Nghiên cứu đặc tính nén lún của đất yếu khu vực Thị Vải - Cái Mép

Nghiên cứu đặc tính nén lún của đất yếu khu vực Thị Vải - Cái Mép dựa trên kết quả thí nghiệm Oedometer và thí nghiệm tốc độ biến dạng không đổi (CRS)

Đại Học Quốc Gia Tp.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

KHOA: KỸ THUẬT ĐỊA CHẤT & DẦU KHÍ

BỘ MÔN: ĐỊA KỸ THUẬT

HỌ VÀ TÊN: Đoàn Thị Hoàng Oanh MSSV: 30601728

1 Đầu đề luận văn: Nghiên cứu đặc tính nén lún của đất yếu khu vực Thị Vải - Cái Mép dựa trên kết quả thí nghiệm Oedometer và thí nghiệm tốc độ biến dạng không đổi(CRS)

2 Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu):

 Tìm hiểu đặc điểm địa chất của khu vực Thị Vải - Cái Mép

 Xác định đặc tính nén lún của khu vực này từ thí nghiệm trong phòng

 So sánh ưu nhược điểm của hai thí nghiệm Oedometer và CRS

 Phân tích đặc tính nén lún của khu vực Thị vải - Cái Mép

3 Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 30/10/2010

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 31/12/2010

5 Họ tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn:

Ths Nguyễn Hữu Uy Vũ

TS Phan Thị San Hà

Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ môn

Ngày … tháng … năm 2011

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN:

Người duyệt (chấm sơ bộ): _

Tuy thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp còn hạn chế nhưng đó cũng chính làkhoảng thời gian vô cùng quý giá, giúp em tổng hợp lại nhiều kiến thức đã tích lũytrong quá trình học tập, cũng là khoảng thời gian cho em nghiêm túc thực hiện làmviệc và hoàn thành luận văn này Để luận văn này hoàn thành, ngoài nổ lực bản thân,

em còn nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo, động viên và giúp đỡ rất tận tình từ gia đình,thầy cô và bạn bè

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến:

TS Phan Thị San Hà, Bộ môn địa kỹ thuật, khoa kỹ thuật Địa Chất & Dầu Khí,

Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

Ths Nguyễn Hữu Uy Vũ, giám đốc Công ty Địa Kỹ Thuật và Giao Thông Anh Vũ

(thuộc PortCoast Consultant), 77 Thạch Thị Thanh, phường Tân Định, Quận 1,Tp.HCM

Ths Nguyễn Võ Đăng Thọ, giám đốc kỹ thuật công ty Địa Kỹ Thuật và Giao Thông

Anh Vũ (thuộc PortCoast Consultant), 77 Thạch Thị Thanh, Quận 1, Tp HCM

KS Trương Hòa Bình (trưởng phòng thí nghiệm và kiểm định công trình) và

Ths Nguyễn Hồng Sơn cùng các anh chị kỹ sư, kỹ thuật viên trong công ty Địa Kỹ

Thuật và Giao Thông Anh Vũ đã tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian thực tập tạicông ty và trong lúc làm luận văn

Các bạn lớp DC06KT trường Đại Học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô trong khoa Kỹ Thuật Địa Chất

& Dầu Khí đã giảng dạy em trong suốt bốn năm qua

Luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, em xin chân thành tiếp thunhững chỉ bảo đóng góp quý báu của Thầy cô và bạn đọc

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Công trình cần xử lý nền đất yếu đều phải tính lún và ước tính được tốc độ lún, các đặctính về nén lún được xác định từ thí nghiệm nén cố kết Khoa học công nghệ ngàycàng tiên tiến, thiết bị ngày càng hiện đại Nhiều mô hình thí nghiệm với thiết bị ghi

số liệu và suất kết quả báo cáo tự động (giảm sai số do con người) ra đời cho phépnghiên cứu đặc tính nén lún của đất nền chi tiết rõ ràng hơn Luận văn này nghiên cứuđặc tính nén lún khu vực Thị vải – Cái Mép dựa vào kết quả hai thí nghiệm cố kếttrong phòng là thí nghiệm Oedometer và thí nghiệm tốc độ biến dạng không đổi(CRS) Từ đó bước đầu có những nhận xét, so sánh ưu nhược điểm của hai thí nghiệm

này Đề tài luận văn là: Nghiên cứu đặc tính nén lún của đất yếu khu vực Thị Vải – Cái Mép dựa trên kết quả thí nghiệm Oedometer và thí nghiệm tốc độ biến dạng không đổi (CRS) Nội dung chính của luận văn gồm:

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Đặc trưng tính chất cơ lí đất yếu khu vực Thị vải - Cái Mép

Chương 4: Minh giải kết quả

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU xi

1 Tính cấp thiết của đề tài xi

2 Mục đích xi

3 Nhiệm vụ xi

4 Phương pháp nghiên cứu xi

5 Cơ sở dữ liệu xii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1-1

1.1 Lịch sử nghiên cứu 1-1

1.2 Lý thuyết cố kết thấm của K.Terzaghi và phương trình thấm 1-4

1.2.1 Lý thuyết cố kết thấm của K.Terzaghi 1-4 1.2.2 Phương trình thấm 1-7

1.3 Lý thuyết mô hình biến dạng là hằng số (CRS) 1-9

1.3.1 Phương pháp của Smith & Wahls (1969) 1-9 1.3.2 Phương pháp của Wissa (1971) 1-12 1.3.3 Phương pháp của Umehara & Zen(1980) 1-15 1.3.4 Phương pháp của Lee (1981) 1-16

1.4 Tốc độ biến dạng trong thí nghiêm CRS 1-18

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2-20

2.1 Thí nghiệm Oedometer 2-20

2.1.1 Nguyên lý thí nghiệm 2-20 2.1.2 Thiết bị và các bước tiến hành 2-21 2.1.3 Phương pháp xác định các thông số trong thí nghiệm 2-22 Phương pháp Casagrande 2-22 Phương pháp Taylor 2-23 2.1.4 Kết quả thí nghiệm 2-27

2.2 Thí nghiệm tốc độ biến dạng là hằng số (CRS) 2-28

2.2.1 Nguyên lý thí nghiệm 2-28 2.2.2 Thiết bị và các bước tiến hành 2-29 2.2.3 Phương pháp xác định các thông số trong thí nghiệm: 2-30 2.2.4 Kết quả thí nghiệm: 2-32

CHƯƠNG 3: ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT CƠ LÝ ĐẤT YẾU KHU VỰC THỊ VẢI - CÁI MÉP 3-35

3.1 Đặc điểm địa chất khu vực Thị Vải - Cái Mép 3-36

3.3 Sưu tập số liệu đặc tính nén lún khu vực Thị vải – Cái Mép 3-44

CHƯƠNG 4: MINH GIẢI KẾT QUẢ 4-46

4.1 Đặc tính nén lún 4-46 4.2 Hệ số cố kết thẳng đứng C v 4-48 4.3 Ứng suất tiền cố kết: 4-50

