TIỂU LUẬN CÁC ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT VÀ Ý NGHĨA

Biến dạng của đất nền tùy thuộc loại khoáng, loại hạt, loại kết cấu hạt, lịch sử hình thành, lịch sử chịu tải… thông qua các đặc trưng vật lý như: độ rỗng, tỷ trọng đất… Biến dạng của đấ

LỜI NÓI ĐẦU

Trong giai đoạn xây dựng và phát triển đất nước của thời kỳ kinh tế mở, công tác xây dựng cơ bản và giao thông là một trong những nhiệm vụ hàng đầu Để đáp ứng được yêu cầu này, việc nghiên cứu sử dụng đất đá làm nền và môi trường cho các công trình xây dựng khác nhau giữ vai trò hết sức quan trọng

Có thể nói nền móng là một trong các yếu tố quan trọng nhất đảm bảo ổn định công trình xây dựng mà Địa Kỹ Thuật là chuyên môn quyết định việc lựa chọn giải pháp, tính toán thiết kế và xử lý, kiến nghị phục vụ cho công tác thi công Do vậy, khi mà đâu đó còn xảy ra sự cố về lún nhà, nứt đường, trượt lở mái dốc, sập cầu … thì không những kiến thức và kỹ năng Địa Kỹ Thuật có vấn đề mà trách nhiệm Địa Kỹ Thuật cũng không thể xem nhẹ Để hạn chế những bất cập, chúng ta cần nhận thức rõ và đánh giá đúng vai trò Địa Kỹ Thuật trong công tác xây dựng, cần đào tạo, trang bị đồng bộ và thống nhất các tiêu chuẩn – quy phạm và tài liệu kỹ thuật chuyên môn cao, sao cho ngang tầm với khu vực và quốc tế trong tiến trình hội nhập kinh tế quốc tế

Trong xây dựng hiện nay, việc ước lượng độ lún và biến dạng của nền móng công trình là vấn đề hết sức quan trọng đối với người kỹ

sư Điều này cho phép chúng ta tính toán chính xác khối lượng công trình, dự báo chính xác được độ lún và biến dạng của công trình trong quá trình thi công cũng như trong thời gian đưa vào khai thác, sử dụng công trình

Vì vậy, trong giai đoạn khảo sát thiết kế công trình, công tác khảo sát, phân tích các đặc trưng biến dạng của đất và ý nghĩa của chúng là một trong những công tác hết sức quan trọng và cần thiết Điều này sẽ rất có ý nghĩa trong việc tiết kiệm được nhiều chi phí xây dựng cũng như giảm thiểu tối đa các rủi ro về lún, biến dạng của công trình trong lương lai

Vì sự hạn hẹp về thời gian, hạn chế về kiến thức chuyên môn, đề tài không tránh khỏi những sơ sót Chúng tôi rất chân thành nhận được các ý kiến đóng góp quý báu của bạn đọc để đề tài có thể hoàn chỉnh hơn

I KHÁI NIỆM CHUNG

Đất là vật liệu không liên tục gồm các hạt rắn và các lỗ rỗng thông nhau Các hạt rắn dạng hạt (khoáng đá) như: sỏi, sạn, cát và một phần hạt bột không giữ nước trên bề mặt, trong khi đó các hạt dạng bảng, dạng kim (khoáng sét) lưu giữ nước trên bề mặt hạt, nhờ lực hút tĩnh điện, hình thành các màng nước liên kết (vỏ nước) Đất có thể bão hòa nước (thể tích lỗ rỗng chứa đầy nước) hoặc không bão hòa (đất ít ẩm hoặc ẩm)

Các hạt đất hình thành các kết cấu dạng hạt (chặt hoặc rời) cho đất hạt thô (sỏi, sạn, cát), dạng tổ ong, dạng bông cho đất hạt mịn (bột, sét) Dạng kết cấu hạt (dù rời) cũng có biến dạng bé hơn dạng tổ ong và dạng bông Do đó, khung hạt đất khi chịu tải do trọng lượng bản thân hoặc tải ngoài sẽ bị biến dạng, được gọi là biến dạng của đất Biến dạng của đất nền tùy thuộc loại khoáng, loại hạt, loại kết cấu hạt, lịch sử hình thành, lịch sử chịu tải… thông qua các đặc trưng vật lý như: độ rỗng, tỷ trọng đất…

Biến dạng của đất gồm hai thành phần:

