Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Đánh giá giá trị hệ số cố kết Cv và mức độ tin cậy của nó theo các phương pháp khác nhau

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Các phương pháp xác định giá trị hệ số cố kết Cv từ thí nghiệm và tính toán giá trị hệ số cố kết Cv của các loại đất phổ biến của khu vực các tỉnh phía Na

TRẦN NGUYỄN MINH TRÍ

ĐÁNH GIÁ GIÁ TRỊ HỆ SỐ CỐ KẾT CV VÀ MỨC ĐỘ TIN CẬY CỦA NÓ THEO CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÁC NHAU

ITS RELIABILITY ACCORDING TO DIFFERENT METHODS

Chuyên ngành: Địa kỹ thuật Xây dựng

Mã số: 8580211

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2022

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Trường Sơn

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Trần Văn Tuẩn

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Đỗ Thanh Hải

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 08 tháng 01 năm 2022

Thành phần Hội đồng đánh giá đề cương Luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS Lê Bá Vinh - Chủ tịch Hội đồng

2 TS Trần Văn Tuẩn - Phản biện 1

3 TS Đỗ Thanh Hải - Phản biện 2

4 TS Cao Văn Hóa - Thư ký

5 TS Nguyễn Ngọc Phúc - Ủy viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá đề cương Luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

TRƯỞNG KHOA

PGS TS Lê Bá Vinh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: TRẦN NGUYỄN MINH TRÍ MSHV: 1970579

I TÊN ĐỀ TÀI:

NÓ THEO CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÁC NHAU

EVALUATING CONSOLIDATION COEFFICIENT CV AND ITS

RELIABILITY ACCORDING TO DIFFERENT METHODS

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nghiên cứu, tổng hợp các phương pháp đánh giá hệ số cố kết Cv theo các phương pháp khác nhau

Đánh giá giá trị hệ số cố kết Cv theo kết quả thí nghiệm nén cố kết trong phòng

và phân tích mức độ tin cậy của giá trị hệ số cố kết Cv theo lý thuyết cố kết một chiều

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/9/2021

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/12/2021

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Bùi Trường Sơn

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô của Trường Đại học Bách Khoa đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tác giả từ khi tác giả học Đại học và trong suốt quá trình Cao học

Tôi cũng xin cảm ơn rất nhiều đến Sở Xây dựng Tiền Giang - cơ quan công tác

đã tạo rất nhiều điều kiện cho tôi được học tập, nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa cũng như hoàn thành luận văn này

Tôi bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, người thân, bạn bè và đồng nghiệp, đã giúp

đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất, trong suốt thời gian học tập

Hi vọng đề tài luận văn của tác giả sẽ là tài liệu tham khảo hữu dụng cho quá trình tính toán, nghiên cứu trong thực tiễn Tôi mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và bạn bè để tiếp tục hoàn thiện đề tài này

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 12 năm 2021

Tác giả luận văn

Trần Nguyễn Minh Trí

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Các phương pháp xác định giá trị hệ số cố kết Cv từ thí nghiệm được sử dụng phổ biến là: phương pháp logarit thời gian (phương pháp A Casagrande), phương pháp căn bậc hai thời gian (phương pháp D Taylor), phương pháp giải tích, phương pháp giai đoạn đầu logarit thời gian Mỗi phương pháp có cách xác định khác nhau nhưng nhìn chung đều dựa vào mối quan hệ giữa độ lún và thời gian được xác định

từ thí nghiệm nén cố kết

Đối với loại sét mềm thì khi ứng suất càng tăng thì giá trị hệ số cố kết Cv theo các phương pháp đều càng giảm, mức giảm giá trị hệ số cố kết Cv tùy thuộc vào từng phương pháp Đối với sét mềm, phương pháp A Casagrande cho phép xác định giá trị hệ số cố kết Cv phù hợp hơn so với các phương pháp khác trong khi đối với đất sét pha cát là phương pháp D Taylor Kết quả phân tích và tính toán giúp chọn lựa phương pháp phù hợp trong lựa chọn các đặc trưng cố kết trong tính toán độ lún theo thời gian nền đất của khu vực

ABSTRACT

The methods of determining consolidation coefficient Cv from experiments are commonly used: logarithm-of-time method (A Casagrande method), square-root-of-time method (D Taylor method), analytic method, early stage log-t method In general, the relationship between settlement and time is determined from laboratory one-dimensional consolidation tests

For soft clay, the more stress increases, the lower the value of consolidation coefficient Cv, reduction in value of consolidation coefficient Cv depends on each method For soft clay, the A Casagrande method allows to determine consolidation coefficient Cv more reliably than other methods while for sandy clay is the D Taylor method The results of analysis and calculation help to choose the appropriate method

in selecting the consolidation characteristics in the calculation of settlement over time

of the soil foundation of the area

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn và phê duyệt của PGS.TS Bùi

Trường Sơn

Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác

Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về đề tài mình thực hiện

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 12 năm 2022

Tác giả Luận văn

Trần Nguyễn Minh Trí

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

ABSTRACT iv

LỜI CAM ĐOAN v

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ix

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xiv

MỞ ĐẦU 1

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1

Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI 1

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1

PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỂ TÀI 2

CÁC ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT NỀN TỪ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG VÀ HIỆN TRƯỜNG 3

1.1 Các đặc trưng biến dạng của đất 3

1.1.1 Các đặc trưng biến dạng của sét mềm bão hòa nước từ thí nghiệm nén cố kết 3

1.1.2 Các đặc trưng biến dạng của đất xác định từ thí nghiệm hiện trường 8

1.2 Ý nghĩa và sự tương quan giữa các thông số biến dạng của đất 14

1.2.1 Ý nghĩa các thông số biến dạng 14

1.2.2 Mối tương quan giữa các thông số biến dạng 20

1.3 Hệ số cố kết 29

1.3.1 Biểu thức tính hệ số cố kết (Cv) 29

1.3.2 So sánh các giá trị tính toán và giá trị thực tế 30

1.4 Phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu 32

1.5 Kết luận chương 33

CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH GIÁ TRỊ HỆ SỐ CỐ KẾT C V TỪ THÍ NGHIỆM 34

2.1 Cơ sở lý thuyết cố kết một chiều 34

2.1.1 Lập phương trình vi phân cố kết thấm 36

2.1.2 Điều kiện biên bài toán 38

2.1.3 Giải phương trình vi phân cố kết thấm 38

2.1.4 Các trường hợp chú ý 39

2.2 Việc giải các bài toán cố kết thuộc loại đơn giản của lớp đất bão hòa hoàn toàn 39

2.3 Quy trình thí nghiệm nén cố kết theo TCVN 4200:2012 45

2.3.1 Phương pháp thử 46

2.3.2 Cách tiến hành thí nghiệm 47

2.3.3 Tính toán các đặc trưng vật lý của đất 48

2.4 Các phương pháp xác định Cv từ thí nghiệm 52

2.4.1 Phương pháp logarit thời gian (phương pháp A Casagrande) 52

2.4.2 Phương pháp căn bậc hai thời gian (phương pháp D Taylor) 53

2.4.3 Phương pháp giải tích 54

2.4.4 Phương pháp giai đoạn đầu logarit thời gian 55

2.5 Kết luận chương 56

ĐÁNH GIÁ GIÁ TRỊ HỆ SỐ CỐ KẾT C V VÀ MỨC ĐỘ TIN CẬY CỦA NÓ THEO CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÁC NHAU 57

