Lời nói đầu tcvn 9153: 2012 được chuyển đổi từ 20 tcn 74-87

CÔNG TRÌNH THỦY LỢI - PHƯƠNG PHÁP CHỈNH LÝ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM MẪU ĐẤT

Tiêu chuẩn này đưa ra phương pháp chỉnh lý thống kê các đặc trưng vật lý và cơ học của mẫu đất trong khảo sát địa chất công trình nhằm tính các giá trị tiêu chuẩn và giá trị tính toán cần thiết để thiết kế và thi công các công trình thủy lợi (bao gồm cả thủy điện).

Đơn vị địa chất công trình cơ bản mà tại đó tiến hành chỉnh lý thống kê các chỉ tiêu đặc trưng địa chất công trình.

Một đơn nguyên địa chất công trình (hay còn được gọi là lớp, đới đất đá) là một thể tích đất đồng nhất có cùng loại tên gọi và thỏa mãn một trong những điều kiện sau:

- Các đặc trưng của đất trong phạm vi một đơn nguyên biến thiên không có tính quy luật;

- Nếu các đặc trưng của đất biến thiên có quy luật thì quy luật này có thể bỏ qua khi thỏa mãn điều kiện ghi trong 4.2.1.6, được đặc trưng bởi các giá trị tiêu chuẩn và giá trị tính toán của các chỉ tiêu tính chất của đất không đổi.

VÍ DỤ: Lớp đất sét, lớp đất cát, đới đất sườn tàn tích, đới đá phong hóa mãnh liệt v.v… là một đơn nguyên địa chất công trình.

Giá trị trung bình cộng của các kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu đặc trưng cho tính chất của đất (trừ lực dính đơn vị và góc ma sát trong) trong phạm vi một đơn nguyên địa chất công trình.

Giá trị tiêu chuẩn của lực dính đơn vị và góc ma sát trong là các thông số của quan hệ tuyến tính giữa sức chống cắt và áp lực pháp tuyến theo phương pháp bình quân nhỏ nhất.

2.3 Giá trị tính toán

Giá trị đặc trưng cho tính chất của đất trong phạm vi một đơn nguyên địa chất công trình, được xác lập từ các kết quả thí nghiệm với một xác suất tin cậy cho trước, dùng để tính toán thiết kế xây dựng công trình, bằng giá trị tiêu chuẩn chia cho hệ số an toàn về đất quy định tại điều 4.2.2.1.3.

Những chỉ tiêu tính chất của đất được biểu thị bởi một giá trị của chỉ tiêu đó, ví dụ: Khối lượng thể tích, độ ẩm, mudun biến dạng v.v…

Chỉ tiêu tính chất của đất được biểu thị đồng thời hai giá trị, ví dụ: sức chống cắt của đất được biểu thị bởi góc ma sát trong và lực dính đơn vị, sức kháng xuyên được biểu thị bởi sức kháng mũi xuyên và ma sát thành đơn vị.

Chỉnh lý kết quả thí nghiệm mẫu đất tiến hành theo hai bước:

- Phân chia các đơn nguyên địa chất công trình

- Xác định các giá trị tiêu chuẩn và giá trị tính toán các đặc trưng của đất (chỉ tiêu đơn và chỉ tiêu kép).

Phân tích các chỉ tiêu tính chất của đất trong mỗi đơn nguyên địa chất công trình đã sơ bộ phận chia, xác định những giá trị quá khác biệt, loại bỏ chúng nếu là do thí nghiệm sai hoặc khoanh vùng chúng nếu thuộc một đơn nguyên địa chất công trình khác.

CHÚ THÍCH:

1) Đối với công trình dẫn nước dài, công trình đầu mối có các hạng mục nằm cách xa nhau được thể hiện kết quả khảo sát bằng các mặt cắt địa chất công trình khác nhau, nếu xét thấy có cùng loại, cùng nguồn gốc, thành phần và trạng thái thỏa mãn định nghĩa nêu tại 2.1 thì có thể đưa vào thành một đơn nguyên địa chất công trình, cùng một ký hiệu.

2) Đối với các bãi vật liệu xây dựng thiên nhiên nằm cách xa nhau, cho dù đất có các đặc điểm nêu trong 4.2.1.2 thì cũng phải xếp thành những đơn nguyên địa chất công trình riêng biệt.

