế khi cắt, đất đã được cố kết nhiều hay ít. Với đất không chứa nhiều hạt sét lắm thì tuy gọi là cắt nhanh (UU), nhưng thực tế đã lại gần sơ đồ cắt nhanh cố kết (CU).

Mặt khác trong thí nghiệm lực cắt tác dụng lên mẫu đất tăng trị số rất nhanh, sau một thời gian ngắn mẫu đất đã hoàn toàn bị cắt, không gần lắm với sự làm việc thực tế của đất trong nền dưới công trình vì tải trọng công trình tăng tương đối chậm. Thông thường phương pháp thí nghiệm cắt chậm phù hợp với điều kiện làm việc thực tế của đất nền hơn. Trừ những trường hợp đặc biệt ít gặp: nền đất không thoát nước được, tải trọng công trình tăng đột ngột thì sơ đồ thí nghiệm cắt nhanh mới có thể xem là thích hợp.

Điều đáng chú ý là trị số c và φ thu được từ thí nghiệm cắt nhanh và cắt chậm khác nhau đáng kể. Thí nghiệm cắt nhanh và nhất là cắt nhanh cố kết thường cho trị số c lớn hơn và φ nhỏ hơn so với cắt chậm. Có thể kiểm chứng thêm bằng cách so sánh trị số c và φ tính toán được từ kết quả thí nghiệm do đơn vị khảo sát địa chất lập với giá trị tiêu chuẩn của các loại đất khác nhau như trong bảng B.1 và B.2 của TCVN 9362:2012. Các giá trị trong bảng của tiêu chuẩn này bản chất được rút ra trên cơ sở số liệu thí nghiệm cắt chậm và thống kê lại dưới dạng tiêu chuẩn.

Như vậy nếu tư vấn thiết kế dùng các trị số c và φ theo đúng số liệu thí nghiệm mà đơn vị khảo sát địa chất công trình cung cấp để xác định áp lực tính toán R của đất nền thì thường thu được R lớn hơn (do trị số c có ảnh hưởng nhiều nhất đến giá trị của R). Vì vậy người thiết kế xây dựng phải điều chỉnh trị số c và φ: chọn trị số φ lớn hơn một chút và trị số c nhỏ hơn một chút so với kết quả thí nghiệm cắt nhanh. Những trị số tiêu chuẩn cho trong các bảng của TCVN là một căn cứ tốt để so sánh và hiệu chỉnh.

Những trình bày ở trên áp dụng cho đất thường, không kể đất bùn. Đất bùn cần có những nghiên cứu riêng.

5. Chỉ tiêu về biến dạng

Chỉ tiêu cơ lý về biến dạng (Module biến dạng E) là chỉ tiêu quan trọng nhất cho các bài toán thiết kế xây dựng nền móng (tính toán nền móng theo trạng thái giới hạn thứ hai: tính lún) và địa kỹ thuật khác (bài toán tường chắn đất, chuyển vị tường vây). Việc lựa chọn đúng giá trị module biến dạng E phản ánh đúng đắn sự làm việc của các lớp đất trong nền là điều kiện tiên quyết để tính toán, dự báo được chính xác giá trị biến dạng của nền (độ lún, chuyển vị hố đào..). Mặc dù lý thuyết cơ học đất đã phát triển mạnh, các phương pháp thí nghiệm đã tiến bộ rất nhiều, vấn đề xác định trị số module biến dạng E của đất một cách đơn giản, nhanh chóng và chính xác hiện nay vẫn đang là đề tài thường gây tranh cãi lớn giữa các đơn vị tư vấn thiết kế và tư vấn thẩm tra.

Thông thường hiện nay có 2 các xác định trị số module biến dạng của đất:

• Cách thứ nhất là dựa vào thí nghiệm nén trong phòng. Phòng thí nghiệm sử dụng thiết bị máy nén một trục, nén đất không nở hông.
• Cách thứ hai là tiến hành thí nghiệm nén đất ở hiện trường bằng cách gia tải lên một tấm nén cứng đặt trên mặt đất và theo dõi độ lún của tấm nén. Từ đó tính toán ra module biến dạng của đất.