3.1 Dữ liệu xác định hệ số cố kết Cv từ thí nghiệm nén cố kết 57

3.2 Hệ số cố kết theo các phương pháp khác nhau 58

3.2.1 Đặc trưng hệ số cố kết cho mẫu đất sét mềm (Mẫu M01) 58

3.2.2 Đặc trưng hệ số cố kết cho mẫu đất cát (mẫu M02) 68

3.3 Phân tích, so sánh với kết quả thí nghiệm và đánh giá mức độ tin cậy giá trị Cv xác định theo các phương pháp khác nhau 76

3.3.1 Phân tích, so sánh độ lún theo thời gian đất sét mềm M01 77

3.3.2 Phân tích, so sánh độ lún theo thời gian đất sét pha cát M02 81

3.4 Nhận xét chương 86

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ thiết bị nén một trục không nở hông 5

Hình 1.2 Quan hệ giữa ứng suất nén (áp lực nén p hoặc σ) và hệ số rỗng e 5

Hình 1.3 Đường cong nén lún (gia tải và dỡ tải) theo biểu đồ bán logarit 7

Hình 1.4 Sơ đồ nén tĩnh trong hố đào 9

Hình 1.5 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm nép ép hông 11

Hình 1.6 Biểu đồ quan hệ p-V 12

Hình 1.7 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của đất khi nén và dỡ tải 14

Hình 1.8 Quan hệ giữa các module khác nhau 21

Hình 1.9 Quan hệ Eu/Su với OCR và PI 22

Hình 1.10 Hệ số nén ngang thay đổi tùy thuộc vào trạng thái cố kết 25

Hình 1.11 Ước tính OCR (Schmertmann dựa theo Ladd, 1971) 27

Hình 1.12 So sánh các hệ số cố kết đo được và tính toán của sét Ariake và Kawasoe, Saga 30

Hình 1.13 So sánh các hệ số cố kết đo được và tính toán của sét Louiseville 32

Hình 2.1 Sơ đồ mô tả quá trình nén lún 35

Hình 2.2 Quá trình thấm của 1 phân tố đất 36

Hình 2.3 Các biểu đồ áp lực trong nước lỗ rỗng (p) và ứng suất lên cốt đất (d) trong lớp đất chịu tải trọng phân bố đều 40

Hình 2.4 Sự thay đổi áp lực trong nước lỗ rỗng (p) và độ lún của lớp (S) theo thời gian 44

Hình 2.5 Áp lực trong nước và ứng suất trong cốt đất khi cố kết lớp đất dưới tác dụng của tải trọng phân bố đều (a), trọng lượng bản thân đất (b, c) và lực thấm (d) 45

Hình 2.6 Xác định hệ số cố kết Cv bằng phương pháp logarit thời gian 53

Hình 2.7 Xác định hệ số cố kết Cv bằng phương pháp căn bậc hai thời gian 54

Hình 2.8 Xác định hệ số cố kết Cv bằng phương pháp giai đoạn đầu logarit thời gian 56Hình 3.1 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp A Casagrande mẫu M01, cấp áp lực 0,25 - 0,5 kG/cm2 59Hình 3.2 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp D Taylor mẫu M01, cấp áp lực 0,25 - 0,5 kG/cm2 60Hình 3.3 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp giai đoạn đầu logarit thời gian mẫu M01, cấp áp lực 0,25 - 0,5 kG/cm2 61Hình 3.4 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp A Casagrande mẫu M01, cấp áp lực 0,5 - 1,0 kG/cm2 62Hình 3.5 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp D Taylor mẫu M01, cấp áp lực 0,5

- 1,0 kG/cm2 63Hình 3.6 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp giai đoạn đầu logarit thời gian mẫu M01, cấp áp lực 0,5 - 1,0 kG/cm2 64Hình 3.7 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp A Casagrande mẫu M01, cấp áp lực 1,0 - 2,0 kG/cm2 65Hình 3.8 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp D Taylor mẫu M01, cấp áp lực 1,0

- 2,0 kG/cm2 66Hình 3.9 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp giai đoạn đầu logarit thời gian mẫu M01, cấp áp lực 1,0 - 2,0 kG/cm2 67Hình 3.10 Giá trị Cv (cm2/phút) theo các phương pháp khác nhau ở các cấp áp lực khác nhaucủa mẫu sét mềm M01 68Hình 3.11 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp A Casagrande mẫu M02, cấp áp lực 0,5 - 1,0 kG/cm2 69Hình 3.12 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp D Taylor mẫu M02, cấp áp lực 0,5 - 1,0 kG/cm2 71Hình 3.13 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp giai đoạn đầu logarit thời gian mẫu M02, cấp áp lực 0,5 - 1,0 kG/cm2 72Hình 3.14 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp A Casagrande mẫu M02, cấp áp lực 1,0 - 2,0 kG/cm2 73

Hình 3.15 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp D Taylor mẫu M02, cấp áp lực 1,0 - 2,0 kG/cm2 74Hình 3.16 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp giai đoạn đầu logarit thời gian mẫu M02, cấp áp lực 0,5 - 1,0kG/cm2 75Hình 3.17 Giá trị Cv (cm2/phút) theo các phương pháp khác nhau ở các cấp áp lực khác nhaucủa mẫu sét pha cát M02 76Hình 3.18 Biểu đồ so sánh độ lún thí nghiệm và độ lún tính toán mẫu sét M01 cấp

áp lực nén 0,5 - 1,0kG/cm2 (Cv xác định theo phương pháp A Casagrande) 78Hình 3.19 Biểu đồ so sánh độ lún thí nghiệm và độ lún tính toán mẫu sét M01 cấp

áp lực nén 0,5 - 1,0kG/cm2 (Cv xác định theo phương pháp D Taylor) 79Hình 3.20 Biểu đồ so sánh độ lún thí nghiệm và độ lún tính toán mẫu sét M01 cấp

áp lực nén 0,5 - 1,0kG/cm2 (Cv xác định theo phương pháp giải tích) 80Hình 3.21 Biểu đồ so sánh độ lún thí nghiệm và độ lún tính toán mẫu sét M01 cấp

áp lực nén 0,5 - 1,0kG/cm2 (Cv xác định theo phương pháp giai đoạn đầu logarit theo thời gian) 81Hình 3.22 Biểu đồ so sánh độ lún thí nghiệm và độ lún tính toán mẫu sét M01 cấp