4.1.2 Để phân chia chính xác ranh giới các đơn nguyên địa chất công trình, cần tiến hành đánh giá quy luật biến đổi không gian các chỉ tiêu tính chất của đất trong phạm vi đơn nguyên địa chất công trình đã sơ bộ phân chia xem chúng có biến đổi ngẫu nhiên hay có quy luật theo một hướng nào đó (thường là theo độ sâu).

Tùy thuộc vào số lượng mẫu của đơn nguyên địa chất công trình mà có thể thực hiện theo các cách sau:

- Đưa kết quả thí nghiệm trực tiếp lên mặt cắt địa chất công trình nếu số lượng mẫu ít hơn 10;

- Vẽ biểu đồ điểm (hay biểu đồ phân tán) của các chỉ tiêu theo độ sâu nếu số lượng mẫu từ 10 đến 30;

- Vẽ biểu đồ mật độ phân phối nếu số lượng mẫu nhiều hơn 30.

+ Biểu đồ điểm (biểu đồ phân tán) có trục tung biểu thị độ sâu lấy mẫu, trục hoành biểu thị giá trị của chỉ tiêu thí nghiệm. Biểu đồ mẫu được thể hiện trong Phụ lục B.

+ Biểu đồ mật độ phân phối biểu diễn quan hệ giữa hàm (x) theo x. Hàm (x) gọi là hàm mật độ phân phối xác suất của đại lượng ngẫu nhiên x, được xác định theo công thức:

(x_i) = (1)

trong đó, k_i = , gọi là tần suất xuất hiện của một giá trị chỉ tiêu thí nghiệm, n_i là tần số xuất hiện của giá trị đó; n là tổng số thí nghiệm trong đơn nguyên địa chất công trình đang xét.

Biểu đồ mẫu mật độ phân phối được thể hiện trong Phụ lục C.

+ Đối với đất hòn lớn vẽ biểu đồ thành phần hạt, độ ẩm chung và độ ẩm vật chất lấp nhét. Đối với cát thì vẽ biểu đồ thành phần hạt, hệ số rỗng; nếu là cát bụi thì vẽ thêm biểu đồ của chỉ tiêu độ ẩm. Đối với đất dính thì vẽ biểu đồ của các chỉ tiêu chỉ số dẻo, độ sệt và hệ số rỗng.

+ Đối với các công trình có diện phân bố rộng hoặc kéo dài (kênh mương, đường hầm, các bãi vật liệu rộng…) ngoài việc lập biểu đồ điểm, biểu đồ mật độ phân phối theo độ sâu để phân chia lớp theo độ sâu, phải lập biểu đồ điểm, biểu đồ mật độ phân phối theo tuyến công trình hoặc theo hướng dự đoán có sự biến đổi thành phần và tính chất của đất để kiểm tra tính đồng nhất theo không gian, phân chia tiếp đơn nguyên địa chất công trình để đảm bảo tính đồng nhất.

Có thể chấp nhận là một đơn nguyên địa chất công trình khi các phần lớn mỏng hoặc thấu kính đất khác nhau có chiều dày nhỏ hơn 20 cm nằm xem kẹp nhau. Các phân lớp và thấu kính cấu tạo bởi cát rời, đất loại sét có độ sệt lớn hơn 0,75 và bùn, đất than bùn, than bùn phải được coi là những đơn nguyên địa chất công trình riêng biệt, không phụ thuộc vào chiều dày của chúng.

V < V_gh (2)

Trong đó, V là hệ số biến thiên của chỉ tiêu thí nghiệm, được xác định theo công thức:

V = (3)

Trong đó, S là độ lệch bình phương trung bình của chỉ tiêu, xác định theo công thức:

S = (4)

X_tc là giá trị tiêu chuẩn của chỉ tiêu, xác định theo công thức:

X_tc = = (5)

trong đó

là giá trị trung bình cộng của chỉ tiêu;

X₁ là giá trị thí nghiệm riêng biệt;

n là số lần thí nghiệm.

Hệ số biến thiên giới hạn (hay cho phép) V_gh bằng 0,15 đối với các chỉ tiêu vật lý (hệ số rỗng, độ ẩm…) và bằng 0,30 đối với các chỉ tiêu cơ học (modun biến dạng, sức chống cắt ứng với cùng một trị số áp lực pháp tuyến…)

- Sự thay đổi rõ rệt các chỉ tiêu của đất;

- Độ sâu mực nước ngầm;

- Sự có mặt của các khu đất có tính lún ướt, trương nở, nhiễm muối, nhiễm mặn, chứa hữu cơ, có độ sệt khác nhau và đất lẫn nhiều sỏi, cuội, dăm v.v…

- Các đới có mức độ phong hóa khác nhau.

