6 chuong 4 tinh lun

các dạng chuyển vị của nền đất và nguyên nhân gây lún Có thể phân tích nguyên nhân gây lún của nền đất một cách cơ bản nh sau: 1.. Si+c là độ lún tức thời và cố kết thờng hiểu là lún cố

chơng 4

dự tính độ lún của nền đất

Đ 1 Lý thuyết chung về lún của nền đất

I các dạng chuyển vị của nền đất và nguyên nhân gây lún

Có thể phân tích nguyên nhân gây lún của nền đất một cách cơ bản

nh sau:

1 Nén chặt

Nén chặt là quá trình các hạt đất bị ép chuyển sang trạng thái lèn chặt hơn cùng với sự giảm tơng ứng về thể tích và khí thoát ra Nguyên nhân

có thể do trọng lợng bản thân hoặc tải trọng phụ trên mặt đất sinh ra

Sự dao động do xe cộ chuyển động, các hoạt động thi công nh đóng cọccũng gây ra lún do nén chặt Trong vùng động đất, sóng va chấn độngcũng là một nguyên nhân Những đất nhạy cảm, nhất là cát hay cát chứacuội rời, vật liệu đắp đặc biệt là sau khi đổ không đợc lu lèn hay đầmchặt đầy đủ

Đất nhạy cảm nhất là đất bùn và đất sét cố kết bình thờng Than bùn và

đất than bùn có tính chịu nén khá cao, kết quả là, dới tải trọng mức độvừa phải, bề dày lớp thay đổi nhiều, có thể đạt dến 20%

3 Biến dạng đàn hồi

Khi chịu tải trọng thì tất cả các vật liệu rắn đều biến dạng Đất có bản

chất riêng biệt, biến dạng một phần là do nén chặt hay cố kết nh vừa đề

cập ở trên, phần khác do biến dạng đàn hồi Trong tất cả các loại đất, biến

dạng đàn hồi xảy ra hầu nh ngay sau khi tải trọng tác dụng Độ lún gây

bởi quá trình này gọi là độ lún tức thời.

4 ảnh hởng của việc hạ thấp mực nớc ngầm

Khi bơm nớc từ hố móng hoặc hút nớc từ giếng khoan, mực nớc ở khu đấtxung quanh hạ thấp xuống Lún có thể sinh ra do sự hạ thấp mực nớc này

trong điều kiện thuỷ tĩnh bởi hai quá trình: Thứ nhất, trong một số đất sét việc giảm độ ẩm sẽ sinh ra việc giảm thể tích do quá trình co ngót

và trơng nở Đất ở trên mực nớc ngầm hạ thấp có thể bị co ngót Thứ hai,

việc giảm áp lực nớc lỗ rỗng thuỷ tĩnh tạo nên sự tăng ứng suất hiệu quảcủa lớp phủ trên các lớp nằm dới Vì vậy, đặc biệt là đất hữu cơ, đất sétyếu nằm dới mực nớc ngầm hạ thấp có thể cố kết do ứng suất hiệu quảtăng lên

5 ảnh hởng của thấm và xói mòn

Trong đất cát, nh cát khô hạt mịn và hoàng thổ, chuyển động của nớc có

thể cuốn trôi một số hạt nhỏ Xói mòn là hiện tợng vật liệu đợc chuyển dời

do nớc trên mặt sông suối, hay xảy ra tại nơi các kênh tiêu hay đờng ốngdẫn nớc bị vỡ ậ nơi hố móng đào dới mực nớc ngầm nằm bên trong đêquai thì cũng tơng tự, dòng thấm từ dới gây ra dạng mất ổn định gọi làmạch đùn Trong vùng khô hạn, đất cùng loại có thể bị xói mòn do hoạt

động của gió Trong một số đất đá nhất định, kết dính khoáng vật cóthể bị hoà tan do nớc ngầm vận động Sự lún sụt các hang động có thểgây ra lún trong phạm vi lớn

II Lý thuyết chung về lún

Tổng quát thì lún nền đất gồm ba phần:

)(S SαS

Si+c là độ lún tức thời và cố kết (thờng hiểu là lún cố kết vì lún tức thờicủa cát nhỏ), đợc tính qua môđun biến dạng E.

