Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu đánh giá độ cố kết của đất loại sét theo độ lún và mức độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư

HUỲNH KIM LINH NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐỘ CỐ KẾT CỦA ĐẤT LOẠI SÉT THEO ĐỘ LÚN VÀ MỨC ĐỘ TIÊU TÁN ÁP LỰC NƯỚC LỖ RỖNG THẶNG DƯ Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã số: 60580211 LUẬN VĂN

HUỲNH KIM LINH

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐỘ CỐ KẾT CỦA ĐẤT LOẠI SÉT THEO ĐỘ LÚN VÀ MỨC ĐỘ TIÊU TÁN ÁP LỰC NƯỚC LỖ RỖNG THẶNG DƯ

Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Mã số: 60580211

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH - Tháng 01 năm 2018

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS Bùi Trường Sơn Cán bộ chấm nhận xét 1: GS TSKH Nguyễn Văn Thơ Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS Nguyễn Thành Đạt

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 10 tháng 01 năm 2018

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 PGS TS Nguyễn Minh Tâm 2 GS TSKH Nguyễn Văn Thơ 3 PGS TS Nguyễn Thành Đạt 4 PGS TS Tô Văn Lận

PGS TS Nguyễn Minh Tâm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: HUỲNH KIM LINH MSHV: 1570161 Ngày, tháng, năm sinh: 02/07/1992 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã số: 60580211

I TÊN ĐỀ TÀI

Nghiên cứu đánh giá độ cố kết của đất loại sét theo độ lún và mức độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

- Thí nghiệm đánh giá độ cố kết theo giá trị độ lún và áp lực nước lỗ rỗng thặng dư theo thời gian Phân tích tổng hợp kết quả thí nghiệm

- Chọn lựa lý thuyết cố kết phù hợp và tính toán áp dụng phục vụ phân tích đánh giá

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 16/01/2017 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2017 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Bùi Trường Sơn

Tp HCM, ngày 10 tháng 01 năm 2018

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS TS Bùi Trường Sơn

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS TS Lê Bá Vinh

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS TS Nguyễn Minh Tâm

Để hoàn thành được luận văn thạc sĩ này, trước tiên, tác giả xin gởi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến PGS TS Bùi Trường Sơn, người thầy đã gợi mở những ý tưởng đầu tiên về đề tài này và đã tận tình hướng dẫn trong suốt khoảng thời gian từ những ngày đầu tiên cho đến khi luận văn được hoàn thành

Xin gởi lời tri ân đến các thầy cô trong Bộ môn Địa cơ Nền móng, cũng như các thầy cô trong Khoa Kỹ thuật Xây dựng đã giảng dạy rất nhiệt tình và chu đáo từ khi tác giả còn là một sinh viên đại học đến khi là một học viên cao học

Xin cám ơn đã tất cả các bạn, Ban Giám đốc và các đồng nghiệp tại Công ty TNHH Structerre Việt Nam đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian học tập vừa qua

Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 01 năm 2018

Học viên

Huỳnh Kim Linh

Tên đề tài: “NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐỘ CỐ KẾT CỦA ĐẤT LOẠI SÉT THEO ĐỘ

LÚN VÀ MỨC ĐỘ TIÊU TÁN ÁP LỰC NƯỚC LỖ RỖNG THẶNG DƯ” Tóm tắt:

Độ cố kết theo thí nghiệm căn cứ giá trị độ lún và theo lí thuyết căn cứ mức độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư Các thí nghiệm trên mẫu đất sét mềm được thực hiện để đánh giá và so sánh độ cố kết Kết quả thí nghiệm cho thấy áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tiêu tán không đồng thời với độ lún Áp lực nước lỗ rỗng tăng lên sau khi đặt tải và giảm dần sau khi đạt giá trị lớn nhất, thời gian tiêu tán hoàn toàn xấp xỉ thời gian mẫu đất đạt cố kết 100% Lý thuyết cố kết có xét từ biến cốt đất cho phép mô tả gần đúng mức độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư Kết quả nghiên cứu giúp hiểu biết rõ ràng hơn hiện tượng cố kết trong đất loại sét

Title: “STUDY ON CONSOLIDATION DEGREE OF CLAYEY SOIL BASED ON SETTLEMENT AND EXCEED PORE WATER PRESSURE DISSIPATION” Abstract:

Consolidation degree from testing is based on settlement and from theoretical predicting is based on exceed pore water pressure dissipation Testing on soft clayey samples is carried out for evaluation and comparison Testing results show that exceed pore water pressure does not dissipate simultaneously with settlement Exceed pore water pressure increases after loading apply and decreases after reaching to the maximum value Time for complete dissipation is approximate to t100 Consolidation theory accounting on rheological skeleton of soil allows description degree of exceed pore water pressure dissipation Research results help to understand the consolidation process in clayey soils clearly

