Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology
Số 1/2016 No. 1/2016
14
PHÂN TÍCH MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT
Ths. Võ Thanh Toàn
Khoa Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung
Tóm tắt
Nền móng là một trong các yếu tố quan
trọng nhất đảm bảo ổn định công trình xây
dựng, do đó việc lựa chọn giải pháp, tính toán,
thiết kế, xử lý sự cố công trình cần được
nghiên cứu kỹ. Do vậy, khi mà đâu đó còn xảy
ra sự cố về lún nhà, nứt đường, trượt lở má
9 trang |
Chia sẻ: huongnhu95 | Lượt xem: 708 | Lượt tải: 0
Tóm tắt tài liệu Phân tích một số đặc trưng biến dạng của đất, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ái
dốc, sập cầu thì khơng những kiến thức và kỹ
năng Địa Kỹ thuật cĩ vấn đề mà trách nhiệm
Địa Kỹ thuật cũng khơng thể xem nhẹ. Để hạn
chế những nguy hại cĩ thể xảy ra cho cơng
trình xây dựng, cần đào tạo, trang bị đồng bộ
và thống nhất các tiêu chuẩn – quy phạm và
tài liệu kỹ thuật chuyên mơn cao, sao cho
ngang tầm với khu vực và quốc tế trong tiến
trình hội nhập kinh tế quốc tế.
Việc ước lượng độ lún và biến dạng của nền
mĩng cơng trình là vấn đề hết sức quan trọng
đối với người kỹ sư. Vì vậy, trong giai đoạn
khảo sát thiết kế cơng trình, cơng tác khảo sát,
phân tích các đặc trưng biến dạng của đất và ý
nghĩa của chúng là một trog những cơng tác
hết sức quan trọng và cần thiết.
Từ khĩa
Tính biến dạng, cố kết
1. Mở đầu
Vì đất là vật thể cĩ lỗ rỗng, khơng
liên tục gồm các hạt rắn và các lỗ rỗng
thơng nhau. Các hạt rắn dạng hạt (khống
đá) như: sỏi, sạn, cát và một phần hạt bột
khơng giữ nước trên bề mặt, trong khi đĩ
các hạt dạng bảng, dạng kim (khống sét)
lưu giữ nước trên bề mặt hạt, nhờ lực hút
tĩnh điện, hình thành các màng nước liên
kết (vỏ nước). Đất cĩ thể bão hịa nước
(thể tích lỗ rỗng chứa đầy nước) hoặc
khơng bão hịa (đất ít ẩm hoặc ẩm).
Các hạt đất hình thành các kết cấu
dạng hạt (chặt hoặc rời) cho đất hạt thơ
(sỏi, sạn, cát), dạng tổ ong, dạng bơng
cho đất hạt mịn (bột, sét). Do đĩ, khung
hạt đất khi chịu tải do trọng lượng bản
thân hoặc tải ngồi sẽ bị biến dạng, được
gọi là biến dạng của đất. Biến dạng của
đất nền tùy thuộc loại khống, loại hạt,
loại kết cấu hạt, lịch sử hình thành, lịch sử
chịu tải thơng qua các đặc trưng vật lý
như: độ rỗng, tỷ trọng đất
Biến dạng của đất gồm hai thành
phần: Biến dạng khung hạt thường ứng với
tải nhỏ và khi dỡ tải hình dạng khung hạt cĩ
thể phục hồi hình dạng ban đầu biến dạng
đàn hồi. Khung hạt được sắp xếp lại (thay
đổi liên kết khung kết cấu) làm giảm thể tích
phần rỗng biến dạng dẻo. Lượng nước
chứa trong lỗ rỗng của đất cũng như tính
chất của loại nước trong đất cũng ảnh hưởng
rất lớn lên sức chịu tải của kết cấu khung hạt
và đặc tính biến dạng của đất.
Biến dạng của nền dưới tác động của
tải trọng ngồi cĩ thể xảy ra theo cả 3
phương, nhưng thơng thường chúng ta
quan tâm biến dạng theo phương đứng.
