Nội dung bài viết trình bày tính toán, mô phỏng và phân tích trong đánh giá khả năng ổn định và độ lún của nền đất dưới móng nông có xét đến sự thay đổi đặc trưng cơ lý sau khi tẩm ướt. Kết quả phân tích cho thấy khả năng chịu tải của nền đất có thể giảm đáng kể và gây phá hoại khi bị ngấm nước.
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC nNgày nhận bài: 22/10/2021 nNgày sửa bài: 26/11/2021 nNgày chấp nhận đăng: 30/12/2021 Đánh giá khả ổn định móng nơng đất có tính lún ướt Analysing and evaluating unstability of shallow foundation on collapsible ground PGS.TS BÙI TRƯỜNG SƠN1; THS LÊ TIẾN NGHĨA2 Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM Email: buitruongson@hcmut.edu.vn Khoa Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng Miền Tây Email: letiennghia@mtu.edu.vn TÓM TẮT Nội dung viết trình bày tính tốn, mơ phân tích đánh giá khả ổn định độ lún đất móng nơng có xét đến thay đổi đặc trưng lý sau tẩm ướt Kết phân tích cho thấy khả chịu tải đất giảm đáng kể gây phá hoại bị ngấm nước So sánh với độ lún dự tính theo kết nén mẫu bão hịa, độ lún có xét tính lún ướt lớn đáng kể vượt giới hạn cho phép gây ổn định cơng trình Kết phân tích nguyên nhân hư hỏng cấu kiện cơng trình lưu ý việc tính tốn, thiết kế móng nơng đất khu vực miền Đơng Nam Từ khóa: Mất ổn định móng nơng; đất lún ướt ABSTRACT The content of the article presents the calculation, simulation and analysis in evaluation of stability and settlement of ground under shallow foundation accounting on change of physicomechanical characteristics of soil after wetting The analysis results show that bearing capacity can be significantly reduced and cause damage when soaked in water In comparison with predicted settlement based on result of compression of saturated sample, the settlement considering collapse characteristic is significantly larger and exceeds the allowable limit, which can cause instability of structure The analysis results show the causes of damage to building's components and attentions in calculation, design of shallow foundations on ground in the Southeast region Keywords: Unstability of shallow foundation; collapsible ground 128 01.2022 ISSN 2734-9888 ĐẶC ĐIỂM TÍNH TỐN THIẾT KẾ VÀ ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CỦA ĐẤT CÓ TÍNH LÚN ƯỚT Việc thí nghiệm đất tính tốn thiết kế móng nơng đất có tính lún ướt trình bày tài liệu dẫn [1], [2] Ở đây, đất loại sét có độ bão hịa thấp có xu hướng tính lún ướt Kết khảo sát tổng hợp nhiều cơng trình khu vực Tây Nguyên miền Đông Nam lớp sét pha gần bề mặt có độ bão hịa thấp thường có tính lún ướt [3] Việc đánh giá tính lún ướt đất phịng thí nghiệm chủ yếu tập trung thể tính biến dạng đất thông qua hệ số lún ướt tương đối Tuy nhiên, sau tẩm ướt, đặc trưng biến dạng độ bền đất bị