Phân tích các giai đoạn cố kết và công thức tính lún

Quá trình nén lún của đất dưới tác dụng của tải trọng ngoài thực chất là quá trình nén chặt đất. Trong một số trường hợp, lún mặt đất do đất nền bên dưới bị trượt. Dưới tác dụng của tải trọng ngoài, các hạt rắn được sắp xếp lại, thể tích lỗ rỗng trong đất giảm xuống, độ chặt của đất tăng lên.

Trang 1

Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014 75

PHÂN TÍCH CÁC GIAI ĐOẠN CỐ KẾT VÀ CÔNG THỨC TÍNH LÚN

ThS Võ Thanh Toàn

Khoa Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung

Tóm tắt: Quá trình nén lún của đất dưới tác dụng của tải trọng ngoài thực

chất là quá trình nén chặt đất Trong một số trường hợp, lún mặt đất do đất

nền bên dưới bị trượt Dưới tác dụng của tải trọng ngoài, các hạt rắn được

sắp xếp lại, thể tích lỗ rỗng trong đất giảm xuống, độ chặt của đất tăng lên

Như vậy tính chất nén lún của đất là hoàn toàn khác nhau tùy thuộc vào

từng loại đất và từng trạng thái, hoàn cảnh cụ thể ngay cả trong cùng một

loại đất Hiện tượng nén chặt do sự thoát nước rất chậm từ các lỗ rỗng trong

đất hạt mịn là kết quả của việc tăng tải (trọng lượng của công trình lên trên

đất nền) được gọi là cố kết (consolidation), nên việc phân tích các giai đoạn

cốt kết của đất nhằm áp dụng các công thức lún vào từng loại công trình là

vô cùng cần thiết

Từ khóa: Nén lún, cố kết.

1 Mở đầu

Khi nén chặt đất bão hòa nước

dưới tác dụng của lực ngoài, các hạt

rắn cấu tạo nên cốt đất dịch chuyển lại

gần nhau và thể tích lỗ rỗng giảm đi

Khi đó nước lấp đầy trong các lỗ rỗng

nên bị nén ép và chuyển động theo

hướng về biên thoát nước, khu vực có

áp lực bé hơn

Khi công trình xây dựng trên đất

bão hòa, tải trọng công trình được xem

như truyền lên nước trong các lỗ rỗng

của đất trước tiên Vì chịu tải nên nước

có xu hướng thoát ra từ các lỗ rỗng trong

đất (áp lực nước lỗ rỗng phân tán từ nơi

có áp lực lớn đến nơi có áp lực bé hơn

và áp lực hữu hiệu tăng dần lên), gây ra

sự giảm thể tích phần rỗng của đất và

lún công trình Đối với đất có hệ số thấm

lớn (đất hạt thô), quá trình này hoàn tất

trong một khoảng thời gian ngắn và kết

quả là hầu như sự lún kết thúc hoàn toàn

trong khi thi công Tuy nhiên đối với đất

có hệ số thấm nhỏ (đất hạt mịn, đặc biệt

là đất loại sét), quá trình này chiếm một khoảng thời gian rất lớn, mức độ biến dạng và độ lún xảy ra rất chậm

Như đã biết, chuyển động của nước

có thể tồn tại nếu tại các điểm của vùng

từ đó nước thoát ra, xét áp lực thủy tĩnh,

có áp lực thặng dư lớn hơn nơi không nằm ở trong vùng chịu nén Nói cách khác, khi nén chặt đất bão hòa trong nước lỗ rỗng xuất hiện áp lực thặng dư, được gọi là áp lực nước lỗ rỗng, đất khi

đó ở trong trạng thái không ổn định Áp lực lên cốt đất (áp lực hữu hiệu) của đất không ổn định, đang trong quá trình cố kết luôn nhỏ hơn trong cốt đất mà sự nén chặt nó có thể xem như đã hoàn toàn

2 Phân tích các giai đoạn cố kết

Thực chất tính biến dạng của đất là

sự giảm thể tích lỗ rỗng hay sự dịch chuyển và sắp xếp lại các hạt đất dưới tác dụng của tải trọng ngoài, đồng thời chúng trở nên gần nhau hơn, chặt chẽ

