bóo hoà
Điều gỡ xảy ra khi ứng suất cắt tỏc dụng lờn cỏc loại đất dớnh bóo hoà? Hầu hết phần cũn lại của chương này đề cập đến cõu hỏi này. Nhưng trước tiờn, hóy cựng nhau xem lại những gỡ xảy ra khi cỏt bóo hoà nước bị cắt.
Vớ dụ, xuất phỏt từ những thảo luận trước cho biết là sự thay đổi thể tớch của đất cú thể xảy ra trong thớ nghiệm thoỏt nước, và đú chớnh là nguyờn nhõn của sự thay đổi thể tớch, nở thể tớch hay nộn chặt, phụ thuộc vào độ chặt tương đối cũng như ỏp lực đẳng hướng. Nếu mẫu bị cắt trong điều kiện khụng thoỏt nước thỡ sự thay đổi thể tớch cú chiều hướng gõy ra ỏp lực lỗ rỗng trong cỏt.
Về cơ bản, điều tương tự cũng xảy ra khi đất sột bị cắt. Trong thớ nghiệm cắt thoỏt nước, sự thay đổi thể tớch là nở ra hay nộn lại khụng chỉ phụ thuộc vào độ chặt và ỏp lực đẳng hướng mà cũn phụ thuộc vào lịch sử ứng suất của đất. Tương tự như vậy, trong thớ nghiệm cắt khụng thoỏt nước ỏp lực lỗ rỗng phỏt triển phụ thuộc phần lớp vào trạng thỏi đất cố kết thụng thường hay quỏ cố kết.
Nhỡn chung, cỏc loại tải trọng tỏc dụng nhanh hơn sự thoỏt của nước ra khỏi lỗ rỗng của đất sột, và vỡ vậy hỡnh thành ỏp lực thuỷ tĩnh hay ỏp lực lỗ rỗng dư. Nếu tải trọng tỏc dụng như trờn mà mẫu khụng bị phỏ hoại thỡ ỏp lực lỗ rỗng tiờu tỏn và thay đổi thể tớch phỏt triển, quỏ trỡnh đú được gọi là cố kết. Như đó đề cập khi thảo luận về tớnh nộn lỳn của đất, sự khỏc biệt cơ bản trong ứng xử của cỏt và sột là thời gian xảy ra sự thay đổi thể tớch của đất. Thời gian phụ thuộc hoàn toàn vào sự khỏc biệt về tớnh thấm nước giữa cỏt và sột, hay là một hàm của tớnh thấm nước. Vỡ đất dớnh cú tớnh thấm nước nhỏ hơn rất nhiều so với đất cỏt và cuội sỏi nờn cần thời gian dài hơn để nước thấm vào hoặc ra khỏi khối đất dớnh.
Bõy giờ sẽ tỡm hiểu điều gỡ xảy ra với tải trọng như vậy và phỏ hoại cắt sắp xảy ra? Do (theo định nghĩa) nước lỗ rỗng khụng cú khả năng khỏng lại ứng suất cắt nờn toàn bộ ứng suất cắt bị khỏng lại bởi cỏc hạt đất. Núi cỏch khỏc, cường độ khỏng cắt của đất chỉ phụ thuộc vào ứng suất hiệu quả mà khụng phụ thuộc vào ỏp lực nước lỗ rỗng. Điều đú khụng cú nghĩa là ỏp lực lỗ rỗng hỡnh thành trong đất là khụng quan trọng. Ngược lại, khi ứng suất tổng thay đổi bởi những lực ngoài thỡ ỏp lực nước lỗ rỗng cũng thay đổi, và trước khi đạt được trạng thỏi cõn bằng của cỏc ứng suất hiệu quả thỡ mất ổn định cú thể xảy ra. Những quan sỏt này đưa đến hai hướng tiếp cận khỏc nhau cơ bản trong giải quyết cỏc bài toỏn ổn định trong địa kỹ thuật: (1) cỏch tiếp cận ứng suất tổng và (2) cỏch tiếp cận ứng suất hiệu quả. Ở cỏch tiếp cận ứng suất tổng, trong thớ nghiệm cắt phẳng khụng
85
cho phộp nước thoỏt ra, và đưa ra giả thiết ỏp lực nước lỗ rỗng và vỡ vậy ứng suất hiệu quả trong mẫu thớ nghiệm đỳng với ứng suất ngoài hiện trường. Phương phỏp phõn tớch ổn định này được gọi là phõn tớch ứng suất tổng, và nú sử dụng sức khỏng cắt tổng hay sức khỏng cắt khụng thoỏt nước f của đất. Sức khỏng cắt khụng thoỏt nước cú thể được xỏc định bằng thớ nghiệm trong phũng hoặc thớ nghiệm hiện trường. Nếu sử dụng những thớ nghiệm hiện trường như cắt cỏnh, xuyờn cụn Hà lan, hoặc thớ nghiệm nộn thỡ chỳng phải được tiến hành đủ nhanh để điều kiện khụng thoỏt nước xảy ra ở hiện trường.