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4-57

Kết luận 4-57 Kiến nghị 4-57

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1.1: Sơ đồ các thí nghiệm cố kết liên tục 1-3 Hình 1.2: Mô tả quá trình nén lún 1-5 Hình 1.3: Sự phân bố biến dạng bên trong mẫu theo phương pháp Smith & Wahls 1-12 Hình 1.4: Sự phân bố biến dạng bên trong mẫu theo phương pháp Wissa 1-13 Hình 1.5: Sự phân bố biến dạng bên trong mẫu theo phương pháp Umahara & Zen 1-15 Hình 1.6: Sự phân bố biến dạng bên trong mẫu theo phương pháp Lee 1-17 Hình 2.1: Mặt cắt mẫu đất trong hộp nén 2-20 Hình 2.2: Ví dụ về chất tải và dỡ tải trong thí nghiệm Oedometer 2-20 Hình 2.3: Thiết bị nén cố kết Oedometer 2-21 Hình 2.4: Mẫu đất trong hộp nén 2-21 Hình 2.5: Xác định hệ số C v theo phương pháp Casagrande 2-22 Hình 2.6: Xác định hệ số C v theo phương pháp Taylor 2-23 Hình 2.7: Xác định ’ p theo phương pháp ( a) và (b) 2-24 Hình 2.8: Xác định a v từ đồ thị e - ’ 2-25 Hình 2.9: Xác định C c từ đồ thị e - log’ 2-26 Hình 2.10: quan hệ giữa ứng suất tiền cố kết và ứng suất hữu hiệu thẳng đứng 2-26 Hình 2.11: Mô hình mẫu dặc trưng cho mô hình CRS 2-28 Hình 2.12: Thiết bị đo trong thí nghiệm CRS 2-29 Hình 2.13: Dụng cụ cho việc lắp mẫu vào hộp nén 2-29 Hình 2.14: Thiết bị thí nghiệm CRS 2-30 Hình 3.1: Vị trí cảng Container Quốc Tế Cái Mép 3-35 Hình 3.2: Sơ đồ đối sánh một số kết quả nghiên cứu địa tầng Holocen ở thềm lục địa Vũng Tàu 3-36 Hình 3.3: Mặt bằng bố trí các điểm khảo sát địa chất 3-38 Hình 3.4: Mặt cắt địa chất điển hình dưới nước 3-41 Hình 3.5: Mặt cắt địa chất điển hình trên bờ 3-42 Hình 3.6: Mặt cắt tổng hợp tính chất vật lý theo cao độ 3-44 Hình 3.7: Mặt cắt tổng hợp tính chất cơ học theo cao độ 3-45 Hình 4.1: Đồ thị Chỉ số C c , C r , C s được vẽ theo cao độ 4-47 Hình 4.2: Đồ thị quan hệ e – log(')) 4-48 Hình 4.3: Đồ thị quan hệ C v – log(')) 4-49 Hình 4.4: Đồ thị quan hệ C v – log(')) của các mẫu thí nghiệm CRS 4-50 Hình 4.5: Đồ thị tỷ số áp lực nước lỗ rỗng R u theo ứng suất hữu hiệu 4-52 Hình 4.6: Đồ thị ’ vo , ’ p( oed) , ’ p(CRS) , ’ (p Ru) được biểu diễn theo cao độ 4-53

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 1.1 Bảng độ cố kết U z và hệ số thời gian T v 1-8

Bảng 1.2 Bảng tổng hợp các lý thuyết nghiên cứu mô hình CRS 1-17 Bảng 1.3 Bảng tốc độ biến dạng đề nghị của ASTM D4186-82 1-18 Bảng 1.4 Bảng tốc độ biến dạng đề nghị của ASTM D4186 - 06 1-19 Bảng 1.5 Bảng tổng hợp giá trị của tỷ số R u kiến nghị của các nhà nghiên cứu 1-19 Bảng 3.1 Bảng tổng hợp khối lượng khảo sát địa chất 3-39 Bảng 3.2 Bảng tổng hợp tính chất cơ học – vật lý của đất ở khu vực Thị Vải – Cái Mép 3-43

Bảng 4.1 Bảng tổng hợp các chỉ số nén C c , C r của thí nghiệm oedometer và thí nghiệm CRS trên hố khoan TCM 14 4-46

Bảng 4.2 Bảng tổng hợp các chỉ số nén ’ vo , ’ p( oed) ,’ p(CRS) ,’ (p Ru) của thí nghiệm oedometer và thí nghiệm CRS 4-50

Bảng 4.3 Bảng tổng hợp các giá trị hệ số quá cố kết OCR của thí nghiệm oedometer và thí nghiệm CRS 4-54 Bảng 4.4 Bảng tổng hợp các giá trị OCR trung bình theo từng lớp 4-56

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT- SYMBOL

C Chỉ số nén thứ cấp hiệu chỉnh

CG Gradient áp lực nước lỗ rỗng là hằng số Constant pore pressure gradient

Hằng số mũ e

Cơ số logarit tự nhiên

Void ratioExponential ConstantBase of natural logarithm

kg Kilôgam Kilogramme

Khối lượng

MeterMass

Oedometer Thí nghiệm cố kết truyền thống One-Dimension Consolidation test

Bán kính (m, cm)

Strain rate at surface the specimenRadius

r e Tốc độ biến đổi hệ số rỗng trung bình

t s Thời gian bắt đầu quá trình nén thứ cấp

t 50

t 90

Thời gian đạt 50% cố kếtThời gian đạt 90% cố kết

Time for 50% consolidationTime for 90% consolidation

V

Thể tích Dòng chảy

VolumeFlows

H, h Độ giảm chiều cao khối đất sau thí

nghiệm, sau mỗi cấp tải

Total change in thickness

e s Sự thay đổi hệ số rỗng thứ cấp

δ

Góc

Độ chuyển vị

AngleDeflection

ứng suất hữu hiệu trung bình (kpa) Average vertical effective stressỨng suất hữu hiệu trung bình thứ n

MỞ ĐẦU

Khi tốc độ xây dựng mới các cơ sở hạ tầng ngày càng diễn ra nhanh, nhiều côngtrình đặt trên những vị trí không thuận lợi vì hầu hết các nơi đó bề mặt địa hình lạiđược phủ bởi lớp trầm tích trẻ chưa cố kết nên đất nền có khả năng chịu tải kém vàtính nén lún mạnh Vì thế việc áp dụng các biện pháp cải tạo đất nhằm cải thiện khảnăng chịu tải của đất nền và giảm nguy cơ gây lún là nhiệm vụ đặt ra đầu tiên trướckhi tiến hành thi công công trình Những thông số quan trọng khi nghiên cứu tính toán

lún của đất nền như C v , C c Rất nhiều mô hình thí nghiệm ra đời từ những thập niên

70 cho phép nghiên cứu đặc tính nén lún của đất nền chi tiết rõ ràng hơn như:

Mô hình chất tải từng cấp; mô hình tốc độ biến dạng không đổi (CRS); Mô hìnhtốc độ gia tải không đổi (CRL); Mô hình gradient áp lực nước lỗ rỗng không đổi(CG); Mô hình tỷ số giữa áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất tác dụng không đổi (CPR);kiểm soát áp lực ngược (BPC)

Đề tài này nghiên cứu đặc tính nén lún của đất yếu khu vực Thị Vải - Cái Mép dựavào thí nghiệm Oedometer và mô hình thí nghiệm tốc độ biến dạng là hằng số (CRS)

và bước đầu rút ra những so sánh nhận xét ban đầu

Mục đích của đề tài là xác định đặc tính nén lún của đất yếu khu vực Thị Vải – CáiMép dựa vào kết quả thí nghiệm Oedometer và CRS có phân tích so sánh ưu nhượcđiểm của hai mô hình thí nghiệm và rút ra kết luận

Luận văn này sẽ đóng góp thêm vào lĩnh vực địa kỹ thuật những nghiên cứu vềđặc tính cố kết đất yếu ở khu vực Thị vải - Cái Mép dựa theo mô hình thí nghiệm tốc

độ biến dạng không đổi Nội dung nghiên cứu bao gồm các mục chính sau đây:

 Tìm hiểu đặc điểm địa chất của khu vực Thị Vải - Cái Mép

 Xác định đặc tính cố kết từ thí nghiệm trong phòng

 So sánh ưu nhược điểm của hai thí nghiệm Oedometer và CRS

 Phân tích đặc tính nén lún của khu vực Thị vải - Cái Mép

Với nội dung trên, việc nghiên cứu sẽ được tiến hành theo các phương pháp sau:

1 Phương pháp địa chất: Nghiên cứu về điều kiện thành tạo và quy luật phân bốcác trầm tích Holocen tại khu cực Thị Vải – Cái Mép

2 Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thí nghiệm trong phòng để xác định cácchỉ tiêu vật lý đặc trưng và xác định các thông cố kết của đất qua thí nghiệm cốkết Oedometer và CRS

3 Phương pháp tính toán lý thuyết: Tính toán xác định các thông số cố kết đất nềncủa các mẫu đất thí nghiệm.

4 Phương pháp xác suất thống kê: Xử lý và tổng hợp kết quả thí nghiệm

Đề tài nghiên cứu đặc tính nén lún của đất yếu tại khu vực Thị vải – Cái Mép dựavào các hồ sơ báo cáo khảo sát địa chất, hồ sơ báo cáo quan trắc địa kỹ thuật do Công

ty Cổ phần Tư vấn Thiết kế Cảng - Kỹ thuật Biển (PortCoast Consultant) lập và cácmẫu thí nghiệm kiểm chứng do chính tác giả thực hiện tại phòng Thí nghiệm kiểmđịnh công trình Công ty Địa Kỹ Thuật và Giao Thông Anh Vũ (thuộc PortCoastConsultant

CHƯƠNG 6: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

6.1 Lịch sử nghiên cứu

Từ những năm 20 của thế kỷ XX, quá trình cố kết của mẫu đất bão hòa nước đã

được nghiên cứu bởi Terzaghi dựa trên mô hình nén một trục Lý thuyết này dần được

hoàn thiện bởi nhiều nhà khoa học trên thế giới Một trong những đóng góp cần được

kể đến là việc xây dựng các bài toán trên cơ sở kết hợp giữa mô hình cố kết một trục

với các mô hình lưu biến như: Mô hình thể hiện quan hệ tuyến tính giữa hệ số rỗng và

logarit của ứng suất hữu hiệu (Davis và Raymond-1965); Mô hình thể hiện hệ số rỗng

là hàm của ứng suất hữu hiệu (Taylor và Merchant-1940); Mô hình thể hiện hệ số rỗng

là hàm của ứng suất hữu hiệu và thời gian (Koppejan-1948, Bjerrum – 1967 và

Hansem - 1969 Trên thực tế, bài toán cố kết một trục của Terzaghi vẫn là mô hình

chính để tính toán các đặc trưng cố kết [15]

Cho tới những thập niên 70, thí nghiệm cố kết truyền thống, dựa trên lý thuyết

Terzaghi được sử dụng để xác định những đặc trưng nén của đất dính Trong thí

nghiệm nén này, thông thường tỷ số tải gia tăng (LIR) đồng nhất (LIR= =1)

được áp dụng mặc cho đôi lúc là không cần thiết, để cho kết quả ứng suất tiền cố kết

tốt hơn thì tỷ số tải gia tăng LIR = 0,5 đối với những cấp tải của giai đoạn nén lại và

LIR = 1 đối với các cấp tải của giai đoạn nén đi và mỗi bước tăng được giữ trong 24

giờ mà nó được cộng dồn vào thời gian thí nghiệm Điều này mô phỏng các điều kiện

tải trọng của lý thuyết Terzaghi và cho phép nội suy dữ liệu để xác định k và C v Khi

sử dụng tỷ số tải gia tăng như vậy thì khoảng cách giữa các điểm rộng gây khó khăn

trong việc xác định ứng suất tiền cố kết Vì thế khi rút ngắn lại tốc độ tăng tải sẽ cho

một đường nén tốt hơn nhưng lại gây khó khăn trong việc xác định biểu đồ chuyển vị

-thời gian, và -thời gian kết thúc cố kết sơ cấp Ngay cả một vài thí nghiệm có thể được

tự động hóa bằng máy tính và hệ thống nhận dữ liệu được kết hợp, sự nỗ lực để thể

hiện dữ liệu thí nghiệm cũng tiêu tốn nhiều thời gian

Casagrande (1938) và Taylor (1948) đã đề nghị phương pháp giải phương trình

cố kết của K Terzaghi và lời giải đó được sử dụng rộng rãi ngày nay Casagrande

(1936) đã nghiên cứu và đưa ra phương pháp xác định áp lực tiền cố kết dựa trên

đường cong quan giữa hệ số rỗng và ứng suất tác dụng

Năm 1967, Gibson và nnk cũng đã chứng minh được rằng quá trình cố kết có xảy

ra sự biến dạng và tính nén lún cũng như tính thấm của đất là phi tuyến

Năm 1966, khi Rowe và Barden sáng chế ra hộp nén Rowe, vấn đề nghiên cứu về

đặc tính cố kết của đất trở nên dễ dàng và phổ biến hơn

Năm 1969, Smith & Wahls đã chứng minh được lời giải xấp xỉ cho quá trình cố

kết với tốc độ biến dạng không đổi và đề nghị CRS như là một phương pháp thí

nghiệm cố kết

Lời giải chính xác hơn, có kể đến tác động tạm thời ban đầu được chứng minh

bởi Wissa & al (1971) Tiếp theo đó là Sallfors (1975), Gorman, Hopkins, Deen,

Drnevich (1978) cũng lần lượt nghiên cứu thêm về vấn đề này Trong mô hình thí

nghiệm CRS, ứng suất tác dụng từ từ lên mẫu bằng cách tăng dần sự dịch chuyển dọc

trục (biến dạng thẳng đứng) Mô hình này dễ thực hiện nhưng cần chọn trước tốc độ

biến dạng Vì nhiều ưu điểm của nó, mà CRS ngày nay được chấp nhận ở nhiều nước

trên thế giới

Song song với sự xuất hiện của mô hình CRS, mô hình thí nghiệm với tốc độ giatải không đổi (CRL) cũng được đề nghị bởi Aboshi, Yoshikuni, Maruyama (1970),

Wissa và nnk (1971), Irwin (1975) và Burghignoli (1979) Trong mô hình này ứng suất

tác dụng lên mẫu được gia tăng một cách đều đặn với tốc độ không đổi cho đến khi đạtgiới hạn lớn nhất của tải quy định Mô hình này cũng rất dễ thực hiện nhưng phải chọntốc độ gia tải phù hợp [8]

Bên cạnh đó, mô hình thí nghiệm với gradient áp lực nước lỗ rỗng không đổi(CG) đã được đề nghị bởi Lowe, Jones, Obrician(1969), Sallfors(1975) và Gorman(1978) Trong mô hình này, sự phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong bề dày mẫu theoquy luật parabol, gradient áp lực nước lỗ rỗng hai bề mặt mẫu là không đổi nếu áp lựcnước lỗ rỗng tại đấy là không đổi Tốc độ tăng tải được điều chỉnh sao cho áp lực nước

lỗ rỗng đo được tại bề mặt mẫu thì bằng áp lực ngược hoặc bằng 0 (atm) khi không tácdụng áp lực ngược lên mẫu Việc chọn trước gradient áp lực nước lỗ rỗng là điều kiệntiên quyết đối với mô hình này [8]

Năm 1981, Mô hình thí nghiệm tỷ số giữa áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất tổngkhông đổi (CPR) được đề xuất bởi Janbu, Tokheim và Senneset Trong mô hình này tỷ

số giữa áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất tổng được giữ không đổi trong suốt quá trìnhthí nghiệm Mẫu sẽ đạt cố kết trong khoảng nửa ngày

Cũng trong giai đoạn này, mô hình thí nghiệm với sự giới hạn dòng thấm (RFC)được đề nghị bởi K.Lee (1977,1979), Hoare(1980), Sill, Hoare và Baker (1985) Theosau sự xuất hiện mô hình này, K H Head (1989) đã đề nghị mô hình thí nghiệm vớiviệc điều chỉnh áp lực ngược (BPC) Trong mô hình này, ứng suất cũng được gia tăngtheo một cấp duy nhất và áp lực ngược được điều chỉnh để suy giảm theo một tốc độnhất định [8]