áp lực nén 0,5 - 1,0kG/cm2 (Cv xác định theo các phương pháp khác nhau) 81Hình 3.23 Biểu đồ so sánh độ lún thí nghiệm và độ lún tính toán mẫu sét pha cát M02 cấp áp lực nén 0,5 - 1,0 kG/cm2 (Cv xác định theo phương pháp D Taylor) 83Hình 3.24 Biểu đồ so sánh độ lún thí nghiệm và độ lún tính toán mẫu sét pha cát M02 cấp áp lực nén 0,5 - 1,0 kG/cm2 (Cv xác định theo phương pháp giải tích) 84Hình 3.25 Biểu đồ so sánh độ lún thí nghiệm và độ lún tính toán mẫu sét pha cát M02 cấp áp lực nén 0,5 - 1,0 kG/cm2 (Cv xác định theo các phương pháp khác nhau) 85Hình 3.26 Biểu đồ so sánh độ lún thí nghiệm và độ lún tính toán mẫu sét pha cát M02 cấp áp lực nén 0,5 - 1,0 kG/cm2 (Cv xác định theo các phương pháp khác nhau) 86Hình 1 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp A Casagrande mẫu M01, cấp áp lực 0,0 - 0,125 kG/cm2 1Hình 2 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp D Taylor mẫu M01, cấp áp lực 0,0 - 0,125 kG/cm2 2

Hình 3 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp giai đoạn đầu logarit thời gian mẫu M01, cấp áp lực 0,0 - 0,125 kG/cm2 3Hình 4 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp A Casagrande mẫu M01, cấp áp lực 0,125 - 0,25 kG/cm2 4Hình 5 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp D Taylor mẫu M01, cấp áp lực 0,125 - 0,25 kG/cm2 5Hình 6 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp giai đoạn đầu logarit thời gian mẫu M01, cấp áp lực 0,125 - 0,25 kG/cm2 6Hình 7 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp A Casagrande mẫu M01, cấp áp lực

2 - 4 kG/cm2 7Hình 8 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp D Taylor mẫu M01, cấp áp lực 2,0 - 4,0 kG/cm2 8Hình 9 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp giai đoạn đầu logarit thời gian mẫu M01, cấp áp lực 2,0 - 4,0 kG/cm2 9Hình 10 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp A Casagrande mẫu M01, cấp áp lực 4,0 - 8,0 kG/cm2 10Hình 11 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp D Taylor mẫu M01, cấp áp lực 4,0

- 8,0 kG/cm2 11Hình 12 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp giai đoạn đầu logarit thời gian mẫu M01, cấp áp lực 4,0 -8,0 kG/cm2 12Hình 13 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp A Casagrande mẫu M01, cấp áp lực 8,0 - 16,0 kG/cm2 13Hình 14 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp D Taylor mẫu M01, cấp áp lực 8,0

- 16,0 kG/cm2 14Hình 15 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp giai đoạn đầu logarit thời gian mẫu M01, cấp áp lực 8,0 -16,0 kG/cm2 15Hình 16 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp A Casagrande mẫu M02, cấp áp lực 0,0 - 0,5 kG/cm2 16Hình 17 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp D Taylor mẫu M02, cấp áp lực 0,0

- 0,5 kG/cm2 17

Hình 18 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp giai đoạn đầu logarit thời gian mẫu M02, cấp áp lực 0,0 - 0,5 kG/cm2 18Hình 19 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp A Casagrande mẫu M02, cấp áp lực 2,0 - 4,0 kG/cm2 18Hình 20 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp D Taylor mẫu M02, cấp áp lực 2,0

- 4,0 kG/cm2 19Hình 21 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp giai đoạn đầu logarit thời gian mẫu M02, cấp áp lực 2,0 - 4,0 kG/cm2 20Hình 22 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp A Casagrande mẫu M02, cấp áp lực 4,0 - 8,0 kG/cm2 21Hình 23 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp D Taylor mẫu M02, cấp áp lực 4,0

- 8,0 kG/cm2 22Hình 24 Biểu đồ xác định Cv theo phương pháp giai đoạn đầu logarit thời gian mẫu M02, cấp áp lực 4,0 - 8,0 kG/cm2 23

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Hệ số Poisson theo loại đất 10

Bảng 1.2 Giá trị Vc theo các kiểu thiết bị 13

Bảng 1.3 Giá trị module E và ứng suất giới hạn pL của một số loại đất (Gambin và Rousseau, 1988) 13

Bảng 1.4 Trị số module biến dạng theo sức kháng mũi đơn vị 22

Bảng 1.5 Chỉ số nén theo một số đề nghị của các tác giả [3] 24

Bảng 1.6 Mối quan hệ giữa hệ số nén hông ξo và hệ số Poisson ν 28

Bảng 1.7 Mối quan hệ giữa hệ số nén hông ξo và hệ số Poisson ν đối với đất cố kết thường 28

Bảng 1.8 Mối quan hệ giữa hệ số nén hông ξo và hệ số Poisson ν đối với đất quá cố kết 28

Bảng 1.9 Mối quan hệ giữa hệ số nén hông ξo và hệ số Poisson ν đối với các loại đất theo công bố của GS Braja M Das, năm 1984 28

Bảng 1.10 Hệ số Poisson ν để tính toán trạng thái giới hạn và những phương pháp xây dựng công trình trên nền đất yếu của một số loại đất 29

Bảng 3.1 Các đặc trưng vậy lý của mẫu sét mềm M01 57

Bảng 3.2 Các đặc trưng vậy lý của mẫu sét pha cát M02 57

Bảng 3.3 Độ lún theo thời gian mẫu M01 ở các cấp áp lực nén 58

Bảng 3.4 Giá trị Cv (cm2/phút) của mẫu M01 theo các phương pháp khác nhau 67

Bảng 3.5 Độ lún theo thời gian mẫu M02 ở các cấp áp lực nén 68

Bảng 3.6 Giá trị Cv của mẫu M02 theo các phương pháp khác nhau 75

Bảng 3.7 Hệ số rỗng của mẫu M01 ở các cấp áp lực nén 77

MỞ ĐẦU

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Tính toán độ lún theo thời gian của công trình là một vấn đề quan trọng trong thiết kế nền móng, đặc biệt là trong xử lý nền Đặc trưng cơ lý cơ bản của độ lún theo thời gian là các thông số đặc trưng biến dạng của đất nền Trong đó, hệ số cố kết Cv

là một trong những thông số quan trọng dùng để tính toán lún cố kết nền đất, đặc biệt

là các công trình được xây dựng ở các tỉnh phía Nam - nơi đất yếu có bề dày lớn, thời gian lún có thể kéo dài đến hàng trăm năm đến khi đạt được độ lún ổn định Hơn nữa, trong tính toán xử lý nền bằng gia tải trước, hệ số cố kết đóng vai trò quan trọng trong tính toán thiết kế và dự báo độ lún theo thời gian Do đó, mức độ chính xác trong việc xác định giá trị hệ số cố kết Cv là yếu tố quyết định cho mức độ tin cậy của giá trị độ lún của đất nền theo thời gian Đề tài được lựa chọn nhằm đánh giá sâu sắc hơn các phương pháp xác định giá trị hệ số cố kết Cv và mức độ tin cậy của nó Kết quả tổng hợp phân tích giúp lựa chọn đặc trưng hệ số cố kết phù hợp để áp dụng tính toán các bài toán thực tế hơn đối với các công trình cơ sở hạ tầng ngày càng nhiều ở các tỉnh phía Nam

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Các phương pháp xác định giá trị hệ số cố kết Cv từ thí nghiệm và tính toán giá trị hệ số cố kết Cv của các loại đất phổ biến của khu vực các tỉnh phía Nam

