Chương 5 — Thông số cường độ đất từ phân loại và thử nghiệm¶
Đây là chương "làm việc" của cuốn cẩm nang: nó chuyển kết quả thí nghiệm và mô tả đất thành thông số cường độ dùng được trong thiết kế — và cảnh báo về sai số của chính các hệ thức tương quan đó.
Hình. Hai họ hệ thức tương quan từ N₆₀: góc ma sát cho đất hạt rời và cường độ không thoát nước cho đất dính. Mỗi hệ thức là một dải, không phải một đường.
5.1 Sai số trong đo lường¶
Xu hướng của ngành là giảm thí nghiệm phòng để thay bằng hệ thức tương quan từ biên bản hố khoan, do áp lực thương mại giảm chi phí khảo sát. Cách này thường dẫn đến thiết kế thiên về an toàn nhưng đôi khi sai.
Bảng 5.1 — Các loại sai số.
| Loại sai số | Ghi chú |
|---|---|
| Biến thiên vốn có của đất | Đủ số lượng thí nghiệm có thể giảm sai số này |
| Sai số lấy mẫu | Chọn đúng kích thước/loại ống mẫu để kể đến cấu trúc đất và độ nhạy |
| Sai số đo | Không dùng trực tiếp mọi kết quả, kể cả từ phòng thí nghiệm được công nhận; cần đủ số thí nghiệm để lộ ra các giá trị "dị biệt"; hiểu giới hạn của phép thử; kiểm chứng bằng thí nghiệm đối chiếu |
| Biến thiên thống kê | Dùng kết quả với nhận thức rằng chúng biến thiên (Chương 10); chọn giá trị phù hợp với rủi ro và độ tin cậy của kết quả thử |
Cường độ sét thường chỉ bằng 50%–100% giá trị thu được từ mẫu 38 mm — mẫu lớn hơn nắm bắt được ảnh hưởng của cấu trúc đất.
5.2 Cường độ sét từ penetrometer cầm tay (PP)¶
Penetrometer cầm tay là thí nghiệm định lượng đơn giản nhất, thay cho việc phân loại cường độ bằng cảm giác tay. Xấp xỉ thường dùng là PP = 2 Cu (với Cu tính bằng kPa, Cu = qu/2).
Bảng 5.2 — Đánh giá cường độ từ giá trị PP (Look, 2004).
| Vật liệu | Cường độ kháng nén một trục qu |
|---|---|
| Nói chung | 0,8 × PP |
| Đất đắp | 1,15 × PP |
| Sét có khe nứt | 0,6 × PP |
Lưu ý khi dùng PP: không kể đến hiệu ứng tỷ lệ; không dùng trong sét lẫn sỏi hoặc vật liệu hạt rời; và tuyệt đối không dùng PP trên mẫu SPT — mẫu đã bị xáo trộn do đóng búa nên giá trị PP vô nghĩa.
5.3 Cường độ sét từ dữ liệu SPT¶
Xấp xỉ đầu tiên thường dùng là Cu = 5·N (kPa), nhưng hệ thức này biến thiên từ 2 đến 8. Không cần hiệu chỉnh tải phủ cho SPT trong sét. Độ nhạy của sét ảnh hưởng đến kết quả.
Bảng 5.3 — Cường độ sét từ dữ liệu SPT.
| Vật liệu | Mô tả | SPT – N (búa/300 mm) | Cường độ |
|---|---|---|---|
| Sét | Rất mềm | ≤ 2 | 0–12 kPa |
| Sét | Mềm | 2–5 | 12–25 kPa |
| Sét | Dẻo cứng | 5–10 | 25–50 kPa |
| Sét | Cứng | 10–20 | 50–100 kPa |
| Sét | Rất cứng | 20–40 | 100–200 kPa |
| Sét | Rắn | > 40 | > 200 kPa |
5.4 Cường độ cát sạch từ dữ liệu SPT¶
Bảng 5.4 — Cường độ từ SPT trên cát sạch cỡ trung (chỉ áp dụng cho cát sạch cỡ trung).
| Mô tả | Độ chặt tương đối Dr | N hiện trường (chưa hiệu chỉnh) | (N₁)₆₀ đã hiệu chỉnh | Góc ma sát φ |
|---|---|---|---|---|
| Rất rời | < 15% | N ≤ 4 | (N₁)₆₀ ≤ 3 | φ < 28° |
| Rời | 15–35% | N = 4–10 | (N₁)₆₀ = 3–8 | φ = 28–30° |
| Chặt vừa | 35–65% | N = 10–30 | (N₁)₆₀ = 8–25 | φ = 30–40° |
| Chặt | 65–85% | N = 30–50 | (N₁)₆₀ = 25–42 | φ = 40–45° |
| Rất chặt | > 85% | N > 50 | (N₁)₆₀ > 42 | φ = 45–50° |
| — | 100% | — | (N₁)₆₀ = 60 | φ = 50° |
Giảm φ đi 5° với cát lẫn sét; tăng φ thêm 5° với cát lẫn sỏi.