Sự xuất hiện các phương pháp xác định ứng suất tiền cố kết trong gần một thế kỷqua đánh dấu một bước tiến mới trong quá trình nghiên cứu đặc trưng cố kết của đất

Hình 1.1: Sơ đồ các thí nghiệm cố kết liên tục

a) Mô hình chất tải không đổi

b) Mô hình biến dạng là hằng số

c) Tốc độ gia tải không đổi

d) Mô hình gradient áp lực nước lỗ rỗng không đổi

e) Tỷ số áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất tổng không đổi

f) Mô hình giới hạn dòng thấm

g) Mô hình điều chỉnh áp lực ngược

Ở nước ta, vấn đề nghiên cứu đặc trưng cố kết của đất yếu đã được bắt đầu từthập niên 70 của thế kỷ XX nhưng nhìn chung vẫn chưa được quan tâm rộng rãi Hầuhết các công trình nghiên cứu của các tác giả đều dựa trên mô hình cố kết một trục củaTerzaghi và các kết quả được công bố trên thế giới Trong khoảng 20 năm trở lại đây,vấn đề cố kết của đất yếu đã thực sự được quan tâm nhiều hơn và ngày càng có nhiềucông trình nghiên cứu về vấn đề này

Năm 2004, Đặng Công Thuận, Phạm Tuấn Anh (TEDI-GIC) dựa trên kết quả từhai thí nghiệm Oedometer và CRS bước đầu nghiên cứu đặc tính địa kỹ thuật khu vựcđồng bằng sông Cửu Long cho rằng: giá trị OCR<1 của đất sét yếu đồng bằng sôngCửu Long của các công trình khảo sát trước đây là do chất lượng lấy mẫu, vận chuyển,bảo quản và chuẩn bị mẫu không tốt Chất lượng mẫu không tốt cho kết quả đặc tínhnén lún không tin cậy bất kể là xác định bằng phương pháp nào

Năm 2007 Tác giả Nguyễn Duy Quang, Trần Quang Hộ phân tích hệ số C v , C h

của đất yếu khu vực Hiệp Phước trong đó C v được xác định từ hai thí nghiệm: Thínghiêm Oedometer và CRS, trong đó tác giả có đề xuất tốc độ biến dạng : 0,01-

0,03%/ phút, tỷ số áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trên ứng suất tổng thẳng đứng R u từ 20% là hợp lý cho đất yếu khu vực Hiệp Phước

5-Việc nghiên cứu ứng dụng mô hình cố kết một trục có đo áp lực nước lỗ rỗngthặng dư để nghiên cứu đặc trưng cố kết của đất cũng đang được tiến hành ở nước ta,nhưng vì thiết bị thí nghiệm chưa được thông dụng nên mô hình thí nghiệm CRS chưađược ứng dụng rộng rãi

Thí nghiệm cố kết CRS trên cung cấp một phương pháp hiệu quả và tương đốinhanh chóng để xác định các tính chất (lịch sử ứng suất, tính nén, tính dẫn thủy lực vàtốc độ cố kết) của đất dính và có nhiều ưu điểm hơn thí nghiệm cố kết tăng tải thôngthường Việc dễ dàng thực hiện và khả năng lấy số đọc liên tục cung cấp một sự tiếtkiệm về nhân công to lớn và định nghĩa tốt hơn biểu đồ nén

Mặc dù thí nghiệm CRS có nhiều ưu điểm nhưng nó cũng không thể không cónhững nhược điểm, bao gồm lỗi đọc áp lực lỗ rỗng, điều kiện ban đầu hay tốc độ biếndạng phụ thuộc ứng xử của đất nền Khác với thí nghiệm tăng tải từng cấp, dữ liệu nénthứ cấp không thể dễ dàng phân biệt, một vấn đề khác là áp lực nước lỗ rỗng phát sinhphụ thuộc tốc độ biến dạng; vì vậy, tốc độ biến dạng đóng vai trò lớn trong kết quảcuối cùng Hơn nữa, chưa có một phương pháp phân tích chuẩn để giảm dữ liệu CRS,

vì vậy cùng một thí nghiệm CRS có thể cho những kết quả khác nhau dựa trên nhữngphương pháp khác nhau

6.2 Lý thuyết cố kết thấm của K.Terzaghi và phương trình thấm

Lý thuyết cố kết của Terzaghi được xem là lý thuyết đầu tiên trên thế giới nghiêncứu về bài toán thấm một phương cho đất sét bão hòa nước

Khi nghiên cứu vấn đề biến dạng các mẫu đất trong phòng thí nghiệm, cũng nhưngoài hiện trường đã đề cập đến vai trò của cố kết như một tính chất đặc thù của đất,làm cho biến dạng của đất phụ thuộc vào thời gian, chứ không xảy ra tức thời như cácvật thể liên tục khác Ảnh hưởng của quá trình cố kết đối với biến dạng của đất chỉ thểhiện rõ rệt, mạnh mẽ ở các đất dính như đất sét, còn đối với các đất rời thì nó ít có ýnghĩa thực tế

Hiện tượng cố kết của các đất sét no nước đã được K.Terzaghi giải thích dựa trên

cơ sở lý thuyết cố kết thấm Theo lý thuyết này, thì yếu tố quyết định quá trình cố kết

là sự thoát nước tự do trong các lỗ rỗng ra ngoài, do đất sét có tính thấm bé, nước lỗrỗng không thể thoát ra nhanh được, nên biến dạng lún của đất cũng không thể xảy ratức thời, mà phải có thời gian để hoàn thành

Để mô tả quá trình nén lún (quá trình cố kết) của đất, K Terzaghi đã kiến nghịmột mô hình cố kết, gồm một bình chứa đầy nước (1) với một lò xo (2), gắn liền với

một nắp pistông có đục lỗ (Hình 1.2) Khi cho tác dụng trên nắp bình một tải trọng với

cường độ , thì ngay lúc bắt đầu tăng tải, toàn bộ tải trọng ấy đều do nước trong bìnhtiếp thu, và lò xo chưa bị biến dạng Tiếp đó, dưới tác dụng của gradien thủy lực tănglên, nước trong bình bắt đầu thoát ra qua lỗ đục trên nắp, áp lực trong nước giảm dần,phần tải trọng truyền lên lò xo tăng lên dần và lò xo ngày càng bị nén, làm cho nắpbình dần dần lún xuống.Quá trình đó cứ tiếp tục mãi cho đến lúc gradient thuỷ lựcgiảm xuống bằng 0 và nước trong bình không thoát ra ngoài nữa Lúc đó, lò xo bị nénđến mức tối đa và nắp bình ngừng lún Như vậy, tại thời điểm bất kỳ khi 0 < t < ∞ ứng

suất do tải trọng ngoài gây ra gồm hai phần, ứng suất hữu hiệu ’ (do lò xo tiếp thu) và

ứng suất trung tính u (do nước tiếp thu), tức là:

Ở đây, nếu coi nước trong bình như là nước trong đất, các lò xo coi như là cốt đất

và các lỗ của nắp pistông coi như lỗ rỗng trong đất, thì rõ ràng là hoạt động của môhình trên đây tương tự quá trình cố kết của đất sét bão hòa nước trong thực tế của nềncông trình [11]

Theo mô hình này có thể nhận thấy rằng, khi có tảitrọng công trình tác dụng, trong nền đất có xảy ra sựphân bố lại ứng suất, sức kháng của cốt đất tăng lên dầntheo thời gian cùng với sự tăng của ứng suất do cốt đấttiếp thu tải trọng ngoài, chính phần tải trọng ’ mới làmcho các hạt đất xích lại gần nhau tức là làm cho nền đấtlún xuống, cho nên muốn biết quan hệ giữa độ lún vàthời gian, thì cần phải biết quan hệ giữa ’ và thời gian