Trang 2

hơn Do đó, đôi khi người ta còn gọi

biến dạng này là biến dạng thể tích

Thật vậy, đất càng chặt hay càng

bền sẽ bị biến dạng càng ít, ngược lại đất

càng yếu và xốp càng bị biến dạng nhiều

khi chúng chịu tác dụng của tải trọng

ngoài như nhau

Hình 1 Các giai đoạn cố kết

2.1 Giai đoạn I – Lún tức thời (Initial

compression)

Lún tức thời xảy ra ngay sau khi

vừa chất tải khi nước chưa kịp thoát ra

khỏi lỗ rỗng Đất ở trạng thái tự nhiên sẽ

bị biến dạng đàn hồi ngay sau khi tải

trọng tác dụng (do sự tiếp xúc không

hoàn chỉnh giữa bề mặt chịu tải với áp

lực, biến dạng bản thân tải trọng và sự

sắp xếp lại vị trí các hạt đất đá) Độ lún

gây bởi quá trình biến dạng này gọi là độ

lún tức thời hay lún không thoát nước

chịu tác dụng của tải trọng tương tự

trạng thái của vật thể đàn hồi và nó có

biến dạng tương đối nhỏ Độ lún trong

giai đoạn này được tính dựa trên định

luật Hook (định luật đàn hồi)

2.2 Giai đoạn II – Cố kết sơ cấp

(Primary consolidation)

Cố kết sơ cấp còn gọi là cố kết

thấm là quá trình lún của mẫu đất theo

thời gian (chủ yếu) do sự thoát nước từ

lỗ rỗng trong quá trình chất tải tuân theo

lý thuyết cố kết thấm của Terzaghi Trong quá trình này, tốc độ ép thoát nước cũng là tốc độ nén chặt, phụ thuộc vào độ thấm nước của đất và trị số tải trọng tác dụng Trong giai đoạn này áp lực nước lỗ rỗng trong đất thường biến đổi một cách rõ rệt Kết thúc cố kết thấm được xác định ở thời điểm áp lực nước

lỗ rỗng tiêu tán hết hoặc không đổi

2.3 Giai đoạn III – Cố kết thứ cấp (Secondary consolidation)

Cố kết thứ cấp còn gọi là cố kết từ biến, ở giai đoạn này khi giá trị áp lực nước lỗ rỗng bị triệt tiêu trong quá trình

cố kết thấm Cố kết từ biến xét đến tính dẻo nhớt của cốt đất, nước liên kết và tính trượt dẻo các phân tử đất trong quá trình nén chặt Trong giai đoạn này, sự nén chặt của cốt đất phát triển chậm theo thời gian khi ứng suất hữu hiệu không đổi

3 Các công thức tính lún

Độ lún của một móng công trình nếu quá lớn sẽ ảnh hưởng đến tính năng

sử dụng của công trình như giảm độ cao của mặt nền, ảnh hưởng đến hệ thống thoát nước của công trình,… Đặc biệt độ lún lệch giữa các móng sẽ dẫn đến gia tăng nội lực trong khung nhà, trong thượng tầng kết cấu dẫn đến nứt nẻ Việc tính toán và kiểm soát các độ lún

và độ lún lệch nhằm đảm bảo an toàn cho công trình là một công việc quan trọng trong thiết kế nền móng công trình

Tổng độ lún của móng công trình

từ lúc khởi công đến suốt quá trình sử

Trang 3

dụng công trình có thể gồm: Độ lún do

hạ mực nước ngầm để chuẩn bị thi

công đào hố móng; độ nở của đất do

đào hố móng; độ lún do thi công móng

và công trình; độ nở do dâng mực nước

ngầm trở lại khi ngừng bơm hạ mực

nước ngầm; độ lún do đàn hồi của nền

đất; độ lún do cố kết sơ cấp của nền đất

dưới tải toàn bộ công trình; độ lún do

nén thứ cấp của nền đất dưới tải toàn

bộ công trình

Với những công trình có độ sâu

chôn móng không quá lớn, chiều sâu hạ

mực nước ngầm nhỏ Độ lún và nở do hạ

mực nước ngầm, giảm tải do đào hố

móng và trả lại nước ngầm có thể bỏ

qua, vì chúng không đáng kể so với độ

lún do tải công trình

Nhằm thiết kế nền móng công

trình, cần phải tính độ lún và tốc độ lún

Với nền đất biến dạng được, độ lún của

móng thường được tính bằng với biến

dạng đứng của nền đất, nó bao gồm ba

thành phần:

