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.

Thông báo Khoa học Công nghệ * Số 1-2014 75 PHÂN TÍCH CÁC GIAI ĐOẠN CỐ KẾT VÀ CƠNG THỨC TÍNH LÚN ThS Võ Thanh Tồn Khoa Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung Tóm tắt: Quá trình nén lún đất tác dụng tải trọng ngồi thực chất q trình nén chặt đất Trong số trường hợp, lún mặt đất đất bên bị trượt Dưới tác dụng tải trọng ngoài, hạt rắn xếp lại, thể tích lỗ rỗng đất giảm xuống, độ chặt đất tăng lên Như tính chất nén lún đất hoàn toàn khác tùy thuộc vào loại đất trạng thái, hoàn cảnh cụ thể loại đất Hiện tượng nén chặt thoát nước chậm từ lỗ rỗng đất hạt mịn kết việc tăng tải (trọng lượng cơng trình lên đất nền) gọi cố kết (consolidation), nên việc phân tích giai đoạn cốt kết đất nhằm áp dụng cơng thức lún vào loại cơng trình vơ cần thiết Từ khóa: Nén lún, cố kết Mở đầu Khi nén chặt đất bão hòa nước tác dụng lực ngoài, hạt rắn cấu tạo nên cốt đất dịch chuyển lại gần thể tích lỗ rỗng giảm Khi nước lấp đầy lỗ rỗng nên bị nén ép chuyển động theo hướng biên thoát nước, khu vực có áp lực bé Khi cơng trình xây dựng đất bão hịa, tải trọng cơng trình xem truyền lên nước lỗ rỗng đất trước tiên Vì chịu tải nên nước có xu hướng thoát từ lỗ rỗng đất (áp lực nước lỗ rỗng phân tán từ nơi có áp lực lớn đến nơi có áp lực bé áp lực hữu hiệu tăng dần lên), gây giảm thể tích phần rỗng đất lún cơng trình Đối với đất có hệ số thấm lớn (đất hạt thơ), q trình hồn tất khoảng thời gian ngắn kết lún kết thúc hồn tồn thi cơng Tuy nhiên đất có hệ số thấm nhỏ (đất hạt mịn, đặc biệt đất loại sét), trình chiếm khoảng thời gian lớn, mức độ biến dạng độ lún xảy chậm Như biết, chuyển động nước tồn tại điểm vùng từ nước ra, xét áp lực thủy tĩnh, có áp lực thặng dư lớn nơi không nằm vùng chịu nén Nói cách khác, nén chặt đất bão hịa nước lỗ rỗng xuất áp lực thặng dư, gọi áp lực nước lỗ rỗng, đất trạng thái khơng ổn định Áp lực lên cốt đất (áp lực hữu hiệu) đất không ổn định, q trình cố kết ln nhỏ cốt đất mà nén chặt xem hồn tồn Phân tích giai đoạn cố kết 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 Thông báo Khoa học Cơng nghệ * Số 1-2014 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 Hình Các giai đoạn cố kết 2.1 Giai đoạn I – Lún tức thời (Initial compression) Lún tức thời xảy sau vừa chất tải nước chưa kịp thoát khỏi lỗ rỗng Đất trạng thái tự nhiên bị biến dạng đàn hồi sau tải trọng tác dụng (do tiếp xúc khơng hồn chỉnh bề mặt chịu tải với áp lực, biến dạng thân tải trọng xếp lại vị trí hạt đất đá) Độ lún gây trình biến dạng gọi độ lún tức thời hay lún khơng nước chịu tác dụng tải trọng tương tự trạng thái vật thể đàn hồi có biến dạng tương đối nhỏ Độ lún giai đoạn tính dựa định luật Hook (định luật đàn hồi) 2.2 Giai đoạn II – Cố kết sơ cấp (Primary consolidation) Cố kết sơ cấp gọi cố kết thấm trình lún mẫu đất theo thời gian (chủ yếu) thoát nước từ 76 lỗ rỗng trình chất tải tuân theo lý thuyết cố kết thấm Terzaghi Trong trình này, tốc độ ép thoát nước tốc độ nén chặt, phụ thuộc vào độ thấm nước đất trị số tải trọng tác dụng Trong giai đoạn áp lực nước lỗ rỗng đất thường biến đổi cách rõ rệt Kết thúc cố kết thấm xác định thời điểm áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán hết không đổi 2.3 Giai đoạn III – Cố kết thứ cấp (Secondary