Đất yếu là loại đất có tính nén lún cao, khả năng chịu tải rất thấp. Một số tính chất vật lý, độ bền và biến dạng nằm trong khoảng giá trị thường gặp như
sau: ❖ Tính chất vật lý - Hệ số rỗng e = [1.5÷2.5]. - Độ ẩm W 65%. - Dung trọng tự nhiên = [14÷16] kN/m3. ❖ Độ bền
- Sức kháng cắt khơng thốt nước Su < 50 kPa. - Sức kháng xuyên tiêu chuẩn N30 < 4 búa. - Lực dính hữu hiệu c’ < 15 kPa.
- Góc nội ma sát ’ = [180 ÷ 230].
❖ Tính chất biến dạng
- Hệ số nén lún a1-2 > 5 m2/kN. - Mô đun biến dạng E < 6000 kPa.
Ngoài ra, nhiều nghiên cứu [9] cho thấy trong phạm vi độ sâu đến 6m tỷ số quá cố kết OCR thay đổi từ [4 ÷ 2] (cá biệt có nhiều trường hợp lên đến 8÷6)
– đất sét có tính q cố kết nặng, từ độ sâu [6÷ 12]m, OCR thay đổi từ [1.7 ÷
1.2] đất sét có tính chất q cố kết nhẹ, trung bình từ độ sâu 0 – 12m giá trị
OCR=[1.5÷2.5] và từ độ sâu [12 ÷ 22]m đất sét có tính chất cố kết thường. Từ các phân tích đã dẫn, việc phân tính cơng trình HĐS trên nền đất sét bão hòa nước khu vực TP. HCM cần có sự nghiên cứu sâu sắc về quan hệ ứng suất và biến dạng dưới điều kiện dỡ tải đặc trưng của cơng trình để áp dụng mơ
hình tính tốn phù hợp.
1.3 Các yếu tố địa kỹ thuật ảnh hưởng đến cơng trình hố đào sâu
Tùy theo các vùng đất nền khác nhau mà các yếu tố ảnh hưởng đến biến
dạng của đất xung quanh HĐS sẽ khơng giống nhau. Trong số đó các yếu tố chính có thể kể đến như sau [13]:
- Đặc tính của đất: chuyển vị ngang của tường chắn phụ thuộc vào độ bền
của đất, chuyển vị ngang của tường chắn và độ lún bề mặt đất sét cứng và đất rời nhỏ hơn so với đất sét mềm yếu.
- Ứng suất ngang ban đầu: khi đào đất với giá trị hệ số áp lực ngang ban đầu
của đất K0 lớn, chuyển dịch của đất và tường là lớn, thậm chí cả khi đào nơng.
- Kích thước hố móng: hình dạng, diện tích mặt bằng, độ sâu hố móng đều
có ảnh hưởng lớn tới sự mở rộng và sự phân bố dịch chuyển đất xung quanh và
bên dưới đáy hố móng với những điều kiện đất nền nhất định.
- Điều kiện nước dưới đất: sự thay đổi mực nước ngầm ảnh hưởng đến ổn
định của tường chắn cùng hệ chống đỡ và độ lún của các cơng trình xung quanh.
Chênh lệch áp lực nước ở phía ngồi và phía trong hố đào có thể gây ra hiện tượng bùng nền, cát chảy… ở đáy hố đào.
- Ảnh hưởng do sử dụng biện pháp thi cơng, trình tự và thời gian thi công,
- Ảnh hưởng của sự thay đổi điều kiện ứng suất trong đất nền: khi đào đất,
cả ứng suất theo phương đứng và theo phương ngang đều giảm đi và thay đổi sự cân bằng áp lực nước lỗ rỗng trong đất, một trong những hiệu ứng quan trọng
nhất của quá trình này là chuyển vị của đất nền ở đáy và xung quanh hố đào. Đây
cũng chính là đối tượng nghiên cứu trong luận án này.