i p s

Trong đó: S i là độ lún tức thời do

tính đàn hồi của nền đất S p là độ cố kết

của vùng nền trực tiếp gánh đỡ móng, nó

phụ thuộc theo thời gian thông qua đặc

tính thoát nước của đất nền S s là độ lún

thứ cấp do đặc tính từ biến của đất nền,

nó phụ thuộc theo thời gian, kể từ thời

điểm lún cố kết kết thúc

Có nhiều phương pháp ước lượng

tổng độ lún của móng, hay chỉ độ lún

riêng do cố kết thấm

3.1 Độ lún tính theo quan hệ e - p

Độ lún cố kết của nền đất theo phương pháp tổng phân tố với đường quan hệ ep của thí nghiệm cố kết Đối với những móng kích thước nhỏ hơn 10m đặt trên đất nền biến dạng trung bình và lớn, để tính lún của móng có thể

áp dụng phương pháp cộng lún từng lớp, còn có tên là phương pháp tổng phân tố Phương pháp này có thể ước lượng độ lún của từng móng riêng rẻ hoặc có xét đến ảnh hưởng của các móng lân cận, cũng như tính được góc xoay của một móng hoặc độ lún lệch giữa các móng Nội dung của phương pháp bao gồm:

- Áp lực đáy móng đủ nhổ để không gây vùng biến dạng dẻo quá lớn trong nền, sao cho toàn nền ứng xử như vật thể đàn hồi đòi hỏi thỏa điều kiện: pR II, với R II là sức chịu tải của đất nền

- Tính áp lực gây lún chính là độ gia tăng ứng suất tại đáy móng do tải công trình bên trên truyền xuống, áp lực này cùng tính chất như sức chịu tải ròng

p   p h (2)

- Xác định chiều dày đới nén lún

n

H là vùng đất trực tiếp gánh đỡ tải và

bị biến dạng, kể từ đáy móng nông hoặc đáy móng quy ước dưới móng cọc đến chiều sâu z mà ở đó, thỏa mãn điều kiện

'gl z 0, 2 'bt z

   đối với đất nền có module biến dạng E5MPa;

'gl z 0,1 'bt z

   đối với đất nền có module biến dạng E5MPa;

- Để bài toán tính lún đạt độ chính xác cao, vùng nén lún được chia thành

Trang 4

nhiều lớp nhỏ, mỗi lớp phân tố có bề dày

nhỏ hơn 0,4 bề rộng móng Nếu vùng

nén lún gồm nhiều lớp đất khác nhau,

mặt phân chia các lớp đất phải là mặt

phân chia các lớp phân tố Về phương

pháp tính gần đúng, theo J McPhail và

P Hellen, khi số lớp đạt đến 64, bài tính

sẽ có độ chính xác rất cao không chênh

lệch nhiều với số lớp 1000

- Tính ứng suất do trọng lượng bản

thân ở giữa lớp phân tố đất thứ i,

1i 'bt i( )

p  từ ứng suất này ta suy ra hệ

số rỗng e1i của phân tố đất ở trạng thái

ban đầu, khi chưa gánh chịu công trình,

nhờ vào đường cong (e – p) của thí

nghiệm nén cố kết

- Từ các bảng kết quả phân bố

ứng suất trong bán không gian đàn hồi

dưới diện chịu tải, vẽ đường ứng suất

( )

z i

 do áp lực gây ra dọc theo trục mà

ta muốn tính độ lún, thường là trục đi

qua tâm diện chịu tải Tổng ứng suất

2i 'bt i( ) z i( )

p   tác động tại giữa lớp

phân tố thứ i là tổng của ứng suất do

trọng lượng bản thân và ứng suất do tải

công trình (dĩ nhiên là sau khi hiện

tượng cố kết thấm đã hoàn tất kể từ khi

đặt tải), từ tổng ứng suất này và đường

cong nén ép (e – p) sẽ suy ra hệ số

rỗng e2i của phân tố đất thứ i

Chính vì việc sử dụng kết quả của

bài toán Boussinesq (hoàn toàn dựa trên

lý thuyết đàn hồi tuyến tính) để tính các

ứng suất do tải ngoài gây ra trong nền,

nên cần phải kiểm tra áp lực nền sao cho

nền còn làm việc như vật liệu đàn hồi

Áp dụng công thức tính biến dạng

đứng của lớp thứ i

1i 2i 1i

1

e





- Độ lún của móng là tổng các độ biến dạng đứng của n phân tố trong vùng nền bị nén