Tuy vậy cũng có thể tìm quan hệ giữa u và thời gian đơn

Ngày nay, qua nhiều công trình nghiên cứu của nhiều tác giả trong và ngoài nước

đã xác nhận rằng hiện tượng cố kết của các đất dính no nước không chỉ phụ thuộc vào

sự thoát nước tự do trong các lỗ rỗng, mà bao gồm hai quá trình chính: Cố kết thấm vàbiến dạng từ biến của các hạt đất Theo phương hướng đó, nhiều tác giả như:V.A.Florin, V.G.Korotkin, N.NVcrigin, L.Renchilic, Ganillo, Trần Tống Cơ,R.E.Gibsơn v.v đã tiến hành nghiên cứu và đã kiến nghị những lý thuyết hoặc côngthức thực nghiệm, nhằm làm cho các kết quả lý luận phù hợp với thực tế hơn

Để thành lập phương trình cơ bản của bài toán cố kết thấm một chiều, làm cơ sởcho việc rút ra các công thức tính lún của nền đất theo thời gian sau này, đều xuất phát

từ các giả thiết cơ bản sau đây: [11]

1 Lớp đất đồng nhất và hoàn toàn bão hòa nước, trong đất không có khí kín hoặc nếu có thì cũng chỉ chiếm một thể tích khá nhỏ, có thể bỏ qua được

2 Nước trong lỗ rỗng và hạt đất xem như không bị nén

3 Tốc độ thấm của nước trong lỗ rỗng rất nhỏ nên xem như nước di chuyển trong

lỗ rỗng và thoát ra ngoài tuân theo định luật Darcy

4 Đất cố kết và thoát nước chỉ theo một phương

5 Hệ số nén lún và hệ số thấm của mẫu không đổi trong quá trình cố kết, tốc độ lún của đất chỉ phụ thuộc vào tốc độ thoát nước lỗ rỗng và không phụ thuộc vàocác yếu tố khác

Khi xét quá trình nén lún của một lớp đất sét bão hòa nước, có chiều dày là h,

dưới tác dụng tải trọng phân bố đều kín khắp (tương tự bài toán nén lún một chiều khi nén mẫu đất sét no nước trong thiết bị không cho cho nở hông, trong thiết bị nàytấm đá thấm lót dưới mẫu được thay bằng một tấm kim loại Do đó, nước chỉ thoát ratheo chiều đi lên mà thôi) thì tại các thời điểm khác nhau biểu đồ phân bố áp lực hữuhiệu ’ hoặc áp lực trung tính u có dạng đường cong parabol.

-Để xác định trị số của các áp lực này, một số tác giả như K.Terzaghi,N.M.Gerxovanov và V.A.Florin đã dựa vào giả thiết cơ bản là: lượng tăng lưu lượng

nước bằng lượng giảm độ rỗng của đất Nếu xét lớp đất phân tố có chiều dày dz và diện tích tiết diện ngang bằng một đơn vị, nằm trong khối đất ở độ sâu z, theo giả thiết

trên có thể viết: [5]

Trong đó: q và n lần lượt là kí hiệu của lưu lượng nước và độ rỗng của đất

Công thức (1.2) là phương trình cơ bản của lý thuyết cố kết thấm đồng thời cũng

là trường hợp đặc biệt của phương trình vi phân liên tục trong bài toán không gian vềchuyển động của nước ngầm do viện sĩ N.N.Pavlovski đưa ra (1922)

Theo định luật thấm của Darcy, lưu lượng nước q thấm qua một phân tố đất tỷ lệ thuận với tốc độ thấm v và tiết diện A mà dòng thấm đi qua, tức là:

Trong đó: γ0 là trọng lượng riêng của nước

Thay công thức (1.4) vào (1.3) sau đó lấy vi phân q theo z sẽ được:

(1.5)Mặt khác theo định nghĩa của độ rỗng là:

(1.6)

Trong quá trình nén đất hệ số rỗng e thay đổi (giảm đi) nhưng vì trị số (1+ e) về

tỷ lệ mà xét, thì thay đổi ít hơn so với bản thân e và để đơn giản trong việc lấy đạo

hàm cho nên có thể coi mẫu số trong công thức (1.6) là không đổi và bằng (1 + ),

trong đó là hệ số rỗng trung bình tính theo hệ số rỗng trước và sau khi chịu tải trọng.

Từ đó có thể viết phương trình (1.6) dưới dạng gần đúng như sau:

(1.7)

Từ định luật nén lún của đất ta có thể viết:

(1.8)Theo công thức (1.1) có thể viết:

này cho phép xác định áp lực trung tính u (hay áp lực hữu hiệu ’) của những điểm ở

độ sâu z bất kỳ, tại thời điểm bất kỳ t, khi nền đất chịu tác dụng tải trọng không đổi

6.2.2 Phương trình thấm

Quá trình nén và thoát nước (vận tốc lún)

a) Quá trình nén (độ lún của đất) [5]

Gọi V 0 = thể tích toàn bộ khối đất ban đầu

∆H = là độ giảm chiều cao khối đất sau khi đã cố kết.

b) Quá trình thoát nước (vận tốc lún): [5]

Tốc độ nước thoát ra thể hiện bằng áp lực nước u theo thời gian t và chiều dày z

của lớp đất:

Việc xác định giá trị u là rất khó khăn Và K.Terzaghi đã xác định được phương

trình:

Trong đó: e là hệ số rỗng trung gian

Với nhiều lần thí nghiệm, ông lập được bảng liên hệ sau:

Nhận xét rằng U không bao giờ đạt đến 100% mà kéo dài đến  Casagrande và

Taylor cho những quan hệ gần đúng như sau:

95 1.163

Như vậy, chỉ cần xác đinh được C v là ta sẽ xác đinh được T v rồi suy ra U z(%)

Mẫu đất được cố định trong dao vòng và đã hoàn toàn bão hòa Thí nghiệm nàyphép thoát nước phần trên của mẫu và không cho thoát nước ở đáy mẫu Ta tăng tải tạiđỉnh của mẫu sao cho tốc độ biến dạng là không đổi và đo được áp lực nước lỗ cho

rỗng thặng dư u b tại đáy mẫu (u b do tăng tải trên đỉnh của mẫu gây ra)

Công thức toán học mà Smith & Wahls đưa ra bắt nguồn từ quan hệ giữa hệ sốrỗng và ứng suất có hiệu Hệ số cố kết tương ứng sẽ được trình bày như sau:

Dựa trên công thức dòng thấm qua một phân tố đất, ta có:

2

2 w

11

Hệ số thấm theo thời gian của đất là hàm của hệ số rỗng trung bình của mẫu, mà

hệ số rỗng trung bình lại thay đổi do thể tích mẫu thay đổi nhờ tốc độ biến dạng khôngđổi Do đó,

Với H (= H t ) là chiều cao mẫu Lưu ý rằng z = 0 tại đỉnh của mẫu và z = H tại

đáy mẫu Trong phương thức thí nghiệm này, tốc độ biến đổi thể tích là không đổi

dV

RA

Với: V là thể tích mẫu.

A là tiết diện ngang của mẫu.

R là tốc độ biến dạng bên dưới bề mặt mẫu.

Tốc độ biến đổi hệ số rỗng trung bình có thể được tính bởi công thức:

Với: r e là hằng số, là tốc độ biến đổi hệ số rỗng trung bình.