giảm đáng kể [4] Trong đa số thiết kế dự án cơng trình nhà vừa nhỏ khu vực này, tượng lún ướt tính toán đánh giá lún ướt chưa xét đến Do đó, sau khoảng thời gian sử dụng, cấu kiện cơng trình bị hư hỏng cục độ lún bổ sung, chí đất khả chịu tải đất bị tẩm ướt Thông qua đặc trưng lý đất từ thí nghiệm phòng, nội dung viết chủ yếu đề cập đến việc áp dụng tính tốn định lượng nhằm giải thích phân tích khả ổn định móng nơng đất có tính lún ướt Tính tốn đất lún ướt theo biến dạng xuất phát từ điều kiện: (1) S S s S gh Ở đây: S - độ lún đất tác dụng tải trọng ngoài; Sgh - độ lún giới hạn cho phép Độ lún ướt đất Ss tải trọng móng gây xác định theo công thức: n S s si hi m (2) i 1 Trong đó: si - độ lún ướt tương đối đất, xác định bão hòa nước áp lực nén tổng áp lực thiên nhiên áp lực móng cơng trình gây ra; hi - chiều dày lớp đất thứ i; n - số lớp đất chia vùng biến dạng hbd; m - hệ số điều kiện làm việc Kết khảo sát địa chất cơng trình khu vực Xưởng may mở rộng - Tổng công ty dệt Việt Thắng phường Linh Trung, Thủ Đức, TP.HCM cho thấy tới độ sâu thăm dò 35 m cấu tạo địa chất bao gồm lớp đất sau: Lớp 1: Sét pha cát xám trắng, dẻo mềm, bề bày trung bình 5,5 m, phân bố khắp khu vực cơng trình Hệ số rỗng e Hệ số rỗng e Lớp 2: Đất sét nâu vàng, nâu đỏ, xám trắng, nửa cứng đến 0.70 cứng, bề dày trung bình 17,0 m 0.65 Lớp 3: Đất sét nâu vàng loang xám xanh, nửa cứng đến cứng, 0.60 bề dày trung bình 5,9 m 0.55 Lớp 4: Cát pha nâu vàng, xám trắng, xám xanh, kết cấu chặt 0.50 vừa, bề dày trung bình 7,6 m Mực nước ngầm thời điểm khảo sát mùa khô phân bố độ 0.45 sâu cách mặt đất tự nhiên 15,5 m 0.40 Bảng Tổng hợp đặc trưng lý đất 0.35 Sét pha Sét Sét 100 200 300 400 500 600 700 800 Các tiêu Ký hiệu (Lớp 1) (Lớp 2) (Lớp 3) Áp lực nén p (KPa) Độ ẩm tự nhiên W (%) 6,9 22,6 20,0 16,8 18,2 18,4 Dung trọng tự nhiên (kN/m3) Hình Đường cong nén lún mẫu đất Lớp theo phương pháp đường cong Dung trọng khô 15,7 16,3 16,9 d (kN/m3) Dung trọng bão hòa sat (kN/m3) 19,8 20,0 20,2 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐẤT CĨ TÍNH Tỷ trọng hạt Gs 2,655 2,665 2,670 LÚN ƯỚT DƯỚI MĨNG NƠNG Hệ số rỗng e 0,693 0,642 0,583 Để phân tích đánh giá khả ổn định móng nơng Độ bão hịa Sr 26,6 93,8 91,6 đất có tính lún ướt, chúng tơi chọn lựa tính tốn phân tích so sánh khả chịu tải độ lún móng nơng theo đặc Độ sệt B -0,74 0,02 0,04 trưng lý đất trạng thái tự nhiên trạng thái bão hòa Từ kết khảo sát thấy cấu tạo địa chất khu vực 2.1 Khả ổn định đất móng nơng theo bao gồm lớp đất có khả chịu lực tốt nên giải pháp đặc trưng lý đất trạng thái tự nhiên móng nơng chọn lựa cho cơng trình vừa nhỏ Sau Giả thiết móng đơn có kích thước m x m (diện tích A = khoan thăm dị, mẫu đất chuyển phịng thí nghiệm m2), chiều sâu chơn móng Df = 1,0 m Căn TCVN 9362-2012 thí nghiệm tiêu chuẩn thực