TIỂU LUẬN CÁC ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT VÀ Ý NGHĨA

Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

LỜI NÓI ĐẦU

Trong giai đoạn xây dựng và phát triển đất nước của thời kỳ kinh
tế mở, công tác xây dựng cơ bản và giao thông là một trong những
nhiệm vụ hàng đầu. Để đáp ứng được yêu cầu này, việc nghiên cứu
sử dụng đất đá làm nền và môi trường cho các công trình xây dựng
khác nhau giữ vai trò hết sức quan trọng.
Có thể nói nền móng là một trong các yếu tố quan trọng nhất đảm
bảo ổn đònh công trình xây dựng mà Đòa Kỹ Thuật là chuyên môn
quyết đònh việc lựa chọn giải pháp, tính toán thiết kế và xử lý, kiến
nghò phục vụ cho công tác thi công. Do vậy, khi mà đâu đó còn xảy ra
sự cố về lún nhà, nứt đường, trượt lở mái dốc, sập cầu … thì không
những kiến thức và kỹ năng Đòa Kỹ Thuật có vấn đề mà trách nhiệm
Đòa Kỹ Thuật cũng không thể xem nhẹ. Để hạn chế những bất cập,
chúng ta cần nhận thức rõ và đánh giá đúng vai trò Đòa Kỹ Thuật
trong công tác xây dựng, cần đào tạo, trang bò đồng bộ và thống nhất
các tiêu chuẩn – quy phạm và tài liệu kỹ thuật chuyên môn cao, sao
cho ngang tầm với khu vực và quốc tế trong tiến trình hội nhập kinh
tế quốc tế.
Trong xây dựng hiện nay, việc ước lượng độ lún và biến dạng của
nền móng công trình là vấn đề hết sức quan trọng đối với người kỹ
sư. Điều này cho phép chúng ta tính toán chính xác khối lượng công
trình, dự báo chính xác được độ lún và biến dạng của công trình trong
quá trình thi công cũng như trong thời gian đưa vào khai thác, sử dụng
công trình.
Vì vậy, trong giai đoạn khảo sát thiết kế công trình, công tác khảo
sát, phân tích các đặc trưng biến dạng của đất và ý nghóa của chúng
là một trong những công tác hết sức quan trọng và cần thiết. Điều

này sẽ rất có ý nghóa trong việc tiết kiệm được nhiều chi phí xây
dựng cũng như giảm thiểu tối đa các rủi ro về lún, biến dạng của
công trình trong lương lai.
Vì sự hạn hẹp về thời gian, ha
ïn chế về kiến thức chuyên môn, đề
tài không tránh khỏi những sơ sót. Chúng tôi rất chân thành nhận
được các ý kiến đóng góp quý báu của bạn đọc để đề tài có thể hoàn
chỉnh hơn.




GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 1
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

I. KHÁI NIỆM CHUNG
Đất là vật liệu không liên tục gồm các hạt rắn và các lỗ rỗng
thông nhau. Các hạt rắn dạng hạt (khoáng đá) như: sỏi, sạn, cát và
một phần hạt bột không giữ nước trên bề mặt, trong khi đó các hạt
dạng bảng, dạng kim (khoáng sét) lưu giữ nước trên bề mặt hạt, nhờ
lực hút tónh điện, hình thành các màng nước liên kết (vỏ nước). Đất
có thể bão hòa nước (thể tích lỗ rỗng chứa đầy nước) hoặc không bão
hòa (đất ít ẩm hoặc ẩm).
Các hạt đất hình thành các kết cấu dạng hạt (chặt hoặc rời) cho
đất hạt thô (sỏi, sạn, cát), dạng tổ ong, dạng bông cho đất hạt mòn
(bột, sét). Dạng kết cấu hạt (dù rời) cũng có biến dạng bé hơn dạng
tổ ong và dạng bông. Do đó, khung hạt đất khi chòu tải do trọng lượng
bản thân hoặc tải ngoài sẽ bò biến dạng, được gọi là biến dạng của
đất. Biến dạng của đất nền tùy thuộc loại khoáng, loại hạt, loại kết

cấu hạt, lòch sử hình thành, lòch sử chòu tải… thông 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 có 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 chòu tải của kết cấu
khung hạt và đặc tính biến dạng của đất.
Tính biến dạng của đất hay còn gọi là tính nén lún của nó, được
xác đònh bằng khả năng giảm thể tích lỗ rỗng trong một đơn vò thể
tích đất dưới tải trọng ngoài. Trong trường hợp xác đònh, 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 dòch chuyển tất yếu của các hạt
đất…








GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 2
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

II. TÍNH BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT

Thực chất tính biến dạng của đất là sự giảm thể tích lỗ rỗng hay
sự dòch chuyển và sắp xếp lại các hạt đất dưới tác dụng của tải trọng
ngoài, đồng thời chúng trở nên gần nhau hơn, chặt chẽ hơn. Do đó,
đôi khi người ta còn gọi biến dạng này là biến dạng thể tích.
Thật vậy, đất càng chặt hay càng bền sẽ bò biến dạng càng ít,
ngược lại đất càng yếu và xốp càng bò biến dạng nhiều khi chúng
chòu tác dụng của tải trọng ngoài như nhau.
Để dự đoán tính biến dạng do nén chặt đất dưới tác dụng của tải
trọng ngoài, ngoài các trò 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 ngoài (P): e= f(P).
 Hệ số nén lún a.
 Hệ số biến đổi thể tích m
v
.
 Chỉ số nén C
c
.
 Chỉ số nở C
s
.
 Hệ số cố kết C
v
.
 Áp lực tiền cố kết p
c
.
 Module tổng biến dạng của đất E
0
.

 Module biến dạng không thoát nước của đất E
u
.
 Hệ số Poisson của đất .


















GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 3
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

III. PHÂN TÍCH MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT

P>0
V= Vo-Vp

Vp= Vs(1+ep)
Khí
Nước
Hạt Đất
P=0
Khí
Nước
Hạt Đất
Vv= eoVs
Vs
Vo= Vs(1+eo)
Vs Vvp







Hình 1. Sơ đồ thí nghiệm nén cố kết bằng thiết bò nén không nở hông
GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 4
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

1. Khái quát chung
Khi có những lớp đất t
rải dài chòu tác động của những tải thẳng
đứng tác động rộng khắp, lớp đất bò nén theo phương trục z. Để mô
phỏng trạng thái đất trên, người ta nén đất trong một dụng cụ có tên
là máy nén không nở hông hoặc máy nén cố kết như hình 1.

Thí nghiệm nén cố kết nhằm mục đích nghiên cứu quá trình cố kết
theo lý thuyết Terzaghi. Thí nghiệm xác đònh độ lún do quá trình
thoát nước lỗ rỗng trong một mẫu đất dưới tải trọng thẳng đứng. Chi
tiết các quy đònh và các bước tiến hành của thí nghiệm nén cố kết có
thể tham khảo tiêu chuẩn ASTM D2435.
2. Thiết bò thí nghiệm
Mẫu đất được lấy vào trong một dao vòng bằng thép không rỉ,
cứng, có đường kính khoảng 70mm, chiều cao khoảng 20mm. Dao
vòng chứa mẫu đất được đặt trong một hộp nén với hai tấm đá thấm
ốp phía trên và dưới. Mẫu đất được bão hòa hoàn toàn trong quá trình
thí nghiệm trong điều kiện ngập nước.
3. Chuẩn bò mẫu
Cắt một khúc đất, trong hộp mẫu nguyên dạng lấy ra trong hộp
tôn hoặc nhựa, rồi dùng dao vòng nén ấn từ từ cắt vào trong mẫu.
Vừa ấn, vừa gọt xung quanh cho đến khi mẫu đất lọt vào dao vòng.
Công việc cần thực hiện nhẹ nhàng, cẩn thận sao cho không làm xáo
động mẫu. Dùng con dao sắc cắt phẳng đất ở hai mặt dao vòng. Dao
vòng và lõi đất được cho vào hộp nén và lắp đặt vào vò trí trong máy
nén. Lắp đặt và hiệu chỉnh đồng hồ đo độ lún về vò trí 0.
4. Tiến hành thí nghiệm
Khi hộp mẫu đã được lắp đặt vào trong vò trí, ta tiến hành chất tải
bằng các quả cân vào hệ thống cánh tay đòn 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 vò lún theo khoảng thời gian cho đến khi ổn
đònh 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/cm
2

).
 Chọn sơ đồ thời gian đo
Ứng với mỗi cấp tải trọng, các số đọc của đồng hồ đo chuyển vò
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…
GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 5
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

Đọc các s
ố đo tiếp tục cho đến khi mẫu cố kết hoàn toàn dưới một
cấp áp lực, thường là 24h hay 48h. Sau đó gia tải cấp tải trọng tiếp
theo. Số lượng và giá trò 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 hoàn toàn đạt
được thì tiến hành dỡ tải theo một hay vài giai đoạn.

