DỰ BÁO ĐỘ LÚN CỦA NỀN ĐẮP TRÊN NỀN ĐẤT YẾU TS. LÊ CÔNG THÀNH Bộ môn Đường sắt Khoa Công trình Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Báo cáo đưa ra phương pháp dự báo độ lún cố kết của nền đường trên cơ sở phân tích các kết quả thí nghiệm ép lún các mẫu đất nền và móng. Summary: This report puts forward the method to forecast the consolidation sag of the roadbed on the basis of analysing the results of the experiments on pressing soil paterns of the formation and basement. Trong thiết kế và xây dựng nền đường sắt trên nền đất yếu cần phải tính đến các đặc thù của bài toán: phải chỉ ra các diễn biến của quá trình nén lún dưới tác dụng của tải trọng động, tự trọng của kiến trúc tầng trên và của nền đắp. Dựa trên kết quả thử nghiệm các mẫu đất khác nhau trong hàng loạt nghiên cứu của nhiều tác giả [1, 2] đã chỉ ra rằng quá trình nén và lún diễn ra theo quy luật chặt chẽ và có dạng (tương ứng với độ chặt ): 99,0K > Y = ])cx(exp[.ba 1 K +−+ (1) Thông qua các kết quả thí nghiệm trị số của độ cố kết Y phụ thuộc vào độ lún tương đối của mẫu đất λ, giá trị của đối số tự do x biểu diễn biến thiên của thời gian xảy ra quá trình lún cố kết t (phút). Khi theo dõi độ lún cố kết của nền đường sắt ta bắt đầu từ thời điểm bắt đầu xảy ra quá trình lún cố kết, nghĩa là trị số c = 0. Trong quá trình xử lý các kết quả của thí nghiệm nén lún cần phải xác định cả bốn thông số của (1) theo các kết quả của thí nghiệm. Trong trường hợp này hàm số phụ thuộc sẽ là hệ số nén lún e (mm/m), còn đối số tự do sẽ là đại lượng biến thiên - lực nén ép P (kg/cm 2 ). CT 2 Với sự sử dụng tương quan (1) có thể xác định theo phương pháp phân tích tất cả các thông số cần thiết để xác định các hệ số thực nghiệm. Trong trường hợp riêng độ lún cực đại (cuối cùng) có thể xác định theo công thức: Y c = a 1 (2) Trong đó a - tham số thích ứng của mô hình cố kết. Đại lượng lún ban đầu của mẫu thử tại thời điểm bắt đầu nén có thể xác định theo công thức: λ đ = b a 1 + (3) Trong đó a và b là tham số của mô hình cố kết. Trong trường hợp tổng quát vận tốc của quá trình biến dạng của mẫu tương ứng với mọi giá trị định trước của đối số tự do có thể xác định theo công thức: v(x) = {} ])cx(exp[.ba ])cx(exp[.)cx(k.b k k1k +−+ +−+ − (4) Hình 1. Sự phụ thuộc của biến dạng tương đối e vào lực ép P Việc phân tích kết quả xây dựng các mô hình thí nghiệm nén lún cho phép chỉ ra một số đặc thù động lực học biến thiên vận tốc biến dạng mẫu thử tương ứng với lực ép. Trong đại đa số các trường hợp được khảo sát giai đoạn đầu của ép lún mẫu thử nhận thấy sự gia tăng vận tốc lún, bắt đầu từ giá trị của áp lực P p nào đó quá trình thể hiện sự giảm vận tốc biến dạng một cách rõ rệt khi gia tăng lực ép (hình 1). Một trong những phương án giải thích sự tồn tại của điểm P p - điểm uốn của đường cong nén lún là do trong quá trình lấy mẫu ra từ khối nền móng ở trạng thái tự nhiên xảy ra làm giảm độ lèn chặt của đất bởi đã loại bỏ mất các tải trọng tác dụng lên mẫu đất ở điều kiện tự nhiên. Bởi vậy có thể suy luận rằng trong khi thử nghiệm mẫu đất tại phòng thí nghiệm với lực ép không lớn hơn P p , mẫu đất theo “bộ nhớ” của mình có xu hướng đầu tiên phục hồi trạng thái tự nhiên của mình và chỉ sau đó mới quan sát thấy quá trình biến dạng là hệ quả của gia tăng lực ép so với P p . Trong giai đoạn này quá trình nén lún về căn bản xảy ra theo quy luật đặc trưng của quá trình lún cố kết của mẫu thí nghiệm dưới tác dụng của tải trọng - với sự gia tăng của giá trị của tham số tự do vận tốc quá trình biến dạng sẽ giảm. Trong trường hợp đó mô đun nén lún của lớp đất được khảo sát trong tính toán có thể được xác định theo công thức: E pz = pzpz EE ′ ′ − ′ (5) TCT2 Trong đó: - mô đun biến dạng dưới lực nén ép P = P pz E ′ z + P p ; pz E ′ ′ - module nén lún dưới lực ép P = P p ; P z - ứng suất tính toán tại chân nền đắp do tự trọng của nền đắp. Nhiều nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng thời gian kết thúc giai đoạn lún nhanh hợp lý nhất là xác định theo lý thuyết cố kết của Maslov N. N [1]. Theo nghiên cứu trên từ năm 1941 thời gian cố kết nhanh của kết cấu được xác định theo công thức: T u = u n t. h H ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ (6) Trong đó: u - mức độ cố kết cho trước của đất, %; T u - thời gian tạo lớp và độ cố kết của mẫu đất; h - chiều cao của mẫu thí nghiệm; H - độ dầy của lớp đất tính toán; n - chỉ số của độ cố kết (0 ≤ n ≤ 2). Maslov N. N. đã xây dựng được mối tương quan giữa chỉ số độ cố kết vào phân loại đất, độ sệt và chỉ số dẻo của chúng. Bằng cánh tổng quát hoá các tương quan nêu ra cho phép [2] đưa ra kết luận rằng tồn tại mối tương quan vật lý giữa chỉ số độ cố kết và mức độ bão hoà, độ thấm nước: n = 2 - 0,73.S pw (7) Cách tiếp cận đó cho phép tính toán cấu trúc nền đất với các đặc thù độ cố kết và điều kiện làm việc của đất nền trong cấu trúc đó. Tuy vậy công thức (6), (7) thiếu cơ sở lý thuyết chắc chắn nên gây nhiều tranh cãi. Trong không ít trường hợp đã đã nêu ra nghi ngờ về tính bất biến (một cách tương đối) của giá trị n trong quá trình cố kết. Sử dụng hàng loạt các mẫu thí nghiệm mô hình nén lún trong điều kiện phòng thí nghiệm cho phép [3] đưa ra công thức: n = 1,28 - 0,32.K ck .ln(P p + P z ) (8) Điều đó thêm một lần nữa khẳng định tính bất biến của giá trị n theo thời gian (hệ số độ chặt 0,99). Trong đó K ck - giá trị tham số K của mẫu thí nghiệm; P p - giá trị của lực ép tại điểm uốn của đồ thị trong thí nghiệm nén mẫu đất; P z - ứng suất tính thực tế dưới tác dụng của tự trọng của nền đắp. Trên cơ sở nghiên cứu, phân tích các kết quả tính toán đó cho phép đưa ra hàng loạt kết luận [3]. Các tính toán theo các công thức trên cho kết quả là đại lượng độ lún cuối cùng có khác biệt rất lớn so với các phương pháp truyền thống. Giá trị độ lún vào thời điểm giai đoạn lún cố kết kết thúc (u = 90%) cho kết quả khác biệt rất đáng kể trong nhiều trường hợp. Điều đáng chú ý ở đây là kết quả tính toán theo phương thức nêu ra luôn luôn có giá trị nhỏ hơn so với giá trị đối chứng theo phương pháp truyền thống. Để kiểm chứng sự tương đồng trong tính đã tiến hành tính toán sơ bộ theo phương pháp đưa ra và so sánh với kết quả quan sát thức tế thể hiện các giá trị về độ lớn và quá trình phát triển của độ lún theo thời gian. Các thông tin trong bảng minh chứng một điều rằng tại hai điểm qua sát đầu tiên giá trị độ lún khác với đo đạc thực tế trong giới hạn khảo sát. Giá trị thời gian tính toán T u = 90% ghi nhận để so sánh với đo đạc cụ thể trên hiện trường bởi vì sau đó sự gia tăng độ lún rất nhỏ khó có thể đo chính xác. Trong thí nghiệm hiện trường tương ứng với sơ đồ đưa ra chúng ta khảo sát móng nền đắp có hai lớp. CT 2 Tại điểm quan sát thứ ba sự khác biệt giữa các giá trị được so sánh là rất rõ rệt, điều đó được giải thích bởi độ dày của lớp đất không tương ứng trong sơ đồ tính toán với số liệu chuẩn trên thực tế. Thời gian kết thúc giai đoạn cố kết mạnh ban đầu được tính toán theo phương thức cũ [4] - theo lớp đất tính toán tương ứng với thời gian T u lớn nhất. Hình 2. Đồ thị độ lún tổng cộng của nền móng với hai lớp đất Không khó khăn lắm ta có thể nhận ra rằng với cách tiếp cận như vậy chỉ có một số trường hợp có thể giải được bài toán với đặt vấn đề khi u = 100%, hay cho trường hợp khi dưới móng nền chỉ có một lớp đất tính toán.Trong cấu trúc đất móng nhiều lớp ta có thể nhận được giá trị T thực tế không đặc trưng cho giá trị mức độ lún U cho trước mà là một giá trị không xác định U f , tuỳ vào các điều kiện cụ thể giá trị đó nằm trong khoảng: U ≤ U f ≤ 100% (9) Việc tiến hành các thử nghiệm nén lún trong điều kiện phòng thí nghiệm đối với các mẫu đất nền cho phép cụ thể hoá và điều chỉnh phương pháp tính toán thời gian T u cho cấu trúc móng nền nhiều lớp đồng