ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG THIẾT BỊ DILATOMETER (DMT) ĐỂ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐÁT NỀN

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển công nghệ trong lĩnh vực địa chất công trình (ĐCCT), một số công nghệ và thiết bị hiện đại đã được du nhập vào nước ta để phục vụ công tác khảo sát và thiết kế xây dựng của các dự án đầu tư nước ngoài như: các thiết bị thí nghiệm trong phòng được tự động hóa và tin học hóa; các thiết bị ngoài trời như xuyên tiêu chuẩn (SPT), xuyên tĩnh (CPT) và xuyên tĩnh đo áp lực nước lỗ rỗng (CPTU); thiết bị cắt cánh (VST); thiết bị nén ngang trong hố khoan (Pressuremetr- PMT). Gần đây, một số đơn vị đã nhập thiết bị nén ngang bằng tấm nén phẳng (Dilatometer -DMT). Tuy nhiên, việc ứng dụng thiết bị này vẫn còn  là mới mẻ trong công tác khảo sát cũng như thiết kế xây dựng ở nước ta. Việc làm sáng tỏ bản chất thí nghiệm và khả năng xác định các thông số địa kỹ thuật của đất nền của thiết bị DMT nhằm mở rộng khả năng ứng dụng của thiết bị này trong khảo sát ĐCCT cũng như thiết kế xây dựng các loại công trình khác nhau, nhất là đối với các công trình xây dựng trên nền đất yếu.

Thí nghiệm DMT là thí nghiệm nén ngang bằng tấm nén phẳng, được thực hiện bằng cách ấn một mũi xuyên hình lưỡi mai xuống độ sâu thí nghiệm. Mặt bên của lưỡi mai có màng thép tiêu chuẩn. Màng thép được kết hợp với hệ thống khí nén – điện truyền áp suất qua cáp điện – khí. Đầu kia của cáp được gắn với bộ điều khiển. Khí Nitơ dùng để tạo áp lực ép màng thép vào đất. Tại mỗi vị trí đo, dùng áp lực khí nén đẩy màng thép về phía đất và đo áp lực của đất lên màng tại các thời điểm chuyển vị là 0mm; 1,1mm và 0mm. Kết quả thí nghiệm cho phép xác định nhiều thông số của đất nền.

Hình 1 minh hoạ thành phần cơ bản của thiết bị DMT: (1) Mũi xuyên phẳng trên đó có gắn màng thép; (2) Mũi xuyên được nối với cần để đưa mũi xuyên vào đất. (3) Dây cáp khí –điện dẫn khí nén  và điện từ hộp điều khiển vào mũi xuyên phía trong màng thép; (4) Đồng hồ đo trên  hộp điều khiển; (5) Dây cáp dẫn khí nén từ bình khí đến hộp điều khiển; (6) Bình khí nén, (7) Độ giãn nở của màng.

            

Hình 1: Sơ đồ thí nghiệm DMT

• Trình tự thí nghiệm
  –  Xác định ∆A và ∆B:  ∆A và ∆B là áp lực khí cần có để vượt qua độ cứng của màng thép. ∆A và ∆B sau đó được dùng để hiệu chỉnh số đọc A, B. ∆A là áp lực khí nén ở bên ngoài tác dụng vào màng thép (đặt trong không khí) làm xẹp nó về vị trí A (áp suất khí nén âm – hút vào). ∆B là áp lực khí nén ở bên trong tác dụng vào màng (đặt trong không khí) đẩy tâm màng thép ra vị trí B, cách 1,1 mm so với vị trí A (áp suất khí nén dương – đẩy ra).Trình tự thí nghiệm  

– Xác định số đọc A: là số đọc khi màng thép bị đẩy ra 0,05mm và không còn tiếp xúc với đĩa cảm ứng (tiếng bíp ngừng kêu).

– Xác định số đọc B: là số đọc khi màng thép tiếp tục bị đẩy ra 1,1 mm (ngay khi có tiếng bíp kêu lại).

– Để đọc số đọc C: xả khí từ vị trí số đọc B, không xả hết khí ngay mà đóng van xả nhanh lúc áp suất vẫn còn một chút, mở van xả chậm. Tiếng bíp sẽ ngừng kêu. Sau 45-50 giây, màng thép sẽ tiếp xúc với đĩa cảm ứng, tiếng bíp kêu lại, ta đọc số đọc C.

• Xác định các giá trị áp lực chuẩn hóa của thí nghiệm:

P0= 1,05(A – ZM + ∆A) – 0,05(B -ZM + ∆B)	(1)
P1 = B – ZM – ∆B	(2)
P2 = C – ZM + ∆A	(3)

Trong đó:

– Áp suất Z_M: là độ lệch số đọc trên đồng hồ đo áp suất lệch khỏi vị trí gốc “0” khi tấm nén được để trong điều kiện khí quyển. Nếu trước khi thí nghiệm mà chỉnh kim về 0 lúc áp lực khí là 0 thì  Z_M = 0.

– Áp suất đất P₀: là áp suất tác dụng lên mặt tấm nén, khi mặt tấm nén ngang bằng với mặt mũi xuyên lưỡi mai (độ giãn nở bằng 0).

– Áp suất đất P₁: là áp suất tác dụng lên mặt tấm nén để tâm tấm nén giãn ra 1,10 mm.

– Áp suất đất P₂: là áp suất tác dụng lên tấm nén khi xả áp lực khí từ vị trí B về vị trí A.