* Một số thông số thu nhận được từ thí nghiệm nén cố kết

a. Quan hệ giữa hệ số rỗng e và tải trọng ngoài P
Khi dưới tác dụng của tải trọng nén một trục không nở hông tự do
thì biến dạng thể tích tương đối bằng biến dạng dọc tương đối :
00
h
h
V
V 



(a.1)

Trong đó :
 V
0
, h
0
: thể tích, chiều cao ban đầu của mẫu tương ứng.
 V, h : trò số giảm thể tích và chiều cao tương ứng của
mẫu đất.
Từ phương trình (a.1), ta có :
0
p0
0
0
0
V
VV
h
V
V
hh




(a.2)
Ở đây :
V
o

= V
s
+V
v
; e
0
=
s
v
V
V
 V
v
= V
s
e
0
V
0
= V
s
(1+e
0
)
Tương tự ta có : V
p
= V
s
(1+e
p

)
Thay V
0
và V
p
vào (a.2), ta nhận được :

)e1(V
)e1(V)e1(V
hh
0s
ps0s
0





0
p0
0
e1
ee
hhS



(a.3)
Thật vậy, dưới tải trọng nén bên ngoài là p
1

sẽ cho ta hệ số rỗng
của đất sau khi nén là e
1
, với p
2
cho ta e
2
. Từ các kết quả thu được, ta
có đồ thò quan hệ e= f(p) như hình 2 sau đây



GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 6
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
01234567891011121314151617181920212223242526272829303132
Ứng suất nén

(kG/cm
2

)
hệ số rỗng e


b. Hệ số nén lún a
Đặc trưng nén lún của đất có thể thể hi
ện thông qua độ dốc của
đường thẳng đi qua hai điểm có giá trò ứng suất khác nhau. Độ dốc
của đường này chính là hệ số nén. Hệ số nén a về trò số bằng tang
của góc nghiêng với trục ngang của đường cong nén lún trong khoảng
áp lực đã cho.
p
e
tga



12
21
pp
ee
a



(b.1)
c. Module tổng biến dạng E
0
, module không thoát nước E
u

, hệ
số Poisson  và hệ số nén tương đối m
v
(a
0
)
0
2
0
1
0v
E
)
1
2
1(
E
1
e1
a
am







(c.1)
Hay :

a
e1
E
1
0

 (c.2)


Hình 2. Đường cong nén lún e= f(p)
GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 7
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

Ở đây :



1
2
1
2
với  là hệ số Poisson.
Như chúng ta đã biết, trong môi trường đất hiện tượng biến dạng
không chỉ diễn ra tức thời mà còn diễn ra theo thời gian (hay còn gọi
là quá trình cố kết). Do đó, trong phân tích biến dạng sử dụng module
đàn hồi cần phân biệt chúng ở hai trạng thái :
 Module đàn hồi không thoát nước (E
u
) : khi áp dụng cần

kết hợp với hệ số Poisson không thoát 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 không thể thoát ra ngoài, nghóa là hiện tượng
cố kết không xảy ra.
 Module đàn hồi thoát nước (E
0
) : khi áp dụng thông số
này cần kết hợp với hệ số Poisson ở trạng thái thoát
nước ().
Module này được sử dụng trong phân tích lún của nền móng khi
tải trọng tác dụng diễn ra trong thời gian đủ dài để nước trong lỗ rỗng
của khối đất có thể thoát ra hết (nghóa là quá trình cố kết đã hoàn
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
(c.3)

Hình 3. Đường biểu diễn ứng suất biến dạng tương đối ở các trạng thái
GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 8
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

d. Chỉ số nén C
c
, chỉ số nở C
s
, hệ số nén lún a
v

Vẽ lại quan hệ giữa hệ số rỗng e và ứng suất nén
 (hay p) trên
đồ thò bán logarit như trong hình 4.
1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
2.00
2.20
0.1 1.0 10.0
Ứng s uất né n


