Nghiên cứu hóa lỏng cát nền đê Hữu Hồng, đoạn km73+500 - km74+100, chịu tải trọng chu kỳ, không thoát nước

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 9 
NGHI N C U H ỎNG CÁT NỀN Đ H U H NG 
ĐO N K – K CH U T I TR NG CHU K 
KHÔNG THOÁT NƯỚC 
NGUYỄN HỒNG NAM*, NG THỊ NGỌC V N** 
Study on liquefaction of right red river dyke sand, K73+500 – K74+100 
subjected to undrained cyclic loading 
Abstract: Study on earthquake liquefaction of sand specimens which had 
been sampled from layer 3a of the boreholes in the foundation of the right 
Red river dyke segment K73+500-K74+100 was implemented. A series of 
sand cylindrical specimens with diameter of 50mm, height of 100mm were 
subjected to sinusidal wave loading with the frequency of 0.1Hz, under 
constant confining stress of 100 kPa and void ratio with controlled stress 
ratios between 0.1 and 0.3. The test results revealed that it can be 
determined exactly the liquefaction characteristics of Red river sand such 
as the vartion of excess porewater pressure, axial strain and cyclic stress 
ratio with the number of loading cycles causing the specmien liquefied. 
The test results would be useful for liquefaction prediction for Red river 
sand subjected to earthquake loading. 
Keywords: eathquake, liquefaction, sand, river dyke, cyclic loading.. 
I. ĐẶT VẤN ĐỀ * 
Hóa lỏng do động đất có thể gây ra những 
hậu quả nghiêm trọng đối với công trình, gây 
sụt lún mặt đất, lún nền công trình, làm mất 
khả năng chịu tải của nền, gây phá hủy 
nghiêm trọng công trình. Nhiều sự cố đê sông 
do hóa lỏng nền đƣợc quan sát trong hầu hết 
các trận động đất lớn tại Nhật Bản (Adalier và 
Sharp, 2004). 
Hà Nội nằm trong vùng đứt gãy sông Hồng- 
sông Chảy, nơi đã xảy ra các trận động đất 
mạnh 5,1-5,5 độ Richter. Chu kỳ lặp lại động 
* Trường Đại học Thủy lợi, 
 175 Tây Sơn, Đ ng Đa, Hà Nội, 
 Điện thoại liên hệ: 0904359460 
 Email: hongnam@wru.vn; 
** Trường Đại học Thủy lợi, 
 175 Tây Sơn, Đ ng Đa, Hà Nội, 
 Điện thoại liên hệ: 0989051551 
 Email: vanntn@tlu.edu.vn; 
đất mạnh 5,4 độ Richter ở Hà Nội là 1.100 năm 
và trận động đất mạnh cuối cùng xảy ra cách 
đây đã hơn 700 năm (1285). Hiện Hà Nội đang 
trong thời kỳ yên tĩnh nhƣng trong tƣơng lai 
hoạt động động đất có thể tăng lên và động đất 
mạnh có thể xảy ra. Ngoài ra, Hà Nội còn phải 
chịu tác động của động đất mạnh xảy ra ở 
những vùng đứt gãy lân cận nhƣ đứt gãy sông 
Lô, Đông Triều, Sơn La (Nguyễn Đình Xuyên, 
2004). Hà Nội hiện có 20 tuyến đê chính với 
tổng chiều dài 469,913 km, trong đó: tuyến đê 
hữu Hồng đoạn qua thành phố Hà Nội dài tổng 
cộng 128,6km là đê cấp đặc biệt, bảo vệ cho 
trên 160.000ha diện tích lƣu vực của thủ đô Hà 
Nội. Tuyến đê hữu Hồng có nhiệm vụ cực kỳ 
quan trọng là phòng chống lụt bão, đảm bảo an 
toàn tuyệt đối cho thủ đô Hà Nội. Tuy nhiên 
trong thân, nền đê tiềm ẩn nhiều ẩn họa khó 
lƣờng nhất là những đoạn đê đắp trực tiếp trên 
nền đất yếu, đất cát phân bố nông, bão hòa nƣớc 
dễ xảy ra khả năng hóa lỏng khi chịu tác động 
 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 10 
của động đất mạnh. Hóa lỏng do động đất chƣa 
đƣợc xem xét khi thiết kế các công trình đê đập 
vật liệu địa phƣơng tại Việt Nam. 