Độ lún tức thời, (từ lúc bắt đầu gia tải đến khi nớc lỗ rỗng bắt đầu thoátra), đợc tính nh sau:

(a) Khi nền là đồng nhất và có chiều sâu vô hạn (áp dụng khi h/b>2):

- Công thức của Giroud:

( )C f E

(b) Khi nền là đồng nhất và có chiều sâu hạn chế: (khi h/b<2)

- Công thức Janbu và đồng nghiệp (1956) đa ra tính lún đàn hồi

cho trờng hợp ν ≈ 0.5 nh sau:

b p

Trong đó: Eu - môdun đàn hồi không thoát nớc

ào, à1- hệ số phụ thuộc vào chiều rộng, chiều sâu đặt móng

cũng nh chiều dày lớp đất dới đáy móng (tra biểu đồ)

- Công thức Steinbrenner (1934) đa ra lời giải tổng quát gần đúng

đối với lún dới góc móng mềm diện chữ nhật trên lớp đất có chiềudày hữu hạn:

( )I s E

b p

(4-5)

2 1

1

21

F F

Móng hình tròn

Móng hình vuông

1 2

5 10 20

100

50

Bảng 4-1: Hệ số C f khi tính lún đàn hồi cho lớp đất có chiều dày vô hạn.

Hình dạng

Móng mềm

Móng cứng

Chữ nhật

B

L

1.0 1.5 2.0 3.0 4.0 5.0 10.0 100.0

1.122 1.358 1.532 1.783 1.964 2.105 2.540 4.010

0.561 0.679 0.766 0.892 0.982 1.052 1.270 2.005

0.946 1.148 1.300 1.527 1.694 1.826 2.246 3.693

0.820 1.060 1.200 1.420 1.580 1.700 2.100 3.470

Bảng 4-2: Các hệ số F 1 và F 2 khi tính lún đàn hồi theo Steinbrenner

0.05 0.09 0.13 0.11 0.30 0.10 0.40 0.08 0.48 0.07 0.53 0.06 0.57 0.05 0.61 0.04 0.64 0.03

0.05 0.10 0.13 0.13 0.27 0.14 0.38 0.13 0.48 0.12 0.55 0.11 0.61 0.10 0.69 0.08 0.75 0.07

0.05 0.10 0.13 0.13 0.27 0.15 0.37 0.15 0.47 0.15 0.54 0.14 0.60 0.14 0.69 0.12 0.76 0.11

0.05 0.10 0.13 0.13 0.27 0.13 0.37 0.16 0.45 0.16 0.52 0.16 0.58 0.16 0.66 0.16 0.73 0.16

đợc và hiện tợng nén dừng lại

Các công thức dự tính độ lún cố kết theo đờng cong nén lún hay đờng cong cố kết đợc trình bày ở mục Đ2.

3 Lún cố kết thứ cấp - Sα

Theo lý thuyết của Terzaghi, một mô hình hoàn hảo của trạng thái cố kết

thì sau khi áp lực nớc lỗ rỗng d đã hoàn toàn triệt tiêu, đất sẽ không nénthêm nữa Việc nghiên cứu các đờng cong điển hình e-log thời gian chỉ

ra rõ ràng là không xảy ra nh vậy Phần cuối của đờng cong e~log thờigian tìm đợc thờng dốc và gần nh tuyến tính Đó là giai đoạn cố kết thứcấp (nén thứ cấp) và thờng là kết quả của một số dạng của cơ chế từbiến liên quan với cấu trúc của đất Công thức xác định nh sau:

=

p t

t h e

Trong đó: t - thời điểm xác định độ lún thứ cấp.