Tính biến dạng nén thể tích đất theo
phương đứng được gọi là tính nén lún của
đất, được xác định bằng khả năng giảm
KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ
Thơng báo Khoa học và Cơng nghệ Information of Science and Technology
Số 1/2016 No. 1/2016
15
thể tích lỗ rỗng trong một đơn vị thể tích
đất dưới tải trọng ngồi. Trong trường hợp
xác định, chính sự giảm thể tích lỗ rỗng
liên quan tới khả năng làm chặt hơn các
hạt trong đất. Quá trình này kéo theo sự
dịch chuyển tất yếu của các hạt đất
2. Tính biến dạng của đất
Thực chất tính biến dạng của đất là
sự giảm thể tích lỗ rỗng hay sự dịch
chuyển và sắp xếp lại các hạt đất dưới tác
dụng của tải trọng ngồi, đồng thời chúng
trở nên gần nhau hơn, chặt chẽ hơn. Do
đĩ, đơi khi người ta cịn gọi biến dạng này
là biến dạng thể tích.
Thật vậy, đất càng chặt hay càng
bền sẽ bị biến dạng càng ít, ngược lại đất
càng yếu và xốp càng bị biến dạng nhiều
khi chúng chịu tác dụng của tải trọng
ngồi như nhau.
Để dự đốn tính biến dạng do nén
chặt đất dưới tác dụng của tải trọng
ngồi, ngồi các trị số ứng suất gây biến
dạng, cần phải phân tích thêm một số chỉ
tiêu đặc trưng cho tính nén lún của đất
như: Quan hệ giữa hệ số rỗng (e) với tải
trọng ngồi (P): e=f(P); Hệ số nén lún a;
Hệ số biến đổi thể tích mv; Chỉ số nén Cc;
Chỉ số nở Cs; Hệ số cố kết Cv; Áp lực tiền
cố kết pc; Module tổng biến dạng của đất
E0; Module biến dạng khơng thốt nước
của đất Eu; Hệ số Poisson của đất .
3. Phân tích một số đặc trưng biến
dạng của đất
Khi cĩ những lớp đất trải dài chịu tác
động của những tải thẳng đứng, rộng khắp,
lớp đất bị nén theo phương trục z. Để mơ
phỏng trạng thái đất trên, người ta nén đất
trong một dụng cụ cĩ tên là máy nén khơng
nở hơng hoặc máy nén cố kết như hình 1.
Hình 1. Sơ đồ thí nghiệm nén cố kết bằng thiết
bị nén khơng nở hơng
Thí nghiệm nén cố kết nhằm mục
đích nghiên cứu quá trình cố kết theo lý
thuyết Terzaghi. Thí nghiệm xác định độ
lún do quá trình thốt nước lỗ rỗng trong
một mẫu đất dưới tải trọng thẳng đứng.
3.1. Thiết bị thí nghiệm
Mẫu đất được lấy vào trong một dao
vịng bằng thép khơng rỉ, cứng, cĩ đường
kính khoảng 70mm, chiều cao khoảng
20mm. Dao vịng chứa mẫu đất được đặt
trong một hộp nén với hai tấm đá thấm
ốp phía trên và dưới. Mẫu đất được bão
hịa hồn tồn trong quá trình thí nghiệm
trong điều kiện ngập nước.
3.2. Chuẩn bị mẫu
Cắt một khúc đất, trong hộp mẫu
nguyên dạng lấy ra trong hộp tơn hoặc
nhựa, rồi dùng dao vịng nén ấn từ từ cắt
vào trong mẫu. Vừa ấn, vừa gọt xung
quanh cho đến khi mẫu đất lọt vào dao
vịng. Cơng việc cần thực hiện nhẹ nhàng,
cẩn thận sao cho khơng làm xáo động
mẫu. Dùng con dao sắc cắt phẳng đất ở
hai mặt dao vịng. Dao vịng và lõi đất
được cho vào hộp nén và lắp đặt vào vị trí
trong máy nén. Lắp đặt và hiệu chỉnh
đồng hồ đo độ lún về vị trí 0.