Để đánh giá định lƣợng khả năng kích hoạt 
hóa lỏng, bƣớc quan trọng đầu tiên cần cho 
hầu hết các dự án chính là liên quan đến khả 
năng hóa lỏng do động đất. Có hai xu hƣớng 
tổng hợp cho việc này (Seed et al., 2003): (1) 
sử dụng thí nghiệm trong phòng trên các mẫu 
―nguyên dạng‖ và (2) sử dụng các quan hệ 
kinh nghiệm dựa trên tƣơng quan ứng xử quan 
sát hiện trƣờng với các thí nghiệm hiện 
trƣờng. Nhiều thí nghiệm trong phòng đã đƣợc 
thực hiện trong những điều kiện khác nhau 
cho thấy biến dạng nền lớn thƣờng xuất hiện 
sau hóa lỏng đất cát. Việc sử dụng các thí 
nghiệm hiện trƣờng là xu hƣớng phổ biến 
trong thực tiễn kỹ thuật do tính đơn giản, 
thuận tiện trong việc ƣớc tính sức kháng hóa 
lỏng tại thực địa. Mặt khác, việc sử dụng thí 
nghiệm trong phòng là phức tạp bởi những 
khó khăn liên quan đến sự xáo trộn mẫu khi 
lấy mẫu và cố kết lại nhƣng có nhiều mặt tích 
cực (Seed et al., 2003). 
Nghiên cứu khả năng hóa lỏng của cát nền đê 
Hữu Hồng đƣợc thực hiện đối với đoạn đê Hữu 
Hồng từ K73+500 đến K74+100 thuộc địa phận 
quận Hoàng Mai, Thành phố Hà Nội. Một loạt 
các thí nghiệm trong phòng trên máy ba trục 
động đƣợc tiến hành đối với đất cát đƣợc lấy 
mẫu từ các hố khoan tại thực địa. 
II. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 
2.1 Thiết bị thí nghiệm 
Nghiên cứu hóa lỏng của đất cát nền đê hữu 
sông Hồng đƣợc thực hiện tại phòng thí nghiệm 
địa kỹ thuật động đất, Trƣờng Đại học Thủy lợi. 
Hệ thống thiết bị thí nghiệm 3 trục động, model 
DTC – 367D do hãng Seiken, Nhật Bản (Hình 
1) chế tạo bao gồm: Máy nén khí tạo áp lực 
buồng và áp lực ngƣợc lên tới 1000 kPa; máy 
hút chân không tạo áp suất lớn nhất -95kPa; 
thiết bị gia tải động cho các tần số tải từ 0.001 
đến 1Hz. Tất cả các đầu đo lực và chuyển vị 
đƣợc kết nối với một máy vi tính thông qua các 
giao diện cảm biến Kyowa PCD-300B-F. Biến 
dạng dọc trục đƣợc đo bằng một cảm biến 
không tiếp xúc có độ chính xác bằng 0.1mm lắp 
bên trong buồng 3 trục và 1 cảm biến LVDT có 
độ chính xác bằng 0,05 mm lắp bên ngoài 
buồng 3 trục. Sự thay đổi thể tích của mẫu đƣợc 
đo bằng đầu đo thể tích tự động có dung tích 
25ml. Đầu đo tải trọng buồng tải trọng có công 
suất 2kN đƣợc lắp trực tiếp trên nắp mẫu, phía 
trong buồng 3 trục, nhằm giảm thiểu lực ma sát 
giữa piston và ống trục. 