Dựa trên định nghĩa về hệ số rỗng ta có thể viết:

e e

Nếu b/r e = 2, thì hệ số rỗng tại đáy mẫu (z = H) trở thành

Điều này có nghĩa là hệ số rỗng tại đáy không thay đổi theo bất kì thời gian nào.Điều này cũng không đúng

Vì thế giá trị b/r e sẽ thuộc khoảng từ 0 đến 2 và có thể xem như xấp xỉ 1

Giả sử b/r e khác 0, ta sử dụng định nghĩa hệ số rỗng trong công thức (1.29).Chúng ta bổ sung vào công thức dòng thấm để có được công thức áp lực nước lỗ rỗng

thặng dư Với các điều kiện biên như sau: tại z = 0, u = 0 tại mọi thời điểm,

z = H, tại mọi thời điểm Do đó:

Công thức (1.31) này rất phức tạp Để độ chính xác không mất đi nhiều mà vẫn

có được công thức đơn giản hơn thì ta giả sử 1+e xấp xỉ

 

2

w

0 2

0.51



Với ’ là ứng suất có hiệu trung bình

tương ứng với áp lực nước lỗ rỗng trung bình





Lưu ý rằng với b/r e = 0 thì , còn với b/r e= 1 thì ,

Còn giá trị không thay đổi ý nghĩa

Vì thế, từ công thức (1.37) và (1.39) ta có:

2 121

Trong quá trình tính toán, hằng số , và tỷ số b/r e giả sử là 1 (b/r e = 1)

Hình 1.3: Sự phân bố biến dạng bên trong mẫu theo phương pháp Smith & Wahls

Lý thuyết của Smith and Wahls tồn tại hai vấn đề

ĐộsâuH

Biến dạng 

Thứ nhất là sự đúng đắn của giả thiết quan hệ giữa hệ số rỗng là hàm tuyến tínhbậc nhất theo thời gian, sự thay đổi trong không gian thì rất khó xác định Vì vậy, ta sẽthu được độ chính xác của các chỉ tiêu cơ học là không đúng.

Thứ hai là ta không biết thông số b và không xác định thông số b Mà tính chất của vật liệu lại phụ thuộc việc chon giá trị b [8]

Trong phương pháp Wissa, công thức chủ đạo của cố kết bắt nguồn dựa trêncông thức:

Công thức (1.43) có được là do việc bỏ qua trọng lượng bản thân của vật liệutrong thuyết cố kết biến dạng hữu hạn, thuyết vi phân biến dạng giả sử rằng:

là hằng số Để giải bài toán này, Wissa định nghĩa sự biến đổi chuyển vị là

từ đó thu được công thức chủ đạo cho bài toán của mình

(1.44)

Công thức này được xem như là điều kiện biên và điều kiện ban đầu

Qua nhiều phép biến đổi toán học mà Wissa thu được công thức:

(1.45)Trong đó:  là biến dạng thẳng đứng

Ta thấy rằng hàm mũ sẽ bị triệt tiêu khi mà thời gian tiến đến vô cùng Khi đóbiến dạng bên trong mẫu sẽ phân bố theo quy luật parabol Lúc này, ta nói rằng mẫuđạt trạng thái ổn định

Trong khoảng thời gian ngắn khi mà mẫu đang ở trong trạng thái chuyển tiếp thìhàm mũ này không được phép bỏ qua mà ta cần chia ra thành hai giai đoạn để nghiêncứu cho phù hợp

Thứ nhất, đối với trạng thái ổn định thì hàm mũ bị triệt tiêu Biến dạng bên trong

mẫu phân bố theo quy luật parabol như công thức sau đây (hình 1.4):

(1.46)

Hình 1.4: Sự phân bố biến dạng bên trong mẫu theo phương pháp Wissa

Sự biến dạng trên đầu mẫu và đáy mẫu cùng được xác định như sau:

(1.47)

Với u b là áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tại đáy mẫu

Từ tải trọng và áp lực nước lỗ rỗng mà ta sẽ xác định được quan hệ ứng suất –biến dạng trong mẫu đất Với ứng suất hữu hiệu trung bình được tính theo công thức:

Thì biến dạng tương đối trung bình:

(1.48)

Ta cũng có thể làm rõ giá trị C v và từ mô hình phi tuyến Tuy nhiên, =rt sẽ

không dựa vào mô hình hệ số rỗng - ứng suất có hiệu Trong mô hình phi tuyến

(C c = -de/dlog’v = hằng số) C v và được tính là:

Biến dạng 

ĐộsâuH

Mặc dù ta thấy rằng sự trình bày trên là một thuyết tương đối phù hợp, nhưngmột vài giả thiết thì không thể nào lí giải được:

 Đầu tiên, giả thuyết C v là hằng số trong suốt quá trình thí nghiệm

 Thứ hai là giả thiết hệ số biến đổi thể tích (trong mô hình tuyến tính) và chỉ số nén (trong mô hình phi tuyến) là hằng số Trong khi mô hình tuyến tính thì chưabao giờ được chứng minh, còn mô hình phi tuyến thì thường không giống nhiều

so với môi trường đất thực tế, đặc biệt là đất yếu và sét cố kết thường

Kết quả của hai giả thiết này là khi phân tích trong giai đoạn chuyển tiếp sẽ sinh

ra hai đường cong quan hệ giữa hệ số rỗng và ứng suất có hiệu tách biệt Một đườngcong cho biên trên đầu mẫu và một đường cong cho biên dưới đáy mẫu

Trong suốt giai đoạn mẫu đạt trạng thái ổn định Giả thuyết C v là hằng số ít bịhạn chế hơn vì ta có thể nhận thấy được sự thay đổi cấp áp lực Tuy nhiên điều kiện

đạt trạng thái ổn định là kết quả giả thuyết C v là hằng số, mà thực sự trạng thái ổn địnhnày không hề tồn tại nền đất tự nhiên

Thuyết biến dạng nhỏ dựa trên giả thuyết biến dạng là rất nhỏ, đây cũng chính làgiả thuyết trong mô hình chất tải từng cấp, Giả thuyết này phù hợp với mô hình chấttải từng cấp nhưng không có nghĩa là phù hợp với mô hình thí nghiệm CRS Smith andWahls (1969) đã từng có báo cáo mà biến dạng lên tới 30% Và biến dạng khoảng 20%

cũng không phải là hiếm trong kết quả nghiên cứu của Gorman và nnk (1978) Đối với

những trường hợp này thuyết biến dạng lớn sẽ cho kết quả phù hợp hơn

Znidarcic (1984) đã thừa nhận rằng Umehara và Zen đã làm phép phân tích dựatrên thuyết cố kết biến dạng hữu hạn được phát triển bởi Mikasa

Công thức chính là:

2 2 2

Với số lượng điều kiện biên phù hợp thì công thức chính này sẽ giải được Lời

giải đó sẽ cho ra những giá trị khác nhau của các thông số không thứ nguyên C

v

/rH

(với r là tốc độ biến dạng (the rate of deformation), H là chiều cao ban đầu của mẫu).

Một chuỗi số của đồ thị đường cong quan hệ tỷ số cố kết với biến dạng và thông số

Với đồ thị đã thiết lập, ta sẽ tìm được giá trị thông số không thứ nguyên C v /rH

tương ứng với tỷ số F Từ thông số này, tỷ số cố kết tại hai biên của mẫu có thể tìmthấy từ đồ thị khác và tìm được cả hệ số cố kết và quan hệ giữa hệ số rỗng - ứng suất

có hiệu

Giả thuyết mà Umehara & Zen đưa ra có hạn chế là: hệ số cố kết và chỉ số nén làhằng số trong suốt quá trình thí nghiệm Kết quả của hai giả thuyết này sinh ra haiđường cong quan hệ giữa hệ số rỗng và ứng suất có hiệu riêng biệt Một đường congthu được từ biên trên, một đường cong thu được từ biên còn lại

Hình 1.5 mô tả sự phân bố ứng suất trong bài toán của Umehara & Zen.

Hình 1.5: Sự phân bố biến dạng bên trong mẫu theo phương pháp Umahara & Zen

Lee (1981) phân tích bắt nguồn từ công thức toán học chủ đạo (công thức của sự

biến thiên độ rỗng n theo thời gian).