Kết thí nghiệm cho đặc trưng lý đất trạng thái tự nhiên, sức chịu tải thấy mẫu đất gần bề mặt có độ ẩm độ bão hòa thấp Mặc đất: RII = 1130 kN/m2 dù độ sệt đất Lớp có giá trị thấp việc giá trị để đánh giá trạng thái đất dẫn đến sai lầm độ N tc D R , tải trọng tiêu chuẩn Ntc ≤ Từ điều kiện: tb f II bão hòa đất thấp lượng khí đáng kể chứa lỗ rỗng A Thí nghiệm nén lún thực theo dẫn cho 4432 kN Chọn tải trọng tiêu chuẩn thiên an toàn: Ntc = 350 kN, mẫu có tính lún ướt Lớp Để bổ sung kết thí nghiệm áp lực phân bố diện chịu tải tải trọng ngoài, trọng lượng phục vụ nghiên cứu phân tích, thí nghiệm cắt trực tiếp thực thân móng đất nằm bên đáy móng gây có giá trị: với mẫu trạng thái tự nhiên bão hòa nước N tc D = 109,5 kN/m2 Kết cắt trực tiếp cho thấy sức chống cắt mẫu bị tẩm p tb f A ướt nhỏ đáng kể so với kết thí nghiệm mẫu đất độ Căn giả thiết cân giới hạn điểm, sức chịu tải cực ẩm tự nhiên (Bảng 2) Ở đây, góc ma sát nhỏ không hạn đất qu = 8150 kN/m2 Sức chịu tải cho phép qa = qu/FS đáng kể lực dính mẫu bị tẩm ướt cịn 6,8 kN/m2, Với hệ số an tồn FS = 3, sức chịu tải cho phép qa = 2717 kN/m2 nhỏ đáng kể so với 106,5 kN/m2 thí nghiệm thơng thường Độ lún đất đáy móng xác định Thí nghiệm nén lún phương pháp đường cong đường phương pháp độ lún tổng lớp phân tố Với áp lực gây lún: cong thực (Hình Hình 2) Từ kết thí nghiệm lún ướt (nén lún) thấy mẫu đất có tính lún ướt từ trung N tc D D = 92,7 kN/m2, bề dày lớp đất chịu nén ho p tb f f bình đến cao theo hệ số lún ướt tương đối A Bảng Sức chống cắt mẫu tự nhiên bão hòa Lớp = 4,5 m điều kiện phạm vi ứng suất trọng lượng MẪU TỰ NHIÊN MẪU BÃO HÒA thân gấp lần ứng suất gây lún Như vậy, tồn phạm vi chịu Góc ma sát Góc ma sát nén nằm Lớp Lực dính c Lực dính c Căn đường cong nén lún, trạng thái ứng suất điểm trung độ kN/m2 độ kN/m2 bình lớp đất chịu nén chưa chịu tác dụng tải trọng 106,5 6,8 p1 = 54,5 kN/m2 chịu tác dụng tải trọng p2 = 81,1 kN/m2, nhận hệ số nén a = 7,86.10-5 m2/kN moduke tổng biến dạng Eo = 14945 kN/m2 Với bề dày lớp phân tố 0,5 m, độ 0.70 lún ổn định nhận S = 11,3 mm < [S] = 80 mm 0.65 Như vậy, tải trọng tiêu chuẩn N tc = 350 kN cho phép 0.60 đất móng làm việc phạm vi đàn hồi độ lún dự Tự nhiên tính móng nhỏ đáng kể so với giá trị giới hạn 0.55 Làm ướt cho phép Rõ ràng, kết tính tốn theo đặc trưng lý 0.50 đất trạng thái tự nhiên cho thấy thiết kế an toàn với hệ số 0.45 an toàn cao Ở đây, tải trọng tiêu chuẩn chọn đến 0.40 350 kN so với giá trị giới hạn đến 4432 kN áp lực cho phép 100 200 300 400 500 600 700 800 q a = 2717 kN/m với diện tích móng lên đến m2 Đất Áp lực nén p (KPa) hoàn toàn ứng xử phạm vi đàn hồi độ lún dự tính trường hợp S = 11,3 mm Hình Đường cong nén lún mẫu đất Lớp theo phương pháp đường cong ISSN 2734-9888 01.2022 129 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 