3.3. Tiến hành thí nghiệm
Khi hộp mẫu đã được lắp đặt vào
trong vị trí, ta tiến hành chất tải bằng các
quả cân vào hệ thống cánh tay địn ứng
với cấp áp lực đầu tiên dự kiến. Hộp cho
ngập nước, đồng hồ bấm giây được khởi
động và bắt đầu đọc chuyển vị lún theo
khoảng thời gian cho đến khi ổn định lún.
Chọn cấp áp lực thí nghiệm, trọng
lượng các quả cân được lựa chọn sao cho
đạt được các cấp áp lực tăng dần như sau:
P= 0.125 – 0.5 – 1 – 2 – 4 – 8 – 16 – 32
(kG/cm2).
Chọn sơ đồ thời gian đo, ứng với mỗi
cấp tải trọng, các số đọc của đồng hồ đo
chuyển vị sẽ được ghi nhận ứng với các
thời điểm như sau: t= 6’’ – 15’’ – 30’’ –
45’’ – 1’ – 2’ – 4’ – 8’ – 15’ – 30’ – 1h –
2h – 3h – 5h – 8h – 24h
Đọc các số đo tiếp tục cho đến khi
mẫu cố kết hồn tồn dưới một cấp áp
lực, thường là 24h hay 48h. Sau đĩ gia tải
cấp tải trọng tiếp theo. Số lượng và giá trị
Thơng báo Khoa học và Cơng nghệ Information of Science and Technology
Số 1/2016 No. 1/2016
16
của các cấp tải trọng sẽ phụ thuộc vào
loại đất và phạm vi của ứng suất dự kiến
ở hiện trường. Sau khi gia tải đến cấp tải
trọng cuối cùng, sau khi quá trình cố kết
hồn tồn đạt được thì tiến hành dỡ tải
theo một hay vài giai đoạn.
4. Các thơng số thu nhận được từ thí
nghiệm nén cố kết
4.1. Quan hệ giữa hệ số rỗng e và tải
trọng ngồi P
Khi dưới tác dụng của tải trọng nén
một trục khơng nở hơng tự do thì biến
dạng thể tích tương đối bằng biến dạng
dọc tương đối:
00 h
h
V
V
(1)
Trong đĩ :
V0, h0: thể tích, chiều cao ban đầu
của mẫu tương ứng.
V, h: trị số giảm thể tích và chiều
cao tương ứng của mẫu đất.
P>0
V= Vo-Vp
Vp
=
Vs
(1
+e
p)
Khí
Nước
Hạt Đất
P=0
Khí
Nước
Hạt Đất
Vv
=
eo
Vs
Vs
Vo
=
Vs
(1
+e
o)
Vs
Vv
p
Hình 2. Sơ đồ mẫu đất thí nghiệm nén cố kết
Từ phương trình (1), ta cĩ:
0
p0
0
0
0 V
VV
h
V
Vhh
(2)
Ở đây:
0 0 0; .vs V v s
s
VV V V e V V e
V
0 01sV V e
Tương tự ta cĩ : 1p s pV V e
Thay V0 và Vp vào (2), ta nhận được:
0
0
0
(1 ) (1 )
(1 )
s s p
s
V e V e
h h
V e
0
p0
0 e1
ee
hhS
(3)
Thật vậy, dưới tải trọng nén bên
ngồi là p1 sẽ cho ta hệ số rỗng của đất
sau khi nén là e1, với p2 cho ta e2. Từ các
kết quả thu được, ta cĩ đồ thị quan hệ e=
f(p) như hình 3 sau đây:
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516171819202122 23242526272829303132
Ứng suất nén s (kG/cm2)
hệ
s
ố
rỗ
ng
e
Hình 3. Đường cong nén lún e= f(p)
Hệ số nén lún a.