1i 2i

e





hoặc sử dụng các công thức sau:

và

i

E



Nếu nền đồng nhất và chấp nhận giả thiết các hệ số nén tương đối m vi,

hệ số  i và module biến dạng E i là hằng số Hai công thức độ lún trên sẽ trở thành:

n n

i v i i

i i

và

n n

i i i

i i

E



3.2 Độ lún tính theo quan hệ e - logp

Độ lún do đất nền cố kết khi chịu sự gia tăng ứng suất do tải trọng công trình, phụ thuộc vào thông số thời gian Khi có

sự gia tăng tải trọng, phần nước trong lỗ rỗng gánh đỡ toàn bộ áp lực gia tăng này dưới dạng áp lực nước lỗ rỗng thặng dư

u

 , áp lực thặng dư này sẽ phân tán dần khi nước chịu áp lực cao chảy sang nơi

có áp lực thấp hơn theo lý thuyết cố kết thấm của Terzaghi

Với các nền đất có độ thấm lớn hơn như cát, sỏi, sạn, đá dăm,… hiện tượng cố kết thấm diễn ra gần như tức thời, độ lún của chúng không phụ thuộc

Trang 5

thông số thời gian Ngược lại, các đất

loại sét độ lún phụ thuộc thời gian t và

tùy theo đặc tính của đất nền có thể xảy

ra ba tường hợp sau:

- Với đất cố kết thường (p0 = pc):

 

0 0

log 1

c p

- Với đất cố kết trước nặng có áp

lực tác động giữa lớp đất là p0  p p c

thì độ lún là biến dạng đàn hồi của nền

có dạng:

0 0

log 1

s p

-Với đất cố kết trước nhẹ có

p  p  p  p, ta có:

0

0 0

0

log 1

p

c

H

   

(11)

Trong đó:

0

p - áp lực do tải trọng bản thân ở

giữa lớp sét;

p

 - ứng suất thẳng đứng do tải trọng

công trình gây ra ở giữa lớp đất sét;

c

p - áp lực tiền cố kết;

0

e - hệ số rỗng ban đầu của lớp đất

sét (ứng với thời điểm trước khi xây

dựng công trình);

c

C - chỉ số nén xác định theo độ dốc

của đường cong như hình 3; Hoặc có thể

xác định theo giới hạn chảy LL như sau:

- Mẫu đất nguyên dạng:

Cc = 0,009(LL – 10) (12)

- Mẫu đất chế bị:

Cc = 0,007(LL – 10) (13)

s

C - chỉ số nở xác định theo độ dốc của đường cong như hình 3; Hoặc xác định theo công thức kinh nghiệm như sau:

Cs = (0,1  0,2)Cc (14)

0

H - bề dày lớp đất ban đầu trước khi xây dựng công trình

Chúng ta đã phân tích các phương pháp tính độ lún tức thời và độ lún cố kết

Độ lún tức thời dựa trên lý thuyết đàn hồi,

độ lún do hiện tượng cố kết sơ cấp dựa trên lý thuyết phân tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư từ tải trọng công trình tác động vào nền đất sét bão hòa nước Độ lún thứ

ba là do biến dạng thứ cấp của đất nền, sau quá trình phân tán nước lỗ rỗng thặng

dư hoàn toàn (cố kết sơ kết), dưới ứng suất hữu hiệu không đổi Thành phần này được gọi là độ lún do hiện tượng nén thứ cấp, được ký hiệu là Ss

Hình 2 Đồ thị xác định hệ số C 

Độ lún do hiện tượng nén thứ cấp dựa vào đoạn tuyến tính bên dưới của đường cong e – logt Công thức tính độ lún này có dạng:

  0 log log t 1

s

p

C

e





(15)

