The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018

MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ SỨC KHÁNG CẮT
H NG THOÁT NƯỚC CỦA ĐẤT YẾU KHU VỰC
HUYỆN U MINH, TỈNH CÀ MAU
ThS. Trần Thị Phƣơng Dung1, ThS. Nguyễn Viết Minh2
Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường,
236B Lê Văn Sỹ, Phường 1, quận Tân Bình, TP. HCM
1

Email:
2

Khoa Cầu đường, Trường Đại học Xây dựng, 55 Giải Phóng, Hai Bà Trưng, Hà Nội
Email:
TĨM TẮT

Bài báo đã nghiên cứu sức kháng cắt khơng thoát nước của 77 mẫu đất yếu khu vực huyện U
Minh, tỉnh Cà Mau. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra mơ hình dự báo sức chống cắt khơng thốt nước
của Skempton có giá trị lớn hơn nhiều so với thực tế. Nhóm tác giả cũng nghiên cứu và đề xuất các
mơ hình dự báo sức kháng cắt khơng thốt nước của đất yếu trong khu vực theo độ ẩm giới hạn
chảy (WL) và độ chặt ( c). Kết quả nghiên cứu cho thấy mối quan hệ giữa sức kháng cắt khơng
thốt nước theo các phương pháp thí nghiệm khác nhau và WL là cao ( r > 0,8). Bên cạnh đó, bài
báo cũng đề xuất mơ hình xác định sức kháng cắt khơng thốt nước theo phương pháp cắt cánh hiện
trường từ thí nghiệm nén ba trục sơ đồ UU và cắt phẳng với độ tin cậy cao (r > 0,8).
Từ khóa: sức kháng cắt khơng thốt nước, đất sét yếu, thí nghiệm cắt cánh hiện trường, thí
nghiệm cắt phẳng, thí nghiệm nén ba trục (UU).
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Các loại đất yếu có tuổi và nguồn gốc khác nhau được phân bố rộng rãi và thường nằm trên
mặt ở khu vực huyện U Minh, tỉnh Cà Mau. Công tác nghiên cứu địa chất cơng trình các loại đất
trên gặp nhiều khó khăn trong việc lấy mẫu nguyên trạng để nghiên cứu trong phòng.

Trong thực tế xây dựng, đặc biệt trong cơng tác tính tốn ổn định và cải tạo nền đất yếu, sức
chống cắt khơng thốt nước là một chỉ tiêu rất quan trọng. Nghiên cứu sức kháng cắt trong điều kiện
khơng thốt nước của đất yếu thường được tiến hành bằng các thí nghiệm khác nhau: thí nghiệm trong
phịng (thí nghiệm nén 3 trục theo các sơ đồ CU, UU; thí nghiệm nén một trục có nở hơng, thí nghiệm
cắt trực tiếp) và thí nghiệm ngồi trời (thí nghiệm cắt cánh, thí nghiệm xuyên tĩnh, xuyên động).
Ở Việt Nam, có một số cơng trình nghiên cứu về đặc tính địa chất cơng trình nói chung của đất
loại sét yếu phân bố ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long trong đó có khu vực tỉnh Cà Mau của các
tác giả Đỗ Minh Toàn, Nguyễn Thị Nụ, Nguyễn Viết Tình [4], [5]. Tuy nhiên, hiện nay chưa có tài
liệu nào nghiên cứu sâu về sức kháng cắt khơng thốt nước của đất yếu khu vực tỉnh Cà Mau.
Trên thế giới, nhiều tác giả đã nghiên cứu về sức chống cắt khơng thốt nước của đất yếu và
kiến nghị trong các bài viết của Bjerrum (1972), Azzouz (1983), Duncan (1989), Kulhawy và
Mayne (1990) và Morris Williams (1994) [8]. Tuy nhiên, các kết quả này chỉ khuyến cáo áp dụng
với các vùng đất mà các tác giả đã nghiên cứu.
Để phục vụ cho cơng tác xây dựng cơng trình ở khu vực huyện U Minh, tỉnh Cà Mau, việc
nghiên cứu sức kháng cắt khơng thốt nước của nền đất yếu tại đây là cần thiết.
490


Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 - SEMREGG 2018
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Theo R. Whitlow [7], điều kiện khơng thốt nước xảy ra khi mọi sự thốt nước đều bị ngăn
cản hoặc tốc độ tăng tải quá nhanh làm nước hầu như chưa kịp thốt ra. Vì nước lỗ rỗng khơng
thốt ra nên sự tăng nào đó của ứng suất tổng tạo nên sự tăng tương ứng của áp lực nước lỗ rỗng.
Sức kháng cắt được xác định trong điều kiện nước trong các lỗ rỗng của đất khơng được thốt ra gọi
là sức kháng cắt khơng thốt nước.
Trong trường hợp đất bão hịa hồn tồn, độ tăng áp lực nước lỗ rỗng sẽ bằng độ tăng ứng suất
tổng và vì thế khơng tạo ra sự tăng ứng suất hiệu quả. Trong thực tế, có nhiều phương pháp để xác
định sức kháng cắt khơng thốt nước, mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng phù hợp với
từng điều kiện làm việc của đất nền cũng như đặc điểm cơng trình và phương pháp thi cơng móng.
Tuy nhiên, xét trong điều kiện tự nhiên của đất nền, có thể xác định sức kháng cắt khơng thốt nước

của đất thơng qua các thí nghiệm sau:
2.1. Thí nghiệm cắt trực tiếp theo sơ đồ cắt nhanh không cố kết
Thí nghiệm cắt đất trực tiếp là thí nghiệm xác định sức chống trượt của nó bằng cách trượt một
phần mẫu đất theo một mặt phẳng định trước. Đối với đất loại sét bão hịa nước, khi thí nghiệm theo
sơ đồ cắt nhanh khơng cố kết thì nước trong mẫu đất khơng kịp thốt ra ngồi nên kết quả thu được
chính là sức kháng cắt khơng thốt nước. Mối quan hệ giữa τ và σ tuân theo hàm số sau:
τ = (σ - u)tgυ + c

(1)

Trong đó: τ là sức kháng cắt, σ là ứng suất tổng, u là áp lực nước lỗ rỗng, υ là góc ma sát trong
và c là lực dính.
2.2. Thí nghiệm nén ba trục khơng cố kết, kh ng thoát nƣớc (UU)
Nguyên tắc phương pháp này là xác định sức kháng cắt khơng thốt nước của mẫu đất dính khi
mẫu chịu tác động áp lực hông không đổi, đồng thời chịu tác động của tải trọng dọc trục, không cho
phép thay đổi tổng độ ẩm của mẫu. Thí nghiệm được dùng để xác định độ bền khơng thốt nước Cu
và chỉ thích hợp cho đất sét yếu bão hịa, khi υ = 0.
, KN/m²

u

/2

1

0

3

3


1

1

, KN/m²

1
1

Hình 1. Sơ đồ thí nghiệm ba trục khơng cố kết khơng thốt nước [3].
2.3. Thí nghiệm nén một trục nở hơng
Thí nghiệm nén nở hơng là một trong các phương pháp đơn giản và là một trường hợp đặc biệt
của thí nghiệm nén ba trục (σ2 = σ3 = 0) để xác định sức kháng cắt của đất.
Đối với đất yếu, mặt trượt tạo với phương nằm ngang một góc
Cu = =

gh

2

.

= 45o

u

=

= 0, ta có:

(2)

491


The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018

=0

c

Vịng trịn Mohr
US
gh

3=0

n

Hình 2. Vịng trịn Mohr trong thí nghiệm nén đơn trục đối với đất yếu [7].
2.4. Phƣơng pháp thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng
Đất bị cắt trong thời gian khá nhanh, nước khơng kịp thốt ra ngồi nên thí nghiệm được xem
như là theo sơ đồ cắt nhanh khơng thốt nước. Ta tính được ứng suất tiếp τ, từ đó có sức kháng cắt
khơng thốt nước Su (tức Cu) của đất yếu, do υu = 0.
Sức kháng cắt của đất được xác định như sau:

M max
1, 75d

2


d
h
3

,

kG/cm2

(3)