Đặc trưng nén lún của đất cĩ thể
thể hiện thơng qua độ dốc của đường
thẳng đi qua hai điểm cĩ giá trị ứng suất
khác nhau. Độ dốc của đường này chính
là hệ số nén. Hệ số nén a về trị số bằng
tan của gĩc nghiêng với trục ngang của
đường cong nén lún trong khoảng áp lực
đã cho.
p
etga
12
21
pp
eea
(4)
Module tổng biến dạng E0, module
khơng thốt nước Eu, hệ số Poisson và
hệ số nén tương đối mv (a0).
2
0
01 0
1 2(1 )
1 1v
am a
e E E
(5)
Hay: 10
1+eE = β
a
(6)
Ở đây:
221
1
; với ν là hệ số
Poisson.
Như chúng ta đã biết, trong mơi
trường đất hiện tượng biến dạng khơng
chỉ diễn ra tức thời mà cịn diễn ra theo
Thơng báo Khoa học và Cơng nghệ Information of Science and Technology
Số 1/2016 No. 1/2016
17
thời gian (hay cịn gọi là quá trình cố kết).
Do đĩ, trong phân tích biến dạng sử dụng
module đàn hồi cần phân biệt chúng ở hai
trạng thái:
Module đàn hồi khơng thốt nước
(Eu): khi áp dụng cần kết hợp với hệ số
Poisson khơng thốt nước (u). Module
này biểu hiện là tỷ số giữa ứng suất và
biến dạng của đất, sao cho thời gian gia
tải tức thì để nước trong đất khơng thể
thốt ra ngồi, nghĩa là hiện tượng cố kết
khơng xảy ra.
Module đàn hồi thốt nước (E0): khi
áp dụng thơng số này cần kết hợp với hệ
số Poisson ở trạng thái thốt nước ().
Module này được sử dụng trong
phân tích lún của nền mĩng khi tải trọng
tác dụng diễn ra trong thời gian đủ dài để
nước trong lỗ rỗng của khối đất cĩ thể
thốt ra hết (nghĩa là quá trình cố kết đã
hồn tất).
Absi đã chứng minh biểu thức quan
hệ giữa hai loại module nêu trên theo biểu
thức sau, khi đất được giả thiết là đàn hồi.
1
E
1
E 0
u
u
(7)
Hình 4. Đường biểu diễn ứng suất biến dạng
tương đối ở các trạng thái
Chỉ số nén Cc, chỉ số nở Cs, hệ số
nén lún av.
Vẽ lại quan hệ giữa hệ số rỗng e và
ứng suất nén (hay p) trên đồ thị bán
logarit như trong hình 5.
1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
2.00
2.20
0.1 1.0 10.0
Ứng suất nén s (kG/cm2)
H
ệ
số
r
ỗn
g
e
Pc
Cc
Cs
Hình 5. Đường cong e-logp của thí nghiệm nén
cố kết
Trường hợp sử dụng biểu đồ e-logp,
chỉ số Cc được xác định theo cơng thức:
12
21
c plogplog
eeC
(8)
Cc chính là độ dốc của đường nén
nguyên thủy, bao gồm cả đặc tính đàn hồi
và dẻo của đất nền.
Với đất cố kết bình thường thì độ lún
càng tăng khi trị số Cc càng lớn. Các
khoảng giá trị sau được dùng để đánh giá
cho mức độ nén lún của đất nền.
+ Cc< 0.02 Đất hầu như khơng nén lún.
+ 0.02<Cc< 0.05 Đất nén lún rất ít.
+ 0.05<Cc< 0.1 Đất nén rất ít.
+ 0.1<Cc< 0.2 Đất nén lún trung bình.
+ 0.2<Cc< 0.3 Đất nén lún khá mạnh.
+ 0.3<Cc< 0.5 Đất nén lún mạnh.
+ Cc> 0.5 Đất nén lún rất mạnh.
Chỉ số nở Cs (chỉ số nén lại) được
xác định ở phần đường cong dỡ tải và
được xác định theo cơng thức:
21
12
s plogplog
eeC
(9)
Hệ số nén av trong trường hợp này
được xác định theo cơng thức:
TB
c
v
C435.0a
(10)
TB : ứng suất trung bình của hai cấp
tải trọng.
