Các đặc trưng biến dạng phục vụ ước lượng độ lún và độ lún theo thời gian

Tuy nhiên, trong đất sét, tính thấm của nó kém hơn sovới tính thấm của cát từ hàng ngàn đến hàng triệu lần, làm cho sự thay đổi thểtích cùng với quá trình cố kết diễn ra chậm chạp và dẫn

1 THÍ NGHIỆM NÉN CỐ KẾT

1 Thí nghiệm của Head

2 Introduction to soil machanics L T (D Fratta)

3 Cơ học đất – C N Ẩn

4 Cẩm nang

5 Principle of Geotechnical E….

2 CÁC ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG PHỤC VỤ CHO VIỆC ƯỚC LƯỢNG

ĐỘ LÚN VÀ ĐỘ LÚN THEO THỜI GIAN

Sự nén ép của nước không đáng kể so với các yếu tố khác, nên có thể bỏ qua

sự ảnh hưởng của yếu tố (2)

Vì thế, lý thuyết cố kết dựa trên cơ sở yếu tố (3), sự thoát nước từ các lỗ rỗnggiữa các hạt rắn Trong đất thoát nước mạnh, chẳng hạn như đất cát, sự thoátnước xảy ra nhanh chóng Tuy nhiên, trong đất sét, tính thấm của nó kém hơn sovới tính thấm của cát từ hàng ngàn đến hàng triệu lần, làm cho sự thay đổi thểtích cùng với quá trình cố kết diễn ra chậm chạp và dẫn đến phải mất một thờigian dài để độ lún đạt đến mức ổn định

2.1.2 Mô hình cố kết Terzaghi

Mô hình mà Terzaghi sử dụng để mô phỏng hiện tượng cố kết của đất gồmmột xy-lanh (có diện tích tiết diện ngang A) chứa đầy nước và một lò xo đỡ mộtpit-tông có van xả như hình 1.1

Lúc đầu, hệ thống cân bằng trong điều kiện van được khóa và không có lựctác dụng lên pit-tông Lò xo không bị nén và nước không tồn tại áp lực thặng dư.Sau đó, đặt tải P lên bên trên pit-tông Nước không được thoát ra, nên pit-tông không di chuyển xuống được và lò xo cũng không bị nén Nếu đo áp lực

Van mở

Van mở

nước bên trong xy-lanh sẽ thấy nó tăng lên với một giá trị là ∆u = P/A Độ giatăng áp lực nước này được gọi là áp lực nước thặng dư Pit-tông không dichuyển, nghĩa là lò xo không chịu tải P mà do nước gánh đỡ hoàn toàn tải trọng P(với giả thiết là nước không bị nén).

Van mở

Van mở

Trong mô hình này, lò xo tượng trưng cho khung hạt đất, nước trong xy-lanhtượng trưng cho nước trong lỗ rỗng và kích thước van tượng trưng cho hệ sốthấm của đất

2.1.3 Quá trình cố kết của đất

Ứng xử của mô hình Terzaghi được mô tả bên trên tương tự như ứng xử củađất trong quá trình diễn ra sự cố kết Những đặc tính của mô hình và của đất thực

có liên hệ với nhau và được diễn tả trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Đối chiếu các đặc tính của mô hình cơ và đất thực

1 Tốc độ thoát nước phụ thuộc vào: Tốc độ thoát nước phụ thuộc vào:

(a) Kích thước van (a) Kích thước lỗ rỗng (chẳng hạn như tính

thấm) (b) Độ nhớt của nước (b) Độ nhớt của nước trong lỗ rỗng (phụ

thuộc nhiệt độ) (c) Chiều dài ống thoát (c) Chiều dài đường thấm

2 Khả năng chịu nén của lò xo quyết định: Tính nén lún của cấu trúc bên trong đất

quyết định:

(a) Mức độ biến dạng của lò xo (a) Độ lún cố kết

(b) Thời gian đạt đến cân bằng (b) Thời gian đạt mức cố kết 100%

3 Áp lực nước gánh đỡ ban đầu Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ban đầu uo

4 Áp lực nước gánh đỡ ở thời điểm bất kỳ Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trung bình u