4.1.6 Đối với hai đơn nguyên địa chất công trình kề nhau, có nguồn gốc đất đá khác nhau, không cùng tên gọi, có thể kiểm tra khả năng hợp nhất thành một đơn nguyên địa chất công trình hay cần thiết phải phân chia tiếp đơn nguyên chất địa chất công trình theo chỉ dẫn dưới đây:

- Kiểm tra sự cần thiết phải phân chia tiếp đơn nguyên địa chất công trình bằng tiêu chuẩn t theo công thức:

trong đó

S₁ và S₂ là độ lệch bình phương trung bình tương ứng;

n₁ và n₂ là số lần thí nghiệm xác định các chỉ tiêu trong đơn nguyên địa chất công trình mới phân chia.

Điều kiện phải phân chia tiếp đơn nguyên địa chất công trình nếu t  t_; giá trị t_ lấy theo Bảng 1 với độ tin cậy hai phía  = 0,95 và số bậc tự do K = n₁ + n₂ - 2.

- Kiểm tra khả năng hợp nhất hai đơn nguyên địa chất công trình thành một đơn nguyên địa chất công trình bằng tiêu chuẩn F và t theo công thức (6) và (7):

F = (7)

Trong đó, tử số là giá trị lớn nhất trong S₁ và S₂.

Điều kiện hợp nhất hai đơn nguyên địa chất công trình nếu F < F_ và t < t_

Giá trị F_ lấy theo bảng 2 với độ tin cậy hai phía  = 0,95 và số bậc tự do K₁ = n₁ -1 và K₂ = n₂ -1.

Giá trị t_ lấy theo bảng 1 với độ tin cậy hai phía  = 0,95 và số bậc tự do K = n₁ + n₂ - 2.

4.1.7 Để sử dụng hiệu quả kết quả thí nghiệm mẫu đất trong tính toán lún, ổn định trượt, ổn định thấm…, tùy đặc điểm công trình mà phải phân chia các đơn nguyên địa chất công trình như sau:

- Đối với đập: đất dọc nền đập nên chia thành 3 đơn nguyên địa chất công trình ở lòng sông và hai vai đập.

- Đối với cống lấy nước: nên chia ra 3 đơn nguyên địa chất công trình ở cửa lấy nước, nền tháp cống và nền sau cống.

- Đối với tuyến áp lực và nhà máy thủy điện nên chia ra 3 đơn nguyên địa chất công trình ở cửa lấy nước, nền nhà máy và phần tuyến còn lại;

- Đối với tràn nên phân ra 3 đơn nguyên địa chất công trình ở nền ngưỡng tràn, nền đoạn tuyến tràn và sân tiêu năng;

- Đối với các công trình dẫn nước dài như kênh mương và các hạng mục có chiều dài lớn, thì phải căn cứ vào đặc điểm điều kiện địa chất công trình để phân chia thành các đoạn mà khả năng người thiết kế sẽ phân chia sơ đồ để tính toán (lún, ổn định trượt, ổn định thấm).

- Giá trị tiêu chuẩn X_tc và giá trị tính toán X_tt của các chỉ tiêu đơn của đơn nguyên địa chất công trình được tính khi các chỉ tiêu này không đổi, tuân theo các nội dung quy định ở dưới trong điều này. Đối với đơn nguyên địa chất công trình mà các chỉ tiêu tính chất của đất biến đổi có quy luật theo hướng (thường theo độ sâu), các giá trị tiêu chuẩn và giá trị tính toán của chúng được tính theo Phụ lục D.

Trước khi tính giá trị X_tc và X_tt cần kiểm tra thống kê để loại trừ sai số thô có thể có của tập kết quả thí nghiệm mẫu theo 4.2.1.1 loại trừ các giá trị quá lớn hoặc quá bé X_i nếu thỏa mãn điều kiện

> S (8)

trong đó

 là tiêu chuẩn thống kê, lấy theo Bảng 3, phụ thuộc vào số thí nghiệm n;

S là độ lệch bình phương trung bình của chỉ tiêu, xác định theo công thức (4).