Cơng thức tính lún theo quan hệ e-
logp:
1
2
1
c
p
plogh
e1
CS
(11)
Cơng thức tính độ nở theo quan hệ
Thơng báo Khoa học và Cơng nghệ Information of Science and Technology
Số 1/2016 No. 1/2016
18
e-logp:
1
2
1
s
p
plogh
e1
CS
(12)
Hệ số cố kết Cv.
Thơng thường sử dụng hai phương
pháp để xác định hệ số Cv, tùy theo loại
đất, đĩ là phương pháp Taylor và phương
pháp Casagrande.
Phương pháp Casagrande (Hình 6):
Hình 6. Biểu đồ thí nghiệm cố kết thấm theo
phương pháp Casagrande
Từ các kết quả đo biến dạng nén lún
của mẫu đất dưới mỗi cấp áp lực ở các
thời gian khác nhau, vẽ đường cong cố kết
trong tọa độ biến dạng nén (h) và logarit
của thời gian (logt, phút). Ở phần đầu
đường cong, lựa chọn các điểm tương ứng
với thời gian t1 (thường chọn t1= 15’’) và
t2= 4t1.
Gọi hiệu số của số đọc chiều cao
mẫu ở thời điểm t1 và 4t1 là s, chiều cao
mẫu lúc đặt gia tải (ứng với mức độ cố kết
U= 0) là chiều cao mẫu ở thời điểm t1
cộng với s.
Giao điểm giữa tiếp tuyến của đường
cong tại điểm uốn và đường tiếp tuyến ở
phần cuối của đường cong được xem là
điểm U100 (ứng với mức độ cố kết U=
100%). Đường trung bình của U0 và U100
chính là đường U50 cắt đường cong thí
nghiệm tại điểm t50.
Hệ số cố kết Cv được xác định theo
cơng thức:
50
2
50
v t
H197.0C
(13)
Phương pháp Taylor (Hình 7):
Hình 7. Biểu đồ thí nghiệm cố kết thấm theo
phương pháp Taylor
Từ các kết quả đo biến dạng nén lún
của mẫu đất dưới mỗi cấp áp lực ở các
thời gian khác nhau, vẽ đường cong cố kết
trong tọa độ biến dạng nén (h) và căn số
bậc hai của thời gian ( t , phút).
Vẽ đường thẳng phù hợp với những
điểm ban đầu của đường cong (thường
trong khoảng 50% lượng nén đầu tiên) và
kéo dài đoạn thẳng lên phía trên, đường
này cắt trục tung (t = 0) tại điểm U0 (ứng
với mức độ cố kết U = 0). Từ điểm U0 vẽ
đường thẳng thứ hai cĩ hồnh độ mọi
điểm bằng 1.15 hồnh độ của các điểm
tương ứng trên đường thẳng thứ nhất.
Giao điểm giữa đường này và đường cong
thí nghiệm là điểm U90 (ứng với mức độ
cố kết U= 90%). Từ điểm này xác định giá
trị thời gian t90.
Hệ số cố kết Cv được xác định theo
cơng thức:
90
2
90
v t
H848.0C
(14)
Áp lực tiền cố kết pc.
Đây là áp lực tối đa mà lớp đất đã bị
cố kết trong quá trình lịch sử hình thành.
Thơng thường, kết quả thí nghiệm thể
hiện trên đường cong e-logp áp lực được
phân thành hai nhánh khác biệt. Áp lực
tiền cố kết pc(c) được xác định trên biểu
đồ đường cong (hình 8).
Giá trị áp lực tiền cố kết pc cĩ thể
đánh giá mức độ cố kết của đất nền, ở độ
sâu đang xét, thơng qua việc so sánh với
áp lực cột đất tại đĩ 0.