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Học viên

Huỳnh Kim Linh

Tính cấp thiết của đề tài 1

Mục tiêu nghiên cứu 1

1.1 Các phương pháp ước lượng độ lún 3

1.1.1 Phương pháp căn cứ trên cơ sở lý thuyết nền biến dạng đàn hồi 3

1.1.2 Phương pháp lớp tương đương 6

1.2 Phương pháp xác định độ lún theo thời gian 8

1.2.1 Ước lượng độ lún của nền theo thời gian trong điều kiện bài toán cố kết thấm một chiều 8

1.3 Các bài toán cố kết một chiều và việc đánh giá ảnh hưởng của các nhân tố khác… 11

1.3.1 Việc giải các bài toán cố kết thuộc loại đơn giản của lớp đất bão hòa hoàn toàn 11

1.3.2 Cố kết có xét ảnh hưởng từ biến cốt đất 19

1.3.3 Cố kết có xét độ bền kết cấu 23

1.3.4 Cố kết có xét sự thay đổi e và k trong quá trình cố kết 25

1.3.5 Ảnh hưởng việc xét gradient cột áp ban đầu 26

1.3.6 Xét độ bền kiến trúc và biến dạng phi tuyến cốt đất 28

1.3.7 Lý thuyết cố kết một chiều với mô hình đàn nhớt 30

1.4 Nhận xét chương 34

Chương 2: THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐỘ LÚN VÀ TIÊU TÁN ÁP LỰC NƯỚC LỖ

RỖNG THEO THỜI GIAN 36

2.1 Quy trình thí nghiệm nén cố kết theo TCVN 4200:2012 [15] 36

2.1.1 Phương pháp thử 36

2.1.2 Cách tiến hành 37

2.2 Các phương pháp xác định Cv từ thí nghiệm 39

2.2.1 Phương pháp logarit thời gian (Phương pháp Casagrande) 39

2.2.2 Phương pháp căn bậc hai thời gian (Phương pháp Taylor) 40

2.2.3 Phương pháp giải tích 41

2.2.4 Phương pháp giai đoạn đầu logarit thời gian 42

2.3 Thí nghiệm cố kết có đo u và độ lún theo thời gian 44

2.3.1 Mô hình thí nghiệm 44

2.3.2 Trình tự thí nghiệm 47

2.4 Kết quả thí nghiệm đánh giá độ lún và độ cố kết theo thời gian 48

2.4.1 Kết quả theo thí nghiệm cố kết cổ điển 49

2.4.2 Kết quả thí nghiệm nén cố kết một chiều có đo u 51

2.5 Nhận xét chương 60

Chương 3: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN SO SÁNH 61

3.1 Cơ sở lý thuyết cố kết có xét từ biến cốt đất 61

3.2 Phân tích so sánh độ lún và tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư theo thời gian theo kết quả thí nghiệm và lý thuyết cố kết K Terzaghi 68

3.2.1 Độ lún theo thời gian theo kết quả thí nghiệm và tính toán mẫu thoát nước 2 phương 68

3.2.2 Độ lún theo thời gian theo kết quả thí nghiệm và tính toán mẫu đất thoát nước một phương có đo u 72

3.3 Phân tích so sánh tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư theo thời gian theo kết quả thí nghiệm và lý thuyết cố kết có xét từ biến cốt đất 77

3.4 Nhận xét chương 81

KẾT LUẬN 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ tính toán độ lún theo phương pháp cộng lún lớp phân tố……….4 Hình 1.2 Biểu đồ quan hệ e-logσ………5 Hình 1.3 Sơ đồ tính toán của phương pháp lớp tương đường……….6 Hình 1.4 Các biểu đồ áp lực trong nước lỗ rỗng (uw) và ứng suất lên cốt đất (’) trong lớp đất chịu tải trọng phân bố đều………9 Hình 1.5 Các sơ đồ bài toán cố kết cơ bản thường gặp……….10 Hình 1.6 Sơ đồ bài toán cố kết kết hợp……….11 Hình 1.7 Sự thay đổi áp lực trong nước lỗ rỗng (p) và độ lún của lớp (S) theo thời gian……….17 Hình 1.8 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)……….18 Hình 1.9 Mô hình cơ học của phần tử đất bị cố kết có xét đến từ biến cốt đất……….19 Hình 1.10 Các biểu đồ áp lực trong nước ở thời điểm ban đầu trong quan hệ với tốc độ phát triển biến dạng từ biến (a) và sự thay đổi ứng suất trong cốt đất theo thời gian (b)……… 21 Hình 1.11 Sự thay đổi áp lực trong nước lỗ rỗng và độ lún lớp đất theo thời gian không xét (1), có xét (2) và (3) từ biến……….22 Hình 1.12 Sự thay đổi áp lực trong nước lỗ rỗng và độ lún lớp đất ba pha khi xét (1) và không xét (2) từ biến cốt đất……… 23 Hình 1.13 Biểu đồ áp lực trong nước trong lớp đất có độ bền kết cấu (a) và quan hệ nén lún tính toán (b)……… 23 Hình 1.14 Sự phân bố cột áp trong nước của lớp đất khi có gradient cột áp ban đầu 27 Hình 1.15 Biểu đồ phân bố áp lực trong quá trình cố kết có xét đến độ bền kiến trúc.29