1.4 Các hiện tượng thường xảy ra ra khi thi công hố đào sâu
Cơng trình HĐS bao gồm nhiều khâu có quan hệ chặt chẽ với nhau như
chắn đất, ngăn nước, hạ mực nước ngầm, đào đất… trong đó, một khâu nào đó thất bại sẽ dẫn đến cả cơng trình bị đổ vỡ. Việc thi cơng hố móng ở các hiện trường lân cận như đóng cọc, hạ nước ngầm, đào đất… đều có thể sinh ra những ảnh hưởng hoặc khống chế lẫn nhau, tăng thêm các nhân tố để có thể gây ra sự
cố. Một số hiện tượng thường xảy ra với HĐS như sau [14]:
- Mất ổn định thành hố đào
- Hiện tượng lún bề mặt xung quanh hố đào
- Hiện tượng bùng nền đáy hố đào
- Nước ngầm tràn vào hố đào
Khi đào đất sẽ làm thay đổi trạng thái ứng suất - biến dạng của đất tự nhiên
dưới tác dụng trọng lượng bản thân của đất. Đáy hố đào được giải phóng khỏi tải trọng đứng nên sẽ trồi lên phía trên còn áp lực ngang của đất quanh tường chắn sẽ gây ra chuyển vị ngang của tường. Việc tính tốn hố đào hiện nay thường sử dụng các số liệu địa chất với các lộ trình ứng suất nén một trục hoặc ba trục thông thường, các thông số từ các thí nghiệm này chưa mơ phỏng sát thực quan hệ ứng suất – biến dạng của vùng đất xung quanh hố đào trong quá trình đào đất. Do đó, kết quả tính tốn dự báo cịn khác biệt so với quan trắc thực tế ngồi cơng trường,
gây kém an toàn và đặc biệt ảnh hưởng lớn đến chỉ tiêu về kinh tế. Vì các lý do
trên, việc nghiên cứu sự thay đổi các chỉ tiêu cơ lý theo các lộ trình ứng suất dỡ tải trong tính tốn hố đào sâu là vấn đề cần tập trung nghiên cứu.
1.5 Hướng tiếp cận của đề tài và các nghiên cứu trước đây liên quan đến trạng thái ứng suất của đất nền xung quanh hố đào sâu trạng thái ứng suất của đất nền xung quanh hố đào sâu
Như đã phân tích, HĐS chịu nhiều ảnh hưởng của các điều kiện địa kỹ thuật, việc thiết kế HĐS quan trọng nhất là khống chế chuyển vị ngang của tường
chắn ở mức phù hợp, do đó cần xác định rõ trạng thái ứng suất của vùng đất
xung quanh hố đào.
Nhiều nghiên cứu [62] đã phân chia khu vực bị ảnh hưởng bởi quá trình thi cơng đào đất thành bốn phần, như Hình 1.3.
Vùng I: với việc đào hố móng, chuyển vị ngang của tường chắn sẽ xảy ra
và ứng suất ngang giảm dần trong khi ứng suất thẳng đứng khơng thay đổi. Lộ
trình ứng suất như đoạn AC.
Vùng II: trong quá trình đào đất, ứng suất thẳng đứng giảm dần và ứng suất ngang tăng do dịch chuyển của tường, cường độ của đất giảm và vùng dẻo có thể xuất hiện ở đáy hố. Lộ trình ứng suất vùng này thể hiện bằng đoạn AMF.
Vùng III: Trong quá trình đào đất, ứng suất thẳng đứng giảm liên tục, ứng suất ngang thay đổi một chút, và lộ trình ứng suất được thể hiện bằng đoạn AS.
Vùng IV: Ứng suất thẳng đứng về cơ bản là khơng đổi, có sự thay đổi nhỏ trong ứng suất ngang, trục chính của ứng suất bị lệch do cắt trượt và lộ trình ứng suất vẫn ở gần đoạn AC.
Trong bốn vùng kể trên, Vùng I và Vùng II có ảnh hưởng lớn nhất đến biến dạng của hố móng và Vùng I là tác nhân chính gây ra biến dạng ngang. Với việc đào hố móng, chuyển vị ngang của cấu trúc chắn giữ sẽ xảy ra và ứng suất dọc trục gần như khơng đổi, ứng suất ngang giảm và có sự thay đổi giữa áp lực bị động và áp lực chủ động. Vùng II cung cấp lực đối kháng cho cấu trúc chắn giữ và cũng đóng một vai trị quan trọng trong sự biến dạng của hố móng. Sau
khi đào đất lên, áp lực ngang giảm và ứng suất thẳng đứng của nền đất giảm.
Trong q trình đào hố móng, ứng suất ngang của đất cũng thay đổi theo sự dịch
chuyển ngang của cấu trúc chống đỡ và độ bùng nền của đáy hố. Khu vực I và Khu II tương ứng với lộ trình ứng suất AC và AMF. Trong đường AMF, phần AM là phần dỡ tải và phần MF được gia tải, có thể được phân tích bằng mơ hình địa kỹ thuật. Đường AC là đường ứng suất dỡ tải theo chiều ngang. Khác với đường ứng suất AB trong thí nghiệm nén ba trục thơng thường, có những ứng xử và lộ trình ứng suất khác nhau.
Biến dạng thể hiện trong đường nét đứt màu đỏ trong Hình 1.3 có thể xảy ra sau khi kết cấu chắn giữ bắt đầu chịu tải trong quá trình đào đất, ứng suất dọc
trục của khối đất trong Vùng I là không đổi, nhưng ứng suất ngang có thể giảm hoặc tăng. Tương tự, trong khi ứng suất dọc trục giảm trong phần tử đất của Vùng II, ứng suất ngang cũng có thể tăng hoặc giảm.
