KHI GIA TẢI TRƯỚC
3.1. CƠ SỞ NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘ BỀN CỦA ĐẤT
3.1.5 Độ bền và sức chịu tải của nền
Các lý thuyết về xác định sức chịu tải của đất dựa trên lý thuyết đàn hoài:
Theo lý thuyết này, ổn định của nền đất yếu được đánh giá theo tải trọng an toàn (qat)
Trường hợp tải trọng của khối đất đắp gia tải phân bố dạng tam giác cân hoặc gần tam giác cân:
o at
b q c
α
ϕ γ ϕ sin cos
2 +
= (3.30)
b: nửa chiều rộng của đáy khối đất gia tải.
c, ϕ, γ: lực dính, góc nội ma sát và trọng lượng thể tích của đất nền dưới khối đất đắp.
αo: hệ số phụ thuộc vào góc nội ma sát ϕ. Hệ số này ứng với trường hợp vùng phá hoại chỉ xuất hiện tại một nhân điểm, xác định theo bảng 3.1 (tham khảo ở Công trình trên đất yếu trong điều kiện Việt Nam – Lareal Nguyễn Thành Long – Lê Bá Lương – Nguyễn Quang Chiêu – Vũ Đức Lực)
Bảng 3.1 – Các giá trị αo theo ϕ
ϕo 0 5 7 9 10 12 14
αo 0.5 0.435 0.410 0.386 0.370 0.345 0.320
ϕo 15 16 18 20 25 30
αo 0.310 0.269 0.277 0.252 0.210 0.175
Khi ϕ = 0, tải trọng an toàn của khối đất gia tải tác dụng lên nền đất yếu được xác định theo công thức sau:
qat = 4c (3.31)
Trường hợp tải trọng của khối đất đắp gia tải phân bố dạng hình thang caân:
Khi bỏ qua ảnh hưởng trọng lượng thể tích của đất nền có thể xác định tải trọng an toàn theo công thức của Giáo sư Đặng Hữu:
qat = ηo c (3.32)
ηo: hệ số phụ thuộc vào a/b và ϕ, xác định theo bảng 3.2
Bảng 3.2 - Các giá trị ηo theo a/b và ϕ
( )o
b
aϕ 0 5 10 15 20 30
0 1 2 3 5 10 20
3.14 3.20 3.29 3.37 3.47 3.61 3.71
3.62 3.70 3.80 3.90 4.05 4.22 4.36
4.19 4.31 4.42 4.54 4.72 4.95 5.07
4.86 4.97 5.18 5.31 5.50 5.78 5.98
5.65 5.83 6.05 6.24 6.50 6.85 7.09
8.00 8.27 8.61 8.92 9.33 9.80 10.20 Trường hợp tải trọng của khối đất đắp gia tải phân bố gần với dạng hình chữ nhật phân bố đều:
Tải trọng an toàn có thể xác định theo công thức của O.K. Flohlich – N.P.Purửrevski:
2 . .
ϕ π ϕ
ϕ π
− +
= ctg
ctg
qat c (3.33)
Khi ϕ = 0, công thức (3.33) trở thành:
c
qat =π (3.34)
Các lý thuyết về xác định sức chịu tải của đất dựa trên lý thuyết dẻo:
Theo lý thuyết này, ổn định của nền đất yếu được đánh giá theo tải trọng cho pheùp (qult)
Theo nghiên cứu của Prandtl (1920) :
Đối với nền đất sét bão hòa nước (trong điều kiện không thoát nước, ϕ = 0), giả sử đất không có trọng lượng (γ =0) và phụ tải hông bằng không, sức chịu tải cực hạn của nền được tính như sau:
qult = (π + 2)c = 5.14 c (3.35)
Theo Terzaghi (1943):
qult = cNc + γDNq + 0.5γBNγ (3.36)
Công thức trên gồm ba thành phần chính:
0.5γBNγ là thành phần chống trượt của khối nền nằm ngay sát dưới đáy móng
cNc là thành phần lực dính của lớp đất dưới đáy móng γDNq là thành phần phụ tải hông
Đối với móng vuông:
qult = 1.3 cNc + γDNq + 0.4γBNγ (3.37) Đối với móng tròn:
qult = 1.3 cNc + γDNq + 0.6γRNγ (3.38) Với D: chiều sâu chôn móng.