Nếu có giá trị nào đó bị loại trừ thì phải tính lại giá trị cho các giá trị còn lại theo công thức (5) và tính lại S theo công thức (4).

- Giá trị tiêu chuẩn của tất cả các chỉ tiêu đơn (chỉ tiêu vật lý như độ ẩm, khối lượng thể tích, chỉ số dẻo, độ sệt v.v… và các chỉ tiêu cơ học như modun tổng biến dạng, cường độ kháng nén v.v…) lấy bằng giá trị trung bình cộng sau khi đã loại trừ sai số thô theo 4.2.2.1.1 và được tính theo công thức (5).

CHÚ THÍCH: Đối với các chỉ tiêu vật lý gián tiếp (hệ số rỗng, chỉ số dẻo…) và modun tổng biến dạng thì giá trị tiêu chuẩn của chúng được xác định từ giá trị tiêu chuẩn của chỉ tiêu thí nghiệm mà tính giá trị tiêu chuẩn của chỉ tiêu gián tiếp theo công thức cơ học đất.

- Giá trị tính toán X_tt­ của đất được tính theo công thức

X_tt = (9)

trong đó, K_đ là hệ số an toàn về đất, được tính theo công thức:

K_đ = (10)

trong đó, _ là chỉ số độ chính xác, được tính theo công thức:

_ = (11)

Dấu "+" hay "-" đặt trước giá trị _ được lấy sao cho đảm bảo giá trị hệ số an toàn cho nền công trình.

t_ là trị số lấy theo bảng 1, phụ thuộc vào độ tin cậy một phía cho trước  và số bậc tự do K = n - 1.

V là hệ số biến thiên của chỉ tiêu thí nghiệm, được tính theo công thức (3).

- Nếu trong phạm vi đơn nguyên địa chất công trình có số lượng mẫu ít hơn 6 thì giá trị tính toán các chỉ tiêu của chúng được tính toán theo phương pháp trung bình cực tiểu và trung bình cực đại.

Việc chọn tính theo công thức (12) hay (13) là tùy thuộc vào chỉ tiêu làm tăng độ an toàn cho công trình.

- Khi tính chất của đất thay đổi có quy luật theo hướng (ví dụ theo độ sâu) giá trị tiêu chuẩn X_tc(h) và giá trị tính toán X_tt(h) của nó có thể được tính trong phạm vi giới hạn của lớp đất theo Phụ lục D. Trong trường hợp đó cần phải thay giá trị X_tc bằng X_tc(h) khi xác định các giá trị loại trừ X_i trong công thức (8), còn S tính theo công thức (D.2) của Phụ lục D.

4.2.2 Tính giá trị tiêu chuẩn và giá trị tính toán các chỉ tiêu kép (góc ma sát trong và lực dính đơn vị)

- Giá trị tiêu chuẩn và giá trị tính toán của góc ma sát trong () và lực dính đơn vị (c) theo thí nghiệm cắt phẳng được tính toán bằng cách chỉnh lý thống kê tất cả các cặp giá trị thí nghiệm _i và _i như là một tổ hợp thống nhất. Khi đó yêu cầu tính chỉ tiêu tính toán của tg và C có tính đến khoảng cho trước ứng suất pháp _max, _min thì xử lý theo quy định ở dưới

CHÚ THÍCH: Số các cặp giá trị _i và _i phải không ít hơn 6.

- Giá trị tiêu chuẩn của góc ma sát trong và lực dính đơn vị xác định bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất từ quan hệ tuyến tính giữa sức chống cắt  và áp lực nén ứng suất pháp , được tính theo công thức:

trong đó

Đại lượng C_tc cũng có thể xác định theo công thức

Nếu khi tính theo công thức (17) nhận được giá trị C_tc < 0 thì lấy C_tc = 0

Còn tg_tc tính theo công thức:

tg_tc = (18)

trong đó

n là số lần xác định trị số 

Khi các giá trị của ứng suất pháp ₁, ₂…, _n có giá trị  như nhau (=_i+1 - _i =1,2,3…k) khi có cùng giá trị  cho mỗi cặp áp lực _i thì các thông số tg và C nên tính theo công thức đơn giản sau đây:

Khi K = 3 thì tg = (19)

Khi K = 4 thì tg = (20)

Khi K = 5 thì tg = (21)

Khi K = 6 thì tg = (22)

Với n bất kỳ có C = (23)

Phải kiểm tra tập hợp thống kê để loại trừ sai số thô trong các giá trị _i. Loại trừ giá trị _i sai lệch so với quan hệ tiêu chuẩn _tc= C_{tc +} tg_tc khi thỏa mãn điều kiện theo công thức (8). Khi đó trong công thức (8) phải thay giá trị kiểm tra X_i bằng _I và giá trị bằng tương ứng và S thay bằng S_ từ công thức (26).