thời có tính được các ảnh hưởng qua lại giữa các lớp đất đó. Trên hình 2 đưa ra sơ đồ nguyên tắc làm việc của móng nền hai lớp (I và II). Đồ thị độ lún tổng cộng được xem bằng tổng độ lún cố kết của mẫu đất trong lớp móng I và II có tính tới thời gian T u cho kết cấu nới chung. Trong trường hợp ví dụ với kết cấu đang xem xét giá trị tính toán T u (u = 90%) có giá trị nhỏ hơn 15% so với giá trị tương tự được xác định theo phương pháp truyền thống. Các mẫu thử nén lún đất móng trong phòng thí nghiệm dạng (1) có thể xây dựng trên cơ sở kết quả thử nghiệm các mẫu đất có độ cao khác nhau. Ví dụ về các thí nghiệm xác định độ lún của các mẫu có độ cao 1,7; 2; 2,5; 3,75 cm khẳng định sự tương đồng rất lớn trong các tính toán phân tích kết quả thí nghiệm. Trong đó theo nguyên tắc các mẫu thử có độ cao càng lớn thì độ chính xác càng cao. Phân tích kết quả quá trình thử nghiệm xác định độ lún cố kết của các mẫu đất móng trong điều kiện phòng thí nghiệm được nghiên cứu nhằm mục đích khống chế biến dạng của nền đường sắt. Trong quá trình thí nghiệm đã tiến hành khảo sát các mẫu đất mềm, sét có độ cao khác nhau cho phép xác định quy luật thay đổi của các thông số của mẫu thử tương ứng với độ cao của mẫu h m . Trên hình 3 đưa ra đồ thị minh hoạ biến đổi của giá trị thông số K của mẫu thử độ cố kết vào độ cao của mẫu. Xu hướng tương tự xảy ra với các thông số khác của mẫu (a và b). Có thể thể hiện dưới dạng đồ thị các tương quan đó với các đặc thù riêng đồng thời mang một số đặc điểm của xu hướng chung. Cần chú ý rằng trong mọi trường hợp các giá trị các thông số của mẫu đất luôn có giá trị dương. Trong đó giá trị của K luôn nhỏ hơn 1. Hơn nữa tốc độ thay đổi giá trị của các thông số cũng khác nhau. Điều quan trọng nhất là độ cao của mẫu thử càng lớn thì tốc độ biến đổi của các thông số càng giảm và dần tiến đến không. TCT2 Trên cơ sở đó ta có thể đưa ra kết luận: - Đối với các loại đất tồn tại giá trị tới hạn h m - độ cao của mẫu thử trong phòng thí nghiệm, bắt đầu từ độ cao đó các thông số của mẫu thí nghiệm thay đổi không đáng kể. - Đối với các mẫu thử có độ cao lớn hơn h m đại lượng độ lún tương đối trong điều kiện thử nghiệm giống nhau biến đổi không đáng kể; - Với quan điểm tạo ra cơ sở tính toán tính đặc điểm cố kết và độ biến dạng của đất nền móng trong điều kiện phòng thí nghiệm độ cao của các mẫu thí nghiệm, với mục đích loại bỏ ảnh hưởng của kích thước mẫu thử lên kết quả thí nghiệm, cần phải lớn hơn h m ; Hình 3. Sự phụ thuộc của tham số K vào chiều cao h của mẫu thí nghiệm: I, II - đất bùn đường cao tốc Cầu Giẽ - Ninh Bình độ ẩm 600% và 650%; III - đất ruộng ướt đường cao tốc Láng - Hoà Lạc độ ẩm 650%; IV - đất bùn đường sắt Hạ Long - Cái Lân độ ẩm 625% - Với các loại đất khác nhau h m >> 5 cm (các thông số khác tương ứng). Tài liệu tham khảo [1]. Maslov N.N. Cơ sở của địa chất công trình và cơ học đất, M. 1982 (bản tiếng Nga). [2]. Lê Bá Lương. Đánh giá độ ổn định theo thời gian của đất yếu dưới móng của nền đắp theo phương pháp xây dựng miền biến dạng dẻo, Tóm tắt luận án tiến sỹ khoa học kỹ thuật, 1971, MADI, (bản tiếng Nga). [3]. Semediaev L.I. Sử dụng chỉ số độ cố kết trong việc dự báo độ lún của nền đắp trên nền đất yếu. MADI, 1998, (bản tiếng Nga). [4]. Nguyễn Thanh Tùng, Nền đường sắt, GTVT, 2004 ♦ . DỰ BÁO ĐỘ LÚN CỦA NỀN ĐẮP TRÊN NỀN ĐẤT YẾU TS. LÊ CÔNG THÀNH Bộ môn Đường sắt Khoa Công trình Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Báo cáo đưa ra phương pháp dự báo độ lún cố kết của. dựng nền đường sắt trên nền đất yếu cần phải tính đến các đặc thù của bài toán: phải chỉ ra các diễn biến của quá trình nén lún dưới tác dụng của tải trọng động, tự trọng của kiến trúc tầng trên. mức độ cố kết cho trước của đất, %; T u - thời gian tạo lớp và độ cố kết của mẫu đất; h - chiều cao của mẫu thí nghiệm; H - độ dầy của lớp đất tính toán; n - chỉ số của độ cố kết (0 ≤ n ≤ 2).