Trong đó: Mmax là mơmen xoắn cực đại, kG.cm,
d, h lần lượt là chiều rộng và chiều cao của cánh cắt, cm.
3. TỔNG HỢP VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU ĐẤT YẾU TẠI KHU VỰC HUYỆN U MINH,
TỈNH CÀ MAU
Khu vực xây dựng Nhà máy Điện đạm Cà Mau tại huyện U Minh, tỉnh Cà Mau đất yếu
amQ22-3 phân bố trên diện rộng, chiều sâu phân bố từ 3,4-18,0 m, bề dày thay đổi trung bình từ
12,8-14,2 m.
Các kết quả phân tích thành phần hạt và các chỉ tiêu cơ lý của 77 mẫu đất trong phạm vi khu
vực nghiên cứu [1] cho thấy chủ yếu thuộc loại sét trạng thái dẻo chảy, đơi chỗ có gặp bùn sét.
Thành phần hạt và chỉ tiêu vật lý của lớp đất sét yếu được trình bày trong Bảng 1 và 2.
Bảng 1. Thành phần hạt của đất loại sét amQ22-3.
Chiều sâu (m)
1,0-3,2
3,0-4,0
4,5-7,0
7,5-10,2
10,5-11,2
12,0-14,0
Trung bình


492

Số lượng
mẫu thí
nghiệm
4
4
9
9
5
9

0,425-0,075
mm

2,3
2,0
3,0
2,4

Thành phần hạt, %
0,075-0,005
0,005-0,002
mm
mm
36,5
17,2
43,7
14,7

52,4
12,5
52,7
12,3
51,9
13,5
60,2
11,2
49,6
13,6

< 0,002
mm
46,2
41,4
32,8
33,8
31,6
28,8
35,8


Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 - SEMREGG 2018
Bảng 2. Các chỉ tiêu vật lý của đất sét dẻo chảy amQ22-3 khu vực nghiên cứu.

Chiều sâu
(m)

Số
lượng

mẫu thí
nghiệm

Độ
ẩm tự
nhiên
W%

1,0-3,2
3,0-4,0
4,5-7,0
7,5-10,2
10,5-11,2
12,0-14,2
Trung bình

15
10
11
15
11
15

62,99
72,18
58,25
64,81
59,01
55,65
62,15


Khối
lượng
thể
tích tự
nhiên
γ
g/cm3
1,59
1,53
1,63
1,59
1,62
1,68
1,61

Khối
lượng
thể
tích
khơ
γc
g/cm3
0,98
0,90
1,02
0,97
1,02
1,07
0,99


Độ bão
hịa

G%
97,06
95,75
96,22
96,10
97,02
97,32
96,58

Độ lỗ
rỗng
n
%
63,14
66,75
61,28
63,59
61,81
59,93
62,75

Hệ số
rỗng

E
1,748

2,024
1,609
1,788
1,631
1,537
1,72

Giới
hạn
chảy

Giới
hạn
dẻo

WL
%
70,93
70,35
64,35
63,17
59,86
59,61
64,71

Wd
%
30,65
25,83
30,35

29,69
29,48
30,50
29,42

Chỉ
số
dẻo

Độ
sệt

IP

Is

40,16
44,53
34,00
33,48
30,38
29,11
35,28

0,86
1,05
0,86
1,05
0,99
0,86

0,94

Trong khu vực nghiên cứu, sức kháng cắt của đất được xác định theo các phương pháp và sơ
đồ khác nhau bao gồm: thí nghiệm cắt phẳng, nén ba trục sơ đồ UU, nén ba trục sơ đồ CU và thí
nghiệm cắt cánh hiện trường.
Với các thí nghiệm cắt cánh hiện trường, nén ba trục UU, kết quả nhận được các giá trị lúc đất
không thốt nước (Cu) và chính là sức kháng cắt khơng thoát nước. Trong cắt phẳng, sức kháng cắt
sẽ được đặc trưng bằng hai đại lượng Cu và υu. Để so sánh, trong thí nghiệm cắt phẳng các tác giả
tính tổng giá trị Su, Su = σptgυ + C. Ở đây σp lấy bằng áp lực địa tầng theo độ sâu. Các số liệu thí
nghiệm được trình bày ở Bảng 3.
Bảng 3. Kết quả xác định sức kháng cắt của đất.