 Biến dạng khung hạt thường ứng với tải nhỏ và khi dỡ tải hình dạng khung hạt có thể phục hồi hình dạng ban đầu  biến dạng đàn hồi

 Khung hạt được sắp xếp lại (thay đổi liên kết khung kết cấu) làm giảm thể tích phần rỗng  biến dạng dẻo

Lượng nước chứa trong lỗ rỗng của đất cũng như tính chất của loại nước trong đất cũng ảnh hưởng rất lớn lên sức chịu tải của kết cấu khung hạt và đặc tính biến dạng của đất

Tính biến dạng của đất hay còn gọi là tính nén lún của nó, được xác định bằng khả năng giảm thể tích lỗ rỗng trong một đơn vị thể tích đất dưới tải trọng ngoài Trong trường hợp xác định, chính sự giảm thể tích lỗ rỗng liên quan tới khả năng làm chặt hơn các hạt trong đất Quá trình này kéo theo sự dịch chuyển tất yếu của các hạt đất…

II TÍNH BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT

Thực chất tính biến dạng của đất là sự giảm thể tích lỗ rỗng hay sự dịch chuyển và sắp xếp lại các hạt đất dưới tác dụng của tải trọng ngoài, đồng thời chúng trở nên gần nhau hơn, chặt chẽ hơn Do đó, đôi khi người ta còn gọi biến dạng này là biến dạng thể tích

Thật vậy, đất càng chặt hay càng bền sẽ bị biến dạng càng ít, ngược lại đất càng yếu và xốp càng bị biến dạng nhiều khi chúng chịu tác dụng của tải trọng ngoài như nhau

Để dự đoán tính biến dạng do nén chặt đất dưới tác dụng của tải trọng ngoài, ngoài các trị số ứng suất gây biến dạng, cần phải phân tích thêm một số chỉ tiêu đặc trưng cho tính nén lún của đất như:

 Quan hệ giữa hệ số rỗng (e) với tải trọng ngoài (P): e= f(P)

 Hệ số nén lún a

 Hệ số biến đổi thể tích mv

 Chỉ số nén Cc

 Chỉ số nở Cs

 Hệ số cố kết Cv

 Áp lực tiền cố kết pc

 Module tổng biến dạng của đất E0

 Module biến dạng không thoát nước của đất Eu

 Hệ số Poisson của đất 

III PHÂN TÍCH MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT

P=0KhíNước

1 Khái quát chung

Khi có những lớp đất trải dài chịu tác động của những tải thẳng đứng tác động rộng khắp, lớp đất bị nén theo phương trục z Để mô phỏng trạng thái đất trên, người ta nén đất trong một dụng cụ có tên là máy nén không nở hông hoặc máy nén cố kết như hình 1

Thí nghiệm nén cố kết nhằm mục đích nghiên cứu quá trình cố kết theo lý thuyết Terzaghi Thí nghiệm xác định độ lún do quá trình thoát nước lỗ rỗng trong một mẫu đất dưới tải trọng thẳng đứng Chi tiết các quy định và các bước tiến hành của thí nghiệm nén cố kết có thể tham khảo tiêu chuẩn ASTM D2435

2 Thiết bị thí nghiệm

Mẫu đất được lấy vào trong một dao vòng bằng thép không rỉ, cứng, có đường kính khoảng 70mm, chiều cao khoảng 20mm Dao vòng chứa mẫu đất được đặt trong một hộp nén với hai tấm đá thấm ốp phía trên và dưới Mẫu đất được bão hòa hoàn toàn trong quá trình thí nghiệm trong điều kiện ngập nước

3 Chuẩn bị mẫu

Cắt một khúc đất, trong hộp mẫu nguyên dạng lấy ra trong hộp tôn hoặc nhựa, rồi dùng dao vòng nén ấn từ từ cắt vào trong mẫu Vừa ấn, vừa gọt xung quanh cho đến khi mẫu đất lọt vào dao vòng Công việc cần thực hiện nhẹ nhàng, cẩn thận sao cho không làm xáo động mẫu Dùng con dao sắc cắt phẳng đất ở hai mặt dao vòng Dao vòng và lõi đất được cho vào hộp nén và lắp đặt vào vị trí trong máy nén Lắp đặt và hiệu chỉnh đồng hồ đo độ lún về vị trí 0