(kG/cm
2
)
Hệ số rỗng e

C
c
C
s
P
c


Trường hợp sử dụng biểu đồ e-l
ogp, chỉ số C
c
được xác đònh theo
công thức :
12
21
c
plogplog
ee
C


 (d.1)
C
c
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 trò số C
c
càng
lớn. Các khoảng giá trò sau được dùng để đánh giá cho mức độ nén

lún của đất nền.
 C
c
< 0.02  Đất hầu như không nén lún.
 0.02<C
c
< 0.05  Đất nén lún rất ít.
 0.05<C
c
< 0.1  Đất nén rất ít.
 0.1<C
c
< 0.2  Đất nén lún trung bình.
 0.2<C
c
< 0.3  Đất nén lún khá mạnh.
 0.3<C
c
< 0.5  Đất nén lún mạnh.
 C
c
> 0.5  Đất nén lún rất mạnh.
Hình
4
. Đường cong e-logp của thí nghiệm nén cố kết
GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 9
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

Chỉ s

ố nở C
s
(chỉ số nén lại) được xác đònh ở phần đường cong dỡ
tải và được xác đònh theo công thức :
21
12
s
plogplog
ee
C


 (d.2)
Hệ số nén a
v
trong trường hợp này được xác đònh theo công thức :
TB
c
v
C435.0
a


(d.3)

TB
: ứng suất trung bình của hai cấp tải trọng.
Công thức tính lún theo quan hệ e-logp :
1
2

1
c
p
p
logh
e1
C
S


(d.4)
Công thức tính độ nở theo quan hệ e-logp :
1
2
1
s
p
p
logh
e1
C
S


(d.5)
e. Hệ số cố kết C
v

Thông thường sử dụng hai phương pháp để xác đònh hệ số C
v

, tùy
theo loại đất, đó là phương pháp Taylor và phương pháp Casagrande.
Phương pháp Casagrande (Hình 5.)
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 t
1
(thường chọn t
1
=
15’’) và t
2
= 4t
1
.
Gọi hiệu số của số đọc chiều cao mẫu ở thời điểm t
1
và 4t
1
là s,
chiều cao mẫu lúc đặt gia tải (ứng với mức độ cố kết U= 0) là chiều
cao mẫu ở thời điểm t
1
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 U
100
(ứng

với mức độ cố kết U= 100%). Đường trung bình của U
0
và U
100
chính
là đường U
50
cắt đường cong thí nghiệm tại điểm t
50
.
Hệ số cố kết C
v
được xác đònh theo công thức :
50
2
50
v
t
H197.0
C 
(e.1)
GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 10
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa



Phương pháp Taylor (Hình 6.)
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 nhừng 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 U
0
(ứng với mức
độ cố kết U= 0). Từ điểm U
0
vẽ đường thẳng thứ hai có hoành độ mọi
điểm bằng 1.15 hoành độ của các điểm tương ứng trên đường thẳng
thứ nhất. Giao điểm giữa đường này và đường cong thí nghiệm là
điểm U
90
(ứng với mức độ cố kết U= 90%). Từ điểm này xác đònh giá
trò thời gian t
90
.
Hệ số cố kết C
v
được xác đònh theo công thức :
90
2
90
v
t
H848.0
C

(e.2)

Hình 5. Biểu đồ thí nghiệm cố kết thấm theo phương pháp Casagrande
GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 11
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa




f. Áp lực tiền cố kết p
c

Đây là áp lực tối đa mà lớp đất đã bò cố kết trong quá trình lòch sử
hình thành. Thông thường, kết quả thí nghiệm thể hiện trên đường
cong e-logp áp lực được phân thành hai nhánh khác biệt. p lực tiền
cố kết p
c
(
c
) được xác đònh trên biểu đồ đường cong hình 7.
Giá trò áp lực tiền cố kết p
c
có thể đánh giá mức độ cố kết của đất
nền, ở độ sâu đang xét, thông qua việc so sánh với áp lực cột đất tại

đó

0
.
Tỷ số tiền cố kết OCR được đònh nghóa bằng tỷ số giữa ứng suất
tiền cố kết p
c
và ứng suất hữu hiệu do trọng lượng bản thân của các
lớp đất bên trên tác động tại điểm lấy mẫu.
,
c
p
p
OCR
 (f.1)
 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 6. Biểu đồ thí nghiệm cố kết thấm theo phương pháp Taylor
GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 12
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

Xác đònh ứng suất tiền cố kết p
c
bằng phương pháp Casagrade
 Chọn điểm A có bán kính chính 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 hoành tại A.
 Vẽ đường phân giác của góc 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 p
c
.
Như vậy, đất có một lòch sử về quá trình chòu áp lực và những biến
đổi mà đất phải chòu trong một thời gian rất dài và những thay đổi
này được lưu trữ trong cấu trúc của đất.