Các giá trị áp lực chuẩn hoá sẽ được dùng để tính toán các chỉ số DMT như sau:

– Chỉ số vật liệu hay còn gọi là chỉ số đất (I_D):               (4)

Có thể sử dụng I_D để phân loại đất như sau: sét I_D < 0,6; bụi 0,6 < I_D< 1,8; cát I_D >1,8

– Chỉ số ứng suất theo phương ngang (K_D):                   (5)

– Mô đun nén ngang (E_DMT):                              E_D = 34,7(P₁-P₀)                                     (6)

 

Hệ số áp lực nước lỗ rỗng:                                                      (7)

Trong đó:

P₀ là áp lực cần thiết thực tế để đẩy màng thép về vị trí 0;

P₁ là áp lực cần thiết thực tế để đẩy màng thép giãn nở 1,1 mm;

U₀ là áp lực nước lỗ rỗng ban đầu (bằng áp lực thuỷ tĩnh);

là ứng suất thẳng đứng có hiệu của đất.

·         Thí nghiệm tiêu tán xác định hệ số cố kết theo phương ngang (C_h)

Đối với đất dính có tính thấm kém, quá trình đưa mũi xuyên phẳng xuống sẽ tạo ra áp lực nước lỗ rỗng. Sử dụng DMT, có thể tiến hành thí nghiệm tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng để xác định hệ số cố kết theo phương ngang (C_h), là thông số rất quan trọng trong thiết kế xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm.

Các gía trị chỉ tiêu xác định trực tiếp từ kết quả thí nghiệm DMT không sử dụng trực tiếp để tính toán thiết kế công trình được, mà phải thông qua các công thức liên quan để tính toán các thông số đặc trưng của đất như: mô đun biến dạng, sức kháng cắt không thoát nước, hệ số áp lực ngang, hệ số quá cố kết (OCR), hệ số cố kết theo phương ngang (C_h)…

 

·         Xác định sức kháng cắt (S_u) của đất sét theo kết quả DMT   

• Theo Marchetti (1980): S_u= 0,22.’_v.(0,5K_D)^1,25

Trong đó :

S_u: là sức kháng cắt không thoát nước của đất;

’_v: là ứng suất thẳng đứng có hiệu của đất;

K_D: là chỉ số ứng suất theo phương ngang của đất.

• Theo Kamei và nnk (1995) : S_u = 0,35.’_v.(0,47K_D)^1,14
• Theo Iwasaki và nnk (1994) : S_u = 0,E_D

•  Xác định môđun biến dạng của đất

Kết quả thí nghiệm DMT cho phép ta xác định được môđun nén ngang E_D. Đây chính là môđun biến dạng theo phương ngang của đất. Từ giá trị E_D  ta có thể sử dụng để tính toán chuyển vị ngang của nền móng. Ngoài ra, còn có thể tính toán chuyển đổi từ E_D sang M_DMT phục vụ cho việc tính toán biến dạng lún theo phương đứng của nền móng:

M_DMT =  R_M.E_D                                                            (11)

Trong đó:

E_D là môđun nén ngang DMT;

M_DMT là môđun biến dạng theo phương đứng, không nở hông; R_M là hệ số hiệu chỉnh, phụ thuộc vào I_D và K_D như sau:

– Khi I_D ≤ 0,6 lấy       R_M = 0,14 + 2,36.log(K_D)

– Khi I_D ≥ 3                 lấy       R_M = 0,5 + 2.log(K_D)

– Khi 0,6 < I_D < 3        lấy       R_M = R_M,0 + (2,5-R_M,0).log(K_D),

(với R_M,0 = 0,14 + 0,15.(I_D – 0,6))

– Khi K_D >10   lấy       R_M= 0,32+2,18logK_D

– Khi R_M <0,85            lấy       R_M = 0,85

 

• Xác định hệ số quá cố kết (OCR) của đất

Theo Marchetti (1980):    OCR = 0,34(K_D)^1,56              

Trong đó y là hệ số biến đổi từ 1,35 đến 1,67.

• Xác định hệ số áp lực đất tĩnh (K₀) 

Theo Marchetti (1980) đối với đất sét không bị xi măng hoá:

Theo Lacasse và Lunne (1989), khi K_D <4 thì có thể sử dụng công thức:

Trong đó: m là hệ số liên quan đến tính dẻo của đất và dao động từ 0,44 đến 0,64.      m = 0,44 với sét có tính dẻo cao; m = 0,64 với sét có tính dẻo thấp.

Một số bình luận:

1. DMT là phương pháp thí nghiệm xác định được hầu hết các đặc trưng biến dạng, độ bền cũng như nhiều thông số của đất nền khác như S_u, M_D, OCR, K_o, C_h … và được sử dụng trong thiết kế nền móng, xử lý nền đất yếu cũng như tính toán ổn định của vách hố móng sâu… Do điều kiện làm việc của mũi xuyên khi thí nghiệm ít làm ảnh hưởng đến tính nguyên dạng của đất, nên thí nghiệm có độ chính xác
2. Dựa vào các chỉ số I_D’ U_D và các giá trị chỉ tiêu khác được xác định theo chiều sâu với khoảng cách 20 cm/điểm, có thể sử dụng kết quả thí nghiệm DMT để phân chia địa tầng tương tự như đối với các phương pháp xuyên để nâng cao độ tin cậy của tài liệu khảo sát.
3. Trong các công thức tính sức kháng cắt không thoát nước (S_u) và mô đun biến dạng M_D thì công thức do Marchetti đề xuất cho kết quả phù hợp với kết quả thí nghiệm trong phòng và ngoài trời khác như nén 3 trục theo sơ đồ UU, CU, thí nghiệm cắt cánh VST, xuyên tĩnh CPTU và thích hợp hơn khi xác định các hệ số quá cố kết (OCR) cũng như hệ số áp lực đất tĩnh (K₀).

L.T.T