4 Tiến hành thí nghiệm

Khi hộp mẫu đã được lắp đặt vào trong vị trí, ta tiến hành chất tải bằng các quả cân vào hệ thống cánh tay đòn ứng với cấp áp lực đầu tiên dự kiến Hộp cho ngập nước, đồng hồ bấm giây được khởi động và bắt đầu đọc chuyển vị lún theo khoảng thời gian cho đến khi ổn định lún

 Chọn cấp áp lực thí nghiệm Trọng lượng các quả cân được lựa chọn sao cho đạt được các cấp áp lực tăng dần như sau:

P= 0.125 – 0.5 – 1 – 2 – 4 – 8 – 16 – 32 (kg/cm2)

 Chọn sơ đồ thời gian đo Ứng với mỗi cấp tải trọng, các số đọc của đồng hồ đo chuyển vị sẽ được ghi nhận ứng với các thời điểm như sau:

T= 6’’ – 15’’ – 30’’ – 45’’ – 1’ – 2’ – 4’ – 8’ – 15’ – 30’ – 1h – 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 24h hay 48h 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, sau khi quá trình cố kết hoàn toàn đạt

được thì tiến hành dỡ tải theo một hay vài giai đoạn

* Một số thông số thu nhận được từ thí nghiệm nén cố kết

a Quan hệ giữa hệ số rỗng e và tải trọng ngoài P

Khi dưới tác dụng của tải trọng nén một trục không nở hông tự do

thì biến dạng thể tích tương đối bằng biến dạng dọc tương đối :

0

hV



Trong đó :

 V0, h0 : thể tích, chiều cao ban đầu của mẫu tương ứng

 V, h : trị số giảm thể tích và chiều cao tương ứng của mẫu đất

Từ phương trình (a.1), ta có :

0

p 0 0 0 0

V

VVhV

Vh

V  Vv= Vse0

V0= Vs(1+e0) Tương tự ta có : Vp= Vs(1+ep)

Thay V0 và Vp vào (a.2), ta nhận được :

)e1(V

)e1(V)e1(Vhh

0 s

p s 0 s 0

eehhS

Thật vậy, dưới tải trọng nén bên ngoài là p1 sẽ cho ta hệ số rỗng

của đất sau khi nén là e1, với p2 cho ta e2 Từ các kết quả thu được, ta

có đồ thị quan hệ e= f(p) như hình 2 sau đây

b Hệ số nén lún a

Đặc trưng nén lún của đất có thể thể hiện thông qua độ dốc của

đường thẳng đi qua hai điểm có giá trị ứng suất khác nhau Độ dốc

của đường này chính là hệ số nén Hệ số nén a về trị số bằng tang

của góc nghiêng với trục ngang của đường cong nén lún trong khoảng

áp lực đã cho

p

etg

2 1pp

eea





c Module tổng biến dạng E 0 , module không thoát nước E u , hệ

số Poisson  và hệ số nén tương đối m v (a 0 )

0

2

0 1 0

v

E

)1

21(E

1e1

aa

2 với  là hệ số Poisson

Như chúng ta đã biết, trong môi trường đất hiện tượng biến dạng

không chỉ diễn ra tức thời mà còn diễn ra theo thời gian (hay còn gọi

là quá trình cố kết) Do đó, trong phân tích biến dạng sử dụng module

đàn hồi cần phân biệt chúng ở hai trạng thái :

 Module đàn hồi không thoát nước (Eu) : khi áp dụng cần kết hợp với hệ số Poisson không thoát nước (u)

Module này biểu hiện là tỷ số giữa ứng suất và biến dạng của đất, sao cho thời gian gia tải tức thì để nước trong đất không thể thoát ra ngoài, nghĩa là hiện tượng cố kết không xảy ra

 Module đàn hồi thoát nước (E0) : khi áp dụng thông số này cần kết hợp với hệ số Poisson ở trạng thái thoát nước ()

Module này được sử dụng trong phân tích lún của nền móng khi

tải trọng tác dụng diễn ra trong thời gian đủ dài để nước trong lỗ rỗng

của khối đất có thể thoát ra hết (nghĩa là quá trình cố kết đã hoàn

tất)