A

Hình 7. Đường cong e-logp của thí nghiệm nén cố kết
GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 13
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

Các nguồn gốc của ti
ền cố kết có thể liệt kê trong bảng sau

Cơ chế của tiền cố kết Tác giả công 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 hóa).
Raju (1956), Leonard và
Rimiah (1959), Leonard
và Altschaeffl (1954),
Bjerrum (1967, 1972)
Những biến đổi của môi 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 hóa học do phong hóa, do
lượng mưa, do sự ciment hóa 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)

GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 14
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

g. Tính toán cố kết theo thời gian





Lý thuyết Terzaghi cho phép xác đònh 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, có chiều sâu vô hạn,
chòu tải trọng đồng đều trên toàn bề mặt chòu nén:
2
2
v
z
u
.C
t
u






(g.1)
Trong đó:
 u – biến đổi áp lực nước lỗ rỗng (=u).
 C
v
– hệ số cố kết (cm/s
2
), liên quan đến hệ số nén a
v
, hệ số
thấm k, dung trọng nước

w
và hệ số rỗng như sau:
vw
v
a
)e1(k
C


 (g.2)
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 vò trí lớp thoát nước.
 0
z
u




tại bất kỳ thời điểm t, tại vò 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 đó dẫn đến U= f(T
v
) trong đó U là độ cố kết ở thời gian t.
)ABDC(S
)ABDCMA(S
U 
(g.3)
Hình 8. Biến thiên áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian và theo
chiều sâu trong quá trình cố kết
GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 15
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

Nếu hệ số nén lún a
v
không đổi trong phạm vi bề dày lớp phân
tích thì độ cố kết được thể hiện qua công thức:
)t(S
)t(S
U


(g.4)
Trong đó:
 S(t): độ lún ở thời gian t.
 S(t): độ lún ở thời gian vô cùng.

T
v
là yếu tố thời gian không thứ nguyên, liên quan đến thời gian t,
bề dày lớp đất H và hệ số cố kết C
v
thông qua công thức:
2
v
v
H
t.C
T 
(g.5)
Công thức trên lấy bề dày H cho trường hợp đất nền thoát nước
một chiều và 1/2H cho trường hợp đất nền thoát nước hai chiều.
Sử dụng yếu tố thời gian T
v
, với phương pháp tính toán gần đúng,
ta có thể xác đònh được độ cố kết U với các trường hợp sau:
 Với T
v
 0.213  U(T
v
)=

v
T
2
(g.6)
 Với T

v
> 0.213  U(T
v
)=
v
2
T
4
2
e
8
1




(g.7)
Từ đó ta xác đònh được thời gian cố kết cần thiết tùy theo độ cố
kết theo công thức:
v
2
v
C
HT
t 
(g.8)

h. 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 công
trình tác động vào nền đất sét bão hòa nước.
Độ lún thứ ba là do biến dạng thứ cấp của đất nền, sau quá trình
phân tán nước lỗ rỗng thặng dư hoàn toàn (cố kết sơ cấp), dưới một
ứng suất hữu hiệu không đổi. Thành phần này thường được gọi là độ
lún do hiện tượng nén thứ cấp, được ký hiệu là S
s
.




GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 16
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

Cố kết sơ cấp
Nén thứ cấp
p
e
e
logt
U
100
100
t

Ở cấp tải p
1
= 
bt
(ở giữa lớp đất đang tính lún) đến p
2
= p
1
+ p=
p
1
+ 
z
(
z
: ứng suất do tải ngoài 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 p
1
đến p
2
của thí nghiệm nén
cố kết mẫu đất. Công thức tính độ lún này có dạng:
)tlog(H
e1
C
S
0
p

S




(h.1)
Trong đó:
 e
p
: 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 đònh nghóa bởi phần nén thứ
cấp của đường cong e-logt như sau:
tlog
e
C




(h.2)

Hình 9. Đồ thò xác đònh hệ số C

GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 17
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

IV. BẢN CHẤT HIỆN TƯNG LÚN CỐ KẾT – NHỮNG ĐIỂM
CẦN LƯU Ý
Khi có một lớp đất đắp nằm trên một nền đất yếu thì độ lún xảy ra
bởi nhiều nguyên nhân, mức độ quan trong của nó phụ thuộc vào
từng vò trí đang xét.
1. Tại vò trí
(1) của hình 10, nằm dưới tim đường, có độ sâu nhỏ so
với chiều rộng đất đắp (ví dụ B= 60m, cho đường cao tốc). Trường
hợp này có thể quan niệm đây là lớp mỏng, nằm ngang, chòu tác dụng
một áp lực đồng đều trên bề mặt.





Với các điều kiện nêu trên, ta có:
 Ứng suất đứng và ngang là ứng suất chính.
 Biến dạng ngang không đáng kể và được xem bằng không.
 Không có ứng suất cắt trên các bề mặt đứng và ngang.
Khi đó độ chuyển vò đứng (độ lún) tuân theo nguyên tắc giảm thể
tích của đất. Đây là mối quan hệ ứng suất – biến dạng phù hợp theo
nguyên lý của thí nghiệm nén một trục và lý thuyết cố kết Terzaghi.

2. Tại vò trí (2) của hình 10 thì ứng suất hoạt động khác so với
trường hợp trên.
 Ứng suất đứng và ngang không phải là ứng suất chính mà bò
tác động bởi ứng suất cắt.
 Biến dạng ngang là đáng kể và chuyển thành chuyển dòch
xệ ngang của đất nền.
Hình 10. Ứng suất đứng và ngang, theo vò trí so với trục của khối đất đắp

GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 18
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

Chuyển vò đứng (độ l
ún) trong trường hợp này phải tính đến ảnh
hưởng của biến dạng ngang và biến dạng do ứng suất cắt gây ra.
Trong thực tế, chúng ta chỉ tính toán độ lún ở vò trí (1) thông qua
thí nghiệm nén cố kết một trục. Chỉ trong điều kiện bề rộng đất đắp
đủ lớn, chiều dày của đất nền không quá lớn sẽ cho kết quả phù hợp
thực tế. Cùng một phương pháp tính toán nhưng áp dụng cho các vò trí
khác của mặt cắt ngang thì sai số tính toán sẽ càng lớn khi vò trí tính
toán càng cách xa trục tim của khối đất đắp.
Ba loại chuyển vò có thể xác đònh được (trong quá trình cố kết), có
liên quan đến điều kiện biến đổi thể tích (hình 11.). Đó là:
 Độ lún tức thì (do biến đổi giảm thể tích của pha khí). Độ
lún này tương đối nhỏ và xảy ra tức thì.
 Độ lún do quá trình cố kết (biến đổi thể tích do tiêu tán áp
lực nước lỗ rỗng thặng dư). Đây là độ lún chủ yếu trong
tính lún cố kết.
 Độ lún do nén thứ cấp xảy ra khi áp lực hữu hiệu tác dụng
không đổi mà quá trình lún vẫn tiếp tục xảy ra (lún do từ

biến). Trường hợp này rất phức tạp và chỉ được nghiên cứu
trong các trường hợp đặc biệt.









Hình 11. Đường thí nghiệm nén một trục theo thời gian

GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 19
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

V. CÁC GIẢI PHÁP GIA TĂNG VẬN TỐC CỐ KẾT
Khi chúng tiến hành đắp đất trên một nền đất yếu, có bề dày khá
lớn, vì vậy không có khả năng đạt đến độ lún ổn đònh trong quá trình
thi công (thường trong khoảng một vài năm) trước khi tuyến đường
được đưa vào khai thác, sử dụng.
Khi đó, không còn cách nào khác là pha
ûi tăng vận tốc lún cố kết
để đạt được các mục đích sau:
 Để đạt được một sức kháng cắt chấp nhận được cho ổn đònh
mái dốc.
 Để độ lún tổng thể đạt được độ ổn đònh cho phép cho hầu
hết phần lớn khối lượng trước khi đưa vào khai thác, sử
dụng công trình.