consolidation) Cố kết thứ cấp gọi cố kết từ biến, giai đoạn giá trị áp lực nước lỗ rỗng bị triệt tiêu trình cố kết thấm Cố kết từ biến xét đến tính dẻo nhớt cốt đất, nước liên kết tính trượt dẻo phân tử đất trình nén chặt Trong giai đoạn này, nén chặt cốt đất phát triển chậm theo thời gian ứng suất hữu hiệu không đổi Các công thức tính lún Độ lún móng cơng trình lớn ảnh hưởng đến tính sử dụng cơng trình giảm độ cao mặt nền, ảnh hưởng đến hệ thống nước cơng trình,… Đặc biệt độ lún lệch móng dẫn đến gia tăng nội lực khung nhà, thượng tầng kết cấu dẫn đến nứt nẻ Việc tính toán kiểm soát độ lún độ lún lệch nhằm đảm bảo an tồn cho cơng trình cơng việc quan trọng thiết kế móng cơng trình Tổng độ lún móng cơng trình từ lúc khởi cơng đến suốt q trình sử Thơng báo Khoa học Công nghệ * Số 1-2014 dụng công trình gồm: Độ lún hạ mực nước ngầm để chuẩn bị thi cơng đào hố móng; độ nở đất đào hố móng; độ lún thi cơng móng cơng trình; độ nở dâng mực nước ngầm trở lại ngừng bơm hạ mực nước ngầm; độ lún đàn hồi đất; độ lún cố kết sơ cấp đất tải tồn cơng trình; độ lún nén thứ cấp đất tải tồn cơng trình Với cơng trình có độ sâu chơn móng không lớn, chiều sâu hạ mực nước ngầm nhỏ Độ lún nở hạ mực nước ngầm, giảm tải đào hố móng trả lại nước ngầm bỏ qua, chúng khơng đáng kể so với độ lún tải cơng trình Nhằm thiết kế móng cơng trình, cần phải tính độ lún tốc độ lún Với đất biến dạng được, độ lún móng thường tính với biến dạng đứng đất, bao gồm ba thành phần: S  Si  Sp  Ss (1) Trong đó: Si độ lún tức thời tính đàn hồi đất S p độ cố kết vùng trực tiếp gánh đỡ móng, phụ thuộc theo thời gian thơng qua đặc tính nước đất Ss độ lún thứ cấp đặc tính từ biến đất nền, phụ thuộc theo thời gian, kể từ thời điểm lún cố kết kết thúc Có nhiều phương pháp ước lượng tổng độ lún móng, hay độ lún riêng cố kết thấm 77 3.1 Độ lún tính theo quan hệ e - p Độ lún cố kết đất theo phương pháp tổng phân tố với đường quan hệ e  p thí nghiệm cố kết Đối với móng kích thước nhỏ 10m đặt đất biến dạng trung bình lớn, để tính lún móng áp dụng phương pháp cộng lún lớp, cịn có tên phương pháp tổng phân tố Phương pháp ước lượng độ lún móng riêng rẻ có xét đến ảnh hưởng móng lân cận, tính góc xoay móng độ lún lệch móng Nội dung phương pháp bao gồm: - Áp lực đáy móng đủ nhổ để khơng gây vùng biến dạng dẻo lớn nền, cho toàn ứng xử vật thể đàn hồi đòi hỏi thỏa điều kiện: p  RII , với RII sức chịu tải đất - Tính áp lực gây lún độ gia tăng ứng suất đáy móng tải cơng trình bên truyền xuống, áp lực tính chất sức chịu tải rịng (2) pgl   'gl  p   ' h - Xác định chiều dày đới nén lún H n vùng đất trực tiếp gánh đỡ tải bị biến dạng, kể từ đáy móng nơng đáy móng quy ước móng cọc đến chiều sâu z mà đó, thỏa mãn điều kiện  'gl ( z )  0, 2 'bt ( z ) đất có module biến dạng E  MPa ;  'gl ( z )  0,1 'bt ( z ) đất có module biến dạng E  MPa ; - Để toán tính lún đạt độ xác cao, vùng nén lún chia thành Thông báo Khoa học Công nghệ * Số 1-2014 nhiều lớp nhỏ, lớp phân tố có bề dày nhỏ 0,4 bề rộng móng Nếu vùng nén lún gồm nhiều lớp đất khác nhau, mặt phân chia lớp đất phải mặt phân chia lớp phân tố Về phương pháp tính gần đúng, theo J McPhail P Hellen, số lớp đạt đến 64, tính có độ xác cao không chênh lệch nhiều với số lớp 1000 - Tính ứng suất trọng lượng thân lớp phân tố đất thứ i, p1i   