Chiều sâu (m)

1,0-3,2
3,0-4,0
4,5-7,0
7,5-10,2
10,5-11,2
12,0-14,2
Trung bình

Số lượng
mẫu thí
nghiệm
5
6
12
18
6

18

Thí nghiệm
cắt cánh

Thí nghiệm nén ba
trục sơ đồ UU

Su
(kG/cm2)

Cuu
(kG/cm2)

0,17

Thí nghiệm cắt phẳng
υ

Su

(độ)

C
(kG/cm2)

(kG/cm2)

0,10


11o6‟

0,18

0,23

0,13

o

11 9‟

0,17

0,28

0,16

o

11 00‟

0,14

0,32

0,15

o


10 20'

0,15

0,39

0,16

o

11 10‟

0,15

0,41

0,25

0,20

o

10 51‟

0,14

0,48

0,22


0,15

11º06‟

0,16

0,35

0,20
0,24
0,23
0,24

4. KIỂM NGHIỆM SỨC CHỐNG CẮT KHƠNG THỐT NƢỚC THEO MỘT SỐ MƠ
HÌNH PHỔ BIẾN
Trên thế giới, đã có nhiều tác giả nghiên cứu về cường độ chống cắt không thốt nước của đất
yếu. Trong phạm vi bài báo, nhóm tác giả chỉ xem xét các mối quan hệ giữa cường độ kháng cắt
khơng thốt nước với một số chỉ tiêu vật lý bằng phương pháp hồi quy. Trong số đó, mơ hình được
Skempton [9] đề xuất được sử dụng khá phổ biến:
493


The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018
Su/σv‟ = 0,11 + 0,0037.Ip

(4)

Kết quả kiểm nghiệm cho thấy mối quan hệ giữa Su/σv‟, với Ip theo các phương pháp thí
nghiệm khác nhau là chặt (r = 0,85-0,88) với độ lệch chuẩn thấp. Tuy nhiên, kết quả sức kháng cắt
khơng thốt nước từ các thí nghiệm thực tế thấp hơn nhiều so với dự báo theo mơ hình của

Skempton (sai số trung bình giảm từ 57 % đến 81 %).
Bảng 4. Kiểm nghiệm kết quả theo mơ hình Skempton.
STT

Các phương pháp

Độ lệch
chuẩn

Hệ số xác
định, R2

Hệ số tương
quan, r

Sai số với
Skempton

1

Cắt cánh hiện trường

4%

0,74

0,86

71 %


2

Nén 3 trục sơ đồ UU

2,3 %

0,73

0,85

81 %

3

Thí nghiệm cắt phẳng

10 %

0,77

0,88

57 %

Hình 3. Mối quan hệ giữa Su/ v‟ với Ip theo mơ hình của Skempton.
5. XÂY DỰNG PHƢƠNG TRÌNH DỰ BÁO SỨC KHÁNG CẮT KHƠNG THỐT NƢỚC
5.1. Cơ sở thiết lập mối tƣơng quan
Các kết quả để xây dựng mối tương quan là các kết quả nghiên cứu 77 mẫu đất yếu và 77 điểm
thí nghiệm cắt cánh hiện trường tại cơng trình Nhà máy Điện đạm Cà Mau. Nhóm tác giả đã tập
hợp, phân tích và tổng hợp kết quả thí nghiệm các mẫu đất trên và đưa ra bảng chỉ tiêu vật lý trung

bình (Bảng 2) và sức kháng cắt khơng thốt nước trung bình của đất bằng thí nghiệm cắt cánh hiện
trường (Su), thí nghiệm nén ba trục UU (Cuu) và thí nghiệm cắt phẳng (Bảng 3) theo các nhóm độ
sâu khác nhau.
Để thiết lập sự tương quan, nhóm tác giả sử dụng các cơng thức về xác suất thống kê xác định
hệ số tương quan mẫu và phương trình hồi quy tuyến tính. Để đánh giá mức độ phụ thuộc tương
quan, nhóm tác giả dùng hệ số tương quan, r. Theo Kalomenski, sự phụ thuộc tương quan là rất yếu
khi r < 0,5; sự phụ thuộc tương quan là yếu khi r = 0,5-0,7; sự phụ thuộc tương quan là chặt khi
r = 0,7-0,9 và khi r > 0,9 thì sự phụ thuộc tương quan là rất chặt.
494


Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 - SEMREGG 2018
5.2 Xây dựng phƣơng tr nh ự báo với một số chỉ tiêu vật lý khác
5.2.1. Mối quan hệ giữa sức chống cắt kh ng thoát nước và giới hạn chảy (WL)

(a)

(b)

(c)

Hình 4. Quan hệ tương quan giữa sức kháng cắt với giới hạn chảy của đất, (a) thí nghiệm cắt cánh,
(b) thí nghiệm nén ba trục UU, (c) thí nghiệm cắt phẳng.
5.2.2. Mối quan hệ tương quan giữa Su và γc

(a)

(b)

(c)


Hình 5. Mối tương quan giữa độ chặt và sức kháng cắt khơng thốt nước của đất, (a) thí
nghiệm cắt cánh, (b) thí nghiệm nén ba trục UU, (c) thí nghiệm cắt phẳng.

495


The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018
5.3. Xây dựng mối tƣơng quan giữa sức kháng cắt kh ng thoát nƣớc theo các phƣơng pháp
khác nhau
Từ số liệu ở bảng 3, xác định được mối tương quan giữa Su và Cuu (Hình 5) và giữa Su qua thí
nghiệm cắt cánh và thí nghiệm cắt phẳng (Hình 6).

Hình 6. Mối quan hệ tương quan giữa sức
kháng cắt khơng thốt nước bằng thí nghiệm
cắt cánh hiện trường và nén ba trục UU.

Hình 7. Mối quan hệ tương quan giữa sức
kháng cắt khơng thốt nước bằng thí
nghiệm cắt cánh hiện trường và thí nghiệm
cắt phẳng.

Từ các kết quả thu được, tác giả đề xuất các hàm dự báo mối quan hệ giữa sức kháng cắt
khơng thốt nước với một số chỉ tiêu vật lý và mối quan hệ giữa sức kháng cắt khơng thốt nước
được xác định theo các phương pháp khác nhau theo Bảng 5.
Bảng 5. Đề xuất hàm dự báo sức kháng cắt khơng thốt nước của đất sét yếu khu vực
huyện U Minh, tỉnh Cà Mau trên cơ sở phân tích hồi quy 77 mẫu thí nghiệm.

496


STT

Các chỉ tiêu
liên quan

Phương trình dự báo

Hệ số
tương quan, r

Đánh giá

1

Su, WL

Su = -0,006WL + 0,59

-0,92

Rất chặt

2

Cuu, WL

Cuu = -0,006WL + 0,536

-0,88


Chặt

3

Su(QDS), WL

Su(QDS) = -0,0175WL + 1,485

-0,94

Rất chặt

4

Su,

c

Su = 0,304 c - 0,08

0,65

Yếu

5

Cuu,

c


Cuu = 0,368 c - 0,215

0,72

Chặt

6

Su(QDS),

Su(QDS) = 0,928 c - 0,569

0,66

Yếu

7

Su, Cuu

Su = 1,025Cuu - 0,077

0,94

Rất chặt

8

Su, Su(QDS)