Hình 1 Hệ th ng thiết bị thí nghiệm 3 trục 
động, DTC 367-D 
2.2. Vật liệu thí nghiệm n 
 n ệm 
Vật liệu thí nghiệm là loại cát nền đê, lớp 
3a đƣợc lấy mẫu tại hố khoan HK3 tại độ 
sâu từ 6,8 đến 7,05m, trong phạm vi 
K73+500-K74+100 đê hữu sông Hồng, Hà 
Nội (Đại học Thủy lợi, 2015). Các chỉ tiêu 
cơ lý của mẫu đất thí nghiệm nhƣ sau: hàm 
lƣợng hạt mịn fc =4,46 ; t trọng hạt 
Gs=2,65; hệ số rỗng lớn nhất emax = 0.993; 
hệ số rỗng nhỏ nhất emin=0,554. Thí nghiệm 
phân tích thành phần hạt của đất đƣợc thực 
hiện theo theo tiêu chuẩn ASTM D422-63 
cho giá trị đƣờng kính D60 = 0,299 mm, 
D10=0,118mm (Hình 2). 
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 11 
Hình 2: Biểu đồ cấp ph i hạt của đất 
 thí nghiệm (ASTM D422-63) 
Các mẫu cát hình trụ có đƣờng kính Di = 
50mm, chiều cao Hi = 100mm, đƣợc chế bị theo 
phƣơng pháp mƣa cát trong không khí để đảm 
bảo có cùng một độ chặt tƣơng đối, Dr, (Hình 
3). Sau khi thiết lập mẫu trong buồng 3 trục, 
làm bão hòa mẫu bằng cách sử dụng khí CO2 
đảm bảo hệ số áp lực nƣớc lỗ rỗng, B 95 . Sau 
đó, các mẫu chịu quá trình cố kết đẳng hƣởng 
với áp lực cố kết hiệu quả tăng từ 30 kPa đến 
100 kPa. Sau thời gian cố kết tại cấp áp lực 
100kPa, mẫu chịu tác dụng của các tải trọng chu 
kỳ hình sin có tần số 0,1Hz với các biên độ tải 
trọng khác nhau, sao cho t số ứng suất chu kỳ 
thay đổi trong khoảng từ 0,1 đến 0,3 trong điều 
kiện không thoát nƣớc. T số ứng suất chu kỳ 
CSR = d/2o , trong đó o là ứng suất hiệu 
quả ban đầu; d là độ lệch ứng suất, d = v-h, 
v là ứng suất theo phƣơng đứng, h là ứng suất 
theo phƣơng ngang. Thí nghiệm kết thúc khi 
mẫu bị hóa lỏng sau một số chu kỳ tải trọng 
(JGS 0541-2000). Thông số của các mẫu thí 
nghiệm đƣợc thể hiện trong bảng 1. 
Hình 3 Mẫu đất thí nghiệm lấy từ h khoan được thiết lập trong buồng 3 trục 
Bảng 1: Các thông số mẫu thí nghiệm 
Tên mẫu Di (mm) Hi (mm) B (%) dc (g/cm
3
) ec Dr (%) 
SH-HL10 50.06 98.80 96 1.425 0.860 30.3 
SH-HL11 49.80 98.50 96 1.425 0.860 30.3 
SH-HL12 49.90 98.40 97 1.428 0.856 31.2 
SH-HL13 50.04 98.80 96 1.427 0.857 30.9 
 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 12 
 V 
Hình 4, 5 thể hiện kết quả thí nghiệm đại 
diện đối với mẫu SH-HL12, SH-HL13. Có thể 
thấy rằng khi số chu kỳ tải trọng gia tăng thì hệ 
số áp lực nƣớc lỗ rỗng dƣ Ru và biến dạng dọc 
trục biên độ kép a tăng cho đến khi mẫu bị hóa 
lỏng. Điều kiện xuất hiện hóa lỏng mẫu đất 
đƣợc tính dựa trên các tiêu chí về áp lực nƣớc lỗ 
rỗng dƣ Ru 0.95 hoặc biến dạng dọc trục biên 
độ kép a 5 (JGS 0541-2000). 
Từ kết quả hóa lỏng đối với các mẫu khác 
nhau, đƣờng cong hóa lỏng (Hình 6) đƣợc xây 
dựng, biểu thị quan hệ giữa t số ứng suất CSR 
và số các vòng lăp N gây hóa lỏng mẫu đất ứng 
với cùng điều kiện về độ chặt tƣơng đối và ứng 
suất khống chế hiệu quả. Đƣờng cong hóa lỏng 
cát 3a đƣợc thể hiện trên Hình 6 ứng với các 
đƣờng đẳng giá trị biến dạng dọc trục biên độ 
kép a= 1 , 2 , 5 và hệ số áp lực nƣớc lỗ 
rỗng dƣ, Ru= 95%. 