B: chiều rộng của móng.
R: bán kính của móng
γ : trọng lượng đơn vị của đất Ni : Các hệ số về khả năng chịu tải
Công thức của Terzaghi thích hợp để tính toán cho các móng nông (D<B).
Với điều kiện ϕ = 0 ta có:
Nc = 5.74 Nq = 1.00 Nγ = 0.0
Các hệ số về khả năng chịu tải (Nc , Nq ,Nγ) phụ thuộc vào góc nội ma sát của đất(ϕ)
Các hệ số khả năng chịu tải
Góc nội ma sát,ϕo
Hình 3.2 Các hệ số sức chịu tải Ni trong công thức của Terzaghi và N’i
trong công thức của W. Hansen Theo nghiên cứu của Hansen (1970)
Sức chịu tải của nền có xét đến ảnh hưởng của các yếu tố hình dạng móng, chiều sâu chôn móng và độ nghiêng của tải tác động, được tính như sau:
qult = cNcscdc + γDNqsqdq + 0.5γBNγsγdγ (3.39) Với Nq= tan2 (45+ϕ/2) exp (π tanϕ) (3.40) Nc = (Nq-1) cotϕ
Nγ = 1.5(Nq-1) tanϕ
L N
B s N
c q
c =1+
B dc =1+0.4D ϕ
tan 1 L
sq = + B ( )
B dq =1+2tanφ 1−sinϕ 2 D
L s 0.4B
1−
γ = dγ =100
Theo nghiên cứu của Skempton (1951) :
Đất nền được xét trong điều kiện không có trọng lượng (γ =0) nên không có ma sát trong khu vực trượt. Do đó sức chịu tải của nền chỉ có hai thành phần và được tính như sau:
qult = cNc + γDNq (3.41)
cNc là thành phần lực dính của lớp đất dưới đáy móng γDNq là thành phần phụ tải hông
Một số phương pháp kinh nghiệm thường được áp dụng để tính sức chịu tải an toàn của đất (qa):
Đối với đất dính:
3 3
3 . 1 3
c q ult
a
cN DN
q q γ
+
=
= (3.42)
Với Nq=1 , c = qu/2 (qu là lực kháng cắt nhận được từ thí nghiệm nén nở hông) ta có:
3 3
) 3 )(
2 (
) 7 . 5 ( 3 .
1 D
D q
qa = qu +γ ≈ u +γ (3.43)
Đối với đất rời, sức chịu tải an toàn của đất (qa) theo Mayerhof (1956,1974):
d
a K
F q N
1
= B < F4 (3.44)
d
a K
B F B F q N
2 3 2
⎟⎠
⎜ ⎞
⎝
= ⎛ + B>F4 (3.45)
B:bề rộng của móng D: chiều sâu chôn móng Kd =1 + 0.33 D/B < 1.33
N: số búa đóng tiêu chuẩn trong thí nghiệm SPT (lấy giá trị trung bình ở độ saâu baèng 0.75 B
F: là hằng số phụ thuộc vào đơn vị sử dụng, xác định theo bảng 3.3 Bảng 3.3 Xác dịnh F theo đơn vị sử dụng
F SI,m FPS, ft
1 0.05 2.5
2 0.08 4.0
3 0.30 4.0
4 1.20 4.0
Đối với những móng có bề rộng B lớn:
d
a K
F q N
2
= (3.46)
Theo kết quả nghiên cứu của Parry (1977), sức chịu tải của đất rời được tính theo số búa đóng (N) trong thí nghiệm xuyên động SPT:
qult = 30N (kPa)
Theo kết quả nghiên cứu của Mayerhof (1956), sức chịu tải của đất rời được tính theo số búa đóng (N) trong thí nghiệm xuyên tĩnh CPT:
30
c a
q = q B < F4 (3.47)
2 3
50 ⎟
⎠
⎜ ⎞
⎝
= ⎛ + B
F B
qa qc B > F4 (3.48)
qc : sức kháng xuyên của mũi (kPa)
Theo kết quả nghiên cứu của Begemann (1974), đối với đất dính lực kháng cắt không thoát nước su có thể ước tính như sau:
' c
o c
u N
p s q −
= (3.49)
Với: po là áp lực của cột đất nằm bên trên vị trí mũi côn
N’c là hằng số có giá trị 5÷70, phụ thuộc vào điều kiện trầm tích và hệ số quá cố kết OCR của đất (thường có giá trị từ 9÷15)
Thay sc = c vào công thức :qult = cNc + γDNq + 0.5γBNγ ta xác định được sức chịu tải của nền
Độ bền và sức chịu tải của nền theo điều kiện không thoát nước:
Dưới tác động của tải trọng ngoài áp lực nước lỗ rỗng thặng dư sẽ phân tán nhanh hay chậm theo thời gian (phụ thuộc vào khả năng thấm của từng loại đất), điều này sẽ chi phối chủ yếu đến các quá trình ứng xử của đất.