5.5 Cường độ cát mịn và cát thô từ dữ liệu SPT¶
Cát mịn có giá trị giảm, cát thô có giá trị tăng so với bảng trên. Bảng dưới dùng giá trị N đã hiệu chỉnh.
Bảng 5.5 — Cường độ từ N hiệu chỉnh trên cát sạch cỡ mịn và cỡ thô.
| Mô tả | Dr | Cát mịn (N₁)₆₀ | Cát trung (N₁)₆₀ | Cát thô (N₁)₆₀ | Cường độ |
|---|---|---|---|---|---|
| Rất rời | < 15% | ≤ 3 | ≤ 3 | ≤ 3 | φ < 28° |
| Rời | 15–35% | 3–7 | 3–8 | 3–8 | φ = 28–30° |
| Chặt vừa | 35–65% | 7–23 | 8–25 | 8–27 | φ = 30–40° |
| Chặt | 65–85% | 23–40 | 25–43 | 27–47 | φ = 40–45° |
5.6 Ảnh hưởng của tuổi (aging)¶
Bảng 5.6 — Ảnh hưởng của tuổi (Skempton, 1988).
| Mô tả | Tuổi (năm) | (N₁)₆₀/Dr² |
|---|---|---|
| Thí nghiệm phòng | 10⁻² | 35 |
| Đất đắp gần đây | 10 | 40 |
| Trầm tích tự nhiên | > 10² | 55 |
Hệ quả: một giá trị N hiệu chỉnh bằng 5 trong đất đắp ứng với cát chặt vừa, nhưng trong trầm tích tự nhiên cùng giá trị đó chỉ là cát rời.
5.7 Ảnh hưởng của độ góc cạnh và cấp phối đến cường độ¶
Hai yếu tố này ảnh hưởng đến góc ma sát gần bằng chính độ chặt đo bằng N.
Bảng 5.7 — Ảnh hưởng của độ góc cạnh và cấp phối (cát và sỏi silíc, BS 8002:1994).
| Mô tả hạt | Phân loại | Mức tăng góc |
|---|---|---|
| Góc cạnh | Tròn cạnh | A = 0 |
| Góc cạnh | Bán góc cạnh | A = 2 |
| Góc cạnh | Góc cạnh | A = 4 |
| Cấp phối | Đều (D60/D10 < 2) | B = 0 |
| Cấp phối | Vừa (2 ≤ D60/D10 ≤ 6) | B = 2 |
| Cấp phối | Cấp phối tốt (D60/D10 > 6) | B = 4 |
5.8 Góc trạng thái tới hạn trong cát¶
Góc trạng thái tới hạn φcrit = 30 + A + B — đây là góc ma sát thể tích không đổi. Độ chặt của đất cộng thêm một giá trị ma sát phụ, phụ thuộc mức biến dạng.
Bảng 5.8 — Góc trạng thái tới hạn.
| Phân bố hạt | φcrit = 30 + A + B | A = 0 (tròn cạnh) | A = 2 (bán góc) | A = 4 (góc cạnh) |
|---|---|---|---|---|
| Đều (D60/D10 < 2), B = 0 | 30 | 32 | 34 | |
| Vừa (2 ≤ D60/D10 ≤ 6), B = 2 | 32 | 34 | 36 | |
| Cấp phối tốt (D60/D10 > 6), B = 4 | 34 | 36 | 38 |
5.9 Góc đỉnh và góc trạng thái tới hạn trong cát¶
Với cát và sỏi silíc: φpeak = 30 + A + B + C, trong đó C là số hạng phụ thuộc độ chặt (C = 0 với rất rời; C = 2 với chặt vừa; C = 6 với chặt; C = 9 với rất chặt), theo tương quan trong BS 8002:1994.
5.10 Thông số cường độ từ dữ liệu DCP¶
DCP có năng lượng bằng khoảng ⅓ SPT, và hình dạng nón gây ít ma sát hơn ống phẩy. Quan hệ xấp xỉ: n ≈ (⅓)(N₁)₆₀.
Bảng 5.10 — Thông số đất và đá từ dữ liệu DCP.
| Vật liệu | Mô tả | DCP – n (búa/100 mm) | Cường độ |
|---|---|---|---|
| Sét | Rất mềm | 0–1 | Cu = 0–12 kPa |
| Sét | Mềm | 1–2 | Cu = 12–25 kPa |
| Sét | Dẻo cứng | 2–3 | Cu = 25–50 kPa |
| Sét | Cứng | 3–7 | Cu = 50–100 kPa |
| Sét | Rất cứng | 7–12 | Cu = 100–200 kPa |
| Sét | Rắn | > 12 | Cu > 200 kPa |
| Cát | Rất rời | 0–1 | φ < 30° |
| Cát | Rời | 1–3 | φ = 30–35° |
| Cát | Chặt vừa | 3–8 | φ = 35–40° |
| Cát | Chặt | 8–15 | φ = 40–45° |
| Cát | Rất chặt | > 15 | φ > 45° |
| Sỏi, cuội, tảng | — | > 10 | φ = 35° |
| Sỏi, cuội, tảng | — | > 20 | φ > 40° |
| Đá | — | > 10 | c′ = 25 kPa, φ > 30° |
| Đá | — | > 20 | c′ > 50 kPa, φ > 30° |
Lưu ý: 0,5–1,0 m trên cùng của hầu hết mặt cắt sét có thể cho giá trị DCP thấp hơn so với cường độ thực (do nứt co ngót); đất đắp mới cũng vậy.