Các gi
ải pháp thông dụng để tăng vận tốc cố kết thường được áp
dụng cho đất đắp trên nền đất yếu như:
 Phương pháp gia tải tạm thời.
 Phương pháp đường thoát nước thẳng đứng.
 Phương pháp bơm chân không, hạ thấp mực nước.
 Phương pháp điện – nhiệt.
Hai phương pháp đầu được áp dụng rộng rãi và có thể kết hợp với
nhau và thể hiện rõ hiệu quả kinh tế – thi công. Hai phương pháp sau,
vì tính hiệu quả cũng như yếu tố kinh tế kỹ thuật hạn chế nên ít được
sử dụng.
1. Phương pháp gia tải tạm thời
Để tăng vận tốc cố kết, nếu ta dự kiến đắp một lớp đất đắp có
chiều cao H, ta cần sử dụng một gia tải tạm thời (Temporary
Surcharge) có bề dày
H. Với chiều cao H của đất đắp và H+H của
đất đắp và gia tải, ta có thể xác đònh được các độ lún tương ứng
h
1

và
h
2
(h
2
>h
1
) bằng phương pháp tính toán lún cố kết (hình 12.).

GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 20
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa




Để đánh giá hiệu quả của phương pháp gia tải tạm thời, làm cơ sở
để lựa chọn chiều cao gia tải thích hợp cho thời gian t, ta có thể áp
dụng phương pháp của Terzaghi để tính toán cho cố kết sơ cấp.
*Phương pháp kinh nghiệm Terzaghi.
Gọi t là thời gian sử dụng gia tải tạm thời và giả thiết đến thời
gian t đó đất nền đã đạt đến một độ cố kết U.
Trong khoảng thời gian t ta xác đònh được các độ lún sau:
 Có sử dụng gia tải: U. h
2

 Không sử dụng gia tải: U.h
1

Nếu tính đến thời điểm t, ta tiến hành dỡ tải thì khi đó độ cố kết

đã đạt được, cho độ cao đất đắp H sẽ là:
U
h
h.U
1
2




Như vậy là trong cùng thời gian t dự kiến, bằng phương pháp gia
tải tạm thời, ta đã tăng độ cố kết lên (
h
2
/h
1
) lần.
Để đạt được độ cố kết thiết kế của một nền đất đắp trên một nền
đất yếu (U thường được ấn đònh khoảng 80%), ta dễ dàng lựa chọn
được chiều cao gia tải (
H) thích hợp thông qua phân tích lún cố kết
bằng phương pháp nêu trên.


Hình 12. Sử dụng gia tải tạm thời để gia tăng vận tốc cố kết
GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 21
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

Trong thực

tế, người ta thường tính toán cho ba chiều cao gia tải
(
H= 1m, 2m, 3m) để lựa chọn giá trò thích hợp với thời gian cố kết
thiết kế và phương án thi công.
2. Phương pháp đường thoát nước thẳng đứng – PVD (bấc thấm)
Do bản chất lún cố kết là giảm thể tích được thực hiện bằng thoát
nước lỗ rỗng nên cần áp dụng một hệ thống đường thoát nước thẳng
đứng (Prefabricated Vertical Drains – PVD), để tăng nhanh quá trình
cố kết (hình 13. và hình 14.).





Hình 13. Sử dụng bấc thấm
Hình 14. Sơ đồ vùng ảnh hưởng của đường thoát nước thẳng đứng
PVD và mạng lưới bố trí
GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 22
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

Bấc thấm gồm hai phần: lõi chất
dẻo (hay bìa cứng) được bao
ngoài bằng vật liệu tổng hợp (thường là vải đòa kỹ thuật
polypropylene hay polyeste không dệt… ). Bấc thấm có những tính
chất sau:
 Cho nước trong lỗ rỗng của đất thấm qua lớp vải đòa kỹ
thuật bọc ngoài vào lõi chất dẽo.
 Lõi chất dẽo chính là đường tập trung nước và dẫn nước
thoát ra ngoài khỏi nền đất yếu bão hòa nước.