Hình 1.16 Mô hình đàn nhớt của đất L: lò xo tuyến tính, N: cản nhớt phi tuyến……30

Hình 1.17 Biểu đồ quan hệ độ rỗng và ứng suất hữu hiệu………31

Hình 1.18 Biểu đồ quan hệ của độ cố kết và Tv với các giá trị thay đổi của R khi

n = 5……… 34

Hình 2.1 Biểu đồ độ lún theo thời gian theo phương pháp logarit thời gian…………40

Hình 2.2 Phương pháp căn bậc hai thời gian………41

Hình 2.3 Phương pháp giải tích………42

Hình 2.4 Phương pháp giai đoạn đầu logarit thời gian……….43

Hình 2.5 Sơ đồ mô hình thí nghiệm……… 45

Hình 2.6 Thiết bị thí nghiệm thực tế……….46

Hình 2.7 Bộ vi xử lí các tín hiệu……… 46

Hình 2.8 Giao diện kết quả thí nghiệm trên màn hình máy tính……… 48

Hình 2.9 Biểu đồ độ lún theo thời gian cấp áp lực 50 – 100kPa mẫu M2………49

Hình 2.10 Biểu đồ độ lún theo thời gian cấp áp lực 100 – 200kPa mẫu M2…………50

Hình 2.11 Biểu đồ độ lún theo thời gian cấp áp lực 200 – 400kPa mẫu M2…………50

Hình 2.12 Đường nén e – p’ ở 24h và t100 mẫu M2……… 51

Hình 2.13 Đường nén e – logp’ ở 24h và t100 mẫu M2……….51

Hình 2.14 Biểu đồ độ lún theo thời gian cấp áp lực 50 – 100kPa mẫu M1………… 52

Hình 2.15 Biểu đồ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian cấp áp lực 50 – 100kPa mẫu M1……… 53

Hình 2.16 Biểu đồ độ lún theo thời gian cấp áp lực 50 – 100kPa mẫu M2………… 53

Hình 2.17 Biểu đồ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian cấp áp lực 50 – 100kPa mẫu M2……… 54

Hình 2.18 Biểu đồ độ cố kết theo thời gian phụ thuộc vào độ lún và áp lực nước lỗ rỗng cấp áp lực 50 – 100kPa mẫu M2………54 Hình 2.19 Biểu đồ độ lún theo thời gian cấp áp lực 100 – 200kPa mẫu M2…………55 Hình 2.20 Biểu đồ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian cấp áp lực 100 – 200kPa mẫu M2……… 55 Hình 2.21 Biểu đồ độ cố kết theo thời gian phụ thuộc vào độ lún và áp lực nước lỗ rỗng cấp áp lực 100 – 200kPa mẫu M2……… 56 Hình 2.22 Biểu đồ độ lún theo thời gian cấp áp lực 200 – 400kPa mẫu M2…………56 Hình 2.23 Biểu đồ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian cấp áp lực 200 – 400kPa mẫu M2……… 57 Hình 2.24 Biểu đồ độ cố kết theo thời gian phụ thuộc vào độ lún và áp lực nước lỗ rỗng cấp áp lực 200 – 400kPa mẫu M2……… 57 Hình 3.1 Áp lực nước lỗ rỗng u theo thời gian và theo các phương pháp xác định… 65 Hình 3.2 Quan hệ giữa độ lún – áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian……….67 Hình 3.3 Quan hệ của hệ số cố kết U(t) với tác nhân thời gian………67 Hình 3.4 Biểu đồ độ lún theo thời gian từ kết quả thí nghiệm nén cố kết thông thường và kết quả tính toán theo lí thuyết Terzaghi ở cấp áp lực 50 – 100kPa mẫu M2…… 70 Hình 3.5 Biểu đồ độ lún theo thời gian từ kết quả thí nghiệm nén cố kết thông thường và độ lún tính toán có xét đến độ lún cố kết thứ cấp ở cấp áp lực 50 – 100kPa mẫu M2……… 71 Hình 3.6 Biểu đồ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư theo thời gian tính toán theo lí thuyết Terzaghi ở cấp áp lực 50 – 100kPa mẫu M2……… 72 Hình 3.7 Biểu đồ độ lún theo thời gian từ kết quả thí nghiệm nén cố kết có đo u và kết quả tính toán theo lí thuyết Terzaghi ở cấp áp lực 50 – 100kPa mẫu M2……… 74