5 Lực trong lò xo Ứng suất khung hạt

6 Mức độ nén Mức độ cố kết

Ứng suất trong đất do tải trọng ngoài gây ra được gọi là “ứng suất tổng”, kíhiệu là ∆σ Áp lực trong nước chứa bên trong các lỗ rỗng được gọi là “áp lựcnước lỗ rỗng”, kí hiệu là ∆u Khi tải trọng ngoài tác dụng lên đất sét bão hòanước, toàn bộ tải trọng, ban đầu, sẽ do nước trong lỗ rỗng chịu, được thể hiện qua

sự gia tăng áp lực nước lỗ rỗng thặng dư với giá trị bằng với tổng áp lực tác dụng

từ bên ngoài

Nếu lớp đất sét tiếp giáp với các mặt thoát nước (ví dụ như lớp cát), thì áplực nước lỗ rỗng thặng dư sẽ làm cho nước thoát ra từ lớp đất sét sang lớp thấmnước liền kề Quá trình này xảy ra chậm, do tính thấm của sét kém Đồng thời,một phần áp lực sẽ tác dụng lên khung hạt, tương ứng với sự giảm đi của áp lực

nước lỗ rỗng thặng dư Sự chênh lệch giữa ứng suất tổng và áp lực nước lỗ rỗngthặng dư tại một thời điểm bất kỳ được gọi là “ứng suất hữu hiệu”, kí hiệu là ∆σ’,chính là phần áp lực do khung hạt gánh đỡ Điều này được diễn tả trong phươngtrình sau:

'

u

Về bản chất, quá trình cố kết là quá trình truyền tải dần dần áp lực tác động

từ bên ngoài từ nước lỗ rỗng sang khung hạt; khi đó áp lực nước lỗ rỗng giảmdần và ứng suất có hiệu tăng dần cho đến khi bằng với áp lực tác động từ bênngoài Mức độ truyền tải đó được đánh giá thông qua độ cố kết U (sẽ được đềcập sâu hơn ở mục Lý thuyết cố kết)

2.1.4 Các giả thiết trong lý thuyết cố kết

Các giả thiết nền tảng trong lý thuyết cố kết của Terzaghi như sau:

(1) Lớp đất được cố kết ở trạng thái nằm ngang, đồng chất, đẳng hướng,

bề dày đều và bị hạn chế nở hông

(2) Đất bão hòa nước hoàn toàn, tức là lỗ rỗng chứa đầy nước

(3) Hạt đất và nước không bị nén

(4) Sự chảy trong cố kết thấm tuân theo định luật Darcy

(5) Hệ số thấm và các đặc tính khác của đất không đổi trong suốt quátrình gia tải

(6) Áp lực tác dụng phân bố đều khắp

(7) Dòng thấm chỉ xảy ra theo phương đứng

(8) Sự thay đổi ứng suất hữu hiệu trong đất đồng thời dẫn đến sự thay đổi

hệ số rỗng và mối quan hệ của chúng là tuyến tính trong quá trình mỗiđợt gia tải

(9) Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ban đầu phân bố đều suốt bề dày lớpđất

(10) Quá trình cố kết được kéo dài hoàn toàn là do đất có hệ số thấm nhỏ.(11) Một hoặc cả hai lớp liền kề của lớp đất sét có khả năng thoát nướchoàn toàn so với lớp đất sét đó

(12) Trọng lượng bản thân của đất được bỏ qua

2.1.5 Lý thuyết cố kết

Trong phần này, bài tiểu luận không trình bày chi tiết những diễn giải, phântích phức tạp về phương diện toán học của quá trình cố kết, mà chỉ trình bày mộtcách khái lược để có cái nhìn tổng quát về quá trình này

Phương trình vi phân cố kết thấm một chiều của Terzaghi:

Hình 2.2 Đường cong quan hệ T - Uv

Hình 2.3 Đường cong quan hệ T - U (theo biểu đồ bán logarit)v

Hình 2.4 Đường cong quan hệ T - Uv

hình 2.2 Ngoài ra, mối quan hệ đó được thể hiện trong hình 2.3 theo biểu đồ bán

dạng thứ 2 và 3 được thường được sử dụng trong phân tích cố kết thấm mộtchiều hơn là dạng thứ nhất Qua đó, có thể thấy rằng các đường đó tiến đếnđường tiệm cận U = 100% khi thời gian tiến đến vô cùng Hay nói một cáchkhác, quá trình cố kết kết thúc hoàn toàn sau một thời gian rất dài