Có thể thấy từ phân tích ở trên rằng lộ trình ứng suất của phần tử đất xung quanh HĐS trong q trình đào hố móng khác với lộ trình ứng suất của tải trọng
dọc trục của các cơng trình thơng thường. Sau khi chống đỡ, nền đất có thể có
hai lộ trình ứng suất của gia tải và dỡ tải. Để hiểu chính xác các đặc điểm biến dạng của nó, cần thiết phải thực hiện các thí nghiệm với lộ trình ứng suất tương ứng.
Như đã phân tích, sự thay đổi lộ trình ứng suất của đất trong thực tế là rất phức tạp. Từ các nghiên cứu trước đây, có thể thấy rằng để phân tích ứng xử của vùng I (sau lưng tường chắn) và vùng II (dưới đáy hố đào) thì việc phân tích sự
thay đổi các thông số độ bền và mô đun biến dạng của đất theo các lộ trình ứng
suất dỡ tải hai khu vực này là vấn đề chính cần tập trung giải quyết. Đó cũng
chính là hướng tiếp cận của luận án này.
1.5.1 Các nghiên cứu trước đây về trạng thái ứng suất xung quanh hố đào
Trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu về trạng thái ứng suất của đất nền
liên quan đến HĐS như: Bjerrum N. L. (1973) [22], Clough G.W. và Hansen L.
(1981) [27], Duncan J. M. và Chang C. Y. (1970) [28], Hashash Y.M.A. (1992) [34], Lambe T.W. (1970) [39], Mana A.I. và Clough G.W. (1981) [42], O’ Rourke T. D. (1981) [44], Ou C.Y. (2006) [45], Peck R.B. (1969) [50], Kai. S. Wong (2009) [62],…
Hình 1.4 Các lộ trình ứng suất khác nhau của thí nghiệm ba trục [43]
Ứng xử của đất khơng chỉ phụ thuộc vào trạng thái ứng suất hiện tại mà
còn phụ thuộc vào lịch sử ứng suất. Việc đào đất trong HĐS chủ yếu dẫn đến giảm ứng suất thẳng đứng dưới đáy móng trong q trình đào và giảm ứng suất ngang vùng đất sau lưng tường chắn. Vì ứng xử của hố đào ảnh hưởng bởi trạng thái ứng suất của đất, nên cần xác định các lộ trình ứng suất trong quá trình đào
đất để xác định các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sức kháng cắt và xác định
các thông số độ cứng thơng qua các thí nghiệm trong phịng. Lambe T. W. (1970) [39] cung cấp một phương pháp lộ trình ứng suất hợp lý để hiểu các biến thể của
ứng suất hiệu quả trong các phân tố đất tại một số vị trí điển hình gây ra bởi cả sự giảm ứng suất ngang và đứng trong quá trình đào.
Để xác định sự phụ thuộc vào lộ trình ứng suất trong tính tốn HĐS trên đất yếu, Becker P. (2008) [19] đã nghiên cứu và chế tạo thiết bị để thí nghiệm với
nhiều lộ trình ứng suất khác nhau như Hình 1.5. Các đoạn OA, OB, OC, OD,
OE, OF thể hiện trạng thái ứng suất tại các vị trí khác nhau xung quanh hố đào.
Hình 1.5 Các lộ trình ứng suất trong hố đào [19]
- Đoạn OA: trạng thái của ứng suất theo trục của nền móng, nền đất đắp.
- Đoạn OD: trạng thái ứng suất dưới đáy của hố đào.
- Đoạn OB: trạng thái ứng suất sau lưng tường chắn.
- Đoạn OE: trạng thái ứng suất ở phía trước tường chắn và dưới đáy hố đào
(trường hợp bị động), nơi thay đổi ứng suất thẳng đứng do giảm ứng suất thẳng đứng giả định là rất nhỏ.
- Đoạn OF: thể hiện sự giảm ứng suất thẳng đứng tới hố đào và tăng ứng suất nằm ngang tùy thuộc vào sự dịch chuyển của tường trên phần bị động, với điều kiện là sự gia tăng ứng suất trong cả 2 hướng chính như nhau.
Kai S. Wong (2009) [62] đã nghiên cứu lộ trình ứng suất trong đất với các
trạng thái chịu tải khác nhau (Hình 1.6) và với hố đào (Hình 1.7). Tác giả chia
các trạng thái ứng suất trong đất biến đổi do chịu tải theo các vùng từ A đến F
trong đó lộ trình ứng suất trong đất nền xung quanh HĐS thuộc vùng E. Đây
là vùng Kai S. Wong cho rằng chưa được nghiên cứu đầy đủ. Do vậy các lộ trình
ứng suất trong vùng D và C là các vùng đất nền chịu tải thông thường, thường
được sử dụng thay thế cho các lộ trình ứng suất trong vùng E. Các lộ trình ứng
suất này đều giao với đường phá hoại Kf tuy nhiên quan hệ ứng suất - biến dạng
hồn tồn có sự khác biệt.