(1.53)

Lee đã giả thuyết C v là hằng số trong suốt quá trình thí nghiệm và đưa vào thông

số không thứ nguyên được định nghĩa là:

ĐộsâuH

Biến dạng 

Từ đây có lời giải mới cho giá trị β và ta thấy rằng giá tri β (<0.1) Dựa trên sựnghiên cứu, phân tích quy trình thí nghiệm thì lời giải cho biến dạng hữu hạn là gầnxấp xỉ lời giải vi phân biến dạng Điều này trong phương pháp Wissa đã từng đề nghị.Quy trình này được chia làm hai giai đoạn: Giai đoạn ổn định và giai đoạn chuyển tiếp.

Trong giai đoạn chuyển tiếp, sự tương tự giữa hai thuyết vi phân biến dạng vàthuyết giới hạn biến dạng hữu hạn đã được dẫn chứng Do vậy, phép phân tích chínhxác trong đề nghị của Wissa được khuyên dùng Phân tích trong giai đoạn ổn địnhđược trình bày lại với một sự hiệu chỉnh nhỏ Để có điều kiện trạng thái ổn định,Wissa đã đề nghị ta cần phải đưa thêm vào đó một vài giả thuyết để ứng dụng vàophép phân tích Giả thuyết đầu tiên là sự phân bố biến dạng bên trong mẫu có thể xem

là xấp xỉ với một hàm parabol

Nhằm cho mục đích đặc biệt là xác định hệ số cố kết Cv thì khi phân tích thuyết

vi phân biến dạng ta bỏ qua những lũy thừa bậc cao hơn của β

Chỉ có một sự khác biệt trong công thức của Lee và Wissa là Lee đã chỉ rõ H là chiều cao mẫu hiện tại trong khi Wissa đã trình bày H là chiều cao mẫu ban đầu Điều

này là phù hợp với thuyết vi phân biến dạng

Sau khi giá trị Cv và biến dạng trong mẫu được xác định thì quan hệ giữa hệ sốrỗng và ứng suất có hiệu cũng được làm rõ Trong khi thảo luận về phép phân tíchđược đề nghị, Lee nhận ra rõ ràng rằng có thể tìm được những đường cong riêng biệtkhi tính toán sự biến đổi của biến dạng và ứng suất là tại biên của mẫu

Hình 1.6: Sự phân bố biến dạng bên trong mẫu theo phương pháp Lee

Cho đến khi năm 1993, Lee nghiên cứu trên mẫu đất sét trầm tích biển Singapore

đã làm sáng tỏ hơn về thông số β bằng một phương pháp mới Ông đã phát triển thuyết

điều kiện biên di động áp lực nước lỗ rỗng và đưa ra thông số β được định nghĩa như

sau:

Biến dạng 

ĐộsâuH

Với r: là tốc độ biến dạng.

Lee đã đề nghị rằng giá trị đầu vào cao nhất của β là 0,1 nhưng không đề nghị giá

trị nhỏ nhất

Bảng 1.2 Bảng tổng hợp các lý thuyết nghiên cứu mô hình CRS

Thuyết biến dạng nhỏ Thuyết biến dạng lớnPhương pháp Smith & Wahls

(1969)

Wissa(1971)

Umehara &

Zen (1980) (1981)Lee Bắt nguồn Quan hệ e – ’

Dòng thấm quamột phân tố đất

Biến thiên độrỗng theo thờigian

Giả thuyết - Tốc độ biến

đổi thể tích làkhông đổi

- quan hệ e là

hàm tuyến tínhbậc nhất theothời gian

- C v là hằng số

- m v là hằng số

- chỉ số nén làhằng số

Hệ số cố kết vàchỉ số nén làhằng số trongsuốt quá trìnhthí nghiệm

Hệ số cố kết làhằng số

Hạn chế Tính đúng

đắng của giả thuyết

- không biết thông số b

Sinh ra haiđường cong

quan hệ e – ’

tại hai biên

Sinh ra haiđường cong

quan hệ e – ’

tại hai biên

6.4 Tốc độ biến dạng trong thí nghiêm CRS

Cách thức lựa chọn tốc độ biến dạng riêng khi tiến hành thí nghiệm CRS là thủtục quan trọng nhất để thu được đặc tính nén lún từ đó ta sẽ so sánh với thí nghiệmOedometer Tốc độ biến dạng càng tăng thì áp lực nước lỗ rỗng càng tăng Trạng thái

ổn định của thí nghiệm này sẽ không đạt được khi áp lực nước lỗ rỗng tăng quá nhanh.Mặt khác, khi mà tốc độ biến dạng quá chậm sẽ không biểu thị được sự tăng áp lựcnước lỗ rỗng và sẽ cho kết quả Cv cao không hợp lí

Nghiên cứu về tốc độ biến dạng, tác giả luận văn này xin dẫn ra các kết quảnghiên cứu được đề xuất, công bố và thừa nhận trên thế giới để bàn luận

1 Tiêu chuẩn ASTM D4186-82 [8]

Theo tiêu chuẩn ASTM D4186-82 thì tốc độ biến dạng được khuyến cáo lựa

chọn dựa trên giới hạn chảy (LL) như bảng 1.3 Giới hạn chảy này được xác định theo

tiêu chuẩn ASTM D4318

Bảng 1.3 Bảng tốc độ biến dạng đề nghị của ASTM D4186-82

2 Tiêu chuẩn ASTM D4186-06 [3]

Theo như tiêu chuẩn ASTM D4186 - 06 thì tốc độ biến dạng nên lựa chọn dựavào phân loại đất ( hệ thống phân loại đất USCS theo ASTM D2487) như bảng sau:

Bảng 1.4 Bảng tốc độ biến dạng đề nghị của ASTM D4186 - 06

Phân loại đất theo USCS

(ASTM D2487)

Tốc độ biến dạng (%biến dạng/giờ)

Tốc độ biến dạng (%biến dạng/phút)

3 Tổng hợp kết quả các bài báo được công bố trên thế giới

Theo rất nhiều kết quả nghiên cứu thì việc lựa chọn tốc độ biến dạng nên quan

tâm đến tỷ số u a /v Nhiều nhà nghiên cứu đã đề xuất tỷ số u a /v như là trong bảng tổng

hợp dưới đây (bảng 1.5) Trong đó, lời đề nghị sớm nhất được đề xuất bởi Smith & Wahls đề nghị giá trị lớn nhất tỷ số u a /v là 0.5 Sau đó các nghiên cứu khác nghiêncứu phát triển thêm

Bảng 1.5 Bảng tổng hợp giá trị của tỷ số R u kiến nghị của các nhà nghiên cứu

Kết quả báo cáo Giá trị đề nghị

Smith & Wahls (1969) 0,5, Thí nghiệm trên mẫu đất kaolinite,

calcium montmorillonite and messana clay Wissa và nnk (1971) 0,05, Thí nghiệm trên mẫu trầm tích nhân

tạo sét màu xanh Boston Sallfors (1975) 0,1 – 0.5, Thí nghiệm trên mẫu sét Bakebol

Gorman và nnk (1978) 0,3 – 0,5, Thí nghiệm trên mẫu đất

Bảng 1.5 chỉ ra rằng giá trị đề nghi của Smith & Wahls (1969) cho kết quả cao

nhất trong các nhà nghiên cứu Wissa và nnk (1971) đề nghị tỷ số u a /v là thấp nhất

trong tất cả các giá trị công bố Theo Gorman và nnk ( 1978) kiến nghị rằng cần phải

quan tâm sao cho giá trị của áp lực nước lỗ rỗng thặng dư nhỏ nhất xấp xỉ là 7 kpa phải

khuếch tán tại đáy mẫu như vậy sẽ nhận được giá trị C v như mong muốn

CHƯƠNG 7: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

7.1 Thí nghiệm Oedometer

Nguyên lý thí nghiệm theo sơ đồ sau:

Hình 2.7: Mặt cắt mẫu đất trong hộp nén

Mẫu đất bão hòa được đặt trong hộp nén như hình 2.1 Tải trọng sẽ truyền qua

mẫu lên tấm truyền tải Nước trong lỗ rỗng sẽ thoát theo hai phương nơi có đặt đáthấm, mẫu sẽ thay đổi thể tích, tương ứng với sự thay đổi độ cao Ta sẽ đo được độthay đổi độ cao mẫu h Mỗi cấp chất tải được duy trì trong 24 giờ Cấp tải đầu tiênđược chọn phù hợp với từng loại đất và tùy thuộc vào tải trọng cột đất mà mẫu đất

đang phải gánh chịu ngoài hiện trường Hình 2.2 mô tả một ví dụ về cách chất tải và

dỡ tải trong thí nghiệm Oedometer

Hình 2.8: Ví dụ về chất tải và dỡ tải trong thí nghiệm Oedometer

dao vòng

đất

Đá thấmTruyền tải

nước

Đá thấm

đất

Đá thấm

7.1.2 Thiết bị và các bước tiến hành

Hình 2.9: Thiết bị nén cố kết Oedometer

Ngoài các thiết bị và dụng cụ phục vụ cho việc xác định các chỉ tiêu vật lý, phải

kể đến thiết bị chính phục vụ cho thí nghiệm Oedometer là một giàn cố kết có gắn thiết

bị đo chuyển vị tự động (số đọc bằng Vol hoặc mVol), kèm theo hệ thống cánh tayđòn giúp cho việc chuyển đổi tải mà ta chất thành tải trọng lớn hơn nhiều lần tác dụng

lên mẫu (hình 2.3, hình 2.4).

Hình 2.10: Mẫu đất trong hộp nén

Cánh tay đòn

Nơi chất tảiMẫu trong hộp nén

Kênh đo chuyển vị

7.1.3 Phương pháp xác định các thông số trong thí nghiệm [1] [7]

Công trình cần xử lý nền đất yếu đều phải tính lún và ước tính được tốc độ lún,các đặc điểm về nén lún và cố kết đều được xác định từ thí nghiệm nén cố kết Đây làthí nghiệm trong phòng phổ biến và lâu đời Tùy theo độ sâu mẫu mà tiến hành chất tảikết hợp dỡ tải cho mẫu thí nghiệm ở các cấp khác nhau Ở mỗi cấp áp lực ta lấy số đọcchuyển vị trong 24 giờ

Hệ số cố kết theo phương thẳng đứng (C v) được xác định theo hai phương phápthông thường:

(a) Phương pháp Taylor hay còn gọi là phương pháp

(b) Phương pháp Casagrande hay còn gọi là phương pháp log(t).

Phương pháp Casagrande để xác định hệ số C v tương ứng với độ cố kết 50% và

phương pháp Taylor dùng để xác định được hệ số C v tương ứng với độ cố kết 90%.

Phương pháp Casagrande [1] [7]

Nếu sử dụng phương pháp Casagrande thì số đọc đồng hồ đo chuyển vị được

biểu diễn trên đồ thị và t biểu diễn trên thang tỷ lệ log Phương pháp Casagrande khá thông dụng và việc xác định C v như sau: xác định 100% độ cố kết sơ cấp là giao điểm

của đường AB và CD (Hình 2.5) Qua đó xác định được độ biến dạng ở d 100 , và qua

d0 và d100 ta xác định được d50 và qua d50 chiếu lên trục hoành xác định được t 50 Hệ số

C v được xác định dựa trên quan hệ sau:

50 2 50

t H T

v  (2.1)

Trong đó:

T v - hệ số thời gian ứng với cố kết 50%, T v = 0.197

H – chiều dài đường thấm ứng với cố kết 50%, cm

t 50 - thời gian cần thiết để đạt đến độ cố kết 50%, phút

Phương pháp Taylor

Trong phương pháp Taylor, số đọc đồng hồ đo chuyển vị được ghi nhận trong

suốt quá trình cố kết và vẽ trên đồ thị theo căn bậc hai thời gian (Hình 2.6) Đoạn đầu

của đồ thị là đoạn thẳng cố kết thấm Kéo dài phần tuyến tính của đoạn đầu đồ thị cắttrục tung tại điểm biến dạng d0.Từ d0 ta dựng một đường thẳng mới có độ dốc gấp 1.15lần độ dốc của đoạn thẳng cố kết thấm (so với trục tung) Giao điểm của đường thẳngmới dựng như vậy với đường nén theo thời gian sẽ cho ta điểm có độ biến dạng d90 đã

cố kết 90%, ứng với nó ta có t90 Từ đó tính ra hệ số cố kết Cv theo công thức sau:

90 2 90

t H T

v  (2.2)

Trong đó:

T v - hệ số thời gian ứng với cố kết 90%, Tv = 0.848

H 90 – chiều dài đường thấm ứng với độ cố kết 90%, cm

T 90 - thời gian cần thiết để đạt đến độ cố kết 90%, phút

0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200 1.400

phương pháp Casagrande 1936 (được quy định trong tiêu chuẩn ASTM 2435)

Phương pháp a (casagrande):

 Chọn điểm có độ cong nhỏ nhất trên đường cong cố kết (điểm A trên hình)

 Vẽ đường ngang AB từ điểm A

 Vẽ AC tiếp tuyến với đường cong cố kết tại điểm A

 Vẽ đường phân giác AD sao cho góc BAD và DAC bằng nhau

 Kéo dài EF của nhánh nén lần đầu đến khi cắt đường phân giác AD, giao

điểm giữa chúng là M ứng với ứng suất tiền cố kết (như hình 2-7)

Phương pháp b

 Kéo dài EF của nhánh nén lần đầu

 Kéo dài GH như chỉ trong hình 2-7.

 Giao điểm N ứng với ứng suất tiền cố kết ’p

Hình 2.13: Xác định ’ p theo phương pháp ( a) và (b)

Quá trình nén thứ cấp: trên thực tế trong khi áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tiêután cả hai quá trình nén lún sơ cấp và thứ cấp diễn ra đồng thời và nó làm phức tạp choviệc giải thích kết quả thí nghiệm cố kết Sau này, quá trình nén lún thứ cấp được xemnhư là không đáng kể trong suốt quá trình nén lún nguyên sinh và nó được định nghĩa

là diễn ra sau khi quá trình nén lún nguyên sinh kết thúc

Quá trình nén thứ cấp được sử dụng bởi những biểu thức tương tự như trong quá

trình nén sơ cấp, kết quả sự thay đổi hệ số rỗng thứ cấp e s từ thời gian t s đến t được

xác định trong công thức sau (Mesriand Godlewski):

(2.3)Với C là chỉ số nén thứ cấp Biến dạng dọc trục thứ sinh s tương ứng với e s

F

CD

HB

E

(2.4)Với C là chỉ số nén thứ cấp hiệu chỉnh, quan hệ với C theo công thức sau:

h s là chiều cao mẫu lúc bắt đầu quá trình nén thứ cấp

Độ dốc của đường cong biểu diễn quan hệ giữa hệ số rỗng và ứng suất có tên là

hệ số nén a v

(2.7)Nếu kết quả thí nghiệm được biểu diễn trên đồ thị biến dạng tương đối và ứngsuất có hiệu thì độ dốc của đồ thị được gọi là hệ số biến đổi thể tích

(2.8)

Hình 2.14: Xác định a v từ đồ thị e - ’

Trên đồ thị hệ số rỗng và ứng suất có hiệu như trên hình 2.8 , độ dốc của đồ thị được gọi là chỉ số nén C c