2.1.6 Các giai đoạn cố kết

Nhằm mục đích phân tích, sự nén chặt của đất sét được phân thành 3 giaiđoạn, kể ra như sau:

(1) Giai đoạn nén ban đầu;

(2) Giai đoạn nén cố kết (nén sơ cấp);

(3) Giai đoạn nén thứ cấp

Trong thực tế, các giai đoạn này thường pha trộn với nhau và hai giai (2) và(3) có thể xảy ra đồng thời Tuy nhiên, để thuận lợi trong việc phân tích, ta táchriêng chúng thành những giai đoạn riêng biệt.

(1) Giai đoạn nén ban đầu

Xảy ra gần như đồng thời với việc gia tải trong phòng thí nghiệm và trướckhi nước thoát ra Điều đó, một phần là do sự nén ép các túi khí nhỏ trong lỗ rỗng

và một phần là do sự gắn chặt bề mặt tiếp xúc trong hộp nén và trong hệ thốngtruyền lực Một phần nhỏ cũng có thể là do nén đàn hồi được hồi phục khi dỡ tải

(2) Giai đoạn nén cố kết (nén sơ cấp)

Đây là một quá trình kéo dài theo thời gian do sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗngthặng dư dưới tải trọng ngoài và được giải thích bởi lý thuyết cố kết Terzaghi.Nếu đất hút nước khi dỡ tải thì sự trương nở có thể xảy ra một ít

(3) Giai đoạn nén thứ cấp

Quá trình này tiếp tục sau khi áp lực nước lỗ rỗng bị tiêu tán gần như hoàntoàn Cơ chế này rất phức tạp, nhưng quá trình nén thứ cấp được cho là do sự tiếptục dịch chuyển của các hạt khi cấu trúc của đất tự điều chỉnh để tăng ứng suấthữu hiệu Biến dạng do nén thứ cấp thường không có khả năng phục hồi khi dỡtải, mặc dù biến dạng nở thứ cấp có thể quan sát được, chẳng hạn như đối vớithan bùn

Trong nhiều ứng dụng, chỉ có giai đoạn nén cố kết được kể đến khi ướclượng độ lún Đối với các loại đất sét vô cơ, cho đến nay giai đoạn nén cố kết vẫnđóng vai trò quan trong bậc nhất trong ba giai đoạn trên và việc xác định độ lún

cố kết, thiết lập đường cong cố kết theo thời gian cùng với các thông số được rút

ra là mục tiêu của thí nghiệm nén cố kết trong phòng Tuy nhiên, đối với thanbùn và các loại đất sét cao hữu cơ, giai đoạn nén thứ cấp đáng kể hơn và thờigian diễn ra có thể kéo dài hơn so với giai đoạn nén cố kết

2.2 Các đặc trưng biến dạng phục vụ cho việc ước lượng độ lún sơ cấp

2.2.1 Dùng đường cong nén lún e–σ để ước lượng độ lún sơ cấp

Hình 2.5 Biến dạng đứng của mẫu đất trong thí nghiệm nén cố kết

Từ hai trạng thái trước (1) và sau (2), ứng suất có hiệu tăng ∆σ’ và giả thiếtrằng phần hạt rắn không thay đổi thể tích trong quá trình chịu nén, ta có:

nghiêng với trục ngang của đường cong nén lún trong khoảng áp lực đã cho, tứclà:

dea

1 eE

độ lún S theo mv, β, Eo như sau:

' 1 o

E

β

2.2.2 Dùng đường cong nén lún e-logσ để ước lượng độ lún sơ cấp

Hình 2.7 Đường cong nén lún e- log(σ)