Từ hệ số cố kết xác định bằng thí nghiệm, tính toán độ lún theo thời gian của các mẫu đất dựa trên lời giải của bài toán cố kết một chiều, so sánh với giá trị độ lún theo thời gian đo được thực tế Kết luận, đánh giá về mức độ tin cậy của các phương pháp xác định hệ số cố kết Cv

Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI

Luận văn có thể là tài liệu tham khảo phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu sâu sắc hơn về phương pháp xác định giá trị hệ số cố kết Cv từ thí nghiệm, cũng như đánh giá được mức độ tin cậy của nó theo các phương pháp khác nhau

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về đặc trưng biến dạng của đất nền từ kết quả thí nghiệm trong phòng và hiện trường, các phương pháp xác định giá trị hệ số cố kết Cv

từ thí nghiệm và quy trình thí nghiệm nén cố kết

Sử dụng kết quả thí nghiệm của mẫu đất và tính toán hệ số cố kết Cvtheo các phương pháp khác nhau và đánh giá, so sánh với độ lún thực tế của mẫu

PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỂ TÀI

Đánh giá giá trị hệ số cố kết Cvtheo các phương pháp khác nhau và mức độ tin cậy của nó được thực hiện cho một số loại đất bão hòa nước phổ biến

CÁC ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT NỀN TỪ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG VÀ HIỆN TRƯỜNG

1.1 Các đặc trưng biến dạng của đất

Biến dạng của đất là sự thay đổi hình dạng và thể tích dưới tác dụng của tải trọng ngoài hay do sự thay đổi trạng thái ứng suất Đối với đất loại sét bão hòa nước, biến dạng của đất phụ thuộc đáng kể vào thời gian do hiện tượng cố kết thấm hay lưu biến Trong thực tế xây dựng, việc tính toán độ lún hay ước lượng biến dạng thường được thực hiện theo từng thời điểm: khi vừa xây dựng xong (giai đoạn ngắn hạn), khi chấm dứt quá trình cố kết thấm (thời điểm ổn định) hay ở một thời điểm nào đó trong giai đoạn cố kết hay từ biến Trong các bài toán Địa kỹ thuật thực tế, việc tính toán thường được thực hiện thông qua các mô hình: mô hình đất hay mô hình nền [1], [10], [12]

Đối với đất rời, biến dạng thường xảy ra và chấm dứt trong khoảng thời gian ngắn sau khi tác dụng tải trọng Còn trong đất sét bão hòa nước, dưới tác dụng của tải trọng, trong các lỗ rỗng sẽ hình thành áp lực thặng dư Do hệ số thấm trong đất loại sét bé, quá trình tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư diễn ra chậm chạp và ứng suất hữu hiệu tăng lên từ từ đồng thời với biến dạng [12] Nhìn chung, đặc điểm biến dạng của đất phụ thuộc vào điều kiện thay đổi trạng thái ứng suất, tính chất của mỗi loại đất và lịch sử hình thành địa chất Về tổng thể, các đặc trưng biến dạng của đất thường được sử dụng trong tính toán là: module tổng biến dạng Eo, hệ số Poisson ν hay module biến dạng thể tích K, module cắt G, chỉ số nén Cc, chỉ số nở Cs, giá trị áp lực tiền cố kết pc (hay gián tiếp qua giá trị hệ số quá cố kết OCR) Các đặc trưng biến dạng theo thời gian có thể kể ở đây là: hệ số cố kết Cv, Ch, độ nhớt , hệ số nén thứ cấp Cα Lưu ý rằng, giá trị module biến dạng Eo của đất luôn thay đổi và phụ thuộc chủ yếu vào sự thay đổi trạng thái ứng suất (gia tải, dỡ tải) và độ gia tăng cấp áp lực Tương tự, hệ số Poisson ν, giá trị K, G cũng thay đổi tương ứng trong khi các đặc trưng khác thường được xem là hằng số trong các bài toán

Trong khảo sát địa chất công trình, các phương pháp thí nghiệm thường sử dụng

để xác định các đặc trưng biến dạng của đất là: nén không nở hông (nén cố kết), nén đơn, nén ba trục theo sơ đồ CU, CD, nén trong hố khoan, bàn nén hiện trường

1.1.1 Các đặc trưng biến dạng của sét mềm bão hòa nước từ thí nghiệm nén cố kết

Đặc trưng biến dạng của đất là thông số cần thiết để ước lượng độ lún của nền, thể hiện thông qua các đặc tính cơ học và tính nén lún của đất, nó mang ý nghĩa quan trọng về mặt lý thuyết cũng như thực tiễn khi tính toán thiết kế các công trình xây dựng Nói chung, hiện tượng cố kết hay biến dạng lún của nền hoàn toàn là do sự nén

ép của đất khi tác dụng tải trọng Thể tích các lỗ rỗng trong đất bị giảm do các hạt dịch chuyển tương đối với nhau và sắp xếp lại Khi đó, biến dạng của chính hạt cũng như của nước và khí chứa trong lỗ rỗng là do sự giảm thể tích các lỗ rỗng gây ra, còn

sự giảm thể tích bản thân các hạt và nước trong các lỗ rỗng thì rất bé, có thể bỏ qua Như đã biết, tính ép co của đất dưới tải trọng là đặc trưng quan trọng nhất của tính biến dạng của đất mềm bão hòa nước do bản chất mối liên kết giữa các thành phần hỗn hợp cấu tạo trong chúng quyết định Đối với đất bão hòa nước thì sự biến dạng khi nén chặt là do nước thoát ra khỏi lỗ rỗng, khi đó độ ẩm của đất sẽ giảm dần, còn đất không bão hòa nước thì trong phạm vi áp lực nhất định, quá trình nén chặt có thể xảy ra mà không làm thay đổi độ ẩm của nó Nước thoát ra khỏi lỗ rỗng thể hiện rất rõ thông qua khả năng nén chặt dưới tác dụng của ứng suất xảy ra tức thời hay trong một thời gian dài Như vậy tính nén lún của đất là hoàn toàn khác nhau tùy thuộc vào từng loại đất, trạng thái và hoàn cảnh cụ thể thể hiện thông qua trạng thái ứng suất ngay cả trong cùng một loại đất Nhìn chung, đặc điểm biến dạng của đất được thể hiện rất cụ thể khi nén mẫu đất trong phòng thí nghiệm hoặc bằng các thí nghiệm hiện trường thông dụng hiện nay như: nén trong hố khoan, bàn nén hiện trường…