tp - thời điểm kết thúc quá trình cố kết sơ cấp

Cα - hệ số nén thứ cấp (sự thay đổi bề dày đơn vị cho mỗi log– chu kỳ của thời gian sau khi độ cố kết U = 1.0 đã bị vợt, lấy theo

c C

toán nén đất một chiều

I phơng pháp áp dụng trực tiếp

ở chơng 2 chúng ta đã rút ra các công thức tính lún từ kết quả thínghiệm nén mẫu đất không cho nở ngang Trong thực tế ngời ta thờngdùng công thức sau để tính lún của nền đất dới công trình:

h m

h a

S

h e

e e h e

a S

Z V Z o c

Z c

''

1'

2 1 1

σσ

diện chịu tải tơng đối lớn so với chiều dày tầng đất tính lún (b>2.h)

đất một chiều Độ lún tổng cộng sẽ bằng tổng độ lún của các lớp đấtphân tố cộng lại

Có thể thực hiện việc tính lún của nền đất dới đáy móng theo phơngpháp cộng lún từng lớp qua các bớc sau:

(1)Vẽ biểu đồ ứng suất hiệu quả σ’ 0 do trọng lợng bản thân các lớp đất gây ra và biểu đồ gia tăng ứng suất có hiệu do tải trọng gây lún gây ra ∆σ’ z theo chiều sâu (thờng ∆σ’z đợc xác định theo biểu đồ

Trong đó: p - áp lực phụ thêm dới đáy móng do tải trọng ngoài.

P - tổng tải trọng thẳng đứng tác dụng tại tâm móng

- Nếu tầng cứng nằm rất sâu thì vùng chịu nén chỉ lấy đến một

giới hạn h nhất định mà thôi, còn dới đó thì xem nh đất không lún

nữa Thờng chiều sâu h c đợc lấy từ điều kiện sao cho tại đó ứng

suất có hiệu gia tăng theo chiều sâu bằng (1/5 ~ 1/10) ứng suất cóhiệu do trong trọng lợng bản thân của đất

Phân chia các lớp đất tính lún:

- Chiều dầy một lớp tính lún lấy bằng khoảng từ 1/10 ~ 1/15 chiều

sâu tính lún h C và không nên lấy lớn hơn 2m Các lớp đất phân tốgần mặt đất nên lấy nhỏ hơn, càng xuống sâu thì có thể lấy lớnhơn vì biểu đồ ứng suất do tải trọng gây lún tắt dần theo chiềusâu, do đó gần mặt đất ứng suất có giá trị lớn hơn Việc lấy cáclớp đất phân tố phía trên mỏng hơn các lớp phía dới nhằm giảm sai

số tính toán

- Các mặt ranh giới tự nhiên phải lấy làm mặt phân chia nh: mực nớcngầm, ranh giới các lớp đất tự nhiên…

(3)Công thức tính và xác định các thông số tính toán, lập bảng tính kết quả:

i zi i i n

n i Ci C

n

n i

i i

i i n

n i Ci C

h e

a S

S

h e

e e S

S

'1

1

1

1

2 1

σ

(4-9a)

(4-9b)

Trong đó:

∆σ’Zi - sự gia tăng ứng suất có hiệu do tải trọng gây lún gây ra (tính tại điểm giữa lớp đất phân tố tính lún thứ (i) ).

e1i - hệ số rỗng trớc khi có tải trọng công trình, tơng ứng với thành phần ứng suất có hiệu do trọng lợng bản thân của đất (tra

theo đờng cong e~p, hình 4-4).

e2i - hệ số rỗng sau khi có tải trọng công trình (gồm ứng suất có hiệu do trọng lợng bản thân của đất và do tải trọng phụ thêm -

tra theo đờng cong e~p, hình 4-4) .

hi - chiều dầy của lớp đất phân tố thứ i

i

i i

i i

i i i

p p p

p p

e e a

'

'

