Phân tích một số đặc trưng biến dạng của đất

Nền móng là một trong các yếu tố quan trọng nhất đảm bảo ổn định công trình xây dựng, do đó việc lựa chọn giải pháp, tính toán, thiết kế, xử lý sự cố công trình cần được nghiên cứu kỹ. 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.

Thông báo Khoa học Công nghệ Số 1/2016 Information of Science and Technology No 1/2016 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ PHÂN TÍCH MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT Ths Võ Thanh Toàn Khoa Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung Tóm tắt Nền móng yếu tố quan trọng đảm bảo ổn định cơng trình xây dựng, việc lựa chọn giải pháp, tính tốn, thiết kế, xử lý cố cơng trình cần nghiên cứu kỹ Do vậy, mà xảy cố lún nhà, nứt đường, trượt lở mái dốc, sập cầu… khơng kiến thức kỹ Địa Kỹ thuật có vấn đề mà trách nhiệm Địa Kỹ thuật xem nhẹ Để hạn chế nguy hại xảy cho cơng trình xây dựng, cần đào tạo, trang bị đồng thống tiêu chuẩn – quy phạm tài liệu kỹ thuật chuyên môn cao, cho ngang tầm với khu vực quốc tế tiến trình hội nhập kinh tế quốc tế Việc ước lượng độ lún biến dạng móng cơng trình vấn đề quan trọng người kỹ sư Vì vậy, giai đoạn khảo sát thiết kế cơng trình, cơng tác khảo sát, phân tích đặc trưng biến dạng đất ý nghĩa chúng trog công tác quan trọng cần thiết Từ khóa Tính biến dạng, cố kết Mở đầu Vì đất vật thể có lỗ rỗng, khơng liên tục gồm hạt rắn lỗ rỗng thông Các hạt rắn dạng hạt (khoáng đá) như: sỏi, sạn, cát phần hạt bột không giữ nước bề mặt, hạt dạng bảng, dạng kim (khoáng sét) lưu giữ nước bề mặt hạt, nhờ lực hút tĩnh điện, hình thành màng nước liên kết (vỏ nước) Đất bão hòa nước (thể tích lỗ rỗng chứa đầy nước) khơng bão hòa (đất ẩm ẩm) Các hạt đất hình thành kết cấu dạng hạt (chặt rời) cho đất hạt thô (sỏi, sạn, cát), dạng tổ ong, dạng bơng cho đất hạt mịn (bột, sét) Do đó, khung hạt đất chịu tải trọng lượng thân tải bị biến dạng, gọi biến dạng đất Biến dạng đất tùy thuộc loại khoáng, loại hạt, loại kết cấu hạt, lịch sử hình thành, lịch sử chịu tải… thơng qua đặc trưng vật lý như: độ rỗng, tỷ trọng đất… Biến dạng đất gồm hai thành phần: Biến dạng khung hạt thường ứng với tải nhỏ dỡ tải hình dạng khung hạt phục hồi hình dạng ban đầu  biến dạng đàn hồi Khung hạt xếp lại (thay đổi liên kết khung kết cấu) làm giảm thể tích phần rỗng  biến dạng dẻo Lượng nước chứa lỗ rỗng đất tính chất loại nước đất ảnh hưởng lớn lên sức chịu tải kết cấu khung hạt đặc tính biến dạng đất Biến dạng tác động tải trọng ngồi xảy theo phương, thông thường quan tâm biến dạng theo phương đứng Tính biến dạng nén thể tích đất theo phương đứng gọi tính nén lún đất, xác định khả giảm 14 Thông báo Khoa học Cơng nghệ Số 1/2016 thể tích lỗ rỗng đơn vị thể tích đất tải trọng ngồi Trong trường hợp xác định, giảm thể tích lỗ rỗng liên quan tới khả làm chặt