Cỏch tiếp cận thứ hai để tớnh toỏn ổn định của nền múng cụng trỡnh, cụng trỡnh đắp, mỏi dốc, vv…, sử dụng sức khỏng cắt dưới dạng ứng suất hiệu quả. Trong cỏch tiếp cận này, phải đo hoặc đỏnh giỏ ỏp lực thuỷ tĩnh dư cả ở trong phũng và ngoài hiện trường. Sau đú, nếu biết hoặc cú thể đỏnh giỏ được ứng suất ban đầu và ứng suất tổng thỡ cú thể tớnh ứng suất hiệu quả tỏc dụng trong đất. Vỡ lẽ đú nờn tin rằng sức khỏng cắt và trạng thỏi ứng suất - biến dạng của đất được kiểm soỏt hoặc được xỏc định bằng ứng suất hiệu quả, cỏch tiếp cận thứ hai thoả món hơn về mặt lý luận. Nhưng nú cú những hạn chế thực tiễn của nú. Vớ dụ, việc đỏnh giỏ hoặc đo đạc ỏp lực lỗ rỗng, đặc biệt ở ngoài hiện trường, khụng dễ dàng chỳt nào. Phương phỏp phõn tớch ổn định này được gọi là phõn tớch ứng suất hiệu quả, và dựa trờn sức khỏng cắt thoỏt nước hoặc sức khỏng cắt dưới dạng ứng suất hiệu quả. Sức khỏng cắt thoỏt nước thụng thường chỉ được xỏc định bằng cỏc thớ nghiệm trong phũng.
Cú lẽ cần phải nhắc lại rằng, thớ nghiệm nộn ba trục đó được trỡnh bày trong những phần trước, cú những điều kiện giới hạn về thoỏt nước trong thớ nghiệm mụ phỏng cỏc trạng thỏi thực ngoài hiện trường. Cú những điều kiện thớ nghiệm như sau: cắt cố kết - thoỏt nước (CD – consolidated drained), cố kết – khụng thoỏt nước (CU – consolidated undrained), khụng cố kết – khụng thoỏt nước (UU – unconsolidated undrained). Cũng rất thớch hợp để mụ tả thuộc tớnh của đất dớnh ở những điều kiện giới hạn thoỏt nước. Khụng khú để chuyển những điều kiện thớ nghiệm này sang những trạng thỏi hiện trường cụ thể cú điều kiện thoỏt nước tương tự.
Như đó núi trờn, thớ nghiệm cắt khụng cố kết – thoỏt nước (UD) là một thớ nghiệm khụng cú ý nghĩa. Thứ nhất là vỡ nú mụ phỏng tỡnh huống khụng thực thế. Thứ hai là khụng thể diễn giải được thớ nghiệm vỡ trong quỏ trỡnh cắt xảy ra thoỏt nước, và khụng thể tỏch ra những ảnh hưởng của ỏp lực đẳng hướng và ứng suất cắt.
Như đó làm với đất cỏt, ứng xử của đất dớnh khi cắt trong thớ nghiệm cắt ba trục sẽ được thảo luận. Cú thể hỡnh dung một mẫu đất trong đẳng hướng ba trục đại diện cho một phõn tử đất điển hỡnh ngoài hiện trường dưới những điều kiện thoỏt nước khỏc nhau và theo những đường ứng suất khỏc nhau. Theo cỏch này, hy vọng sẽ thu nhận được một số hiểu biết về ứng xử của đất dớnh khi cắt, cả trong phũng thớ nghiệm và ngoài hiện trường. Nhớ rằng phần thảo luận tiếp theo đó được đơn giản hoỏ, và ứng xử của đất ngoài thực tế sẽ phức tạp hơn nhiều. Phần cuối chương này sẽ đề cập một số trong những điều phức tạp này. Cỏc tài liệu tham khảo cơ bản bao gồm Leonards (1962), Hirschfeld (1963), và Ladd (1964 và 1971b), cũng như cỏc bài giảng của giỏo sư H. B. Seed và S. J. Poulos.