Absi đã chứng minh biểu thức quan hệ giữa hai loại module nêu

trên theo biểu thức sau, khi đất được giả thiết là đàn hồi

d Chỉ số nén C c , chỉ số nở C s , hệ số nén lún a v

Vẽ lại quan hệ giữa hệ số rỗng e và ứng suất nén  (hay p) trên

đồ thị bán logarit như trong hình 4

1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 2.20

2 1 c

plogp

log

eeC





Cc chính là độ dốc của đường nén nguyên thủy, bao gồm cả đặc

tính đàn hồi và dẻo của đất nền

Với đất cố kết bình thường thì độ lún càng tăng khi trị số Cc càng

lớn Các khoảng giá trị sau được dùng để đánh giá cho mức độ nén

lún của đất nền

 Cc< 0.02  Đất hầu như không nén lún

 0.02<Cc< 0.05  Đất nén lún rất ít

 0.05<Cc< 0.1  Đất nén rất ít

 0.1<Cc< 0.2  Đất nén lún trung bình

 0.2<Cc< 0.3  Đất nén lún khá mạnh

 0.3<Cc< 0.5  Đất nén lún mạnh

 Cc> 0.5  Đất nén lún rất mạnh

Hình 4 Đường cong e-logp của thí nghiệm nén cố kết

Chỉ số nở Cs (chỉ số nén lại) được xác định ở phần đường cong dỡ

tải và được xác định theo công thức :

2 1

1 2 s

plogplog

eeC

C435.0a



TB : ứng suất trung bình của hai cấp tải trọng

Công thức tính lún theo quan hệ e-logp :

1 2

1

c

p

ploghe1

CS



Công thức tính độ nở theo quan hệ e-logp :

1 2

1

s

p

ploghe1

CS



e Hệ số cố kết C v

Thông thường sử dụng hai phương pháp để xác định hệ số Cv, tùy

theo loại đất, đó là phương pháp Taylor và phương pháp Casagrande

Phương pháp Casagrande (Hình 5.)

Từ các kết quả đo biến dạng nén lún của mẫu đất dưới mỗi cấp áp

lực ở các thời gian khác nhau, vẽ đường cong cố kết trong tọa độ biến

dạng nén (h) và logarit của thời gian (logt, phút) Ở phần đầu đường

cong, lựa chọn các điểm tương ứng với thời gian t1 (thường chọn t1=

15’’) và t2= 4t1

Gọi hiệu số của số đọc chiều cao mẫu ở thời điểm t1 và 4t1 là s,

chiều cao mẫu lúc đặt gia tải (ứng với mức độ cố kết U= 0) là chiều

cao mẫu ở thời điểm t1 cộng với s

Giao điểm giữa tiếp tuyến của đường cong tại điểm uốn và đường

tiếp tuyến ở phần cuối của đường cong được xem là điểm U100 (ứng

với mức độ cố kết U= 100%) Đường trung bình của U0 và U100 chính

là đường U50 cắt đường cong thí nghiệm tại điểm t50

Hệ số cố kết Cv được xác định theo công thức :

50

2 50 v

t

H197.0

Phương pháp Taylor (Hình 6.)

Từ các kết quả đo biến dạng nén lún của mẫu đất dưới mỗi cấp áp

lực ở các thời gian khác nhau, vẽ đường cong cố kết trong tọa độ biến

dạng nén (h) và căn số bậc hai của thời gian ( t , phút)

Vẽ đường thẳng phù hợp với nhừng điểm ban đầu của đường cong

(thường trong khoảng 50% lượng nén đầu tiên) và kéo dài đoạn thẳng

lên phía trên, đường này cắt trục tung (t= 0) tại điểm U0 (ứng với mức

độ cố kết U= 0) Từ điểm U0 vẽ đường thẳng thứ hai có hoành độ mọi

điểm bằng 1.15 hoành độ của các điểm tương ứng trên đường thẳng

thứ nhất Giao điểm giữa đường này và đường cong thí nghiệm là

điểm U90 (ứng với mức độ cố kết U= 90%) Từ điểm này xác định giá

trị thời gian t90

Hệ số cố kết Cv được xác định theo công thức :