 Áp lực tiền cố kết

Quan sát đường cong e-logσ, có một “vùng chuyển tiếp” giữa hai phần gầnnhư tuyến tính của đường cong và “vùng chuyển tiếp” này có thể diễn ra tronggia đoạn tải nhỏ cho phần lớn các loại đất Trên đường e-logσ, phần tuyến tính

nằm trước “vùng chuyển tiếp” được gọi là đường nén lại và phần tuyến tính sau

“vùng chuyển tiếp” là đường nén nguyên thủy hoặc đường nén lần đầu hay

đường nén bình thường Ứng suất ứng với vị trí giao điểm của đường nén lại và đường nén nguyên thủy được gọi là ứng suất tiền cố kết σ’ p, chính là áp lực tối đa

mà mẫu đất đã chịu đựng trong quá khứ

Để xác định ứng suất tiền cố kết σ’p có hai cách phổ biến như sau:

Cách 1: Phương pháp Casagrande, đây là phương pháp thông dụng nhất, bao

− Từ điểm A, vẽ đường thẳng d” song song với trục hoành.

− Vẽ đường phân giác d của góc hợp bởi hai đường thẳng d’ và d”

các ứng suất lớn), giao điểm của đường này và đường phân giác d xác định điểm

Cách 2: Nối dài hai phần tuyến tính của đường cong e-logσ, giao điểm của

hai đường này chính là ứng suất tiền cố kết σ’p (hình 2.3)

Ngoài ra, một số mối liên hệ được dùng để dự đoán ban đầu giá trị áp lựctiền cố kết σ’p, kể ra như sau:

− Nagaraj and Murty (1985):

' o

a

10p

( VST )

( )VST

 Tỷ số tiền cố kết OCR (overconsolidation ratio)

trọng lượng bản thân các lớp đất bên trên hiện hữu tác động σ’vo như sau:

' p ' vo

=

OCR = 1: đất cố kết thường (ký hiệu là NC, normally consolidation)

OCR > 1: đất cố kết trước hay quá cố kết (ký hiệu là OC, overconsolidation).OCR < 1: đất kém cố kết hoặc chưa đủ quá trình cố kết do trọng lượng cáclớp bên trên

 Các chỉ số nén C r và C s

Thực nghiệm cho thấy rằng đường nén lại song song với đường nở và có cùng độ dốc được định là chỉ số nén lại C r hoặc chỉ số nở C s, diễn tả được đặctrưng biến dạng đàn hồi của đất và được xác định theo biểu thức:

gồm cả đặc tính đàn hồi và dẻo của đất có dạng như sau:

Qua các phép biến đổi biểu thức (P 26), độ lún S được tính theo Cc như biểuthức sau:

2.3 Độ lún theo thời gian

Thí nghiệm nén cố kết còn xác định được tiến trình cố kết diễn ra theo thờigian, được gọi là thời gian cố kết Xác định thời gian cố kết được tiến hành trênmột loại đường cong cố kết theo thời gian dưới từng cấp áp lực không đổi, phùhợp theo lý thuyết cố kết Terzaghi

Ngoài ra, còn có một số phương pháp khác cũng được giới thiệu trong phần này.Sau khi có được hệ số cố kết Cv, tiến hành tính toán nhân tố thời gian theobiểu thức:

v

C tT

h

kết thấm hoặc tra bảng) rồi xác định độ lún cố kết tại thời điểm t theo biểu thức:

trong đó: S∞ là độ lún cố kết ổn định

2.3.1 Phương pháp Casagrande

Trình tự thực hiện như sau (hình 2.10):

gian (log(t), phút)

(thường chọn t1 = 15” = 0.25’) và điểm B tương ứng với thời gian t2 = 4t1 Vẽđường thẳng vuông góc với trục tung, sao cho khoảng cách từ đường thẳng đóđến điểm A bằng khoảng cách theo phương đứng giữa hai điểm A và B Đườngthẳng cắt trục tung tại điểm Do, tương ứng với độ cố kết Ut = 0

− Vẽ tiếp tuyến của đường cong tại điểm uốn và đường tiếp tuyến ở phầncuối của đường cong được xem là điểm D100, ứng với mức độ cố kết Ut = 100%.