Hình 1.6 Lộ trình ứng suất trong đất [61]
Ou C.Y. và cộng sự (2006) [45] khảo sát một loạt các thí nghiệm với lộ trình ứng suất ba trục trên đất sét bụi của Đài Bắc. Các lộ trình ứng suất bao gồm AC, AE, LE, LC. Loại thí nghiệm bao gồm CD và CU. Tác giả nhận thấy từ kết quả rằng góc ma sát hữu hiệu có sự khác biệt trong các lộ trình ứng suất và điều kiện thốt nước khác nhau mặc dù xu hướng biến dạng của mẫu đất là giống
nhau.
Ladd C.C. và cộng sự (1977) [25] công bố các kết quả đạt được từ thí
nghiệm CK0U trong điều kiện biến dạng phẳng trên bốn loại đất khác nhau. Tác giả chỉ ra rằng góc ma sát hữu hiệu có được từ thí nghiệm nén ba trục (’c) lớn
hơn góc ma sát hữu hiệu từ thí nghiệm kéo ba trục (’e). Tuy nhiên sự khác biệt
giảm đi với sự gia tăng độ dẻo của đất.
Hans-Georg Kempfert (2006) [33] trình bày cách thực hiện lấy mẫu nguyên dạng cho các thí nghiệm ba trục để phá hoại trong buồng nén bằng cách nén ba trục hoặc kéo ba trục để mô phỏng các trạng thái ứng suất của đất nền. Mẫu được nén dọc trục bằng cách tăng ứng suất nén dọc trục (đoạn OA trong Hình 1.8) hoặc giảm ứng suất bên (đoạn OB) hoặc thay đổi ứng suất theo cả hai
hướng (đoạn OC). Tương tự, kéo ba trục có thể đạt được bằng cách giảm ứng
suất thẳng đứng (đoạn OD) hoặc gia tăng ứng suất bên (đoạn OE) hoặc thay đổi các ứng suất theo cả hai hướng (đoạn OF).
Hans-Georg Kempfert [33] phân tích từ đường tới hạn trong cơ học đất
ứng xử của sức kháng cắt không thốt nước trong thí nghiệm nén và kéo. Độ dốc
của đường tới hạn (Hình 1.9) trong quá trình nén được xác định như sau:
' ' 6sin 3 sin c c M = − (1.1)
Và cho trường hợp kéo:
' ' 6sin 3 sin e e M = + (1.2)
Hình 1.9 So sánh đường phá hoại trong thí nghiệm nén và kéo ba trục
Với ’c và ’c là góc nội ma sát có hiệu trong q trình nén và kéo. Ở
trạng thái tới hạn, sức kháng cắt khơng thốt nước được xác định như sau: '
2 2
u
q Mp
c = = (1.3)
Thay M từ công thức (1.1) và (1.2) vào (1.3), tỷ số sức kháng cắt khơng
thốt nước trong q trình nén và kéo như sau:
' ' ( ) 3 sin ( ) 3 sin u comp e u ext c c c + = − (1.4)
Với giá trị trung bình ’c=290 và ’e=260 cho đất trầm tích ở Constance,
Parry R.H.G. (1971) [48] sử dụng lý thuyết tới hạn và thực nghiệm với các lộ trình ứng suất, cũng kết luận tỷ số sức kháng cắt khơng thốt nước của
thí nghiệm kéo và nén ba trục như sau:
( ) 3 sin ' ( ) 3 sin ' u ext u comp c c − = + (1.5)
Hệ số này là 0.79 và 0.72 tương ứng với φ’=200 và 28.90.
Bishop A. W. và Garga V. K. (1969) [20] đã thực hiện các thí nghiệm 3
trục CU và CD cho trường hợp cố định ứng suất dọc trục, giảm ứng suất ngang đến khi mẫu phá hoại. Kết quả cho thấy trong thí nghiệm giảm ứng suất ngang
thì các tham số cường độ xác định từ quan hệ ứng suất biến dạng khơng có sự
khác biệt lớn giữa sơ đồ CU và sơ đồ CD.
Bjerrum N.L. (1973) [22] thực hiện các thí nghiệm nén và kéo ba trục cho đất sét Bangkok, xác định sức kháng cắt khơng thốt nước và kết luận tỷ
số sức kháng cắt khơng thốt nước của thí nghiệm kéo và nén ba trục:
( ) 0.5 ( ) u ext u comp c c (1.6)
Balasubramaniam A. S. và Waheed-Uddin (1977) [18] có các báo cáo về thí nghiệm kéo ba trục cho đất sét yếu Bangkok với các sơ đồ CIUE, CIU, CID,