90

2 90 v

t

H848.0

Hình 5 Biểu đồ thí nghiệm cố kết thấm theo phương pháp Casagrande

f Áp lực tiền cố kết p c

Đây là áp lực tối đa mà lớp đất đã bị cố kết trong quá trình lịch sử

hình thành Thông thường, kết quả thí nghiệm thể hiện trên đường

cong e-logp áp lực được phân thành hai nhánh khác biệt Aùp lực tiền

cố kết pc (c) được xác định trên biểu đồ đường cong hình 7

Giá trị áp lực tiền cố kết pc có thể đánh giá mức độ cố kết của đất

nền, ở độ sâu đang xét, thông qua việc so sánh với áp lực cột đất tại

đó 0

Tỷ số tiền cố kết OCR được định nghĩa bằng tỷ số giữa ứng suất

tiền cố kết pc và ứng suất hữu hiệu do trọng lượng bản thân của các

lớp đất bên trên tác động tại điểm lấy mẫu

, cp

p

 OCR= 1: đất cố kết thường

 OCR >1: đất cố kết trước

 OCR <1: đất kém cố kết hoặc chưa đạt đủ quá trình cố kết

do trọng lượng bản thân các lớp bên trên

Hình 6 Biểu đồ thí nghiệm cố kết thấm theo phương pháp Taylor

Xác định ứng suất tiền cố kết p c bằng phương pháp Casagrade

 Chọn điểm A có bán kính chính bé nhất trên đường cong cố kết e-logp

 Vẽ đường tiếp tuyến tại A với đường cong e=logp

 Vẽ đường song song với trục hoành tại A

 Vẽ đường phân giác của góc hợp bởi hai đường trên

 Kéo dài phần tuyến tính của đường nén nguyên thủy, giao điểm của đường này và đường phân giác ta sẽ được điểm ứng với ứng suất tiền cố kết pc

Như vậy, đất có một lịch sử về quá trình chịu áp lực và những biến đổi mà đất phải chịu trong một thời gian rất dài và những thay đổi này được lưu trữ trong cấu trúc của đất

A

Hình 7 Đường cong e-logp của thí nghiệm nén cố kết

Các nguồn gốc của tiền cố kết có thể liệt kê trong bảng sau

Cơ chế của tiền cố kết Tác giả công bố

Những biến đổi tổng ứng suất do:

 Giảm áp lực do trọng lượng bản thân các

lớp đất bên trên

 Những kiến trúc xưa

 Tan băng

Casagrande

Những biến đổi ứng suất nước lỗ rỗng do:

 Sự thay đổi mực nước ngầm

 Áp lực lớp nước artesi

 Sự bơm nước ngầm ở độ sâu hoặc sự chảy

vào các đường hầm sâu

 Sự giảm độ ẩm do hạn hán trên mặt đất

 Sự giảm độ ẩm do thảo mộc trên mặt đất

Kenny (1964)

Những biến đổi cấu trúc của đất do: sự nén thứ

cấp (sự lão hóa)

Raju (1956), Leonard và Rimiah (1959), Leonard và Altschaeffl (1954), Bjerrum (1967, 1972) Những biến đổi của môi trường như sự thay đổi

độ pH, sự thay đổi nhiệt độ hoặc sự tích tụ muối

Những sự biến đổi hóa học do phong hóa, do

lượng mưa, do sự ciment hóa tự nhiên và do sự

Những thay đổi do tỷ số biến dạng với tải trọng Lowe (1974)

g Tính toán cố kết theo thời gian

Lý thuyết Terzaghi cho phép xác định thời gian cố kết trên cơ sở

một số giả thiết Với áp lực nước lỗ rỗng biến đổi theo thời gian t và

chiều sâu z, tính theo phương trình tích phân do Terzaghi thành lập

Một lớp đất dính được xem là đồng nhất, có chiều sâu vô hạn,

chịu tải trọng đồng đều trên toàn bề mặt chịu nén:

2 2

vz

u.Ct

 u – biến đổi áp lực nước lỗ rỗng (=u)

 Cv – hệ số cố kết (cm/s2), liên quan đến hệ số nén av, hệ số thấm k, dung trọng nước w và hệ số rỗng như sau:

v w v

a

)e1(kC





Lời giải của phương trình trong các trường hợp đơn giản nhất, với

các điều kiện giới hạn sau:

 u= 0 tại bất kỳ thời điểm t, tại vị trí lớp thoát nước

z

u 



 tại bất kỳ thời điểm t, tại vị trí lớp cách nước

 u=  cho trường hợp t= 0, tại bất kỳ độ sâu z nào

 u= 0 cho trường hợp t, tại bất kỳ độ sâu z nào

Từ đó dẫn đến U= f(Tv) trong đó U là độ cố kết ở thời gian t

)ABDC(

S

)ABDCMA(

S

Hình 8 Biến thiên áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian và theo

chiều sâu trong quá trình cố kết