86
4.5.1. Thớ nghiệm cố kết – thoỏt nước (CD)
Thớ nghiệm CD đó được mụ tả khi thảo luận độ bền của cỏt trong phần đầu của chương này. Một cỏch ngắn gọn, thớ nghiệm này là để cố kết mẫu đất ở một số trạng thỏi ứng suất phự hợp với trạng thỏi ứng suất hiện trường hoặc thiết kế. Ứng suất cố kết cú thể là đẳng hướng (ứng suất cỏc hướng bằng nhau) hoặc dị hướng (ứng suất cỏc hướng khỏc nhau). Trường hợp thứ hai này núi một cỏch khỏc là mẫu đất chịu tỏc dụng bởi độ lệch ứng suất hoặc (từ cỏc vũng Morh) một ứng suất cắt. Khi quỏ trỡnh cố kết kết thỳc, phần “C” của thớ nghiệm CD đó hoàn thành.
Trong phần “D”, cỏc van thoỏt nước vẫn mở và tỏc dụng độ lệch ứng suất một cỏch từ từ đủ để khụng phỏt triển ỏp lực nước lỗ rỗng dư trong quỏ trỡnh thớ nghiệm. Giỏo sư A. Casagrande gọi thớ nghiệm này là thớ nghiệm S-test (S chỉ “Slow – thớ nghiệm “chậm”).
Trong hỡnh 4.28 thể hiện ứng suất tổng, trung hoà, và hiệu quả trong thớ nghiệm nộn CD tại thời điểm kết thỳc cố kết, trong quỏ trỡnh gia tải, dọc trục và tại thời điểm phỏ hoại. Chỉ số v và h là ký hiệu phương thẳng đứng và phương ngang; c là cố kết. Đối với thớ nghiệm nộn một trục truyền thống, ứng suất cố kết ban đầu là đẳng hướng. Vỡ vậy v
= h = ’3c ỏp lực buồng luụn khụng đổi trong suốt quỏ trỡnh tỏc dụng ứng suất dọc trục
Trong thớ nghiệm nộn một trục, = 1 – 3, và tại thời điểm phỏ hoại f = (1 –
3)f. Ứng suất dọc trục cú thể được ỏp dụng bằng cỏch tăng thờm cỏc cấp tải trọng lờn pittong (gia tải cú kiểm soỏt) hoặc qua một hệ thống mụ tơ truyền tải gõy biến dạng mẫu với tốc độ khụng đổi (được gọi là thớ nghiệm biến dạng tốc độ khụng đổi).
Lưu ý rằng ở mọi thời điểm trong thớ nghiệm CD, ỏp lực nước lỗ rỗng cần thiết phải bằng khụng. Điều này cú nghĩa là ứng suất tổng trong thớ nghiệm thoỏt nước luụn bằng với ứng suất hiệu quả. Do đú 3c = ’3c = 3f = ’3f, và 1f = ’1f = ’3c + f. Nếu mẫu chịu tỏc dụng của ứng suất cố kết dị hướng thỡ 1f = ’1f bằng với ’1c + f.
87
Đường cong ứng suất - biến dạng điển hỡnh và đường cong quan hệ giữa thay đổi thể tớch với biến dạng cho mẫu đất sột chế bị hay đầm chặt được thể hiện trong hỡnh 4.29. Hai mẫu đất mặc dự thớ nghiệm với cựng một cấp ỏp lực đẳng hướng, mẫu đất quỏ cố kết cú cường độ cao hơn mẫu đất sột cố kết thường. Cũng cần lưu ý rằng mẫu đất quỏ cố kết cú mụđun tổng biến dạng lớn hơn và phỏ hoại [với thớ nghiệm ba trục, Ds lớn nhất bằng (1-3)f] xảy ra với biến dạng nhỏ hơn so với mẫu cố kết thường. Ứng xử của đất sột khi cắt tương tự như ứng xử cắt thoỏt nước của đất cỏt. Trong khi cắt đất sột quỏ cố kết tăng thể tớch cũn đất sột cố kết thường lại nộn chặt hoặc cố kết khi cắt. Cũng tương tự như ứng xử của đất cỏt: đất sột cố kết thường ứng xử tương tự đất cỏt rời, trong khi đú đất sột quỏ cố kết ứng xử giống như đất cỏt chặt.
