CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỨNG XỬ CỦA NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI
3.2 ỨNG XỬ CỦA NỀN SÉT TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG
3.2.1Hình thành áp lực lỗ rỗng
Trong quá trình thi công, nền sét bên dưới công trình đắp ứng xử theo 2 giai đoạn:
- Giai đoạn đầu áp lực lỗ rỗng tăng chậm.
- Gai đoạn hai áp lực lỗ rỗng tăng nhanh bằng với ứng suất do tải trọng công trình.
Giai đoạn cố kết ban đầu
Giả thiết nền không thoát nước thì độ gia tăng áp lực lỗ rỗng Δu sẽ bằng với Δσoct. Tuy nhiên, điều này khó xảy ra mà thường áp lực lỗ rỗng nhỏ hơn rất nhiều do đất sét không hoàn toàn bảo hòa nước hoặc do sét quá cố kết có hệ số cố kết lớn, cho nên áp lực lỗ rỗng tiêu tán nhanh.
Chiều cao tới hạn của đất đắp
Trong giai đoạn đầu của quá trình thi công, áp lực lỗ rỗng tăng chậm cho nên ứng suất hữu hiệu trong đất tăng lên một cách đáng kể. Nếu lộ trình ứng suất tổng là OP và nền hoàn toàn không thoát nước thì lộ trình ứng suất hữu hiệu là sẽ là O’U’
(hình 3.3). Tuy nhiên, vì ứng suất hữu hiệu tăng một cách đáng kể cho nên thực tế lộ trình ứng suất hữu hiệu là đường O’P’.
Đối với sét cố kết nhẹ (OCR<2,5) thì lộ trình ứng suất hữu hiệu O’P’ sẽ gặp mặt cong dẻo Y0’ tại P’ và lúc này ứng suất σv’ sẽ bằng áp lực tiền cố kết σp’, có nghĩa là đất nền bắt đầu chảy dẻo. Khi lộ trình ứng suất hữu hiệu di chuyển trên mặt chảy dẻo thì đất nền đã trở thành trạng thái cố kết bình thường và hệ số cố kết thấm nhỏ hơn rất nhiều so với trong miền đàn hồi cho nên lúc bầy giờ đất nền không thoát nước. Theo khái niệm chảy dẻo và trạng thái tới hạn thì tải trọng của đất đắp với lộ trình ứng suất tổng từ P đến F tương ứng với lộ trình ứng suất hữu hiệu từ P’ đến F’
nằm trên mặt cong dẻo Y0’. Tại điểm P’ (σv’=σp’) lộ trình ứng suất hữu hiệu đổi hướng tương ứng với điểm thay đổi độ dốc đối với đường cong áp lực lỗ rỗng, chiều cao đắp ở thời điểm này gọi là chiều cao tới hạn.
t
0 O’
C’
U’ F’
P’
O
P F
C σ’V0 σ’P s’,s
Kcr
K0NC
Lộ trình ứng suất tổng
Hình 3.3 : Lộ trình ứng suất dưới tâm công trình
Chiều cao công trình đắp cao hơn chiều cao tới hạn
Sau khi tiến tới mặt chảy dẻo tại P’, lộ trình ứng suất hữu hiệu P’F’ vẫn tiếp tục nằm trên mặt chảy dẻo, có nghĩa là trong giai đoạn này, độ gia tăng áp lực lỗ rỗng Δu trong quá trình thi công tiếp theo sẽ bằng với độ gia tăng ứng suất tổng Δσv
do tải trọng đất đắp gây ra.
Ứng xử của nền sét trước và trong khi nền bị phá hoại
Nếu tiếp tục gia tăng chiều cao đất đắp cho đến khi nền bị phá hoại thì hiện tượng phá hoại cục bộ trong nền bắt đầu khi lộ trình ứng suất hữu hiệu O’P’F’ (hình 3.3) gặp phải đường bao sức chống cắt Mohr-Coulomb ( đường Kcr).
Phần lớn sét trong tự nhiên ít nhiều có tính suy bền nên lộ trình ứng suất tiến tới trạng thái tới hạn tại C’ nằm bên trong đường cong dẻo ban đầu.
3.2.2 Độ lún trong quá trình thi công
Độ lún Sc trong quá trình thi công bằng tổng độ lún do nén lại Sr và độ lún do trượt không thoát nước Su:
Sc=Sr+Su (3.3)
Hình 3.4: Mối liên hệ giữa độ lún và chiều cao đắp trong quá trình thi công Hcr H
P’
A’
0
Sc
Sr
Su
S
- Độ lún do quá trình nén lại Sr tương ứng với giai đoạn thoát nước ban đầu của quá trình thi công. Quá trình cố kết một trục theo phương thẳng đứng do ứng suất hữu hiệu tăng từ σv0’ đến σp’ (áp lực tiền cố kết) có thể tính dựa vào công thức:
' ) log( ' e C
1 S H
i 0 v
pi ri
i 0 i
ri σ
σ
= + (3.4)
trong đó: Sri – độ lún của lớp chia nhỏ thứ i; Hi – chiều dày của mỗi lớp đất chia nhỏ;
Cri – chỉ số nén lại của lớp đất thứ i; e0i – hệ số rỗng ban đầu của lớp đất thứ i; σpi’ – áp lực tiền cố kết; σv0i’ – ứng suất hữu hiệu ban đầu của lớp đất thứ i.