Hình 3.8 Biểu đồ độ lún theo thời gian từ kết quả thí nghiệm nén cố kết có đo u và độ lún tính toán có xét độ lún thứ cấp ở cấp áp lực 50 – 100kPa mẫu M2………75 Hình 3.9 Biểu đồ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư theo thời gian từ kết quả thí nghiệm nén cố kết có đo u và kết quả tính toán theo lí thuyết Terzaghi ở cấp áp lực 50 – 100kPa mẫu M2……….76 Hình 3.10 Biểu đồ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư theo thời gian từ kết quả thí nghiệm nén cố kết có đo u và kết quả tính toán theo lý thuyết có xét từ biến cốt đất ở cấp áp lực 50 – 100kPa mẫu M2……… 81

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các đặc trưng vật lí của mẫu đất trước và sau thí nghiệm……….48 Bảng 3.1 Độ lún theo thời gian từ kết quả thí nghiệm nén cố kết thông thường và kết quả tính toán theo lí thuyết Terzaghi ở cấp áp lực 50 – 100kPa mẫu M2……… 69 Bảng 3.2 Tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư theo thời gian tính toán theo lí thuyết Terzaghi ở cấp áp lực 50 – 100kPa mẫu M2……… 71 Bảng 3.3 Độ lún theo thời gian từ kết quả thí nghiệm nén cố kết thoát nước một

phương có đo u và kết quả tính toán theo lí thuyết Terzaghi ở cấp áp lực 50 – 100kPa mẫu M2……… 73 Bảng 3.4 Tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư theo thời gian từ kết quả thí nghiệm nén cố kết có đo u và kết quả tính toán theo lí thuyết Terzaghi ở cấp áp lực 50 – 100kPa mẫu M2……….75 Bảng 3.5 Tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư theo thời gian từ kết quả thí nghiệm nén cố kết có đo u và kết quả tính toán theo lý thuyết có xét từ biến cốt đất ở cấp áp lực 50 – 100kPa mẫu M2……….79

MỞ ĐẦUTính cấp thiết của đề tài

Cố kết là một trong các vấn đề quan trọng trong tính toán thiết kế công trình trên đất yếu Việc đánh giá mức độ cố kết của nền đất thường căn cứ giá trị độ lún đo đạc từ thí nghiệm hay quan trắc, trong khi đó, độ cố kết dự tính theo lý thuyết phụ thuộc mức độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư Đề tài “Nghiên cứu đánh giá độ cố kết của đất loại sét theo độ lún và mức độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư” được đặt ra nhằm phân tích, đánh giá mức độ phù hợp của độ cố kết theo giá trị áp lực nước lỗ rỗng thặng dư và độ lún theo thời gian

Mục tiêu nghiên cứu

Để thực hiện nhiệm vụ của luận văn, mục tiêu nghiên cứu được đặt ra bao gồm: - Thí nghiệm đánh giá độ cố kết theo giá trị độ lún và áp lực nước lỗ rỗng thặng dư

theo thời gian - Chọn lựa lý thuyết cố kết phù hợp để tính toán so sánh - Tính toán áp dụng phục vụ phân tích đánh giá

Phạm vi nghiên cứu

Để thực hiện nghiên cứu thí nghiệm so sánh, chúng tôi chọn lựa thí nghiệm trong phòng với thiết bị nén cố kết Trong quá trình thí nghiệm, ngoài giá trị độ lún được ghi nhận, giá trị áp lực nước lỗ rỗng thặng dư cũng được xác định để phục vụ phân tích đánh giá so sánh Trong trường hợp này, sơ đồ bài toán phân tích được giới hạn theo sơ đồ một chiều

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của luận văn bao gồm: - Thí nghiệm và tổng hợp số liệu thí nghiệm - Phân tích đánh giá kết quả thí nghiệm và xây dựng các quan hệ mức độ cố kết

theo độ lún và tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư

- Lập trình tính toán và so sánh kết quả thí nghiệm với kết quả dự tính theo lý thuyết lựa chọn

Ý nghĩa khoa học

Trong thực tế, kết quả quan trắc hiện trường trong nền được xử lí bấc thấm gia tải trước cho thấy mức độ cố kết theo độ lún và áp lực nước lỗ rỗng có sự khác biệt đáng kể Mặc dù vậy, cho đến nay việc áp dụng lý thuyết cố kết thấm theo K Terzaghi vẫn được chấp nhận sử dụng rộng rãi do kết quả độ lún dự tính khá phù hợp với thực tế cũng như sự thuận tiện trong tính toán nhờ các công cụ tính hiện có Ở đây, lý thuyết cố kết của K.Terzaghi chấp nhận sự đồng thời của mức độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư và ứng suất hữu hiệu tương ứng với độ lún ở thời điểm cụ thể và hàng loạt giả thiết khác như ở thời điểm ban đầu (t = 0) thì  u Tuy nhiên, việc nghiên cứu thí nghiệm và tính toán so sánh mức độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư và độ lún thông qua mức độ cố kết giúp làm rõ hơn các hiện tượng xảy ra trong quá trình cố kết thấm Điều này giúp giải thích cũng như hoàn thiện lý thuyết tính toán và phân tích các kết quả quan trắc trong trong công trình thực tế được rõ ràng hơn Đây cũng là ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Chương 1: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG ĐỘ LÚN THEO