2.2 Khả ổn định đất móng nơng có xét đến tính lún ướt với đặc trưng độ bền đất bão hòa Do tải sở hạ tầng hết hợp với mực nước biển dâng cao, tượng ngập úng cục đô thị lớn thường xuyên xảy ra, đặc biệt nhiều mùa mưa Hiện tượng ngập úng làm cho đất bị ngấm nước trạng thái đất bị thay đổi Đối với đất khơng bão hịa, tẩm ướt làm suy yếu mối liên kết cứng đất thay đổi đặc trưng lý [4] Từ đặc trưng độ bền đất trạng thái bão hòa, sức chịu tải N tc D R , đất: RII = 116,8 kN/m2 Từ điều kiện: tb f II A tải trọng tiêu chuẩn Ntc ≤ 379,0 kN Do đó, việc chọn lựa giá trị tải trọng tiêu chuẩn Ntc = 350 kN cho phép đất móng ứng xử phạm vi đàn hồi Khi đó, áp lực phân bố đáy móng p = 109,5 kN/m2 Sức chịu tải cực hạn đất qu = 599,1 kN/m2 Với hệ số an toàn FS = 3, sức chịu tải cho phép qa = 199,7 kN/m2 Các thành phần ứng suất gây lún bề dày lớp đất chịu nén tương tự trường hợp khơng bão hịa Tuy nhiên, giá trị module tổng biến dạng sử dụng trường hợp đường cong nén lún mẫu bão hòa có giá trị Eo = 1522 kN/m2 Độ lún dự tính trường hợp S = 120 mm > [S] = 80 mm Độ lún có xét đến tính lún ướt sử dụng biểu thức (1) với hệ số lún ướt tương đối cấp áp lực nén 100 kN/m2, giá trị xấp xỉ với ứng suất trung bình chịu tải, cịn có giá trị lớn so với độ lún dự tính theo đường cong nén lún mẫu bão hịa Ở đây, độ lún có xét hệ số lún ướt tương đối theo phương pháp đường cong có giá trị 137,3 mm (với Ss = 126 mm) độ lún có xét hệ số lún ướt tương đối theo phương pháp đường cong có giá trị lên đến 340,3 mm (với Ss = 329 mm) Như vậy, với tải trọng tiêu chuẩn Ntc = 350 kN đất móng làm việc phạm vi đàn hồi độ lún vượt giá trị cho phép Trong thực tế, độ bền đất thơng qua sức chống cắt, từ kết thí nghiệm cắt trực tiếp với mẫu đất trạng thái tự nhiên có giá trị lớn đáng kể so với trạng thái bão hòa tương ứng sức chịu tải cho phép lớn gấp hàng chục lần Mặc dù việc chọn giá trị tải trọng tiêu chuẩn nhỏ hàng chục lần so với giá trị tính tốn với sức chống cắt mẫu trạng thái tự nhiên độ lún ngập nước không thỏa giới hạn cho phép Hình Tường nhà xưởng bị nứt Hình Tường nhà phố bị nứt hiện tượng lún ướt đất gây tượng lún ướt đất gây Rõ ràng sau đất bị tẩm ướt, khả chịu tải giảm đáng kể (hơn 10 lần) mà độ lún bổ sung lún ướt làm độ lún vượt giới hạn cho phép Ở đây, độ lún dự tính kết thí nghiệm lún ướt (137,3 340,3 mm) có giá trị lớn đáng kể so với giá trị độ lún dự tính theo đường cong nén lún với mẫu đất bão hòa (120 mm) Trong thực tế, nhiều cơng trình móng nơng khu vực có độ lún vượt giới hạn cho phép nhiều lần gây phá hoại kết cấu bên không đảm bảo điều kiện sử dụng khai thác cơng trình, gây nứt tường hay gây lún nhà thể Hình 3, Hình Sự phá hoại không 130 01.2022 ISSN 2734-9888 xảy độ lún lớn mà đất khả chịu tải nên có trường hợp độ lún đạt đến 0,3 - 0,5 m Độ lún