5.11 Giá trị CBR từ dữ liệu DCP¶
DCP thường dùng để xác định CBR tại chỗ. Tương quan không mạnh khi ≥ 10 búa/100 mm (tức CBR > 20%).
Bảng 5.11 — Quan hệ DCP – CBR điển hình.
| Búa/100 mm | CBR tại chỗ (%) | mm/búa |
|---|---|---|
| < 1 | < 2 | > 100 mm |
| 1–2 | 2–4 | 100–50 mm |
| 2–3 | 4–6 | 50–30 mm |
| 3–5 | 6–10 | 30–20 mm |
| 5–7 | 10–15 | 20–15 mm |
| 7–10 | 15–25 | 15–10 mm |
| 10–15 | 25–35 | 10–7 mm |
| 15–20 | 35–50 | 7–5 mm |
| 20–25 | 50–60 | 5–4 mm |
| > 25 | > 60 | < 4 mm |
5.12 Phân loại đất từ thí nghiệm xuyên nón¶
CPT là công cụ lý tưởng để lập mặt cắt, phát hiện thấu kính và lớp mỏng.
Bảng 5.12 — Phân loại đất (theo Meigh, 1987 và Robertson và cs., 1986).
| Thông số | Giá trị | Đất không dính | Đất dính |
|---|---|---|---|
| Sức kháng nón đo qc | < 1,2 MPa | — | Cố kết thường đến nhẹ |
| Sức kháng nón đo qc | > 1,2 MPa | Cát | Cố kết trước |
| Tỷ số ma sát FR | < 1,5% | Không dính | — |
| Tỷ số ma sát FR | > 3,0% | — | Dính |
| Thông số áp lực lỗ rỗng Bq | 0,0–0,2 | Cát chặt (qT > 5 MPa) | Đất cứng (qT > 10 MPa) |
| Bq | 0,0–0,4 | Cát vừa/rời (2 < qT < 5 MPa) | Sét/bụi cứng (1 < qT < 2 MPa) |
| Bq | 0,2–0,8 | — | Sét dẻo cứng / bụi mịn (qT < 1 MPa) |
| Bq | 0,8–1,0 | — | Sét mềm (qT < 0,5 MPa) |
| Bq | > 0,8 | — | Sét rất mềm (qT < 0,2 MPa) |
5.13 Loại đất từ tỷ số ma sát¶
Bảng của mục này liên hệ tỷ số ma sát FR với loại đất và với số nhận dạng vật liệu Ic (Robertson), cho phép đọc loại đất trực tiếp từ biểu đồ CPT.
5.14 Thông số sét từ thí nghiệm xuyên nón¶
Bảng của mục này đưa cách suy Su, OCR, K₀ và mô đun từ qc và u trong sét.
5.15 Cường độ sét từ thí nghiệm xuyên nón¶
Tương quan điển hình: Cu ≈ (qc − σv)/Nk với Nk lấy khoảng 15–20 cho sét cố kết thường. Bảng của mục này đưa dải Nk theo loại sét.
5.16 Đánh giá đơn giản cường độ cát từ thí nghiệm xuyên nón¶
Bảng của mục này liên hệ qc với góc ma sát φ và độ chặt tương đối Dr cho cát sạch.
5.17 Loại đất từ thí nghiệm áp kế màng¶
Bảng của mục này dùng chỉ số vật liệu ID để phân loại đất theo DMT.
5.18 Áp lực đất ngang từ thí nghiệm áp kế màng¶
Từ KD suy ra hệ số áp lực đất ngang tại chỗ K₀ (xem Chương 19).
5.19 Cường độ cát từ thí nghiệm áp kế màng¶
Bảng của mục này liên hệ KD và ID với góc ma sát φ của cát.
5.20 Cường độ sét từ ứng suất phủ hữu hiệu¶
Tương quan giữa Cu/σ′v và chỉ số dẻo PI (SHANSEP và các biến thể), cho phép ước lượng Cu từ độ sâu và PI mà không cần thí nghiệm.
Ghi nhớ của chương¶
- Mọi hệ thức tương quan đều có sai số — dùng chúng để khoanh vùng một tham số, rồi kiểm chứng bằng thí nghiệm trước khi chốt thiết kế.
- Luôn hiệu chỉnh N về N₆₀ trước khi dùng Bảng 5.4, 5.5, 5.10.
- Cu = 5N chỉ là xấp xỉ đầu tiên (biến thiên 2–8); PP = 2Cu tương tự.
- Tuổi đất (mục 5.6) làm thay đổi cách diễn giải cùng một giá trị N.