− Vẽ đường thẳng song song với trục hoành cách đều hai điểm do và d100 cắt

thời gian t50

− Tính hệ số cố kết Cv:

2 50 v

50

0.197 hC

Hình 2.10 Xác định t50 theo phương pháp Casagrande

2.3.2 Phương pháp Taylor

Trình tự thực hiện như sau (hình 2.11):

thời gian ( t , phút)

A

D o

Baa

− Kéo dài phần tuyến tính của đường cong cắt trục tung tại điểm Do, tươngứng với độ cố kết Ut = 0.

hoành độ các điểm tương ứng trên đường thẳng thứ nhất

điểm D90, tương ứng với độ cố kết Ut = 90%

− Tính hệ số cố kết Cv:

2 90 v

90

0.848 hC

t

×

trong đó: h90 – chiều dài đường thấm lớn nhất (h90 = H90/n, n là số đường thấm,

H90 bằng chiều cao ban đầu của mẫu (lúc U = 0) trừ đi số đọc độ lún tại thời điểm

cố kết 90%)

Hình 2.11 Xác định t90 theo phương pháp Taylor

2.3.3 Phương pháp hypecbon (Hyperbola method)

Trình tự thực hiện như sau (hình 2.12):

− Vẽ đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa t/Δh và thời gian t.

2.3.4 Phương pháp log(t) giai đoạn đầu (Early stage log-t method)

các bước thực hiện như sau (hình 2.13):

này cắt đường thẳng Δ tại G Xác định thời gian t22.4 tương ứng tại điểm G, là lúc

Ut = 22.4%

Thời gian t

2 22.4 v

t

H0.0385

Hình 2.13 Xác định t22.4 theo phương pháp log(t) giai đoạn đầu

Trong hầu hết các tường hợp, với cùng một loại đất và cấp áp lực cho trước,

phương pháp trên Giá trị lớn nhất thu nhận được từ phương pháp log(t) giai đoạnđầu Một lý do cơ bản là vì phương pháp log(t) giai đoạn đầu sử dụng phần đầucủa đường cong nén lún Δh – log(t), ngược lại phương pháp Casagrande sử dụngphần bên dưới của đường cong nén lún Khi kể đến phần bên dưới của đườngcong nén lún, sự ảnh hưởng của giai đoạn nén thứ cấp đã đóng một vai trò trong

độ lớn của C (bảng 2.2).v

Nhiều nhà nghiên cứu đã tìm ra rằng giá trị Cv thu được ở hiện trường về cănbản lớn hơn so với giá trị nhận được từ các kết quả thí nghiệm trong phòng bằngcách sử dụng các phương pháp quen thuộc (đó là phương pháp Casagrande vàphương pháp Taylor) Do đó, kết quả thu được từ phương pháp log(t) giai đoạnđầu có thể cung cấp một giá trị mang tính thực tế hơn

Bảng 2.2 So sánh giá trị Cv từ các phương pháp

Loại đất

Cv x 10 4 cm 2 /s Cấp áp lực

(kN/m 2 )

Phương pháp Casagrande

Phương pháp Taylor

Phương pháp log(t) giai đoạn đầu

Đất sét Chicago 12.5–25 25.10 45.50 46.00

Contents

1 THÍ NGHIỆM NÉN CỐ KẾT 1

2 CÁC ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG PHỤC VỤ CHO VIỆC ƯỚC LƯỢNG ĐỘ LÚN VÀ ĐỘ LÚN THEO THỜI GIAN 2

2.1 Tổng quan về lý thuyết cố kết 2

2.1.1 Nguyên lý cố kết trong đất 2

2.1.2 Mô hình cố kết Terzaghi 2

2.1.3 Quá trình cố kết của đất 4

2.1.4 Các giả thiết trong lý thuyết cố kết 5

2.1.5 Lý thuyết cố kết 6

2.1.6 Các giai đoạn cố kết 8

2.2 Các đặc trưng biến dạng phục vụ cho việc ước lượng độ lún sơ cấp 10

2.2.1 Dùng đường cong nén lún e–σ để ước lượng độ lún sơ cấp 10

2.2.2 Dùng đường cong nén lún e-logσ để ước lượng độ lún sơ cấp 12

2.3 Độ lún theo thời gian 16

2.3.1 Phương pháp Casagrande 16

2.3.2 Phương pháp Taylor 17

2.3.3 Phương pháp hypecbon (Hyperbola method) 18

2.3.4 Phương pháp log(t) giai đoạn đầu (Early stage log-t method) 19