Tỷ số tiền cố kết OCR được định
nghĩa bằng tỷ số giữa ứng suất tiền cố kết
Thơng báo Khoa học và Cơng nghệ Information of Science and Technology
Số 1/2016 No. 1/2016
19
pc và ứng suất hữu hiệu do trọng lượng
bản thân của các lớp đất bên trên tác
động tại điểm lấy mẫu.
,
c
p
pOCR
(15)
OCR= 1: đất cố kết thường.
OCR >1: đất cố kết trước.
OCR <1: đất kém cố kết hoặc chưa
đạt đủ quá trình cố kết do trọng lượng bản
thân các lớp bên trên.
Hình 8. Đường cong e-logp của thí nghiệm nén
cố kết
Xác định ứng suất tiền cố kết pc
bằng phương pháp Casagrade
Chọn điểm A cĩ bán kính chính khúc
bé nhất trên đường cong cố kết e-logp.
Vẽ đường tiếp tuyến tại A với đường
cong e=logp.
Vẽ đường song song với trục hồnh
tại A.
Vẽ đường phân giác của gĩc hợp bởi
hai đường trên.
Kéo dài phần tuyến tính của đường
nén nguyên thủy, giao điểm của đường
này và đường phân giác ta sẽ được điểm
ứng với ứng suất tiền cố kết pc.
Như vậy, đất cĩ một lịch sử về quá
trình chịu áp lực và những biến đổi mà đất
phải chịu trong một thời gian rất dài và
những thay đổi này được lưu trữ trong cấu
trúc của đất.
Các nguồn gốc của tiền cố kết cĩ thể
liệt kê trong bảng sau:
Cơ chế của tiền cố kết Tác giả cơng bố
Những biến đổi tổng ứng suất do:
Giảm áp lực do trọng lượng bản thân các lớp đất bên trên.
Những kiến trúc xưa.
Tan băng.
Casagrande
Những biến đổi ứng suất nước lỗ rỗng do:
Sự thay đổi mực nước ngầm.
Áp lực lớp nước artesi.
Sự bơm nước ngầm ở độ sâu hoặc sự chảy vào các đường
hầm sâu.
Sự giảm độ ẩm do hạn hán trên mặt đất.
Sự giảm độ ẩm do thảo mộc trên mặt đất.
Kenny (1964)
Những biến đổi cấu trúc của đất do: sự nén thứ cấp (sự
lão hĩa).
Raju (1956), Leonard và
Rimiah (1959), Leonard và
Altschaeffl (1954),
Bjerrum (1967, 1972)
Những biến đổi của mơi trường như sự thay đổi độ pH, sự
thay đổi nhiệt độ hoặc sự tích tụ muối tự nhiên.
Lambe (1958)
Những sự biến đổi hĩa học do phong hĩa, do lượng mưa,
do sự ciment hĩa tự nhiên và do sự trao đổi ion tự nhiên.
Bjerrum (1967)
Những thay đổi do tỷ số biến dạng với tải trọng. Lowe (1974)
Tính tốn cố kết theo thời gian:
A
Thơng báo Khoa học và Cơng nghệ Information of Science and Technology
Số 1/2016 No. 1/2016
20
Hình 9. Biến thiên áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian và theo chiều sâu trong quá trình cố kết
Lý thuyết Terzaghi cho phép xác định
thời gian cố kết trên cơ sở một số giả thiết.
Với áp lực nước lỗ rỗng biến đổi theo thời
gian t và chiều sâu z, tính theo phương
trình tích phân do Terzaghi thành lập.
Một lớp đất dính được xem là đồng
nhất, cĩ chiều sâu vơ hạn, chịu tải trọng
đồng đều trên tồn bề mặt chịu nén:
2
2
v z
u.C
t
u
(16)
Trong đĩ:
u: biến đổi áp lực nước lỗ rỗng
(=u).
Cv: hệ số cố kết (cm/s2), liên quan
đến hệ số nén av, hệ số thấm k, dung
trọng nước w và hệ số rỗng như sau:
vw
v a
)e1(kC
(17)
Lời giải của phương trình trong các
trường hợp đơn giản nhất, với các điều
kiện giới hạn sau:
u= 0 tại bất kỳ thời điểm t, tại vị trí
lớp thốt nước.