1 2

0 1

1 2

2 1

σ

σ’0i - ứng suất có hiệu do trọng lợng bản thân của đất (tính tại

điểm giữa lớp đất phân tố tính lún thứ (i) )

Để xét mức độ chịu nén của đất trong quá khứ có thể sử dụng tỷ số quá

Dựa vào tỷ số OCR có thể phân loại đất nh sau:

- Đất đợc gọi là hoàn toàn cố kết (OCR < 1) khi thể tích là hằng số ở

trạng thái ứng suất không đổi

- Đất cố kết thông thờng (OCR = 1) là đất hiện nay ở trạng thái tơng

ứng với áp lực cố kết cuối cùng

- Đất quá cố kết (OCR > 1) khi áp lực phủ hiện nay nhỏ hơn áp lực cố

kết cuối cùng đôi khi đã có trong quá khứ

Casagrande (1936) đề nghị một phơng pháp đồ thị theo kinh nghiệm

dựa trên đờng cong e~logσ’ để xác định ứng suất tiền cố kết (hình

4 Trớc hết, tại điểm P, là điểm cong nhất trên đờng cong AB, vẽ hai

đờng thẳng qua P ; một đờng tiếp tuyến với đờng TPT và đờng kia là RQ song song với trục ứng suất.

- Kẻ đờng phân giác PR (của góc QPT) và kéo dài đờng BC theo ờng thẳng gặp nhau tại S.

đ Từ S chiếu thẳng lên trục ứng suất ta đợc σ’ p

Hình 4-5: Phơng pháp Casagrande để xác định ứng xuất tiền cố kết

áp lực tiền cố kết có thể dùng để chỉ dẫn cho việc hạn chế dộ lún trong

đất sét quá cố kết, vì rằng giá trị nén do cố kết sẽ không lớn khi ứngsuất hiệu quả tăng lên mà vẫn nhỏ hơn σ’ p

Độ lún đợc tính theo đờng cong cố kết đợc tính nh sau:

- Nếu OCR =1 (đất cố kết bình thờng)

i Ci n

i Ci

e

C S

S

''log

σσ

- Nếu OCR >1 (đất quá cố kết) :

i Ri n

i Ci

e

C S

S

''log

σσ

i Ri n

zi o i

i Ci n

i Ci

e

C z

e

C S

''log

σσ

σσ

(4-12a)

(4-12b)

(4-12c)

Trong đó: ∆σ’zi - sự gia tăng ứng suất có hiệu do tải trọng gây lún gây ra

tại điểm giữa lớp đất phân tố tính lún thứ (i)

σ’p - áp lực tiền cố kết (xác định theo phơng pháp đồ thị của Casagrande)

σ’0i - thành phần ứng suất có hiệu do trọng lợng bản thân của

đất, xác định tại điểm giữa của lớp đất phân tố tình lún thứa (i)

e1i - hệ số rỗng tơng ứng với thành phần ứng suất có hiệu do trọng lợng bản thân của đất

CR - chỉ số nở, là độ dốc trung bình của đờng cong nở-nén:

4

15

1ữ

=

c

R C

i i ci

e e C

'

''log

2 1

σ

σ

Từ kết quả thí nghiệm, Terzaghi và Peck (1967) đã chứng minh một

quan hệ gần đúng giữa chỉ số C c và giới hạn chảy W L của đất sét cố kếtthông thờng nh sau:

Đ 3 Dự tính độ lún của nền đất theo lý thuyết

nền biến dạng tuyến tính

I trờng hợp nền đất có chiều dày vô hạn

Khi tính lún theo kết quả của lý thuyết đàn hồi (bài toán Boussinesq)

phải xét đến biến dạng d của đất, vì vậy trong công thức tính chuyển

vị cần phải thay môđun đàn hồi E trong các biểu thức bằng môdun biến dạng E 0 của đất Chuyển vị của một điểm bất kỳ trong nền đất (nửa không gian biến dạng tuyến tính, đồng nhất và đẳng hớng) với toạ độ (x,

y, z) do tải trọng tập trung P gây ra nh sau:

z E

0 )

, ,

2 )

0 , , (

Nh vậy một lớp đất có chiều dầy z thì có độ lún bằng hiệu giữa chuyển

vị của điểm nằm trên mặt đất và điểm tơng ứng nằm dới chièu sâu z.