THỜI GIAN TRÊN CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỐ KẾT

1.1 Các phương pháp ước lượng độ lún 1.1.1 Phương pháp căn cứ trên cơ sở lý thuyết nền biến dạng đàn hồi

Do đất nền không phải là vật thể hoàn toàn đàn hồi, ngoài biến dạng đàn hồi còn có biến dạng dẻo, nhưng lý thuyết đàn hồi cho đến nay vẫn được áp dụng rộng rãi và có hiệu quả đối với môi trường đất khi tải trọng của công trình tác dụng lên nền đất không gây vùng biến dạng dẻo lớn Vấn đề này đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới xác minh bằng thực nghiệm trong phòng cũng như ngoài hiện trường Do đó, khi tính toán trị số độ lún cố kết sơ cấp có thể trực tiếp sử dụng những thành quả đã đạt được trong lý thuyết đàn hồi Tuy nhiên, để xét đến đặc tính của đất, tức là có kể đến biến dạng dẻo của đất, thì trong tất cả các biểu thức có chứa giá trị số module đàn hồi E’ sẽ được thay bằng trị số module biến dạng tổng quát E0 Khi đó, cơ sở tính toán căn cứ trên lý thuyết đàn hồi [5]

Ngoài độ lún ổn định khi xem nền đất có chiều dày vô hạn và có chiều dày giới hạn ít được áp dụng tính toán hiện nay, phương pháp tổng độ lún các lớp phân tố thường áp dụng rộng rãi nhằm đạt độ chính xác cần thiết Nội dung cơ bản của phương pháp này là chia nền đất thành những lớp nhỏ có chung một tính chất bởi những mặt phẳng nằm ngang, sao cho biểu đồ phân bố ứng suất nén do tải trọng của công trình gây nên trong phạm vi mỗi lớp nhỏ thay đổi không đáng kể và độ lún toàn bộ của nền đất sẽ bằng tổng độ lún của từng lớp nhỏ đã được chia (Hình 1.1) Độ lún của công trình trong trường hợp này sẽ là:

Hình 1.1 Sơ đồ tính toán độ lún theo phương pháp cộng lún lớp phân tố

nii 1

Với: zizioi xiyi

oi1

b

p

hh

765432

Phương pháp này cho kết quả chính xác hơn so với trường hợp xem nền là một lớp duy nhất

Ngồi ra, độ lún cịn cĩ thể tính theo quan hệ e-logσ’ [4]

Hình 1.2 Biểu đồ quan hệ e-logσ

Độ lún tổng cộng của lớp đất cố kết thường được xác định bằng cơng thức:

và nén lại

h - bề dày lớp đất chịu nén e0 – hệ số rỗng ban đầu p0 – áp lực ban đầu (áp lực do trọng lượng bản thân) Δp- số gia áp lực (áp lực bổ sung do tải trọng ngoài) Đối với đất sét cố kết nặng công thức tính toán trở thành

1.1.2 Phương pháp lớp tương đương

Phương pháp lớp tương đương cũng như một số phương pháp khác đều dựa trên cơ sở lý thuyết nền biến dạng tuyến tính Nội dung của phương pháp này là thay việc tính toán độ lún của nền đất dưới tác dụng của tải trọng phân bố đều trên diện chịu tải bằng việc tính toán độ lún của nền đất dưới tác dụng của tải trọng có cùng trị số, nhưng phân bố đều kín khắp trên bề mặt nghĩa là nền bị lún theo điều kiện của bài toán một chiều Điều này cho phép đơn giản hóa việc ước lượng độ lún và có thể sử dụng cho việc ước lượng độ lún theo thời gian [1], [5]

Trường hợp nền đồng nhất

Hình 1.3 Sơ đồ tính toán của phương pháp lớp tương đường

h

zp

zp

Thiết lập công thức tính dựa vào cân bằng độ lún của hai biểu đồ tính lún, cuối cùng ta có công thức tính lún đơn giản như sau:

Trong đó :

0oa

E



20s

so

noiiii 1

sa h za

2h

 

(1.12)

1.2 Phương pháp xác định độ lún theo thời gian 1.2.1 Ước lượng độ lún của nền theo thời gian trong điều kiện bài toán cố kết

a



Với: k – hệ số thấm

a – hệ số nén tương đối của đất

w – trọng lượng riêng của nước Giải phương trình này với các điều kiện biên ban đầu và điều kiện biên thoát nước của lớp đất cố kết cho phép tìm được độ lún theo thời gian của bài toán cố kết thấm một chiều

Trường hợp nén chặt lớp đất chịu tải trọng phân bố đều q (Hình 1.4), đặt tải tức thời vào thời điểm t = 0 Mặt biên của lớp đất ở z = 0 và z = h được xem như thấm nước

Hình 1.4 Các biểu đồ áp lực trong nước lỗ rỗng (uw) và ứng suất lên cốt đất

(’) trong lớp đất chịu tải trọng phân bố đều

Biết ứng suất trong cốt đất ở thời điểm bất kỳ t, có thể xác định độ lún của lớp đất S(t) ở thời điểm đó Lưu ý rằng quan hệ độ lún lớp đất có bề dày h có thể biểu diễn dưới dạng:

v2i 1,3,

22v



h1

h

q

0

lỗ rỗng lên trên hoặc xuống dưới Do đó, mặt phẳng này có thể xem như không thấm và lời giải cho sơ đồ này với nền không thấm có thể nhận được từ (1.14) và (1.16) bằng cách thay h bằng 2h1, tức là:

22v

Sử dụng các điều kiện biên và điều kiện ban đầu, ta tìm được công thức xác định độ lún theo thời gian như sau:

Hình 1.5 Các sơ đồ bài toán cố kết cơ bản thường gặp

h

q

h

q=h z

z

Hình 1.6 Sơ đồ bài toán cố kết kết hợp

Để thuận tiện tính toán, một số tài liệu cho phép sử dụng số hạng đầu tiên với các công thức (1.16), (1.18), (1.19), (1.20) khi độ cố kết đạt giá trị lớn hơn 60% Tuy nhiên, việc tính toán chính xác hơn có thể thực hiện nhờ sự trợ giúp của các phương tiện tính toán bằng các chương trình thiết lập được

1.3 Các bài toán cố kết một chiều và việc đánh giá ảnh hưởng của các nhân tố

khác 1.3.1 Việc giải các bài toán cố kết thuộc loại đơn giản của lớp đất bão hòa hoàn

Trong trường hợp này khi không có mặt khí hút bám, với giả thiết chất tải đất thời (q = const) phương trình cố kết:

2vu

a





Xét trường hợp nén chặt lớp đất chịu tải trọng phân bố đều q (Hình 1.4), đặt tải tức thời vào thời điểm t = 0 Mặt biên của lớp đất ở z = 0 và z = h được xem như thấm nước

Thuật ngữ “đặt tải trọng tức thời “được hiểu là tốc độ đặt tải trọng tĩnh, ở đây xem như trong đất không kịp xảy ra bất kỳ sự thoát nước nào từ các lỗ rỗng của đất Từ kết quả của việc bỏ qua tính nén ép của nước và hạt rắn, độ rỗng hoặc hệ số rỗng của đất ở thời điểm đầu đặt tải t = 0 không thay đổi

Chấp nhận quan hệ của hệ số rỗng với ứng suất trong cốt đất ở dạng quan hệ nén lún e = e0 – ad và lưu ý rằng khi t = 0, e – e0 = 0 ta có ở thời điểm ban đầu d = d0 = 0 Bởi vì trong trường hợp đang xét phương trình cân bằng đối với mọi thời điểm có dạng:

Từ điều kiện d = d0 = 0, p0 = q Từ đó áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ở thời điểm đầu (t = 0) sẽ là:

00

  

T t Z zt

 

vT t1

.C T t



Trong phương trình này hằng số A được xem như do sự tùy chọn B và D

Tìm các hằng số bất kỳ , B và D, sử dụng các điều kiện biên và điều kiện ban đầu của bài toán Lưu ý rằng điều kiện biên (1.25) từ (1.30) tìm thấy rằng B0và

t 0

C i ti z

u D sin exp



i

D2  igp  igp, với i = 1, 3, 5…(2k+1)

Từ kết quả bằng lời giải phương trình (1.22 thỏa mãn điều kiện đầu (1.24) và điều kiện biên (1.25) bài toán, có biểu thức:

2i 1,3,5

Biết ứng suất trong cốt đất ở thời điểm bất kỳ t có thể xác định độ lún của lớp đất S(t) ở thời điểm đó Lưu ý quan hệ độ lún lớp đất có bề dày h có thể biểu diễn dưới dạng:

rỗng của đất và suy giảm áp lực thặng dư hoặc áp lực nước lỗ rỗng trong nước lỗ rỗng theo thời gian Đối với các điều kiện này đặc trưng là sự vắng mặt độ lún mặt lớp ở thời điểm ban đầu (t = 0) khi đặt tải (Hình 1.7)

Mặt phẳng z = h/2 (xem Hình 1.4) là mặt phẳng đối xứng đối với toàn bộ biểu đồ áp lực thặng dư trong nước lỗ rỗng và là biên phân cách các dòng nước bị nén ép ra khỏi lỗ rỗng lên trên hoặc xuống dưới Do đó mặt phẳng này có thể xem như không thấm và lời giải cho sơ đồ này với nền không thấm (Hình 1.8a) có thể nhận được từ (1.34) và (1.36) bằng cách thay h bằng 2h1, tức là:

2i 1,3,5

3

1

32

p =qo

o

ppo0

o

s

o

ss*s

Hình 1.8 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)

Bằng cách tương tự giải các phương trình (1.22) có thể nhận được các quan hệ đối với việc xác định ứng suất trong lớp đất được cố kết dưới tác dụng của trọng lượng bản thân bzb trong điều kiện san lấp tức thì lên lớp đất trên nền không thấm (1.8b) và thoát nước (1.8c) Khi ở mặt trên của lớp đất xuất hiện tức thì áp lực nước lỗ rỗng biên trong nước Hs (Hình 1.8d) làm xuất hiện lực thấm  = wHs/h làm tăng nhanh quá trình cố kết lớp đất Trong trường hợp này điều kiện ở vùng biên khi t = 0: u = Hs, khi t > 0 và z = 0: u = 0 và khi t > 0 và z = h: u = Hs đưa đến việc giải phương trình (1.22) ở dạng:

2v

t2 t1 t=0q

t2 t1 t=0

h t2

 t=0t= 8

t2t1Hs

hợp tăng tải trọng q theo định luật tuyến tính, còn đối với trường hợp phát triển đồng đều lớp đất được nén chặt dưới ảnh hưởng của trọng lượng bản thân Do đó chú ý rằng đối với đa số bài toán thực tế đủ trong các biểu thức (1.34) (1.39) và nó thuận tiện để tính một hoặc nhiều nhất hai, ba số hạng của dãy

1.3.2 Cố kết có xét ảnh hưởng từ biến cốt đất

Ảnh hưởng của biến dạng cốt đất theo thời gian lên quá trình cố kết dễ thấy hơn có thể đánh giá; xét mô hình cơ học của phần tử đất K Terzaghi ở dạng bình chứa với nước, pittông và lò xo, thêm vào ở góc lò xo sức ma sát nhớt (Hình 1.9) được tạo bởi các viên bitum Khi có nước trong bình, ma sát do nén nước xuyên qua lỗ hở trong pittông dùng để mô hình hóa độ thấm của đất Dĩ nhiên là lỗ hở càng lớn trong pittông (độ thấm của đất càng lớn) và độ nhớt các biên bitum càng cao thì càng rõ ràng tính chất từ biến cốt đất, càng giảm áp lực trong nước và phần lớn tải trọng chuyển nhanh sang lò xo, tức là lên cốt đất Khi độ thấm của đất thấp là khe hở rất nhỏ trong pittông tốc độ biến dạng của lò xo ngược lại sẽ được xác định cơ bản bằng ma sát của các viên bitum, tức là của hiện tượng từ biến cốt đất sẽ không lớn

Hình 1.9 Mô hình cơ học của phần tử đất bị cố kết có xét đến từ biến cốt đất

Trong trường hợp bài toán một chiều phương trình cố kết của đất hoàn toàn bão hòa nước có xét đến từ biến cốt đất và không có biến dạng tức thời cốt đất (a0 = 0) có dạng:

a

 

 

Đối với bài toán cố kết lớp đất đơn giản đã xem xét ở trên khi đặt tải trọng tức thời q, điều kiện ban đầu:

2v2w

z



2w 1 1

h1 e ki

a h





1 1

k0

Hình 1.10 Các biểu đồ áp lực trong nước ở thời điểm ban đầu trong quan hệ

với tốc độ phát triển biến dạng từ biến (a) và sự thay đổi ứng suất trong cốt đất theo

thời gian (b)

Hình 1.11 Sự thay đổi áp lực trong nước lỗ rỗng và độ lún lớp đất theo thời

gian không xét (1), có xét (2) và (3) từ biến

Như vậy việc xét ảnh hưởng từ biến đưa đến vào chu kỳ đầu thời gian sau khi đặt tải việc giảm áp lực trong nước lỗ rỗng (Hình 1.10) và tăng ứng suất trong cốt đất Rõ ràng rằng điều đó suy ra từ quan hệ (1.42) với việc tăng bề dày h của lớp chịu nén, áp lực trong nước tăng lên đáng kể và việc giải bài toán sẽ tiếp cận với trường hợp thông thường không xét hiện tượng từ biến cốt đất