hạt đất Quá trình kéo theo dịch chuyển tất yếu hạt đất… Tính biến dạng đất Thực chất tính biến dạng đất giảm thể tích lỗ rỗng hay dịch chuyển xếp lại hạt đất tác dụng tải trọng ngoài, đồng thời chúng trở nên gần hơn, chặt chẽ Do đó, đơi người ta gọi biến dạng biến dạng thể tích Thật vậy, đất chặt hay bền bị biến dạng ít, ngược lại đất yếu xốp bị biến dạng nhiều chúng chịu tác dụng tải trọng Để dự đốn tính biến dạng nén chặt đất tác dụng tải trọng ngoài, trị số ứng suất gây biến dạng, cần phải phân tích thêm số tiêu đặc trưng cho tính nén lún đất như: Quan hệ hệ số rỗng (e) với tải trọng (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 đất E0; Module biến dạng không thoát nước đất Eu; Hệ số Poisson đất  Phân tích số đặc trưng biến dạng đất Khi có lớp đất trải dài chịu tác động tải thẳng đứng, rộng khắp, lớp đất bị nén theo phương trục z Để mô trạng thái đất trên, người ta nén đất dụng cụ có tên máy nén khơng nở hơng máy nén cố kết hình Hình Sơ đồ thí nghiệm nén cố kết thiết bị nén khơng nở hơng Thí nghiệm nén cố kết nhằm mục Information of Science and Technology No 1/2016 đích nghiên cứu q trình cố kết theo lý thuyết Terzaghi Thí nghiệm xác định độ lún q trình nước lỗ rỗng mẫu đất tải trọng thẳng đứng 3.1 Thiết bị thí nghiệm Mẫu đất lấy vào dao vòng thép khơng rỉ, cứng, có đường kính khoảng 70mm, chiều cao khoảng 20mm Dao vòng chứa mẫu đất đặt hộp nén với hai đá thấm ốp phía Mẫu đất bão hòa hồn tồn q trình thí nghiệm điều kiện ngập nước 3.2 Chuẩn bị mẫu Cắt khúc đất, hộp mẫu nguyên dạng lấy hộp tôn nhựa, dùng dao vòng nén ấn từ từ cắt vào mẫu Vừa ấn, vừa gọt xung quanh mẫu đất lọt vào dao vòng Cơng việc cần thực nhẹ nhàng, cẩn thận cho không làm xáo động mẫu Dùng dao sắc cắt phẳng đất hai mặt dao vòng Dao vòng lõi đất cho vào hộp nén lắp đặt vào vị trí máy nén Lắp đặt hiệu chỉnh đồng hồ đo độ lún vị trí 3.3 Tiến hành thí nghiệm Khi hộp mẫu lắp đặt vào vị trí, ta tiến hành chất tải cân vào hệ thống cánh tay đòn ứng với cấp áp lực dự kiến Hộp cho ngập nước, đồng hồ bấm giây khởi động bắt đầu đọc chuyển vị lún theo khoảng thời gian ổn định lún Chọn cấp áp lực thí nghiệm, trọng lượng cân lựa chọn cho đạt cấp áp lực tăng dần sau: P= 0.125 – 0.5 – – – – – 16 – 32 (kG/cm2) Chọn sơ đồ thời gian đo, ứng với cấp tải trọng, số đọc đồng hồ đo chuyển vị ghi nhận ứng với thời điểm sau: t= 6’’ – 15’’ – 30’’ – 45’’ – 1’ – 2’ – 4’ – 8’ – 15’ – 30’ – 1h – 2h – 3h – 5h – 8h – 24h… Đọc số đo tiếp tục mẫu cố kết hoàn toàn cấp áp lực, thường 24h hay 48h Sau gia tải cấp tải trọng Số lượng giá trị 15 Thông báo Khoa học Công nghệ Số 1/2016 Information of Science and Technology No 1/2016 V h  V0 h0 P>0 Vs Vvp Khí Vp= Vs(1+ep) Vv= eoVs Vo= Vs(1+eo) V= Vo-Vp Vs  e0 (3) Thật vậy, tải trọng nén bên p1 cho ta hệ số rỗng đất sau nén e1, với p2 cho ta e2 Từ kết thu được, ta có đồ thị quan hệ e= f(p) hình sau đây: 0.80 0.75 0.70 0.65 0.60 0.55 0.45 P=0 Hạt Đất e0  ep 0.50 (1) Trong : V0, h0: thể tích, chiều cao ban đầu mẫu tương ứng V, h: trị số giảm thể tích chiều cao tương ứng mẫu đất Nước S  h  h hệ số rỗng e cấp tải trọng phụ thuộc vào loại đất phạm vi ứng suất dự kiến trường Sau gia tải đến cấp tải trọng cuối cùng, sau q trình cố kết hồn tồn đạt tiến hành dỡ tải theo hay vài giai đoạn Các thông số thu nhận từ thí nghiệm nén cố kết 4.1 Quan hệ hệ số rỗng e tải trọng P Khi tác dụng tải trọng nén trục không nở hơng tự biến dạng thể tích tương đối biến dạng dọc tương đối: Khí Nước Hạt Ñaát 0.40 101112131415 16171819202122 232425262728 29303132 Ứng suất nén s (kG/cm ) Hình Đường cong nén lún e= f(p) Hệ số nén lún a Đặc trưng nén lún đất thể thơng qua độ dốc đường thẳng qua hai điểm có giá trị ứng suất khác Độ dốc đường hệ số nén Hệ số nén a trị số tan góc nghiêng với trục ngang đường cong nén lún khoảng áp lực cho a  tg   Hình Sơ đồ mẫu đất thí nghiệm nén cố kết V0  Vp V h  h  h0 V0 V0 (2) Ở đây: V V0  Vs VV ; e0  v Vv  Vs e0 Vs (4) Module tổng biến dạng E0, module khơng nước Eu, hệ số Poisson  hệ số nén tương đối mv (a0) a 2  mv  a0   (1 ) 1 e1 E 1 E0 Hay: V0 Vs 1e0  Tương tự ta có : Vp  Vs 1  e p  Thay V0 Vp vào (2), ta nhận được: h  h0 Vs (1  e0 )  Vs (1  e p ) Vs (1  e0 ) e1  e p  p1 a Từ phương trình (1), ta có: e p Ở đây: E0 = β   1 (5) 1+e1 (6) a 2 ; với ν hệ số  Poisson Như biết, môi trường đất tượng biến dạng không diễn tức thời mà diễn theo 16 Thơng báo Khoa học Công nghệ Số 1/2016 Eu E   u   (7) 2.20 2.00 Hệ số rỗng e thời gian (hay gọi q trình cố kết) Do đó, phân tích biến dạng sử dụng module đàn hồi cần phân biệt chúng hai trạng thái: Module đàn hồi khơng nước (Eu): áp dụng cần kết hợp với hệ số Poisson khơng nước (u) Module biểu tỷ số ứng suất biến dạng đất, cho thời gian gia tải tức để nước đất khơng thể ngồi, nghĩa tượng cố kết khơng xảy Module đàn hồi nước (E0): áp dụng thông số cần kết hợp với hệ số Poisson trạng thái thoát nước () Module sử dụng phân tích lún móng tải trọng tác dụng diễn thời gian đủ dài để nước lỗ rỗng khối đất hết (nghĩa q trình cố kết hồn tất) Absi chứng minh biểu thức quan hệ hai loại module nêu theo biểu thức sau, đất giả thiết đàn hồi Information of Science and Technology No 1/2016 1.80 1.60 Cc 1.40 1.20 Cs 1.00 0.1 1.0 Pc Hình Đường cong e-logp thí nghiệm nén cố kết Trường hợp sử dụng biểu đồ e-logp, số Cc xác định theo công thức: Cc  Chỉ số nén Cc, số nở Cs, hệ số nén lún av Vẽ lại quan hệ hệ số rỗng e ứng suất nén  (hay p) đồ thị bán logarit hình e1  e log p  log p1 (8) Cc độ dốc đường nén nguyên thủy, bao gồm đặc tính đàn hồi dẻo đất Với đất cố kết bình thường độ lún tăng trị số Cc lớn Các khoảng giá trị sau dùng để đánh giá cho mức độ nén lún đất + Cc< 0.02  Đất không nén lún + 0.02