) , , ( ) 0 , , (X Y W X Y Z W

Do W (x,y,z) = 0 khi z∞ , vậy độ lún của nửa không gian biến dạng tuyếntính sẽ là:

) 0 , , (X Y W

p C

W S

F Y

−+

0 , , (

W

y

m m

∫ ∫

=

=

) 0 , (

+L1 -L1

D

C

B A

Hình 4-6: Khi tải trọng phân bố trên một diện tích

Các kết quả nhận đợc sau khi tích phân biểu thức (4-20) và (4-21) nhsau:

Móng hình tròn, bán kính r:

* Lún ở tâm: p

C

D p C

+++

−+

+

−

=

a b a

a b a b b b a

b b a a C

p S

2 2

2 2

2 2

2 2 0

4

4ln

+++

−+

=

a b a

a b a b b b a

a a

C

p

S a

2 2

2 2

2

4ln

2ln

−+

=

b a b

b a b b a b a

b b

C

p

S b

2 2

2 2

2

4ln

2ln

2

π

(4-28)

Nhận xét thấy rằng độ lún của các móng trên bề mặt tỷ lệ thuận với cờng

độ tải trọng (p), và tỷ lệ nghịch với C Vì vậy trong thực tế tính toán các

công thức trên thờng đa về dạng chung sau đây:

ω

C

F p

Với các móng hình chữ nhật, gọi α=

b

l thì F = αb 2 F =b α , đa α

vào chung với hệ số ω ta đợc:

C

pb

Trong đó: ω - hệ số tra bảng (4-4), phụ thuộc vào hình dạng móng, độ

cứng và với hình chữ nhật còn phụ thuộc tỷ lệ L/B

Bảng 4-4: Bảng giá trị hệ số ω

Hình dáng móng

Lún tại chu vi

Lún tại tâm Lún bình

quân

Lún của móng tuyệt

-1.36 1.53 1.78 1.96 2.10 2.23 2.33 2.42 2.49 2.53 2.95 3.23 3.42 3.54 4.00

1.15 1.30 1.53 1.70 1.83 1.96 2.04 2.12 2.19 2.25 2.64 2.88 3.07 3.22 3.69

1.08 1.22 1.44 1.61 1.72 - - - - 2.12 - - - - -

II trờng hợp nền đất có chiều dày giới hạn

Trong trờng hợp nền đất có chiều dày giới hạn, khi tính lún, Poxadov kiến nghị thay các hệ số ωo , ωm trong công thức trên bởi các hệ

Gorbunov-số ωoh , ωmh tính ra trên cơ sở tích phân gần đúng quá trình chuyển vị.Các giá trị ωoh , ωmh đợc tính sẵn và lập thành bảng

Đối với móng tròn tuyệt đối cứng, theo Iêgôrov độ lún có thể tính theo

công thức (43-14) nhng thay hệ số ω bằng hệ số k, xác định trên cơ sở biến đổi phơng trình tích phân của chuyển vị W sang dạng phơng

trình tích phân Fredholm bậc 2 và giả gần đúng phơng trình này bằng

cách thay thế nó bởi một đa thức Giá trị hệ số k cũng đợc lập thành

=

b

L

5.1

=

b

L

5.1

0.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250 0.299 0.349 0.395 0.437 0.476 0.511 0.543 0.573 0.601 0.625 0.647

0.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250 0.299 0.349 0.397 0.442 0.484 0.524 0.561 0.595 0.626 0.655 0.682

0.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250 0.299 0.349 0.397 0.442 0.484 0.525 0.566 0.604 0.640 0.674 0.706