So sánh giữa kết quả 2 loại thí nghiệm trên cùng nền đất thực nghiệm cho thấy bao giờ trị số module biến dạng xác định theo thí nghiệm nén ở hiện trường cũng lớn hơn trị số module biến dạng suy ra từ thí nghiệm nén trong phòng. Có rất nhiều nguyên nhân của sự chênh lệch này. Một số nguyên nhân chính là khi lấy mẫu đất ra khỏi lớp đất nó đã bị giảm tải hẳn và liên kết kết cấu của đất bị yếu đi, trong quá trình lấy mẫu, vận chuyển, bảo quản và cho đến khi thí nghiệm lấy đất vào dao đất bị nhiều tác động cơ học phá hoại, kết cấu của nó bị hư hỏng ít nhiều, đặc tính tăng tải và điều kiện thoát nước của 2 thí nghiệm là khác nhau... Người ta thừa nhận rằng trị số module biến dạng xác định theo thí nghiệm nén đất ở hiện trường là đáng tin cậy hơn vì nó gần với điều kiện làm việc thực tế của nền và công trình hơn. Ở Việt Nam đã có một số nghiên cứu so sánh giữa 2 thí nghiệm này bằng cách thống kê nhiều kết quả thí nghiệm xác định E theo 2 phương pháp, người ta rút ra với mỗi loại đất khác nhau, trị số 2 phương pháp chênh lệch nhau khoảng 2-3 lần. Như vậy muốn có trị số module biến dạng như thí nghiệm nén ở hiện trường, cần đem trị số module biến dạng theo kết quả thí nghiệm nén trong phòng nhân với hệ số điều chỉnh m nào đó (điều này không đúng với đất sét dẻo nhão và nhão).

Trong TCVN 9362:2012 cung cấp các trị số tiêu chuẩn của module biến dạng E của các loại đất khác nhau dưới dạng bảng B.3 (phụ lục B của tiêu chuẩn). Đây là kết quả thống kê từ nhiều thí nghiệm nén hiện trường đã tiến hành trong thực tế cho từng loại đất, tương tự như các giá trị tiêu chuẩn của c và φ.

Trong thực tế hiện nay người kỹ sư thiết kế chỉ có kết quả thí nghiệm nén trong phòng chứ rất hiếm có thí nghiệm nén hiện trường cho công trình dân dụng. Như vậy cần lấy giá trị module biến dạng E từ thí nghiệm trong phòng so sánh với những trị số E tiêu chuẩn nêu trong bảng B.3 của tiêu chuẩn (tra bảng theo các chỉ tiêu cơ lý hệ số rỗng $e$ và chỉ số sệt $I_s$ của lớp đất đang xét). Ta sẽ biết được những trị số E tính theo thí nghiệm nén trong phòng nhỏ hơn bao nhiêu lần. Sau đó sẽ quyết định chọn một hệ số điều chỉnh $m$ thích đáng để nhân vào trị số E theo thí nghiệm trong phòng để có trị số E tính toán đưa vào các bài toán thiết kế kết cấu.

Có thể dùng hệ số điều chỉnh: $$m=\frac{2,72}{e}$$ theo đề nghị của giáo sư Vũ Công Ngữ trong tài liệu "Thiết kế và tính toán móng nông" với điều kiện áp dụng là cho các lớp đất có độ sệt $I_s$ =0 - 1, hệ số rỗng e = 0,4 - 1.

Cũng như đối với các thông số cường độ (c và φ), những phán đoán hiệu chỉnh trên cho trị số E theo kết quả thí nghiệm trong phòng chủ yếu thích hợp cho các đất bình thường. Riêng đối với đất bùn, thường thấy kết quả trị số lún dự báo theo tính toán nhỏ hơn trị số lún thực tế, cần có nghiên cứu riêng mới có thể chọn lựa trị số E của chúng để phản ánh gần với sự làm việc thực tế trong đất nền.

6. Xác định chỉ tiêu cho đất loại cát

Đối với đất rời (đất loại cát), rất khó để lấy được mẫu nguyên dạng: giữ nguyên trạng thái về độ chặt như trong nền đất ở các chiều sâu khác nhau nên nếu có làm thí nghiệm trên các mẫu này thì kết quả để xác định các chỉ tiêu cơ lý cũng không chính xác do mẫu lấy lên đã bị xáo trộn nhiều. Do đó tư vấn thiết kế buộc phải dựa vào số liệu thí nghiệm hiện trường cho các lớp đất này.