88
Trong thớ nghiệm ba trục CD, cỏc đường ứng suất là đường thẳng khi giữ khụng đổi một trong cỏc ứng suất và thay đổi ứng suất khỏc. Cỏc đường ứng suất thoỏt nước điển hỡnh được thể hiện trong hỡnh 4.13 cho bốn tỡnh huống thiết kế thụng thường mà cú thể mụ phỏng trong thớ nghiệm ba trục. Đường ứng suất cho thớ nghiệm nộn một trục được thể hiện trong hỡnh 4.28 là đường thẳng AC.
Cỏc đường bao phỏ hoại Morh từ cỏc kết quả thớ nghiệm CD cho đất sột điển hỡnh được trỡnh bày trong hỡnh 4.30 và 4.31b. Đường bao phỏ hoại của mẫu đất sột chế bị cũng như mẫu đất sột nguyờn dạng cố kết thường được thể hiện trong hỡnh 4.30. Dự chỉ thể hiện duy nhất một vũng Morh (thể hiện trạng thỏi ứng suất tại thời điểm phỏ hoại trong hỡnh 4.28), cần kết quả của ba hoặc nhiều hơn ba thớ nghiệm CD trờn cỏc mẫu đất giống hệt nhau với ỏp lực cố kết khỏc nhau để vẽ đường bao phỏ hoại Morh.
89
Nếu ứng suất cố kết biến đổi trong phạm vi rộng hoặc cỏc mẫu khụng cựng độ ẩm, độ chặt, lịch sử ứng suất ban đầu thỡ ba vũng Morh phỏ hoại sẽ khụng cho chớnh xỏc đường bao phỏ hoại là một đường thẳng mà chỉ là một đường trung bỡnh gần như thẳng. Độ dốc của đường bao xỏc định thụng số ’-gúc ma sỏt trong của cường độ Morh- Coulomb dưới dạng ứng suất hiệu quả. Khi kộo dài đường bao phỏ hoại thỡ sẽ cắt trục ứng suất cắt với giỏ trị nhỏ. Vỡ vậy, trong tất cả cỏc ứng dụng thực tiễn, thường giả thiết rằng thụng số c’- lực dớnh của đất sột cố kết thụng thường chưa xi măng hoỏ là bằng khụng.
90
Đối với đất sột quỏ cố kết thỡ thụng số c’ lớn hơn khụng, như trong hỡnh 4.31b. Phần quỏ cố kết của đường bao phỏ hoại (DEC) nằm trờn đường bao cố kết thường (ABCF). Phần DEC này của đường bao phỏ hoại Morh được gọi là dốc tiền cố kết. Đường cong quan hệ e và ’ trong hỡnh 4.31a giải thớch cho đặc tớnh này của đất. Giả sử bắt đầu cố kết một mẫu đất sột trầm tớch cú độ ẩm rất cao và hệ số rỗng cao. Khi tiếp tục tăng ứng suất dọc trục tới điểm A trờn đường cong nộn sơ cấp và tiến hành thớ nghiệm nộn ba trục CD (dĩ nhiờn cú thể làm tương tự với một thớ nghiệm cắt trực tiếp CD). Cường độ của mẫu được cố kết tại điểm A trờn đường cong nộn sơ cấp tương ứng với điểm A trờn đường bao phỏ hoại Morh cho đất cố kết thường trong hỡnh 4.31b. Nếu tiến hành cố kết và thớ nghiệm một mẫu tương tự được gia tăng ứng suất tới điểm B thỡ cú thể nhận được cường độ của đất, cũng cố kết thường, tại điểm B trờn đường bao phỏ hoại trong hỡnh 4.31b. Nếu lặp lại quỏ trỡnh tới điểm C (’p là ứng suất tiền cố kết), sau đú
Hỡnh 4.31
91