Có thể thấy rằng khi biên độ ứng suất tăng 
thì số vòng lặp gây hóa lỏng giảm, đất sớm xuất 
hiện biến dạng lớn. Hệ số áp lực nƣớc lỗ rỗng 
dƣ, Ru tăng theo số chu kỳ tải trọng tác dụng và 
khi biên độ ứng suất tăng thì hệ số áp lực nƣớc 
lỗ rỗng dƣ tăng nhanh. 
Hình 4 Các kết quả thí nghiệm đ i v i mẫu SH-H 12 chịu tải trọng động 
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 13 
Hình 5 Các kết quả thí nghiệm đ i v i mẫu SH-HL13 chịu tải trọng động 
Hình 6 Đường cong hóa lỏng của các mẫu đất cát 3a 
─o─DA= 1% 
─ ─DA= 2% 
──DA= 5% 
─*─ Nu95 
 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 14 
Có thể thấy rằng đƣờng cong hóa lỏng của 
cát 3a có dạng phù hợp với các kết quả đã công 
bố đối với các loại cát khác nhau (Towhata 
2008). Kết quả nghiên cứu thực nghiệm này là 
cơ sở hữu ích cho việc đánh giá mô phỏng bài 
toán hóa lỏng, ổn định của đê tại hiện trƣờng 
theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn. 
IV. KẾT LUẬN 
Nghiên cứu hóa lỏng cát đƣợc lấy mẫu từ lớp 
3a, tại hố khoan HK3 thuộc nền đê hữu sông 
Hồng, đoạn K73+500 đến K74+100, Hà Nội đã 
đƣợc thực hiện thông qua một loạt các thí 
nghiệm 3 trục động. Kết quả thí nghiệm cho 
thấy có thể xác định chính xác các đặc tính hóa 
lỏng của cát nền đê Hữu Hồng nhƣ sự gia tăng 
áp lực nƣớc lỗ rỗng, biến dạng dọc trục, t số 
ứng suất chu kỳ theo số chu kỳ gây hóa lỏng. 
Kết quả thí nghiệm hữu ích cho việc dự báo hóa 
lỏng, ổn định đê Hữu Hồng trong điều kiện chịu 
tải trọng động đất mạnh. 
LỜI CẢM ƠN 
Nghiên cứu đƣợc thực hiện tại Phòng thí 
nghiệm Địa kỹ thuật động đất, Trƣờng Đại học 
Thủy lợi trong khuôn khổ của đề tài khoa học 
cấp nhà nƣớc, mã số KC08.23/11-15. Các tác 
giả chân thành cảm ơn Bộ Khoa học và Công 
nghệ đã cấp kinh phí thực hiện nghiên cứu này. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
Đại học Thủy lợi. Báo cáo kết quả khảo 
sát địa chất đê hữu Hồng Km73+500-
Km74+100, 2015. 
Nguyễn Đình Xuyên (2004). Nghiên cứu dự 
báo động đất và dao động nền ở Việt Nam. Báo 
cáo tổng kết đề tài độc lập cấp nhà nƣớc. 
Adalier K. and Sharp M. Embankment Dam on 
Liquefiable Foundation—Dynamic Behavior and 
Densification Remediation,Journal of 
Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 
2004, Vol. 130, No. 11, pp. 1214-1224. 
ASTM D422-63 (2007). Standard Test 
Method for Particle-Size Analysis of Soils, 
ASTM International, West Conshohocken, PA. 
JGS 0541-2000 Method for Cyclic 
Undrained Triaxial Test on Soils. 
Seed R.B et al. Recent advances in soil 
liquefaction engineering: a unified and 
consistent framework, Keynote Presentation, 
26th Annual ASCE Los Angeles Geotechnical 
Spring Seminar, Long Beach, 2003, Report No. 
EERC 2003-06. 
Towhata I. Geotechnical earthquake 
engineering, Springer-Verlag Berlin 
Heidelberg, 2008. 
Người phản biện: GS. NGUYỄN CÔNG MẪN