Do đó chú ý rằng việc xét đồng thời từ biến và sự xuất hiện khí hút bám đưa đến (khi đặt tải trọng q tức thời) sự phát triển từ từ áp lực lỗ rỗng theo thời gian đến cực đại với giảm tiếp theo đến 0 (Hình 1.11)

t

S*Spo''po'po=q p

Hình 1.12 Sự thay đổi áp lực trong nước lỗ rỗng và độ lún lớp đất ba pha khi

xét (1) và không xét (2) từ biến cốt đất

1.3.3 Cố kết có xét độ bền kết cấu

Hàng loạt đất rất rời xốp có độ bền kết cấu ctp thể hiện tương đối rõ rệt, khi đạt đến giá trị này xuất hiện sự phá hoại các liên kết xi măng giữa các hạt và sự nén chặt đất mạnh mẽ Đặc điểm của quá trình cố kết các loại đất đó là sự xuất hiện theo thời gian biên bị chuyển dịch, trên đó thỏa điều kiện  = ctp và như vậy có thể đặc biệt lưu ý trên Hình (1.13b) xảy ra sự biến đổi lớn hơn hệ số rỗng e và độ rỗng của đất

Hình 1.13 Biểu đồ áp lực trong nước trong lớp đất có độ bền kết cấu (a) và

Trong trường hợp đơn giản như đã trình bày ở Hình 1.13a, biên giới r phá hoại kết cấu ( = ctp) xuất hiện ở mặt lớp và theo lớp đất, chia lớp (Hình 1.13a) thành vùng cố kết mạnh II (z < r) còn có các liên kết kết cấu, trong phạm vi này đất có tính nén ít và trong hàng loạt trường hợp có thể xem như không chịu nén Trong trường hợp tổng quát trong toàn bộ các vùng diễn ra hiện tượng cố kết được mô tả bởi phương trình (1.22) nhưng trong mỗi vùng với một hệ số riêng của mình CVI hoặc CVII, hơn nữa đương nhiên là CVII nhỏ hơn CVI đáng kể Trên biên của các vùng (z = r) trong phạm vi của lớp phân tố có bề dày dr phải thỏa điều kiện cân bằng nước, tức là hiệu số lưu lượng nước qua mặt giới hạn của lớp dr phải bằng sự thay đổi hàm lượng nước trong lớp đất đó sau một khoảng thời gian dt có thể biểu diễn dưới dạng:

Trong phần kết luận của đoạn này cần phải nhấn mạnh rằng các lời giải của bài toán cố kết một chiều đất hai pha không xét từ biến của cốt đất và khi đặt tải trọng nén chặt tức thời dẫn đến áp lực có thể lớn đáng kể trong nước lỗ rỗng ở chu kỳ đầu phát triển quá trình cố kết đất Xét độ thấm không gian, việc đặt tải trọng nén chặt dần dần, từ biến cốt đất và sự xuất hiện khí hút bám làm giảm áp lực lỗ rỗng, đặc biệt ở giai đoạn đầu cố kết, chứng kiến về sự truyền ảnh hưởng nén ép lên cốt đất và như qui luật đưa đến kết luận có lợi về độ bền và ổn định bằng các phương pháp đã xem xét của lý thuyết cố kết của các công trình và nền của chúng

1.3.4 Cố kết có xét sự thay đổi e và k trong quá trình cố kết

Xét biến dạng phi tuyến cốt đất và hệ số thấm của đất: Trong phạm vi rộng của tải trọng nén chặt trong đất yếu, biến dạng phát triển đáng kể nên hệ số rỗng giảm kèm theo sự suy giảm hệ số thấm Xét các hiện tượng này trong phân tích bài toán một chiều là cần thiết do chúng ảnh hưởng đáng kể lên đặc điểm tiêu tán áp lực nước NLR thặng dư và độ lún theo thời gian

Ở đây, tính nén ép và tính thấm của đất yếu phụ thuộc phi tuyến vào tải trọng nén chặt, tức là:

 a '

0e   e( ') b 1 e  

2a.p .n C .t

e 

1 e

 

Trường hợp riêng khi  w 1, biểu thức trùng với lời giải của K Terzaghi

1.3.5 Ảnh hưởng việc xét gradient cột áp ban đầu

Như đã trình bày, hiện tượng thấm trong một vài loại đất nào đó, ví dụ trong đất sét cứng được bắt đầu chỉ khi vượt quá bởi gradient cột áp của đại lượng gradient cột áp ban đầu io Trong trường hợp này phương trình cố kết lớp đất hai thành phần với ứng suất ổn định không đổi xuất phát từ dạng cuối cùng của phương trình cố kết (1.22) trở thành:

0w

Trong trường hợp bài toán cố kết đơn giản lớp đất hai thành phần dưới tải trọng không đổi q, sự phân bố cột áp ban đầu và các giá trị biên như trước đây, tức là t = 0, Ho

Từ đó lời giải của bài toán cố kết đơn giản có xét đến gradient ban đầu cột áp khác ở chỗ: trong quá trình cố kết xuất hiện biên cản theo thời gian (Hình 1.14a) phân chia vùng đất bị nén chặt và không bị nén chặt, ở đó thỏa mãn điều kiện H/z = io = tg Trong quá trình nén chặt biên này di chuyển vào sâu trong lớp đất và trong trường hợp đặt được rmax còn lại vùng đất không bị nén chặt ho, ở toàn bộ tải trọng được tiếp