Ngay thời điểm vừa đặt tải p trên đáy móng, theo lý thuyết cố kết thấm của Terzaghi, giá trị tải trọng áp đặt sẽ gây ra áp lực nước lỗ rỗng thặng dư u bằng với ứng suất σz do tải ngoài gây ra tại phân tố đất đang khảo sát. Hoạt động của đất nền sẽ phụ thuộc vào áp lực nước lỗ rỗng thặng dư này. Hoạt động này của đất được mô phỏng bằng thí nghiệm cắt không cố kết không thoát nước (UU).
Sức chịu nén đơn (cò gọi là sức kháng cắt không thoát nước) thường được ký hiệu qu ( qu = su = 2c) được sử dụng để tính sức chịu tải cực hạn tức thời cho nền đất hạt mịn cố kết thường theo công thức của Terzaghi và Peck có dạng:
f u
u
u D
L c B
q
p ⎟+γ
⎠
⎜ ⎞
⎝⎛ +
=
= 5.7 1 0.3 (3.50)
⎟⎠
⎜ ⎞
⎝⎛ +
= l
q B
qa 0.95 u 1 0.3
Với hệ số an toàn FS = 3, sức chịu tải cho phép của đất nền có dạng:
[ u[ ] f
a D
l c b
q 5.7 1 0.3 1 3
1 + +γ
= ] (3.51)
unconfine
a q
q =(0.95÷1.24)
Sức chịu tải của nền trong điều kiện thoát nước và ảnh hưởng của mực nước ngầm :
Sau khi đặt tải một thời gian ngắn, tùy theo tính thấm của đất, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư phân tán giảm dần và ứng suất hữu hiệu sẽ gia tăng một lượng tương ứng.
Từ thời điểm mà nước lỗ rỗng thặng dư thoát ra hoàn toàn khỏi nền đất, tương ứng với sự kết thúc của cố kết thấm sơ cấp cũng có ý nghĩa thông thường là đạt độ lún ổn định. Tình trạng áp lực nước lỗ rỗng sẽ trở lại tình trạng trước khi
đặt tải. Lúc này ứng xử của đất nền tương đương với điều kiện cắt có thoát nước và có cố kết (CD), và kết quả thực nghiệm là góc ma sát ϕ’ hay ϕcd và lực dính c’
hay ccd của đường s = σ’tan ϕ’+c’ trên hệ trục ứng suất hữu hiệu.
Do vậy khi tính toán sức chịu ải của nền đất phải hết sức chú ý đến mực nước ngầm. Đặc biệt là sự dao động của mực nước ngầm theo mùa do thủy triều sẽ kéo theo sự thay đổi sức chịu tải của nền.
Trường hợp mực nước ngầm (MNN) nằm cao hơn mặt đáy móng:
Sức chịu tải của nền dưới đáy móng sẽ được tính như sau:
Rtc = m(Abγ2 + BDfγ1 + Dc) (3.52)
Với Dfγ1 = D1γ1 + D2γ’1 (3.53)
và γ’2 cho thành phần ma sát bên dưới đáy móng Abγ’2.
Trường hợp mực nước ngầm (MNN) nằm trong khoảng từ mặt đáy móng xuống bên dưới đáy móng một độ sâu btg ⎟=kb
⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛ +
450 ϕ2 :
Sức chịu tải của nền dưới đáy móng sẽ được tính như sau:
Rtc = m(Abγ’2 + BDfγ1 + Dc) (3.54)
Với Dfγ1 không xét lực đẩy nổi vì nằm trên mực nước ngầm và γ2 cho thành phần ma sát bên dưới đáy móng Abγ2, với γ2 = γ’2 +(d/ kb)( γ2 -γ’2)