 Lớp vải đòa kỹ thuật bọc ngoài là polypropylene và
polyeste không dệt hay vật liệu giấy tổng hợp, chúng có
chức năng ngăn cách giữa lõi chất dẽo và đất xung quanh,
đồng thời là bộ phận lọc – hạn chế cát hạt mòn chui vào lõi
làm tắc nghẽn thiết bò. Lõi chất dẽo có hai chức năng quan
trọng: vừa đỡ lớp bao bọc ngoài, vừa tạo đường cho nước
thấm dọc chúng ngay cả khi áp lực ngang xung quanh lớn.
Nếu so sánh hệ số thấm nước giữa bấc thấm PVD với đất sét yếu
bão hòa nước thấy rằng, bấc thấm PVD có hệ số thấm (k=10
-4
m/s)
lớn gấp nhiều lần so với hệ số thấm của đất sét yếu (k= 10
-5
m/ngđ).
Do đó, các thiết bò PVD dưới tải trọng nén tức thời đủ lớn có thể ép
nước trong lỗ rỗng của đất sét thoát tự do ra ngoài.
3. Những thuận lợi và hạn chế của phương pháp PVD
Tổng hợp các mặt thuận lợi và hạn chế của hai phương pháp cọc
cát và bấc thấm để xử lý nền đất yếu bằng phương pháp PVD được
thể hiện trong bảng sau.


Cọc cát Bấc thấm
Thiết bò sử dụng Thông dụng Đặc chủng
Mặt bằng thi công trong
điều kiện ngập nước
Dễ kê kích, có thể
khắc phục được
Mặt bằng phải phẳng,
khắc phục khó khăn

Cần cát cho thi công Cần thiết Không cần
Cần nước cho thi công Cần thiết Không cần
Cần vét mùn Cần thiết Không cần
Hiệu suất thi công (quy
ước một lỗ sâu 20m)
25 lỗ/ngày 250 lỗ/ngày





GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 23
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

VI. NHỮNG KỸ THUẬT PHỤ TR
Khi sử dụng giải pháp gia cố nền bằng phương pháp đường thoát
nước thẳng đứng (PVD), trong trường hợp cần thiết cần áp dụng các
kỹ thuật phụ trợ sau:
1. Đệm cát thoát nước ngang (Granular Blanket)
Trên bề mặt của đất nền yếu cần được rải một đệm cát, có cấp
phối ha
ït theo yêu cầu nhằm các mục đích:
 Làm mặt bằng, đường đi để thi công PVD và đắp đất.
 Làm đường thoát nước ngang cho nước thoát từ các PVD đi
ra.
 Để thoát nước từ đất đắp.
Thành phần hạt của đệm thoát nước này cần đạt các chỉ tiêu thoát
nước mà thiết kế yêu cầu có thể tham khảo bảng sau, hoặc giá trò
tương đương:

Cỡ rây Phần trăm lọt
25.0 mm 100
4.80 mm 85 – 100
2.00 mm 50 – 100
0.85 mm 25 – 90
0.42 mm 10 – 75
0.3 mm 0 – 65
0.15 mm 0 – 35
0.075 mm 0 – 30

Chiều dày của đệm cát phụ thuộc vào sức kháng cắt của nền đất
yếu. Chiều dày tối thiểu là 50 (cm).
2. Vải đòa kỹ thuật (Geotextile)
Đối với đất nền là bùn hoặc than bùn quá yếu cần sử dụng vải đòa
kỹ thuật nằm dưới đệm cát thoát nước hoặc lớp đất đắp. Vải đòa kỹ
thuật, với các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu được áp dụng nhằm các mục
đích sau:
 Làm lớp bọc cho lớp lọc thoát nước và hạn chế xáo trộn đất
nền làm ảnh hưởng đến khả năng thoát nước.
 Tăng sức kháng chống trượt.
3. Áp dụng PVD
Ta đã biết khi áp dụng đường thoát nước thẳng đứng (PVD), có
những điều cần lưu ý với hai phương pháp như sau:

GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 24
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

 Với cọc cát: khi khoan tạo lỗ để làm cọc cát thường làm

xáo trộn thành hố khoan với bề dày nào đó. Sự xáo trộn
thành hố khoan gây cản trở nước thoát ngang từ đất nền
vào cọc cát. Khi đó đường kính hữu hiệu của cọc cát được
gọi là d
E
<d.
 Với bấc thấm: khi sử dụng bấc thấm có một sức kháng cắt
đáng kể. Cả hệ thống các bấc thấm tạo cho mức độ an toàn
chống trượt của mái dốc đất đắp tăng lên đáng kể.

GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 25