'bt (i ) từ ứng suất ta suy hệ 78 đứng lớp thứ i si  ta muốn tính độ lún, thường trục qua tâm diện chịu tải Tổng ứng suất p2i   'bt (i )   z (i ) tác động lớp phân tố thứ i tổng ứng suất trọng lượng thân ứng suất tải cơng trình (dĩ nhiên sau tượng cố kết thấm hoàn tất kể từ đặt tải), từ tổng ứng suất đường cong nén ép (e – p) suy hệ số rỗng e2i phân tố đất thứ i Chính việc sử dụng kết tốn Boussinesq (hồn tồn dựa lý thuyết đàn hồi tuyến tính) để tính ứng suất tải gây nền, nên cần phải kiểm tra áp lực cho làm việc vật liệu đàn hồi Áp dụng cơng thức tính biến dạng (3) - Độ lún móng tổng độ biến dạng đứng n phân tố vùng bị nén n n S   si   i 1 i 1 e1i  e2i hi  e1i (4) sử dụng công thức sau: n n S   si   mvi pi hi số rỗng e1i phân tố đất trạng thái ban đầu, chưa gánh chịu cơng trình, nhờ vào đường cong (e – p) thí nghiệm nén cố kết - Từ bảng kết phân bố ứng suất bán không gian đàn hồi diện chịu tải, vẽ đường ứng suất  z (i ) áp lực gây dọc theo trục mà e1i  e2i hi  e1i i 1 i 1 n n S   si   i 1 i 1 i pi hi Ei (5) (6) Nếu đồng chấp nhận giả thiết hệ số nén tương đối mvi , hệ số i module biến dạng Ei số Hai công thức độ lún trở thành: n n S   si  mv pi hi i 1 n S   si  i 1 (7) i 1  n pi hi E i1 (8) 3.2 Độ lún tính theo quan hệ e - logp Độ lún đất cố kết chịu gia tăng ứng suất tải trọng cơng trình, phụ thuộc vào thơng số thời gian Khi có gia tăng tải trọng, phần nước lỗ rỗng gánh đỡ toàn áp lực gia tăng dạng áp lực nước lỗ rỗng thặng dư u , áp lực thặng dư phân tán dần nước chịu áp lực cao chảy sang nơi có áp lực thấp theo lý thuyết cố kết thấm Terzaghi Với đất có độ thấm lớn cát, sỏi, sạn, đá dăm,… tượng cố kết thấm diễn gần tức thời, độ lún chúng không phụ thuộc Thông báo Khoa học Công nghệ * Số 1-2014 thông số thời gian Ngược lại, đất loại sét độ lún phụ thuộc thời gian t tùy theo đặc tính đất xảy ba tường hợp sau: - Với đất cố kết thường (p = p c): Sp   p  p  Cc H log   1  e0   p0  (9) - Với đất cố kết trước nặng có áp lực tác động lớp đất p0  p  pc độ lún biến dạng đàn hồi có dạng: Sp   p p  Cs H0 log   (10) 1 e0   p0  -Với đất cố kết trước nhẹ có p0  pc  p0  p , ta có: Sp  p  Cs H0 log  c  1 e0   p0   p  p  Cc  H0 log   1 e0   pc  (11) 79 Cs - số nở xác định theo độ dốc đường cong hình 3; Hoặc xác định theo công thức kinh nghiệm sau: Cs = (0,1  0,2)Cc (14) H - bề dày lớp đất ban đầu trước xây dựng công trình Chúng ta phân tích phương pháp tính độ lún tức thời độ lún cố kết Độ lún tức thời dựa lý thuyết đàn hồi, độ lún tượng cố kết sơ cấp dựa lý thuyết phân tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư từ tải trọng cơng trình tác động vào đất sét bão hòa nước Độ lún thứ ba biến dạng thứ cấp đất nền, sau trình phân tán nước lỗ rỗng thặng dư hồn tồn (cố kết sơ kết), ứng suất hữu hiệu không đổi Thành phần gọi độ lún tượng nén thứ cấp, ký hiệu Ss Trong đó: p0 - áp lực tải trọng thân lớp sét; p - ứng suất thẳng đứng tải trọng cơng trình gây lớp đất sét; pc - áp lực tiền cố kết; e0 - hệ số rỗng ban đầu lớp đất sét (ứng với thời điểm trước xây dựng công trình); Cc - số nén xác định theo độ dốc đường cong hình 3; Hoặc xác định theo giới hạn chảy LL sau: - Mẫu đất nguyên dạng: Cc = 0,009(LL – 10) (12) - Mẫu đất chế bị: Cc = 0,007(LL – 10) (13) Hình Đồ thị xác định hệ số C Độ lún tượng nén thứ cấp dựa