giảm đất nén chặt thêm lần phá hoại liên kết cứng đất để hình thành cấu trúc Hầu hết độ lún lớn gây phá hoại xảy móng dễ bị ngấm nước khu vực nhà vệ sinh hay vị trí móng kế cận hố thu giữ nước 2.3 Phân tích ứng xử đất móng phương pháp phần tử hữu hạn Để phân tích ứng xử đất móng trường hợp khơng xét tính lún ướt xét tính lún ướt đất, chọn lựa phần mềm Plaxis để mô Ở đây, việc mô thực theo sơ đồ tốn khơng gian theo mơ Hình Để thuận tiện cho việc phân tích so sánh với kết tính tốn phương pháp giải tích, phạm vi ảnh hưởng theo phương đứng chọn lựa phạm vi vùng chịu nén lún Đặc trưng lý lấy theo kết thí nghiệm phịng ứng với trường hợp đất trạng thái tự nhiên sau bão hòa nêu Ứng suất tải trọng tác dụng vào đất lấy p = Ntc/A = 87,5 kN/m2 Hình Chuyển vị theo phương thẳng đứng đất đáy móng chưa ngập nước Việc mô tiến hành tương tự trình thi cơng: khai đào hố móng đến độ sâu chơn móng 1,0 m; xây dựng móng san lấp hố móng; đặt tải trọng cơng trình lên mặt móng; đất bị ngập nước đặc trưng lý thay đổi Khi xem chưa bị ngập nước, sử dụng đặc trưng lý đất theo kết thí nghiệm mẫu đất trạng thái tự nhiên, độ lún khả chịu tải thỏa điều kiện sử dụng với hệ số an toàn đáng kể Ở đây, độ lún lớn tâm móng có giá trị 11,8 mm vùng dẻo khơng xuất vị trí đất Hình Mơ hình mơ ứng xử đất đáy móng Hình Ứng suất cắt tương đối đất qua trọng tâm chưa ngập nước Khi bị ngập nước, độ lún móng tăng lên đột ngột đạt đến giá trị 133,3 mm (Hình 8) Ngồi ra, vùng biến dạng dẻo xuất với diện tích lớn Vùng biến dạng dẻo mở rộng phát triển lên cao so với mặt phẳng ngang đáy móng vị trí góc (Hình 9) mở rộng đến giao khu vực tâm móng Điều gây ổn định đất phá hoại làm việc ổn định cơng trình nước Hình Chuyển vị theo phương thẳng đứng đất đáy móng ngập Hình Ứng suất cắt tương đối đất mặt phẳng ngang đáy móng ngập nước 350 kN (với áp lực phổ biến lên cơng trình vừa nhỏ 87,5 kN/m2) tương tự Độ lún khả chịu tải đất chưa ngập nước đảm bảo với hệ số an toàn đáng kể Khi ngập nước, kết tính tốn mơ theo đặc trưng biến dạng mẫu bão hòa cho thấy giá trị độ lún vượt giá trị giới hạn cho phép dù không đáng kể Tuy nhiên, kết mô cho thấy vùng biến dạng dẻo mở rộng phát triển mạnh gây ổn định cơng trình Trường hợp sử dụng đặc trưng biến dạng từ thí nghiệm nén lún có xét tính lún ướt, độ lún gia tăng đột ngột đạt đến giá trị lớn (137,3 340,3 mm), gây phá hoại cơng trình Như vậy, bị ngập nước, độ lún lún ướt tăng đột ngột mà khả chịu tải đất giảm đáng kể gây ổn định cơng trình KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Từ kết tính tốn đánh giá khả ổn định móng sét pha có xét đến đặc trưng lý thay đổi bị tẩm ướt tính lún ướt kết hợp phân tích mơ Plaxis 3D rút kết luận sau: - Khả chịu tải đất giảm đáng kể sau bị tẩm ướt Kết tính tốn cho thấy khả chịu tải giảm đến 10 lần chủ yếu suy