Quan sát một mẫu bị nén trong thí nghiệm nén cố kết (còn gọi là thí nghiệm oedometer) cho thấy, sự ép co của mẫu đất chứa trong dao vòng chủ yếu là do thể tích lỗ rỗng giảm và biến dạng nén của đất được biểu hiện qua trị số biến đổi của hệ

số rỗng [1], [3], [12] Thí nghiệm được thực hiện bằng cách nén một mẫu đất có chiều cao 2 cm và diện tích tiết diện ngang từ 30 ÷ 50 cm2 chứa trong dao vòng và hộp nén

có đá thấm ở hai mặt trên và dưới của mẫu (Hình 1.1) Mẫu đất được bão hòa hoàn toàn suốt quá trình thí nghiệm trong điều kiện ngập nước [15], [18] Do có thành cứng, mẫu đất chỉ biến dạng theo phương thẳng đứng mà không có khả năng nở hông Trong thí nghiệm nén cố kết, mẫu đất được chất tải dọc trục với áp lực tác dụng tăng dần theo từng cấp Tải trọng thẳng đứng được đặt lên mẫu qua một hệ thống tay đòn và sự thay đổi bề dày của mẫu được đo bằng các giá trị trung bình của đồng hồ chuyển vị gắn ở mặt trên mẫu đất Đặt tải trọng theo từng cấp áp lực tăng dần, mỗi cấp tải trọng thường chọn lựa gấp đôi cấp tải trọng trước đó, chẳng hạn như: 0,125; 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 4,0; 8,0; 16; 32;…kG/cm2 Mỗi cấp áp lực tác dụng lên mẫu được giữ cho đến khi đạt ổn định biến dạng nén: không vượt quá 0,01 mm trong thời gian không ít hơn 30 phút đối với đất cát; 3 giờ đối với đất cát pha; 12 giờ đối với đất sét pha và đất sét [15], [18]

Ứng với một cấp tải trọng, các số đọc của đồng hồ đo lún của mẫu đất sẽ được ghi nhận ứng với các thời điểm 6”, 15”, 30”, 45”, 1phút, 2’, 4’, 8’, 15’, 30’, 1giờ, 2h, 3h, 5h, 8h, 24h,… Đọc các số đo tiếp tục cho đến khi mẫu cố kết hoàn toàn dưới một

cấp áp lực, thường là 24 hay 48 giờ [15], [18] Sau đó gia tải cấp tải trọng tiếp theo

Số lượng và giá trị của các cấp tải trọng sẽ phụ thuộc vào loại đất và phạm vi của ứng suất dự kiến ở hiện trường Sau khi gia tải đến cấp tải trọng cuối cùng, khi cố kết hoàn toàn đạt được thì dỡ tải theo một hay vài giai đoạn

Hình 1.1 Sơ đồ thiết bị nén một trục không nở hông

Quan hệ giữa ứng suất nén (áp lực nén p hoặc σ) và hệ số rỗng e được biểu diễn dưới hai dạng: thường hoặc dạng bán lograrit (Hình 1.2)

Hình 1.2 Quan hệ giữa ứng suất nén (áp lực nén p hoặc σ) và hệ số rỗng e

(a) Đường quan hệ e – p; (b) e - logp

Do đặc điểm thí nghiệm, mẫu đất chỉ biến dạng thẳng đứng (do có thành cứng)

mà không có khả năng nở hông, biểu thức hệ số rỗng của đất được thiết lập tương ứng với trị số cấp tải trọng bất kỳ:

Dao vòng

 : biến dạng của mẫu đất ở cấp tải trọng i, tính bằng (mm)

Khi biết hệ số rỗng của đất với các giá trị tải trọng tương ứng, có thể vẽ được đường cong nén Hình 1.2a Đường cong nén thường được sử dụng để tính lún,trong

đó độ dốc của đường cong ở một cấp số gia áp lực chính là hệ số nén lún và được xác định bằng biểu thức:

de a

11

n n s

p

TB

p : áp lực trung bình của hai cấp tải trọng

Hệ số quá cố kết OCR (overconsolidation ratio):

0

c

p OCR

p : áp lực thẳng đứng hữu hiệu do trọng lượng bản thân

Hình 1.3 Đường cong nén lún (gia tải và dỡ tải) theo biểu đồ bán logarit

1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 2.20

1.1.2 Các đặc trưng biến dạng của đất xác định từ thí nghiệm hiện trường

Ngoài thí nghiệm nén không nở hông được thực hiện trong phòng để xác định các thông số biến dạng của đất, người ta còn dùng một số thí nghiệm khác tại hiện trường để xác định các thông số biến dạng Hiện nay, việc sử dụng các thông số biến dạng từ thí nghiệm hiện trường được thực hiện khá phổ biến.Phương pháp thí nghiệm nén tĩnh trong hố đào tại hiện trường, được cho là khá phổ biến hiện nay và xem là phù hợp với trạng thái ứng suất và biến dạng của khối đất tự nhiên [14] Thí nghiệm được mô phỏng như Hình 1.4

Các đặc trưng biến dạng của đất thực hiện từ thí nghiệm này thường dùng cho các công trình đường giao thông hoặc móng nông Thí nghiệm này có thể sử dụng cho mọi loại đất nền từ các loại đất đá cứng, nửa cứng cho tới các loại đất sét mềm dẻo đến các loại đất cát từ trạng thái rời xốp đến rất chặt Mục đích chính của thí nghiệm là xác định quan hệ giữa độ lún của nền đất đá và tải trọng tương ứng tác dụng lên nền, tức là tính chất biến dạng của đất đá

Thí nghiệm được thực hiện bằng tấm nén kim loại dày (10 ÷ 40)mm, hình vuông hoặc tròn, kích thước của các tấm nén khi thí nghiệm được quy định Trên kích có đồng hồ đo áp lực dùng để tính tải trọng, trên bàn nén có hệ thống đồng hồ đo biến dạng (chuyển vị) thông qua bộ giá chuyển vị kế

Mỗi cấp áp lực, tùy thuộc vào loại đất mà có tần số đọc chuyển vị khác nhau cho đến lúc đạt được ổn định quy ước về lún thì mới cho phép tăng tải

Khi thí nghiệm với đất cát, đất sét loại có kết cấu chặt, thí nghiệm trong hố đào thì dùng tấm nén tròn với diện tích 2500 cm2, trong các loại đất độ có chặt trung bình hoặc kém chặt, diện tích bàn nén 5000 cm2, nếu là hình vuông thường chọn diện tích

5000 cm2,

Tiến hành thí nghiệm nén chặt sơ bộ với tải trọng thiên nhiên ở đáy tấm nén nhưng không nhỏ hơn 50 kN/m2 Quy tắc này chỉ thực hiện khi nén đất ở độ sâu (4÷5)

m, còn ở độ sâu nhỏ hơn thì không có ý nghĩa

Tổng số các cấp tải trọng phụ thuộc vào tính nén lún của đất và cấp tải trọng dự kiến do công trình truyền xuống và không nhỏ hơn 5 cấp, cấp tải trọng cuối cùng phải vượt quá từ (100÷200) kN/m2 so với tải trọng của công trình thiết kế

Khi thí nghiệm bằng kích thủy lực phải bảo đảm tải trọng không đổi ở mọi cấp

áp lực

Tiến hành quan trắc độ lún của tấm nén ứng với từng cấp tải trọng thử Khi thí nghiệm nén đất cát và đất hòn to, mỗi lần ghi nhận độ lún cách nhau khoảng 10 phút

Với đất sét thì 15 phút trong giờ đầu, 30 phút cho giờ thứ hai Từ giờ thứ ba trở đi, sau mỗi giờ đọc đồng hồ lún một lần

Sau độ lún của cấp tải cuối cùng ổn định, tiến hành dỡ tải theo từng cấp và đọc

độ nở của đất sau mỗi lần dỡ cấp tải

Độ lún ổn định ở mỗi cấp tải trọng:

- Đất cát và đất hòn to, sau 30 phút độ lún < 0,01 mm;

- Đất cát pha sau 1 giờ độ lún < 0,01 mm;

- Đất sét pha sau 3 giờ độ lún < 0,01 mm;

Kết quả thu từ thí nghiệm được ghi thành bảng và thiết lập hai biểu đồ S = f(t)

dp: gia số ứng suất tác dụng lên bàn nén;

d: đường kính hay độ dài cạnh hình vuông bàn nén (cm);

dS: gia số độ lún cuối cùng của bàn nén (cm);

: hệ số Poisson của đất, thông thường được chọn theo Bảng 1.1

Bảng 1.1 Hệ số Poisson theo loại đất

Thí nghiệm nén ép hông được áp dụng để xác định đặc trưng biến dạng của đất trong các hố khoan, nghĩa là ở độ sâu lớn hơn hố đào hoặc trong vùng có mực nước ngầm nông Phương pháp này nhằm đo biến dạng của đất tại thành hố khoan dưới tác dụng của áp lực Thí nghiệm được thực hiện bằng cách áp đặt áp lực lên thành hố khoan [6]

Thiết bị thí nghiệm bao gồm hai bộ phận chính: bộ phận ghi nhận kết quả nằm

ở trên bề mặt đất và buồng áp lực nằm trong hố khoan Buồng áp lực là một bình hình trụ tròn có thành xung quanh bằng chất dẻo được ngăn làm ba buồng: một buồng nén chính để tạo áp và hai buồng nén phụ tải bảo vệ ở trên và dưới buồng nén chính Các buồng áp lực phụ phía trên và phía dưới nối với một ống thùng tròn, còn buồng làm việc ở giữa được nối với ống đo (Hình 1.5)

Các buồng áp lực có thể lắp đặt vào trong hố khoan có sẵn đến độ sâu thí nghiệm sau đó được bơm đầy nước để tạo áp lực Khi tăng áp lực vào hệ thống ống, áp lực thông qua màng chất dẻo tác dụng lên thành hố khoan và làm thành hố khoan biến dạng Áp lực trong buồng được giữ không đổi trong khoảng 60s và độ biến dạng thể tích nước đo được duy trì thì số liệu thí nghiệm được ghi nhận

Hình 1.5 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm nép ép hông 1- Buồng nén; 2- Buồng nén phụ tải; 3- Ống dẫn khí

Độ tăng mỗi cấp áp lực nén là: 0,1 - 0,25 kG/cm2 cho đất kém chặt (đất yếu) và cho đất có độ chặt trung bình là 0,5 - 1,0 kG/cm2 Ở mỗi cấp, áp lực nén tác dụng trong thời gian 1 - 2 phút và duy trì cho đến khi độ biến dạng ổn định

Từ kết quả ghi nhận thiết lập biểu đồ quan hệ giữa áp lực nén và sự thay đổi thể tích buồng nén (thể tích nước bơm vào) p - V

Hình 1.6 Biểu đồ quan hệ p-V

Trên biểu đồ có thể thấy rằng: đầu tiên có biến dạng phụ để buồng nén tiếp xúc thành hố khoan (đoạn OA) và do thành hố khoan không bằng phẳng (đoạn AB) Giai đoạn đất ở thành hố khoan bắt đầu nén chặt BC, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng mang đặc điểm tuyến tính; sử dụng các giá trị biến thiên trong khoảng này để xác định module biến dạng E của đất Sau đó, giữa ứng suất và biến dạng có quan hệ phi tuyến (đoạn CD), đất bắt đầu phá hoại, không dùng giá trị áp lực trong phạm vi này

để tính E nhưng có thể sử dụng giá trị này để xác định ứng suất giới hạn của đất nền

Áp lực giới hạn được xác định như là giá trị áp lực làm phồng buồng nén với thể tích xấp xỉ Vo vượt quá thể tích cần thiết bơm vào hệ thống tạo áp lực (Vc) và dồn ép vào thành hố khoan đến vị trí ban đầu (Vo) Việc đánh giá giá trị áp lực giới hạn được thực hiện tương tự như xác định điểm phá hoại trong thí nghiệm nén ba trục, tức là ở điểm phá hoại tương ứng với biến dạng dọc trục trong phạm vi 10 – 15%

Thể tích nước bơm vào hệ thống ở giá trị áp lực giới hạn được xác định bằng biểu thức:

2

ở đây:

Vo: thể tích cần thiết bơm vào hệ thống để dồn đẩy đất về vị trí ban đầu;

Vc: thể tích ban đầu của buồng áp lực

Bảng 1.2 Giá trị V c theo các kiểu thiết bị

Vc: thể tích ban đầu của buồng nén theo thiết bị (xem Bảng 1.3);

Vm: thể tích trung bình trong giai đoạn đàn hồi, Vm = (Vf+Vo)/2;

Loại đất E (bar) pL (bar)

1.2 Ý nghĩa và sự tương quan giữa các thông số biến dạng của đất

1.2.1 Ý nghĩa các thông số biến dạng

Đặc điểm và hành vi ứng xử của đất thể hiện thông qua các đặc trưng biến dạng Mỗi thông số biến dạng mang một ý nghĩa thể hiện các đặc điểm, đặc trưng riêng cũng như lịch sử hình thành của mỗi loại đất Tuy nhiên, giữa chúng vẫn luôn có mối quan hệ tương quan và ảnh hưởng lẫn nhau, được thể hiện cụ thể qua các thông số đặc trưng biến dạng

- Module biến dạng E: khi tác dụng một lực (hay ứng suất) vào mẫu đất, biến

dạng của đất bao gồm hai thành phần: biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo (Hình 1.7) được gọi là biến dạng tổng quát εo= εe +εp Khi đó, module tổng biến dạng được xác định bằng biểu thức:

o o

Giá trị module biến dạng được xác định ở hiện trường hoặc ở trong phòng thí nghiệm Đối với đất loại sét dẻo và đất rời, module biến dạng Eo thường được xác định trong điều kiện không nở hông theo công thức sau:

o

e E

- Hệ số nén C c và hệ số nở C s : Khi nén một mẫu đất được mô phỏng như trong

thí nghiệm nén một trục không nở hông, đường nén cố kết có thể thể hiện bằng quan

hệ e-log(p) Độ dốc của đường nén nguyên thủy được gọi là chỉ số nén Cc bao gồm

cả tính đàn hồi và tính dẻo của đất, đường nén lại song song với đường nở nên có cùng độ dốc và được gọi là chỉ số nở Cs diễn tả đặc trưng biến dạng đàn hồi của đất (theo công thức (1.7) và (1.8)) Các kết quả nghiên cứu thường cho thấy Cs = (1/5÷1/10)Cc Hệ số nén có quan hệ với các thông số vật lý và điều kiện hình thành của đất thể hiện qua nhiều nghiên cứu khác nhau [3], [5]

Chỉ số nén lại (chỉ số nở) càng lớn chứng tỏ tính chất biến dạng đàn hồi của đất càng lớn Đối với một mẫu thí nghiệm, chỉ số nén là một thông số định lượng không thay đổi tùy theo độ gia tăng của áp lực