Su = 2,623 Su(QDS) - 0,23

0,87

Chặt

c


Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 - SEMREGG 2018
6. KẾT LUẬN
Qua kết quả nghiên cứu về sức kháng cắt khơng thốt nước của lớp đất yếu tại huyện U Minh,
tỉnh Cà Mau, có thể rút ra một số kết luận như sau:
Đất yếu trong khu vực nghiên cứu chủ yếu là sét dẻo chảy, ít gặp hơn có sét trạng thái chảy.
Chúng thường phân bố ngay trên bề mặt với bề dày thay đổi từ 12,8 m đến 14,2 m.
Mơ hình dự báo của Skempton dự báo kết quả lớn hơn khá nhiều so với kết quả thí nghiệm của
đất sét yếu trong phạm vi nghiên cứu.
Sức kháng cắt khơng thốt nước phụ thuộc vào giới hạn chảy và độ chặt của đất. Khi WL
giảm, Su thu được từ ba thí nghiệm đều có xu hướng tăng và giữa chúng có mối liên hệ tương quan
chặt đến rất chặt (r = (-0,88)-(-0,94)). Trong khi đó Su cũng có xu hướng tăng khi độ chặt tăng. Tuy
nhiên, mối quan hệ này ở mức độ yếu đến chặt ((r = 0,65-0,72).
Kết quả sức kháng cắt khơng thốt nước xác định bằng phương pháp thí nghiệm hiện trường
có mối quan hệ chặt đến rất chặt với các kết quả xác định theo phương pháp thí nghiệm nén ba trục
theo sơ đồ UU và cắt phẳng trực tiếp (r = 0,87-0,94). Do đó, có thể xác định sức kháng cắt khơng
thốt nước tại hiện trường (Su) từ kết quả thí nghiệm nén 3 trục theo sơ đồ UU hoặc thí nghiệm cắt
phẳng (QDS) theo các phương trình sau:
Su = 1,025Cuu - 0,077

(5)


Su = 2,623 Su(QDS) - 0,23

(6)

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Phân viện Khoa học công nghệ Xây dựng Miền Nam, Công ty Cổ phần Kỹ thuật Nền móng và
Cơng trình ngầm FECON - “Báo cáo khảo sát địa chất cơng trình, Nhà máy Điện đạm
Cà Mau”.
2. Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam, TCVN 8868 - 2011.
3. Nguyễn Ngọc Bích, Lê Thị Thanh Bình, Vũ Đình Phụng - “Đất xây dựng địa chất cơng trình và
kỹ thuật cải tạo đất trong xây dựng”, 2005, Nhà xuất bản Xây dựng.
4. Đỗ Minh Toàn - Giáo trình “Đất đá xây dựng”, 2006, “Thí nghiệm đất xây dựng”, 2007.
5. Đỗ Minh Toàn, Nguyễn Thị Nụ - Đề tài nghiên cứu khoa học “Nghiên cứu đặc tính địa chất
cơng trình của đất loại sét yếu thuộc trầm tích Holocen trung - thượng phân bố ở đồng bằng sơng
Cửu Long phục vụ xây dựng đường”.
6. Đồn Thế Tường, Lê Thuận Đăng - “Thí nghiệm đất và nền móng cơng trình”, 2002. Nhà xuất
bản Giao thơng vận tải.
7. R. Withlow - “Cơ học đất” tập I, 1999, Nhà xuất bản Giáo dục.
8. Adrian F. Richards - “Vane Shear Strength testing in soils”.
9. Skemton A. W. - “Proceedings of the institution of Civil Engineers”, Vol. 7, 1957.

497


The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018
SOME RESEARCH RESULTS ON UNDRAINED SHEAR STRENGTH OF SOFT SOIL IN
U MINH DISTRICT, CA MAU PROVINCE
Tran Thi Phuong Dung1, Nguyen Viet Minh2
1


2

Ho Chi Minh city University of Natural Resource and Environment,
236B Le Van Sy, Ward 1, Tan Binh district, Ho Chi Minh city

National University of Civil Engineering, 55 Giai Phong, Hai Ba Trung district, Ha Noi
Email:

ABSTRACT
This paper investigated the undrained shear strength of 77 soil samples in U Minh district, Ca
Mau province. The results show that Skempton's predictive shear strength model is far more
valuable than it really is. The authors also investigated and proposed models for predicting the
inelastic resistance of soft soil in the area in terms of liquyd limit (WL) and dry density ( c). The
results show that the relationship between undrained shear strength with various experimental
methods and WL is high ( r > 0.8). In addition, the paper proposes a model for determining the
undrained shear strength by field vane shear test method from UU triaxial compression test and
direct shear strength with high reliability (r > 0.8).
Key words: Undrained shear strength, soft soil, field vane shear test, direct shear strength,
triaxial compression test (UU).

498