giảm lực dính điều gây ổn định cơng trình sử dụng móng nơng sét pha có độ bão hịa thấp khu vực miền Đông Nam - Sau tẩm ướt, độ lún bổ sung lún ướt kết thí nghiệm nén theo sơ đồ hai đường cong chiếm tỷ lệ 90% (từ 91,7 đến 96,6%) tổng độ lún Độ lún vượt giới hạn cho phép xảy đột ngột gây phá hoại cơng trình - Kết mơ cho thấy khả chịu tải sau tẩm ướt giảm đột ngột, vùng biến dạng dẻo phát triển nhanh gây ổn định độ lún bổ sung lớn Kết tính tốn đánh giá khả ổn định phân tích ứng xử đất đáy móng có xét đến tính lún ướt cho phép rút kiến nghị sau: việc sử dụng sức chống cắt từ thí nghiệm cắt trực tiếp với mẫu đất trạng thái tự nhiên dẫn đến sai số lớn thiết kế trường hợp đất sét pha có độ bão hòa thấp Khi bị tẩm ướt, sức chống cắt giảm đáng kể khả chịu tải giảm đến hàng chục lần Như vậy, đất sét pha vỏ phong hóa có độ bão hịa thấp, cần thiết thí nghiệm xác định sức chống cắt trạng thái bão hịa để thu nhận sức chống cắt hợp lý an toàn; sét pha có độ bão hịa thấp khu vực miền Đông Nam bộ, cần thiết đánh giá độ lún có xét đến tính lún ướt thí nghiệm lún ướt cần thực sử dụng tính toán thiết kế độ lún bổ sung chiếm tỷ lệ đáng kể chiếm phần lớn tổng độ lún TÀI LIỆU THAM KHẢO TCVN 8722:2012 Đất xây dựng cơng trình thủy lợi - Phương pháp xác định đặc Hình 10 Ứng suất cắt tương đối đất qua trọng tâm ngập nước Kết tính tốn mơ đánh giá khả ổn định đất móng vng tác dụng tải trọng tiêu chuẩn trưng lún ướt đất phịng thí nghiệm TCVN 9362:2012 Tiêu chuẩn thiết kế nhà cơng trình Nguyễn Văn Thơ, Trần Thị Thanh, 2001 Sử dụng đất chỗ để đắp đập Tây Nguyên, Nam Trung Đông Nam NXB Nông Nghiệp Bùi Trường Sơn Đặc điểm biến dạng độ bền sét vỏ phong hóa sau tẩm ướt Tập 18, Tuyển tập kết khoa học công nghệ 2015 Tháng năm 2016 NXB Nông nghiệp Trang 303-311 Chỉ dẫn thiết kế nhà cơng trình, 2007 Viện nghiên cứu khoa học cơng trình ngầm mang tên N.M Gerxevanov NXB Xây dựng V.N.S Murthy, 2007 Advanced Foundations Engineering in Geotechnical Engineering CBS publisher and distribution pp 555-564 Stefan-Silvian CIOBANU Collapse settlement sensibility analysis of loessoid soils Journal of Young Scientist, Vol III, 2015 pp 73-76 ISSN 2734-9888 01.2022 131 ... tượng lún ướt đất gây tượng lún ướt đất gây Rõ ràng sau đất bị tẩm ướt, khả chịu tải giảm đáng kể (hơn 10 lần) mà độ lún bổ sung lún ướt làm độ lún vượt giới hạn cho phép Ở đây, độ lún dự tính. .. vậy, bị ngập nước, độ lún lún ướt tăng đột ngột mà khả chịu tải đất giảm đáng kể gây ổn định cơng trình KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Từ kết tính tốn đánh giá khả ổn định móng sét pha có xét đến đặc trưng... 2,665 2,670 LÚN ƯỚT DƯỚI MĨNG NƠNG Hệ số rỗng e 0,693 0,642 0,583 Để phân tích đánh giá khả ổn định móng nơng Độ bão hịa Sr 26,6 93,8 91,6 đất có tính lún ướt, chúng tơi chọn lựa tính tốn phân