Hiện nay phương pháp thí nghiệm hiện trường phổ biến được áp dụng là thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) do tính kinh tế về chi phí. Như vậy đây có thể nói là căn cứ duy nhất để xác định các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất rời, phải tìm các công thức liên hệ giữa các chỉ tiêu cơ lý cần đưa vào tính toán nền móng với chỉ số $N_{SPT}$.

Rất may là tiêu chuẩn Việt Nam là một căn cứ có tính pháp lý chặt chẽ (trừ khi chủ đầu tư dự án đồng ý áp dụng tiêu chuẩn nước ngoài cho thiết kế công trình) để người kỹ sư thiết kế có thể tự tin dùng chỉ số $N_{SPT}$ (ở Việt Nam thường dùng $N_{30}$) để suy ra các thông số đất nền. TCVN 9351:2012 thay thế cho TCXDVN 226:1999, cung cấp khá đầy đủ các công thức để xác định trong thiết kế xây dựng.

Hệ số rỗng e:

Bảng E.1 của TCVN 9351:2012 cho các giá trị cận trên và cận dưới của khoảng $N_{SPT}$ cho từng trạng thái đất cát: rời, chặt vừa, chặt, rất chặt.

Bảng 5 của TCVN 9362:2012 cho các giá trị cận trên và cận dưới của khoảng giá trị hệ số rỗng e cho từng trạng thái đất cát (chặt, chặt vừa, rời) của 3 loại đất cát (cát sỏi, cát mịn, cát bụi).

Từ đó, tư vấn thiết kế có thể rút ra tương quan của từng giá trị cận trên và cận dưới của các khoảng $N_{SPT}$ và e và làm công thức nội suy từ $N_{SPT}$ ra e một cách có thể chấp nhận được.

Khối lượng riêng của đất γ:

Dung trọng tự nhiên xác định theo công thức:

$$\gamma=\frac{\Delta\gamma_n(1+0,01W)}{1+e}$$

với độ ẩm của cát xác định theo công thức: $$W=\frac{G.e}{\Delta}.100\%$$

Với lớp đất cát nằm dưới mực nước ngầm, ở trạng thái no nước nên G=1.

$\Delta$ - tỷ trọng hạt, cho trong kết quả khảo sát địa chất

Một thông số hay dùng trong bài toán thiết kế kết cấu tường chắn, là dung trọng no nước xác định theo công thức:

$$\gamma_{sat}=\frac{\Delta+e}{1+e}\gamma_n$$

Dung trọng của nước lấy bằng $\gamma_n=10kN/m^3$

Góc ma sát trong φ:

$$\varphi=\sqrt{12N_{SPT}}+a$$

Có một vài giá trị của a theo đề nghị của Dunham, Osaki, Peck, Terzaghi theo hình E.2 của Tiêu chuẩn.

Cần tham khảo thêm bảng E.1 của tiêu chuẩn này và so sánh với các giá trị của bảng B.1 của TCVN 9362:2012 để cân nhắc lựa chọn giá trị tính toán thiết kế kết cấu.

Chú ý không được nhầm góc ma sát trong φ với góc nghỉ của cát (ở trạng thái khô và trạng thái ướt) cho trong báo cáo kết quả khảo sát địa chất.

Module biến dạng E:

Xác định theo điều E.1.2 của TCVN 9351:2012 như sau:

$$E=\frac{a+c\left(N_{SPT}+6\right)}{10} (MPa)$$

trong đó các hệ số a = 40 khi $N_{SPT}$≥ 15, a = 0 khi $N_{SPT}$<15, hệ số c lấy phụ thuộc vào các loại đất khác nhau như chỉ ra trong tiêu chuẩn.

Cần so sánh với các giá trị của bảng B.1 của TCVN 9362:2012 để cân nhắc lựa chọn giá trị tính toán.

Để phục vụ cho công tác thiết kế xây dựng, cần tự động hoá các công việc tính toán trên bằng máy tính. Chúng tôi có chia sẻ bảng tính dưới định dạng Excel tại đây.

Xem thêm Đặc trưng cơ lý đất nền cho Plaxis, Geo5

Tham khảo:

• TCVN 9362:2012: "Tiêu chuẩn Thiết kế nền nhà và công trình"
• TCVN 9351:2012: "Đất xây dựng - Phương pháp thí nghiệm hiện trường - thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT)"
• "Thiết kế và tính toán móng nông" - Gs. Vũ Công Ngữ - Trường đại học Xây dựng - 1998