giảm tải, tới điểm D, sau đú gia tải tới điểm E và cắt thỡ thu được cường độ của đất thể hiện tại điểm E trong hỡnh phớa dưới. Lưu ý rằng sức khỏng cắt của mẫu tại E lớn hơn tại B, mặc dự ứng suất cố kết như nhau tại những điểm đú. Lý do dẫn đến sức khỏng cắt tại E lớn hơn tại B bởi vỡ thực tế là tại E mẫu cú độ ẩm thấp hơn, hệ số rỗng nhỏ hơn, và vỡ thế mẫu chặt hơn tại B, như trong hỡnh 4.31a. Nếu một mẫu khỏc được gia tải tới C, giảm tải tới D, gia tải lại tới E và C và tiếp tục tới F thỡ cú cường độ của đất tại điểm F như trong hỡnh. Lưu ý rằng bõy giờ nú trở lại đường cong nộn sơ cấp và đường bao phỏ hoại cố kết thường. Những ảnh hưởng của giảm tải và cố kết lại đó bị loại bỏ bởi tải trọng tăng tới điểm F. Khi tải trọng tỏc dụng lớn hơn nhiều so với ỏp lực tiền cố kết ’p thỡ khụng cần quan tõm đến lịch sử ứng suất của đất nữa.
4.5.2. Giỏ trị đặc trưng của cỏc thụng số sức khỏng cắt thoỏt nước
Những đường bao phỏ hoại Morh trong hỡnh 4.30 và 4.31 khụng chỉ ra bất kỳ giỏ trị định lượng nào cho thụng số sức khỏng cắt hiệu quả ’. Giỏ trị trung bỡnh của ’ cho đất sột nguyờn dạng biến đổi trong khoảng 200 cho đất sột cố kết thường, lờn tới 300 hoặc hơn với đất sột chứa bụi và cỏt. Giỏ trị ’ cho đất sột đó nộn chặt thường khoảng 250 hoặc 300 và đụi khi lờn tới 350. Như đó đề cập ở phần trước, giỏ trị c’ đối với đất sột cố kết thường chưa xi măng hoỏ rất nhỏ và cú thể bỏ qua trong thực tế. Nếu đất quỏ cố kết thỡ ’ cú thể nhỏ hơn và c’ lớn hơn đối với phần cố kết thường của đường bao phỏ hoại (xem hỡnh 4.31b). Theo Ladd (1971b), đối với đất sột quỏ cố kết chưa xi măng hoỏ tự nhiờn với ỏp lực tiền cố kết nhỏ hơn 500 đến 1000 kPa, c’ sẽ cú thể nhỏ hơn 5 đến 10 kPa tại cỏc ứng suất thấp. Đối với đất sột đầm chặt ở ứng suất nhỏ, c’ sẽ lớn hơn rất nhiều do ứng suất trước gõy ra bởi quỏ trỡnh đầm chặt. Khi phõn tớch ổn định, cỏc thụng số ứng suất hiệu quả Morh-Coulomb ’ và c’ được xỏc định trong phạm vi biến đổi của ứng suất phỏp hiệu quả đỳng như ở ngoài hiện trường.
Quan sỏt chỉ ra rằng (vớ dụ, Kenney, 1959) khụng cú nhiều khỏc biệt giữa ’xỏc định trờn mẫu nguyờn dạng hoặc mẫu chế bị cú cựng độ ẩm. Dường như để ’ đạt giỏ trị cực đại cần cú biến dạng rất lớn phỏ vỡ kiến trỳc của đất và gần như cỏc hạt đất xắp xếp lại trong phạm vi mặt phẳng phỏ hoại.
Cỏc quan hệ thực nghiệm giữa ’ và chỉ số dẻo của đất sột cố kết thường được trỡnh bày trong hỡnh 4.32. Cỏc quan hệ này dựa trờn cụng trỡnh nghiờn cứu của Kenney (1959), Bjerrum và Simons (1960), U.S. Navy (1971), và Ladd và nnk (1977). Vỡ cú sự phõn tỏn đỏng kể cỏc giỏ trị xung quanh “đường trung bỡnh” nờn cần chỳ ý khi sử dụng