Trang 6

Trong đó:

p

e - hệ số rỗng tương ứng với điểm

đầu của đoạn tuyến tính dưới của đường

cong e – logt, suy ra từ đường e – logt;

C  - chỉ số nén thứ cấp được định

nghĩa bởi phần nén thứ cấp của đường

cong e – logt như sau:

log t

e

4 Xác định áp lực tiền cố kết (p c )

Áp lực tiền cố kết là áp lực tối đa

mà lớp đất đã bị cố kết trong quá trình

lịch sử hình thành Thông thường, kết

quả thí nghiệm thể hiện trên đường cong

e - logp, áp lực phân chia đường cong

thành hai nhánh khác biệt trên biểu đồ

đường cong như hình 3

Hình 3 Đường cong e – logp

Giá trị áp lực tiền cố kết pc có thể

đánh giá mức độ cố kết của đất nền, ở độ

sâu đang xét, thông qua việc so sánh với

áp lực cột đất tại đó

Tỷ số tiền cố kết OCR được định

nghĩa bằng tỷ số giữa ứng suất tiền cố

kết pc và ứng suất hữu hiệu do trọng

lượng bản thân của các lớp đất bên trên tác động tại điểm lấy mẫu

'

c p OCR

p

OCR = 1: đất cố kết thường;

OCR > 1: đất cố kết trước;

OCR < 1: đất kém cố kết hoặc chưa đạt

đủ quá trình cố kết do trọng lượng bản thân các lớp bên trên

Việc xác định giá trị áp lực tiền cố kết pc có giá trị rất to lớn trong thực tế tính toán như trong việc lựa chọn công thức tính toán độ lún của đất nền, trong việc lựa chọn các thông số độ bền kháng cắt cho thiết kế mái dốc,…

Có nhiều cách khác nhau để xác định pc, đó là: phương pháp Casagrande; phương pháp Schertmann; phương pháp Janbu; phương pháp Butterfield; phương pháp Tavanas; phương pháp Burmister; phương pháp Van Zelst;…

Dưới đây chỉ xin trình bày phương pháp xác định áp lực tiền cố kết pc được dùng phổ biến hiện nay nhất, đó là phương pháp Casagrande

Casagrande (1936) đề nghị một phương pháp đồ thị theo kinh nghiệm dựa trên đường cong e – logp để xác định áp lực tiền cố kết Trên đường cong

e – logp, tại điểm cong nhất chọn một điểm có bán kính bé nhất trên đường cong cố kết e – logp Vẽ tiếp tuyến tại điểm này với đường cong e – logp, vẽ đường song song với trục hoành, vẽ đường phân giác của góc hợp bởi hai đường trên Kéo dài phần tuyến tính của đường nén nguyên thủy, giao điểm của

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

2.00

2.20

Ứng suất nén s (kG/cm 2 )

P c

C c

Cs

Trang 7

đường này với đường phân giác ta sẽ được

điểm ứng với ứng suất tiền cố kết pc

5 Kết luận

Giá trị độ lún qua từng giai đoạn

trong quá trình cố kết phụ thuộc vào

nhiều yếu tố như: loại đất, tính nén lún

của từng loại đất, độ lớn và tốc độ đặt tải

trọng, quan hệ giữa diện tích chất tải và

bề dày đất bị nén, lịch sử ứng suất của đất… Nhìn chung độ lún do cố kết sơ cấp là độ lún chiếm ưu thế Giá trị cố kết thứ cấp trong đất sét cố kết thông thường lớn hơn trong đất sét quá cố kết, mặc dù

tỷ số của cố kết thứ cấp với cố kết sơ cấp

có thể nhỏ hơn, cố kết thứ cấp lớn nhất trong đất hữu cơ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Bùi Trường Sơn 2009 Bài giảng địa chất công trình

[2] Châu Ngọc Ẩn 2009 Cơ học đất, NXB Đại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh

[3] Trần Văn Việt 2004 Cẩm nang dùng cho kỹ sư địa kỹ thuật, NXB Xây dựng

[4] Võ Phán, Phan Lưu Minh Phượng 2010 Cơ học đất, NXB Xây dựng Hà nội

[5] K.H.Head 1994 Soil laboratory testing, volume 2, Permeability, shear strength

and compressibility

Định dạng
Số trang	7
Dung lượng	343,54 KB