Đối với đất sét mềm bão hoà nước, giá trị chỉ số nén Cc dao động từ (0,5 1,4)

tỷ lệ với hệ số rỗng tự nhiên và độ ẩm giới hạn chảy nhưng không phụ thuộc độ sâu Trong trường hợp khu vực có bề dày lớp đất yếu lớn, cho đến độ sâu 20m, hệ số rỗng của đất yếu của khu vực thay đổi không theo quy luật (đường cong nén lún do tải trọng của trọng lượng bản thân), giá trị trung bình thay đổi không đáng kể Như vậy, tương tự như hệ số rỗng, chỉ số nén không thay đổi đáng kể theo độ sâu [5]

- Áp lực tiền cố kết p c : A Casagrande (1936) đề nghị một phương pháp đồ thị

theo kinh nghiệm dựa trên đường cong e – logp để xác định áp lực tiền cố kết Trên đường cong e – logp, tại điểm cong nhất vẽ hai đường thẳng: một đường tiếp tuyến

với đường cong và đường kia song song với trục áp lực Đoạn thẳng ở phần cuối của đường e – logp cắt đường phân giác của góc hai đường thẳng trên tại điểm pc (Hình 1.3)

- Tỷ số tiền cố kết OCR (overconsolidation ratio): Là tỷ số giữa áp lực tiền cố

kết pc và áp lực trọng lượng bản thân của lớp đất bên trên hiện hữu tác động po như sau:

: trọng lượng đơn vị (đẩy nổi) của đất nền;

z: độ sâu lấy mẫu;

pc: áp lực tiền cố kết hay còn gọi là ứng suất nén lại

Tỷ số tiền cố kết OCR thể hiện đặc trưng của từng loại đất như sau:

- OCR = 1: đất cố kết thường – Normally Consolidation (NC)

- OCR > 1: đất cố kết trước – Overconsolidation (OC)

- OCR <1: đất kém cố kết

Đất cố kết thường: là đất ở trạng thái chưa từng chịu bất kỳ một lịch sử ứng suất

nào trong quá trình hình thành lớn hơn ứng suất hiện tại Biết độ sâu lấy mẫu, có thể xác định áp lực hiện tại po Đường nén của đất cố kết thường tương đồng với đường nén chuẩn được quy ước gọi là đường nén bình thường (NCL)

Đất quá cố kết (OC): là loại đất đã được cố kết ổn định dưới tác dụng của một

áp lực nén trước pc > po trong quá khứ Vậy đất quá cố kết là đất được nén trước và điểm trạng thái (e, p) nằm dưới đường nén chuẩn

Việc xác định giá trị áp lực tiền cố kết pc có ý nghĩa quan trọng trong thực tế tính toán cũng như việc lựa chọn các công thức tính toán độ lún của nền hay sự lựa chọn các thông số độ bền kháng cắt cho thiết kế mái dốc,…Hơn nữa, giá trị áp lực tiền cố kết có ý nghĩa rất lớn đối với các mô hình cơ học hiện đại Khi nắm được quy luật của hệ số quá cố kết OCR theo độ sâu, việc tính toán có xét đến giá trị OCR sẽ cho kết quả phù hợp hơn

Từ các thí nghiệm nén cố kết mẫu đất lấy từ hiện trường dưới các cấp áp lực khác nhau trong phòng thí nghiệm cho thấy áp lực tiền cố kết pc ảnh hưởng bởi tình

hình địa chất khu vực, địa chất thủy văn, Nên giá trị áp lực tiền cố kết pc quyết định đến các công thức tính lún [3]:

- Với đất cố kết thường:

log1

po: áp lực do trọng lượng bản thân ở giữa lớp sét;

Δp: ứng suất thẳng đứng do tải trọng công trình gây ra ở giữa lớp đất sét;

Ho: bề dày lớp đất ban đầu trước khi xây dựng công trình

Ngoài ra theo đường nén e - logp có thể tính độ lún theo phương pháp tổng phân

tố, tương tự như dùng phương pháp dựa theo đường e - p:

kết là một đại lượng quan trọng, giá trị của nó có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định lịch sử phát triển, đặc trưng biến dạng và từ đó ước lượng cho các thông số biến dạng khác của đất

Nghiên cứu giá trị OCR trên khoảng gần 700 mẫu đất yếu ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long và Thành phố Hồ Chí Minh cho thấy giá trị áp lực tiền cố kết pc của bùn sét pha, sét pha cát cao hơn bùn sét [5] Đối với bùn sét, trong phạm vi độ sâu đến 6 m, giá trị OCR dao động trong khoảng 24 (cá biệt có nhiều trường hợp lên đến (68)), đến độ sâu từ 6 ÷ 11 m dao động trong khoảng 1,21,7; trung bình từ độ sâu 0 ÷ 11 m giá trị OCR: 1,52,5; từ 11 m trở đi đến độ sâu hơn 20 m thì đất nền được xem như cố kết thường hoặc dưới cố kết

Giá trị OCR lớn ở vùng trên của lớp đất yếu được giải thích là do độ bền kiến trúc, do sự dao động của thủy triều có tác dụng như quá trình dỡ tải và nén lại, quá trình thổ nhưỡng hóa và hàng loạt yếu tố khác Vùng từ độ sâu 12 m trở đi, do quá trình tích tụ trầm tích diễn ra mạnh mẽ nên quá trình cố kết thấm do trọng lượng bản thân được xem như chưa hoàn toàn chấm dứt Hầu như lớp đất mặt (trong khoảng từ

0 đến 10 - 12 m) là đất cố kết Giá trị hệ số OCR > 1 Đất ở độ sâu dưới 4 m là đất quá cố kết mạnh, hệ số OCR khoảng 4 - 5, có nơi lên đến 7 - 8 Các lớp mặt cố kết nhiều, phần lớn nằm ở trên và trong vùng dao động mực nước ngầm [5]

Hơn nữa, giá trị áp lực tiền cố kết pc thay đổi theo loại đất, với mẫu bùn sét giá trị pc chủ yếu dao động trong khoảng từ 0,3 ÷ 0,75 kG/cm2 tuy nhiêncũng có những mẫu đặc biệt pc lớn hơn Giá trị pc của mẫu bùn sét cát, sét pha cát cao hơn giá trị pc

của mẫu bùn sét

Ngoài ra, tính chất không đồng nhất của nền đất yếu khu vực còn thể hiện ở sự khác biệt của các giá trị hệ số thấm theo phương ngang và phương đứng Tuy nhiên, trong trường hợp không xét đến các biện pháp xử lý nền, các tính toán cho thấy sự khác biệt hệ số thấm theo hai phương (không quá 4) ảnh hưởng không đáng kể lên kết quả dự báo độ biến dạng theo thời gian

Nền đất yếu của khu vực Thành phố Hồ Chí Minh và Đồng bằng sông Cửu Long

có giá trị OCR lớn ở các lớp đất gần bề mặt Khi giá trị hệ số quá cố kết OCR của đất nền lớn thì độ lún và độ lún lệch giảm đáng kể, sử dụng các mô hình có xét đến giá trị OCR cho phép đánh giá mức độ biến dạng của nền đất yếu hợp lý hơn