0u
z
tại bất kỳ thời điểm t, tại vị
trí lớp cách nước.
u= cho trường hợp t = 0, tại bất
kỳ độ sâu z nào.
u= 0 cho trường hợp t, tại bất kỳ
độ sâu z nào.
Từ đĩ dẫn đến U = f(Tv) trong đĩ U
là độ cố kết ở thời gian t.
)ABDC(S
)ABDCMA(SU
(18)
Nếu hệ số nén lún av khơng đổi
trong phạm vi bề dày lớp phân tích thì độ
cố kết được thể hiện qua cơng thức:
)t(S
)t(SU
(19)
Trong đĩ:
S(t): độ lún ở thời gian t.
S(t): độ lún ở thời gian vơ cùng.
Tv là yếu tố thời gian khơng thứ
nguyên, liên quan đến thời gian t, bề dày
lớp đất H và hệ số cố kết Cv thơng qua
cơng thức:
2
v
v H
t.CT
(20)
Cơng thức trên lấy bề dày H cho
trường hợp đất nền thốt nước một chiều
và H/2 cho trường hợp đất nền thốt nước
hai chiều.
Sử dụng yếu tố thời gian Tv, với
phương pháp tính tốn gần đúng, ta cĩ
thể xác định được độ cố kết U với các
trường hợp sau:
Với Tv 0.213 2 VV
TU T
(21)
Với Tv>0.213
2
4
2
81 V
T
VU T e
(22)
Từ đĩ ta xác định được thời gian cố
kết cần thiết tùy theo độ cố kết theo cơng
thức:
Thơng báo Khoa học và Cơng nghệ Information of Science and Technology
Số 1/2016 No. 1/2016
21
v
2
v
C
HTt
(23)
Độ lún do nén thứ cấp của nền đất.
Chúng ta đã phân tích các phương
pháp tính độ lún tức thời và độ lún cố kết.
Độ lún tức thời dựa trên lý thuyết
đàn hồi.
Độ lún do hiện tượng cố kết sơ cấp
dựa trên lý thuyết phân tán áp lực nước lỗ
rỗng thặng dư từ tải trọng cơng trình tác
động vào nền đất sét bão hịa nước.
Độ lún thứ ba là do biến dạng thứ
cấp của đất nền, sau quá trình phân tán
nước lỗ rỗng thặng dư hồn tồn (cố kết
sơ cấp), dưới một ứng suất hữu hiệu
khơng đổi. Thành phần này thường được
gọi là độ lún do hiện tượng nén thứ cấp,
được ký hiệu là Ss.
Cố kết sơ cấp
Nén thứ cấp
pe
e
logt
U100
100t
Hình 10. Đồ thị xác định hệ số C
Ở cấp tải p1= bt (ở giữa lớp đất
đang tính lún) đến p2= p1 + p= p1 + z
(z: ứng suất do tải ngồi gây ra ở giữa
lớp đất đang tính lún).
Độ lún do hiện tượng nén thứ cấp
dựa vào đoạn tuyến tính bên dưới của
đường cong e-logt, ở cấp tải từ p1 đến p2
của thí nghiệm nén cố kết mẫu đất. Cơng
thức tính độ lún này cĩ dạng:
)tlog(H
e1
CS 0
p
S
(24)
Trong đĩ:
ep: hệ số rỗng tương ứng với điểm
đầu của đoạn tuyến tính dưới của đường
cong e-logt, suy ra từ đường e-logt.
C: chỉ số nén thứ cấp được định
nghĩa bởi phần nén thứ cấp của đường
cong e-logt như sau:
tlog
eC
(25)
5. Kết luận
Từ thí nghiệm nén cố kết, ta nhận
thấy quá trình cố kết chính là quá trình
thốt nước lỗ rỗng trong đất (tiêu tán áp
lực nước lỗ rỗng thặng dư). Quá trình này
làm giảm thể tích của khối đất, làm giảm
hệ số rỗng e. Dựa trên nguyên lý này,
chúng ta cĩ thể cải tạo đất bằng phương
pháp đầm nén đất. Đây là một trong
những phương pháp cải tạo tính chất xây
dựng của đất hiệu quả và phổ biến rộng
rãi. Kết quả của phương pháp là làm giảm
hệ số rỗng, nâng cao module biến dạng và
sức chống cắt của đất, làm giảm tính
thấm nước (hệ số thấm k), nâng cao tính
ổn định, làm giảm chiều cao mao dẫn khi
chúng ta làm tăng độ chặt của đất.
Khi tính tốn thiết kế, chúng ta
phải lựa chọn các chỉ tiêu cơ lý phù hợp
với thời điểm tính tốn như: tình trạng
gia tải, vận tốc cắt, nén, điều kiện thốt
nước, đặc trưng thấm và các trạng thái
ổn định khác của đất nền. Kết quả thí
nghiệm nén đơn và nén ba trục với các
tốc độ khác nhau trên cùng một loại đất
cho thấy: với vận tốc nén lớn hơn thì giá
trị module biến dạng thu nhận được
cũng lớn hơn. Giá trị module biến dạng
trong điều kiện thí nghiệm khơng thốt
nước lớn hơn giá trị module biến dạng
trong điều kiện thí nghiệm thốt nước.
Trong thí nghiệm nén cố kết thời gian
cho một cấp tải trọng ít hơn, vận tốc nén
lớn hơn thì giá trị của module biến dạng
cũng lớn hơn.
Chúng ta đã được biết áp lực tiền cố
kết là mẫu đất ở độ sâu đĩ đã chịu một áp
lực cố kết pc (c) trong quá khứ trước khi
xây dựng. Lý do đất cĩ thể đã bị nén ép
dưới áp lực lớn của chuyển động địa chất,
hoặc đã bị cố kết dưới bề dày đất lớn hơn
nhiều lần so với chiều sâu hiện tại rồi lại
bị bào mịn tạo nên điều kiện hiện tại. Khi
lấy mẫu lên mặt đất là mẫu đã trả về áp
lực nén = 0. Khi thí nghiệm, các áp lực
Thơng báo Khoa học và Cơng nghệ Information of Science and Technology
Số 1/2016 No. 1/2016
22
từ 0 đến 0 (áp lực cột đất) mới chỉ là trả
lại áp lực nén đến điều kiện tự nhiên hiện
tại. Nén đến pc (áp lực tiền cố kết) mới chỉ
là trả lại áp lực nén đã xảy ra trong quá
khứ trước đây. Do đĩ, đối với đất dưới cố
kết (c<0), ta thấy dù khơng cĩ phụ tải
thì đất cũng sẽ tự lún. Đất cố kết thường
(c0), độ lún xảy ra khi cĩ thêm phụ tải
vì (+0)>c và đối với đất quá cố kết
(c>0) khi tính lún thì độ lún chỉ xảy ra
khi (+0)> c. Khi (+0)<c, về
nguyên tắc là khơng gây ra lún thêm. Nếu
cĩ, ở đây chỉ tính lún từ 0 đến (+0).
Khi đĩ tính lún khơng lấy chỉ số Cc mà lấy
chỉ số CR.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Bùi Trường Sơn, 2009. “Bài giảng địa chất cơng trình”.
2. Bùi Trường Sơn, 2009. “Thổ chất và cơng trình đất”.
3. Châu Ngọc Ẩn, 2009. “Cơ học đất”. NXB Đại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh.
4. K.H.Head, 1994. “Soil laboratory testing, volume 2, Permeability, shear strength and compressibility”.
5. Tiêu chuẩn xây dựng TCVN 9362-2012; TCVN 4195:2012; TCVN 4196:2012; TCVN 4197:2012; TCVN
4198:2012; TCVN 5747:1993; ASTM. D2487.
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- phan_tich_mot_so_dac_trung_bien_dang_cua_dat.pdf