S_z = (26)

Nếu giá trị _i nào đó bị loại trừ thì cần phải tính lại các giá trị tg_tc, C_tc và S từ các giá trị còn lại.

- Tính độ lệch bình phương trung bình S_tg, S_c theo công thức

S_tg = S_ (27)

trong đó:

Chú thích: Nếu lấy C_tc=0 và tg_tc tính theo công thức (18), trong công thức (26) phải thay (n-2) bằng (n-1).

- Tính chỉ số độ chính xác  của tg và C theo công thức

_ = t_.V (29)

trong đó, t_ và V theo chỉ dẫn trong công thức (11)

Khi tính lấy xác suất tin cậy một phía  = 0,95

CHÚ THÍCH: Khi xác định các giá trị tính toán của C và tg, trị số n là tổng số lần xác định và K = n - 2; Khi xác định các giá trị tính toán của các chỉ tiêu khác thì K = n - 1.

Hệ số biến thiên V của tg và C theo công thức (3), hệ số an toàn về đất theo công thức (10).

- Sau khi có đầy đủ các giá trị trên, tính các giá trị tính toán của tg và C theo công thức (9).

Cho phép lấy giá trị tính toán của modun biến dạng bằng giá trị tiêu chuẩn.

- Xác suất tin cậy  của các giá trị tính toán đặc trưng của đất được chọn theo nhóm trạng thái giới hạn (tính nền theo sức chịu tải hay biến dạng) ứng với tiêu chuẩn thiết kế nền các công trình khác nhau. Khi đó, xác suất tin cậy là xác suất mà giá trị thực tế của đặc trưng không vượt ra ngoài giới hạn dưới (hoặc trên) của khoảng tin cậy một phía.

+ Khi tính nền theo sức chịu tải (trạng thái giới hạn 1):  = 0,95;

+ Khi tính nền theo biến dạng (trạng thái giới hạn 2):  = 0,85

Xác suất tin cậy để tính cầu và cống:

+ Khi tính nền theo sức chịu tải (trạng thái giới hạn 1):  = 0,98;

+ Khi tính nền theo biến dạng (trạng thái giới hạn 2):  = 0,90

- Ví dụ chỉnh lý kết quả thí nghiệm mẫu đất để tính toán giá trị tiêu chuẩn và giá trị tính toán của sức kháng cắt (, C) được trình bày trong Phụ lục F.

- Phương pháp tính các giá trị tính toán tg và C có tính đến khoảng cho trước của ứng suất pháp _max, _min thực hiện khi tiêu chuẩn thiết kế quy định khoảng ứng suất pháp _max, _min. Khi không có quy định này, phương pháp chỉnh lý cũng có thể áp dụng, lấy _max và _min bằng ứng suất pháp lớn nhất và nhỏ nhất khi thí nghiệm cắt.

+ Giá trị tiêu chuẩn sức chống cắt của đất được tính theo công thức (30) và giá trị bán khoảng có cùng độ tin cậy _ và ^"_ được tính theo công thức (31) và giá trị áp lực pháp tuyến =_min và =_max;

_tc = C_tc + tg_tc (30)

_' = (31)

trong đó

_i là giá trị áp lực pháp tuyến thí nghiệm:

Thống số , có tính đến khoảng giá trị (_min, _max) xác định theo công thức:

trong đó:

+ Tính giá trị tính toán sức chống cắt của đất ' và " theo công thức (35) với áp lực pháp tuyến  = _min và  = _max, hệ số an toàn K_đtg và K_đc đối với tg  và C theo công thức (36).

 = _tc - _ (35)

K_đtg = K_{đc =} (36)

Nếu < thì công thức (36) được thay bằng công thức (37)

Giá trị tính toán tg và C tính theo công thức (9)

- Giá trị tiêu chuẩn và giá trị tính toán của góc ma sát trong () và lực dính kết (c) theo kết quả thí nghiệm nén 3 trục được quy định theo Phụ lục E.