Độ lún do nén lại : Sr=ΣSri
- Độ lún do trượt trong điều kiện không thoát nước Su là hậu quả của đất sét cố kết thường chảy dẻo. Vì vậy không thể dùng phương pháp đàn hồi để phân tích độ lún này. Độ lún chỉ có thể phân tích trên cơ sở lý thuyết đàn hồi dẻo bằng phương pháp phần tử hữu hạn với các chương trình SAGECRISP, PLAXIS... Trong trường hợp không có những phần mềm nói trên thì có thể dùng công thức thực nghiệm như sau:
Su=(0,07±0,03)(Hr-Hcr) (3.5) 3.2.3 Chuyển vị ngang trong quá trình thi công
Chuyển vị ngang của nền trong quá trình thi công cũng như sử dụng lâu dài được phân tích dựa trên lộ trình ứng suất hữu hiệu của nền trong quá trình thi công cũng như sử dụng lâu dài.
Trong quá trình thi công lộ trình ứng suất hữu hiệu là O’P’A’(hình 3.5). Ban đầu nền cố kết, lộ trình ứng suất hữu hiệu rất gần với đường K0NC cho nên chuyển vị ngang nhỏ hơn nhiều so với độ lún. Khi trở nên cố kết thường tại P’, nền sét chịu
biến dạng trượt trong điều kiện không thoát nước. Vào lúc này chuyển vị ngang gia tăng nhanh chóng cùng tốc độ với sự gia tăng của độ lún.
Sau khi thi công, lộ trình ứng suất hữu hiệu di chuyển theo đường A’B’. Độ lún cố kết của sét cố kết thường gia tăng một cách đáng kể trong khi chuyển vị ngang của nền gia tăng chậm hơn
Chuyển vị ngang của nền ở cuối giai đoạn thi công ymc bằng tổng chuyển vị ngang trong quá trình nén lại ymr với chuyển vị ngang do biến dạng trượt trong điều kiện không thoát nước ymu:
ymc=ymr+ymu (3.6)
Hình 3.5: Lộ trình ứng suất hữu hiệu và mối quan hệ giữa độ lún và chuyển vị ngang
Sr Su Sp
t
0 O’
C’
F’
P’
D’
σ’V0 σ’vp s’
Kcr
K0NC
Y0’
σ’P+Δσ’v B’
A’
0 ym
S P’
A’
B’
- Chuyển vị ngang trong quá trình nén lại ymr xảy ra trong quá trình nén lại và nền cố kết ở giai đoạn ban đầu. Lộ trình ứng suất trong gia đoạn này rất gần với đường K0 cho nên chuyển vị ngang trong giai đoạn này nhỏ hơn độ lún rất nhiều.
Tavenas đã đưa ra biểu thức xác định chuyển vị ymr như sau:
ymr=(0,18±0,09)Sr (3.7)
- Chuyển vị ngang do biến dạng trượt ymu gần bằng với độ lún Su của nền trong giai đoạn này. Tavenas đưa ra biểu thức ymu như sau:
ymu=(0,91±0,2)Su (3.8)
Cuối cùng chuyển vị ngang ymc vào cuối giai đoạn thi công có thể tính toán theo Sr và Su như sau:
ymc=0,2Sr+Su (3.9)
3.2.4 Mối quan hệ giữa độ lún và chuyển vị trong quá trình thi công Biến dạng bên dưới nền sét liên quan trực tiếp với lộ trình ứng suất
Trong miền đàn hồi từ O’ đến P’(hình 3.5), đất nền có tính nén lún không lớn cho nên độ lún nhỏ và vì ứng suất hữu hiệu gần với đường K0NC cho nên chuyển vị ngang của nền vẫn còn nhỏ hơn độ lún.
Tavenas chứng minh rằng trong giai đoạn của quá trình thi công, chuyển vị ngang lớn nhất ymax của nền đất ở chân công trình đắp có liên quan tuyến tính với độ lún s ở bề mặt bên dưới tâm công trình, theo quan hệ:
ymax=(0,18±0,09).s (3.10)
Trong giai đoạn thi công sau đó, khi chiều cao đất đắp vượt quá chiều cao tới hạn tại điểm P’ thì lộ trình ứng suất di chuyển theo đoạn P’F’. Trong đoạn P’F’ thì ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng không đổi (Δu=Δσv). Lúc bấy giờ đất sét
đã trở thành sét cố kết thường, độ cứng sét giảm thấp cho nên độ lún gia tăng.
Tavenas và Leroueil chứng minh rằng độ lún của công trình đắp sau khi đạt tới chiều cao tới hạn có mối liên quan với chiều cao gia tăng của công trình sau đó:
Δs=(0,07±0,03).ΔH (3.11)
Ngoài ra, lúc nền sét hầu như ở điều kiện không thoát nước, độ gia tăng lớn nhất theo chuyển vị ngang gần bằng với độ lún ở bề mặt nền bên dưới tâm công trình đắp. Tavenas cho biểu thức quan hệ sau:
Δymax=0,91.Δs (3.12)