vào đoạn tuyến tính bên đường cong e – logt Cơng thức tính độ lún có dạng: Ss  C H log   log t  1  e p  (15) Thông báo Khoa học Cơng nghệ * Số 1-2014 Trong đó: e p - hệ số rỗng tương ứng với điểm đầu đoạn tuyến tính đường cong e – logt, suy từ đường e – logt; C - số nén thứ cấp định nghĩa phần nén thứ cấp đường cong e – logt sau: C  e  log t (16) Xác định áp lực tiền cố kết (pc) Áp lực tiền cố kết áp lực tối đa mà lớp đất bị cố kết trình lịch sử hình thành Thơng thường, kết thí nghiệm thể đường cong e - logp, áp lực phân chia đường cong thành hai nhánh khác biệt biểu đồ đường cong hình 2.20 lượng thân lớp đất bên tác động điểm lấy mẫu OCR  pc p' (17) OCR = 1: đất cố kết thường; OCR > 1: đất cố kết trước; OCR < 1: đất cố kết chưa đạt đủ trình cố kết trọng lượng thân lớp bên Việc xác định giá trị áp lực tiền cố kết pc có giá trị to lớn thực tế tính tốn việc lựa chọn cơng thức tính tốn độ lún đất nền, việc lựa chọn thông số độ bền kháng cắt cho thiết kế mái dốc,… Có nhiều cách khác để xác định pc, là: phương pháp Casagrande; phương pháp Schertmann; phương pháp Janbu; phương pháp Butterfield; phương pháp Tavanas; phương pháp Burmister; 2.00 Hệ số rỗng e 80 phương pháp Van Zelst;… 1.80 1.60 Dưới xin trình bày phương pháp xác định áp lực tiền cố kết p c dùng phổ biến nhất, phương pháp Casagrande Casagrande (1936) đề nghị phương pháp đồ thị theo kinh nghiệm Cc 1.40 1.20 Cs 1.00 0.1 1.0 Pc 10.0 Ứng suất nén s (kG/cm ) Hình Đường cong e – logp Giá trị áp lực tiền cố kết pc đánh giá mức độ cố kết đất nền, độ sâu xét, thông qua việc so sánh với áp lực cột đất Tỷ số tiền cố kết OCR định nghĩa tỷ số ứng suất tiền cố kết p c ứng suất hữu hiệu trọng dựa đường cong e – logp để xác định áp lực tiền cố kết Trên đường cong e – logp, điểm cong chọn điểm có bán kính bé đường cong cố kết e – logp Vẽ tiếp tuyến điểm với đường cong e – logp, vẽ đường song song với trục hồnh, vẽ đường phân giác góc hợp hai đường Kéo dài phần tuyến tính đường nén nguyên thủy, giao điểm Thông báo Khoa học Công nghệ * Số 1-2014 đường với đường phân giác ta điểm ứng với ứng suất tiền cố kết pc Kết luận Giá trị độ lún qua giai đoạn trình cố kết phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: loại đất, tính nén lún loại đất, độ lớn tốc độ đặt tải trọng, quan hệ diện tích chất tải 81 bề dày đất bị nén, lịch sử ứng suất đất… Nhìn chung độ lún cố kết sơ cấp độ lún chiếm ưu Giá trị cố kết thứ cấp đất sét cố kết thông thường lớn đất sét cố kết, tỷ số cố kết thứ cấp với cố kết sơ cấp nhỏ hơn, cố kết thứ cấp lớn đất hữu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Trường Sơn 2009 Bài giảng địa chất cơng 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  ... 2.3 Giai đoạn III – Cố kết thứ cấp (Secondary consolidation) Cố kết thứ cấp gọi cố kết từ biến, giai đoạn giá trị áp lực nước lỗ rỗng bị triệt tiêu trình cố kết thấm Cố kết từ biến xét đến tính. .. thời điểm lún cố kết kết thúc Có nhiều phương pháp ước lượng tổng độ lún móng, hay độ lún riêng cố kết thấm 77 3.1 Độ lún tính theo quan hệ e - p Độ lún cố kết đất theo phương pháp tổng phân tố... chung độ lún cố kết sơ cấp độ lún chiếm ưu Giá trị cố kết thứ cấp đất sét cố kết thông thường lớn đất sét cố kết, tỷ số cố kết thứ cấp với cố kết sơ cấp nhỏ hơn, cố kết thứ cấp lớn đất hữu TÀI