- Tỷ số áp lực ngang ξ o (hay K o ): theo lý thuyết cân bằng giới hạn, hệ số áp lực

ngang là tỷ số giữa áp lực hông và áp lực thẳng đứng: o s sx/ z

Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để tính toán cho hệ số này Khoảng nửa thế kỷ trước, hệ số áp lực ngang được vay mượn từ lý thuyết đàn hồi được tính như sau:

Công thức (1.25) khó sử dụng nếu không xác định được giá trị độ bền kiến trúc

Pst, giá trị này phụ thuộc vào loại đất, độ chặt, độ ẩm,…Như vậy giá trị module biến dạng của đất phụ thuộc vào giá trị β (hay hệ số Poisson hoặc áp lực hông) có xét đến trạng thái của đất nền và phụ thuộc vào độ bền kiến trúc của đất

Theo Jaky (1948) mối quan hệ đơn giản nhất của hệ số áp lực ngang ở trạng thái tĩnh ξo cuả đất cố kết thường:

trong đó: φ’ là góc ma sát trong điều kiện thoát nước, công thức này phù hợp với đất rời và đất loại cát

Đối với đất dính hoặc đất loại sét cố kết thường, Alpan đề nghị một công thức thực nghiệm:

νu: hệ số Poisson trong điều kiện không thoát nước;

ν': hệ số Poisson trong điều kiện thoát nước

Như đã biết, module tổng biến dạng không là hằng số đối với vật liệu đất mà nó luôn phụ thuộc vào phạm vi ứng suất tác dụng Do đó, E luôn thể hiện phạm vi ứng suất tác dụng trong quá trình gia tải không thoát nước của đất bão hòa nước đàn hồi đẳng hướng [19] Khi đó, sự biến đổi thể tích εv = 0,

νu = 0,5 và

'

1,51

u

E E





trong đó:

E’: module biến dạng đàn hồi;

Eu : Module không thoát nước

Xét trong thí nghiệm nén không nở hông khi đó (ε2 = ε3 = 0) Module nén một trục được xác định bởi:

Hình 1.8 Quan hệ giữa các module khác nhau

Từ đó ta có mối quan hệ giữa các thông số E’, E’oed và Eu như một hàm của hệ

số Poisson ν' Giá trị hệ số Poisson thay đổi trong khoảng giữa hai đường 0,2 và 0,4 Module không thoát nước Eu và module nén một trục E’oed thỉnh thoảng được dùng cho đất không đàn hồi [19]

Qua một số nghiên cứu cho thấy, với đất sét cố kết thường (NC), module biến dạng có thể suy từ lực dính cuả thí nghiệm nén ba trục không thoát nước theo công thức sau: E = (250÷500)cu

Ở đây: cu - lực dính không thoát nước của sét mềm bão hoà nước

Tương tự với đất sét cố kết trước là: E = (750÷1000)cu

Một vài tương quan thực nghiệm của Mitchell và Gardner (1975) và Schurtmann (1970) cho thấy: E (kPa)=766N (N là chỉ số của thí nghiệm SPT) Tính theo sức kháng mũi xuyên tĩnh giá trị module biến dạng được ước lượng như Bảng 1.4 [3]:

Bảng 1.4 Trị số module biến dạng theo sức kháng mũi đơn vị

Loại đất Trị số module biến dạng E

Á sét và sét 7qc

Duncan, Buchignani (1976) thiết lập quan hệ giữa Eu/Su, OCR và PI như Hình 1.9 [6]

Hình 1.9 Quan hệ Eu/Su với OCR và PI

Module biến dạng tương quan theo kết quả thí nghiệm SPT:

- Module biến dạng của cát có thể được xác định sơ bộ như sau [6]:

60

kN

E , bar trong đó:

- Module biến dạng không nở hông của sét đươc ước tính như sau:

Es = 4,1N60 nếu Ip (hay PI - chỉ số dẻo) ≥ 30;

Es = (8,6-0,15Ip)N60 nếu Ip < 30

Module biến dạng tương quan theo kết quả thí nghiệm SPT:

- Module biến dạng không nở hông của cát được ước tính như sau: Es=αqc, hệ

số α = (3÷8) Tuy nhiên, hệ số α thay đổi khá mạnh, tuỳ theo độ chặt, độ cố kết:

+ Với đất cố kết thường (NC): α≈101,09-0,0075Dr

+ Đất quá cố kết: α≈101,78-0,0122Dr, trong đó Dr(%) - độ chặt tương đối

+ Với đất quá cố kết (OC) ta có mối quan hệ:

3

) 2 1 ( 3

0 '

' ' '

+ Theo thí nghiệm nén ngang DMT ta có mối quan hệ giữa các module [6]: Es=

RMED, trong đó:

RM: thay đổi theo giá trị của ID;

ED là giá trị xác định được từ thí nghiệm DMT

Es trong thí nghiệm nén một trục là module biến dạng trong điều kiện thoát nước và không nở hông ta có:

v s

m

E  1 (mv gọi là a0)

s s

+ Theo kết quả thí nghiệm nén ngang PMT module biến dạng của đất xác định

từ đoạn tuyến tính trên đường cong PMT như sau [6]:

f

f f

c PTM

v v

p p v v v E

266

.2

trong đó:

v0, p0: là thể tích, áp lực “đầu” tại điểm bắt đầu tuyến tính;

vf, pf: là thể tích, áp lực “từ biến” tại điểm kết thúc đoạn tuyến tính;

pL: tương ứng với thể tích vL (là thể tích khi giãn nở 100cm3) mà

vL – v0 = v0 + vc

1.2.2.2 Chỉ số nén

Chỉ số nén sơ cấp của đất được phân chia như sau:

1988

Cc≈ 0,139[Su/σ’vo]-0,58 = 0,5 ÷0,05 Su/σ’vo= 0,1÷4 Xấp xỉ từ bảng của

Schmertmann

Cc=0,156(eo – 0,70107) Đất quá cố kết Bowles (1979)

1.2.2.3 Tương quan giữa hệ số áp lực ngang tĩnh ξ o và hệ số quá cố kết OCR

Đất có khả năng "ghi nhớ lịch sử ứng suất" [6] Dựa trên mối tương quan thể hiện trong kết quả nén lún được trình bày trên biểu đồ thị bán log (Hình 1.10) Trên hình (b) được giải thích chi tiết hơn: ví dụ khi cột đất được đầm chặt, lúc đầm chặt ứng suất đứng σ’vo tăng lên (đường nén sơ cấp a-b), ứng suất ngang σ’ho cũng tăng lên Hệ số nén ngang lúc này là KONC(hay ξONC)là độ dốc đoạn a-b và bằng σ’ho/σ’vo Khi thôi đầm (đường dỡ tải b-c), mặc dù ứng suất đứng σ’vo giảm đi, nhưng đất vẫn

"lưu" lại ứng suất ngang σ’ho (σ’ho có giảm, nhưng không giảm nhiều như σ’vo), do

đó, hệ số nén ngang tăng lên (Kou là độ dốc đoạn a-c); khi đó đất chuyển sang trạng thái quá cố kết