0.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250 0.299 0.349 0.397 0.442 0.484 0.525 0.566 0.604 0.640 0.674 0.708

0.000 0.052 0.104 0.156 0.208 0.260 0.311 0.362 0.442 0.462 0.511 0.560 0.605 0.643 0.687 0.756 0.763

0.668 0.688 0.706 0.722 0.787 0.836

0.707 0.730 0.752 0.773 0.855 0.913

0.736 0.764 0.791 0.816 0.921 1.000

0.741 0.722 0.804 0.830 0.955 1.057

0.831 0.862 0.900 1.036 1.133

III trờng hợp nền có nhiều lớp đất

Trong trờng hợp nền gồm nhiều lớp

(hình 4-7) sử dụng phơng pháp

gần đúng của Iêgôrov, dùng cách

đổi nền không đồng nhất thành

nền đồng nhất

Phơng pháp này dựa trên giả thiết

xem mỗi lớp đất nền nh kéo dài

lên trên và xuống dới, phía trên thì

lên tận đáy móng, còn phía dới

Xét một lớp đất thứ (i) trong nền có đỉnh ở chiều sâu z i-1 và đáy ở chiều

sâu z i Theo công thức (4-30) (đã thay ω = k) thì độ lún lớp đất có chiều dày z i và z i-1 là:

+ Lớp đất có chiều dày z i-1 là:

S

Độ lún của toàn bộ nền sẽ là:

k k pb S

1

(4-32)

Khi xét đến hiện tợng tập trung ứng suất trong nền đất, khi tầng cứng

không lún nằm cách mặt đất không sâu thì Iêgôrov kiến nghị đa vào

công thức trên một số hiệu chỉnh M Độ lún của toàn bộ nền sẽ là:

C

k k pb S

i

i i

0 < <

b

h

2 2

1 < <

b

h

3 2

2 < <

b

h

5 2

3 < <

b

h

b h

2

Ngời ta tiến hành san lấp bằng cát một

chiếc hồ diện tích lớn có chiều sâu nh

hình VD30 Dự tính độ lún ổn định

của nền cát pha đáy hồ, biết rằng lớp

cát lấp phía trên coi nh không lún.

Vậy độ lún của lớp cát pha đáy hồ sẽ là:

cm m

ph e

a

S *80*7 0.0454 45.4

85.01

0015.0

+

=+

=

Ví dụ

31

Trên một công trờng cải tạo đất rộng lớn (hình VD31), mực nớc ngầm bằng mặt

đất, có một lớp hạt cát thô dày 4m nằm trên lớp sét yếu dày 5 m Lớp đất dày 3 m phủ trên toàn bộ công trờng Các số liệu sau đây đợc xác định: Trọng lợng đơn

a) Tính ứng suất hiệu qủa thẳng đứng tại tâm lớp sét trớc và sau khi đắp

S = 0∆σ'Z

cm m

= 0.3.

Bài giải:

Sử dụng công thức của lý thuyết đàn hồi để tính lún nh sau:

Const C

b p

S= . ω

6

*3

S Const 1.22 0.0625 6.25

9011

3

*154

nghiệm khác cho ở dới đây

Sét

h1=5.5m

h2=6m

hn=3.6m 2.5m

140 kN/m 2

2

75 kN/m

Ban đầu, ứng suất có hiệu tại tâm lớp sét là:

27.1213

*)81.95.19()81.92.21(

*)6.35.5(6.3

*6.19

ứng suất có hiệu tại giữa lớp sét khi có tải trọng móng là:

77.2285.107121.27'

''2=σ 1+∆σ Z= + =

)1

tính đợc là F=LxB=8.37x6.17m Tải trọng gây lún tại đáy móng khối là p = 216.5 kN/m2 Cao độ mặt đất tự nhiên là +0.0, cao độ mặt đất sau xói lở là

-1.7m Đất có hình trụ lỗ khoan (hình VD34a) và một số chỉ tiêu cơ lý nh sau:

Bảng chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất