Tiểu luận môn địa chất công trình

MỤC LỤC
1. THÍ NGHIỆM NÉN CỐ KẾT
1.1.

Giới thiệu .................................................................................................. 3

1.1.1.

Sơ bộ về tính nén lún và cố kết của đất ............................................. 3

1.1.2.

Thí nghiệm nén cố kết (Consolidation Test) ..................................... 4

1.1.3.

Tiêu chuẩn hiện hành ......................................................................... 5

1.2.

Dụng cụ thí nghiệm .................................................................................. 5

1.2.1.

Máy nén cố kết ................................................................................... 5

1.2.2.

Dụng cụ tạo mẫu ................................................................................ 9

1.2.3.

Các dụng cụ khác ............................................................................. 10

1.3.

Trình tự thí nghiệm ................................................................................. 11

1.3.1.

Chuẩn bị mẫu đất ............................................................................. 11

1.3.2.

Tiến hành thí nghiệm ....................................................................... 12

1.4.

Xử lý kết quả và vẽ đường quan hệ giữa e - ........................................ 15

1.5.

Một số lỗi ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm ........................................ 18

2. CÁC ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG PHỤC VỤ CHO VIỆC ƯỚC LƯỢNG
ĐỘ LÚN CỐ KẾT ỔN ĐỊNH VÀ ĐỘ LÚN CỐ KẾT THEO
THỜI GIAN
2.1.

Tổng quan về lý thuyết cố kết ................................................................ 19

2.1.1.

Nguyên lý cố kết trong đất............................................................... 19

2.1.2.

Mô hình cố kết Terzaghi .................................................................. 19

2.1.3.

Quá trình cố kết của đất ................................................................... 21

2.1.4.

Các giả thiết trong lý thuyết cố kết .................................................. 22

2.1.5.

Lý thuyết cố kết ............................................................................... 23

2.1.6.

Các giai đoạn cố kết ......................................................................... 25

2.2.

Các đặc trưng biến dạng phục vụ cho việc ước lượng độ lún sơ cấp ..... 27

2.2.1.

Dùng đường cong nén lún e–σ để ước lượng độ lún sơ cấp ............ 27

2.2.2.

Dùng đường cong nén lún e-logσ để ước lượng độ lún sơ cấp ....... 29


2.3.

Độ lún theo thời gian .............................................................................. 32

2.3.1.

Phương pháp Casagrande ................................................................ 33

2.3.2.

Phương pháp Taylor ........................................................................ 35

2.3.3.

Phương pháp hypecbon (Hyperbola method) .................................. 36

2.3.4.

Phương pháp log(t) giai đoạn đầu (Early stage log-t method) ........ 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 40

THÍ NGHIỆM NÉN CỐ KẾT

1. THÍ NGHIỆM NÉN CỐ KẾT
1.1. Giới thiệu
1.1.1. Sơ bộ về tính nén lún và cố kết của đất
1.1.1.1. Tính nén lún
Tính nén lún là hiện tượng giảm thể tích của đất (do giảm độ rỗng) dưới tác
dụng của tải trọng ngoài.
Quá trình nén lún của đất dưới tác dụng của tải trọng ngoài thực chất là quá
trình nén chặt đất. Các hạt rắn được sắp xếp lại, thể tích lỗ rỗng trong đất giảm
xuống, độ chặt của đất tăng lên. Như vậy, tính chất nén lún của đất là hoàn toàn
khác nhau, tuỳ thuộc vào từng loại đất, trạng thái, và trong từng hoàn cảnh cụ thể
thông qua trạng thái ứng suất ngay cả đối với cùng một loại đất.

Hình 1.1. Tính nén lún của đất
Khi công trình được xây dựng trên đất bão hoà, tải trọng của công trình được
xem như truyền lên nước trong các lỗ rỗng của đất trước tiên. Vì chịu tải nên
nước có xu hướng thoát ra từ các lỗ rỗng trong đất (áp lực nước lỗ rỗng phân tán
từ nơi có áp lực lớn đến nơi có áp lực bé hơn và áp lực hữu hiệu tăng dần lên),
gây ra sự giảm thể tích phần rỗng của đất và lún công trình.
Đối với đất có hệ số thấm lớn (đất hạt thô), quá trình này hoàn tất trong
khoảng thời gian ngắn và kết quả là hầu như sự lún kết thúc hoàn toàn trong khi
thi công. Tuy nhiên, đối với đất có hệ số thấm nhỏ (đất hạt mịn, đặc biệt là đất
loại sét), quá trình này chiếm một khoảng thời gian rất lớn, mức độ biến dạng và
độ lún xảy ra rất chậm.

TIỂU LUẬN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

3

THÍ NGHIỆM NÉN CỐ KẾT

Hình 1.2. Sự sắp xếp lại của hạt rắn khi đất chịu tải trọng công trình
1.1.1.2. Cố kết (Consolidation)
Hiện tượng nén chặt do sự thoát ra rất chậm của nước từ các lỗ rỗng trong
đất hạt mịn và là kết quả của việc tăng tải (trọng lượng của công trình lên trên đất
nền).

Hình 1.3. Sự cố kết của đất sét bão hòa
1.1.2. Thí nghiệm nén cố kết (Consolidation Test)
1.1.2.1. Thí nghiệm nén cố kết
Thí nghiệm nén cố kết xác định độ lún trong quá trình thoát nước lỗ rỗng của
một mẫu đất dưới tải trọng thẳng đứng và không bị nở hông (do chỉ tiêu ép co
của đất được xác định thí nghiệm này bằng cách nén mẫu đất chứa trong dao
vòng có thành cứng)
Thí nghiệm nén cố kết còn gọi là thí nghiệm nén không nở hông.

TIỂU LUẬN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

4


THÍ NGHIỆM NÉN CỐ KẾT

Hình 1.4. Sơ đồ thí nghiệm nén cố kết bằng thiết bị nén không nở hông
1.1.2.2. Mục đích thí nghiệm nén cố kết
Xác định các đặc trưng biến dạng của đất nền như:
 Thiết lập biểu đồ quan hệ độ rỗng e và từng cấp tải trọng tác dụng
 (kPa);

 Xác định hệ số nén an-1, n (kPa)-1;
 Hệ số biến đổi thể tích mv (kPa) -1;
 Module tổng biến dạng Eo (kPa);
 Chỉ số nén Cc, chỉ số nén lại hay chỉ số nở Cs, áp lực tiền cố kết pc hay
σ’c (kPa);
 Hệ số cố kết Cv (cm2/s hoặc là m2/ngày đêm), hệ số thấm k (cm/s hoặc
là m/ngày đêm);
Từ các đặc trưng trên, người kỹ sư có thể xác định độ lún của đất nền dưới
công trình cũng như dự báo độ lún theo thời gian.
1.1.3. Tiêu chuẩn hiện hành
TCVN 4200:1012 “Đất xây dựng - Phương pháp xác định tính nén lún trong
phòng thí nghiệm”.
1.2. Dụng cụ thí nghiệm
1.2.1. Máy nén cố kết

TIỂU LUẬN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

5


THÍ NGHIỆM NÉN CỐ KẾT

Hình 1.5. Các bộ phận của một máy nén cố kết cơ học thông thường
và hình ảnh thực tế

Hình 1.6. Một số máy nén cố kết khác hiện nay

TIỂU LUẬN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

6

THÍ NGHIỆM NÉN CỐ KẾT

1.2.1.1. Hộp nén
Có 2 loại:
 Hộp nén với vòng mẫu trôi nổi (Floating Ring Consolidation Cell)

Hình 1.7. Hộp nén với vòng mẫu trôi nổi
Sức nén xảy ra từ trên và dưới hướng về phía giữa. Trong hộp loại này, sự
ma sát giữa thành hộp và mẫu đất nhỏ.

TIỂU LUẬN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

7


THÍ NGHIỆM NÉN CỐ KẾT

 Hộp nén với vòng mẫu cố định (Fixed Ring Consolidation Cell)

Hình 1.8. Hộp nén với vòng mẫu cố định
Trong vòng mẫu cố định sự nén của mẫu đất diễn ra từ mặt trên xuống mặt
dưới, lớp đất dưới cùng không di chuyển suốt quá trình cố kết.
Ma sát với thành vòng lớn hơn vòng mẫu không cố định.
Đo được lượng nước thấm qua đáy mẫu đất trong quá trình cố kết, cho phép
xác định hệ số thấm k của đất.

TIỂU LUẬN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

8


THÍ NGHIỆM NÉN CỐ KẾT

1.2.1.2. Đồng hồ đo biến dạng
Yêu cầu: Có khắc vạch đến 0.01 mm.

Hình 1.9. Đồng hồ đo biến dạng
1.2.2. Dụng cụ tạo mẫu
 Mẫu đất dùng để thí nghiệm xác định các hệ số đặc trưng tính cố kết

Hình 1.10. Các mẫu đất dùng để thí nghiệm

 Dao vòng để lấy mẫu
TIỂU LUẬN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

9


THÍ NGHIỆM NÉN CỐ KẾT

Hình 1.11. Dao vòng
TCVN 4200:2012 yêu cầu đối với đất loại sét và đất loại cát (không lẫn sỏi
sạn) đường kính mẫu thử trong dao vòng d ≥ 50 mm, đất lẫn sỏi sạn phải dùng
dao vòng có đường kính d ≥ 70 mm. Mẫu đất thí nghiệm thường có chiều cao
2cm và diện tích mặt cắt ngang từ 30 đến 50 cm2.
 Dao gọt đất và dao gạt bằng
 Giấy thấm
 Đá thấm

Hình 1.12. Đá thấm được ngâm nước trước khi làm thí nghiệm
1.2.3. Các dụng cụ khác
Cân kỹ thuật với độ chính xác 0.01g, lò sấy, đồng hồ bấm giây, thước kẹp.
TIỂU LUẬN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

10


THÍ NGHIỆM NÉN CỐ KẾT

1.3. Trình tự thí nghiệm
1.3.1. Chuẩn bị mẫu đất
Mẫu đất nguyên dạng: tiến hành lấy mẫu đất bằng dao vòng như khi thí
nghiệm xác định các đặc trưng vật lý của mẫu đất.

Hình 1.13. Mẫu đất được chuẩn bị nguyên trạng
Mẫu đất không nguyên dạng: thì lấy mẫu trung bình có khối lượng khoảng
200g từ đất đá được giã sơ bộ, loại bỏ sỏi sạn và tạp chất để chế bị mẫu. Lấy
khoảng 10g để xác định độ ẩm ban đầu (W).

Hình 1.14. Lấy mẫu thí nghiệm cho đất sau khi được chế bị xong

TIỂU LUẬN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

11


THÍ NGHIỆM NÉN CỐ KẾT

1.3.2. Tiến hành thí nghiệm
Bước 1: Cho dao vòng chứa mẫu đất có chiều cao 2cm, diện tích tiết diện
ngang từ 30 đến 50cm2 đã lấy vào hộp nén có đá thấm ở hai mặt trên và dưới của
mẫu.

Hình 1.15. Mẫu đất được lấy bằng
dao vòng

Hình 1.16. Cho mẫu đất đã lấy vào
hộp nén có đá thấm, giấy thấm ở
hai mặt trên và dưới của mẫu

Bước 2: Đặt hộp nén vào máy nén, điều chỉnh đồng hồ đo lún về vị trí 0 và
đổ nước đầy hộp nén.

Hình 1.17. Đặt hộp nén vào máy
nén, điều chỉnh đồng hồ đo lún
TIỂU LUẬN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

Hình 1.18. Đổ nước đầy hộp nén

12


THÍ NGHIỆM NÉN CỐ KẾT

Bước 3: Cân bằng cánh tay đòn bằng thước thủy bình.

Hình 1.19. Thước thủy bình để cân bằng cánh tay đòn
Bước 4: Đặt tải trọng theo từng cấp áp lực tăng dần và ghi nhận số đọc của

đồng hồ đo lún theo thời gian.

Hình 1.20. Gia tải lên máy

 Yêu cầu đối với quá trình đặt tải
TIỂU LUẬN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

13


THÍ NGHIỆM NÉN CỐ KẾT

Theo mục 3.7 TCVN 4200:2012, trị số các cấp áp lực nén thí nghiệm được
xác định theo tính chất của đất và yêu cầu thực tế của công trình trong từng
trường hợp cụ thể. Thông thường, cấp sau lớn gấp hai lần cấp trước:
 Đối với đất sét ở trạng thái dẽo chảy và chảy, sử dụng các cấp: 10; 25;
50; 100 và 200 kPa.
 Đối với đất sét, sét pha ở trạng thái dẻo mềm và dẻo cứng, dùng các
cấp: 25; 50; 100; 200 và 400 kPa.
 Đối với đất cứng và nửa cứng, dùng các cấp: 50; 100; 200; 400 và 800
kPa.
Số lượng cấp áp lực không nhỏ hơn 5 cho một mẫu nén.
Mỗi cấp áp lực tác dụng lên mẫu được giữ cho đến khi đạt ổn định biến dạng
nén tức là biến dạng không vượt quá 0.01 mm trong:
 30 phút đối với đất cát.
 3 giờ đối với đất cát pha.
 12 giờ đối với đất sét pha hoặc đất sét có chỉ số dẻo IP < 30
 Riêng với đất sét có IP > 30 và đất sét mềm yếu thì biến dạng chỉ được
coi là ổn định nếu biến dạng không vượt quá 0.01 mm trong 24 giờ.
 Yêu cầu đối với việc theo dõi biến dạng nén trên đồng hồ

Theo mục 4.3.3 TCVN 4200:2012 thì theo dõi biến dạng nén trên đồng hồ
biến dạng dưới mỗi cấp tải trọng ngay sau 15s tăng tải. Khoảng thời gian đọc
biến dạng nén lần sau được lấy gấp đôi so với lần đọc trước :15s; 30s; 1m; 2m;
4m; 8m; 15m; 30m; 1h; 2h; 3h; 6h; 12h và 24h kể từ lúc bắt đầu thí nghiệm cho
mẫu cố kết hoàn toàn dưới một cấp áp lực, thường là 24h và 48h.
Ghi chú :
Theo Mục 4.3.4 - TCVN 4200:2012,tải trọng cần thiết tác dụng lên mẫu ở áp
lực, được tính bằng đơn vị (N) theo công thức sau:

p

F  m c
( N)
f

(P. 1.1)

trong đó:
mc – Trọng lượng của tấm nén, hòn bi và viên đá thấm trên mẫu (N);
TIỂU LUẬN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

14


THÍ NGHIỆM NÉN CỐ KẾT



– áp lực tác dụng lên mẫu đất (Pa);

F

– tiết diện mẫu đất (m2);

f

– tỷ lệ cánh tay đòn truyền lực.

Bước 5: Tiến hành dỡ tải

Hình 1.21. Tiến hành dỡ tải
Sau khi biến dạng của mẫu đất đã ổn định ở cấp áp lực cuối cùng, ta tiến
hành dỡ tải. Dỡ lần lượt từng cấp cho đến cấp cuối cùng và lấy số đọc trên đồng
hồ đo biến dạng.
Theo Mục 4.3.8 - TCVN 4200:2012, thời gian theo dõi biến dạng khôi phục
của đất cát pha và sét pha được phép giảm bớt hai lần so với lúc tăng tải. Đối với
đất sét thì tiêu chuẩn ổn định về biến dạng hồi phục cũng được lấy như biến dạng
nén lún.
1.4. Xử lý kết quả và vẽ đường quan hệ giữa e -
Bước 1: Tìm hệ số rỗng ban đầu eo và hệ số rỗng ở cấp áp lực cuối cùng e’k.

TIỂU LUẬN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

15


THÍ NGHIỆM NÉN CỐ KẾT

Mẫu đất trước khi thí nghiệm đã được xác định các đặc trưng vật lý ban đầu
như , w, Gs.

Từ đó tìm được hệ số rỗng ban đầu eo:



1 w
Gs  w
1  eo

 eo 

G s  w 1  w 
1


(P. 1.2)

Tương tự tính:

e' k 

G s  w 1  w k 
1
k

(P. 1.3)

Bước 2: Tính hệ số rỗng theo biến dạng en đối với mỗi cấp áp lực.
Hệ số rỗng theo biến dạng en đối với mỗi cấp áp lực được tính theo công
thức:

en  eo 

h n
1  e o 
ho

(P. 1.4)

trong đó:
ho – chiều cao ban đầu của mẫu đất, bằng 20mm;
hn – biến dạng của mẫu đất ở cấp tải trọng n ,đơn vị mm.

Ghi chú :
Theo Mục 4.4.2 - TCVN 4200:2012, biến dạng của mẫu (hn) trong quá
trình thí nghiệm ở cấp tải thứ n được xác định theo công thức:

h n  rn  ro  M n

(P. 1.5)

trong đó:
rn
- biến dạng ở cấp tải trọng n ở đồng hồ đo khi đã ổn định biến
dạng nén của mẫu đất (mm);
ro

- biến dạng ban đầu của đồng hồ đo biến dạng (mm);

Mn - biến dạng của máy ở cấp tải trọng thứ n (mm).
TIỂU LUẬN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

16


THÍ NGHIỆM NÉN CỐ KẾT

Hệ số rỗng ứng với cấp áp lực cuối cùng tính theo biến dạng là ek:

ek  eo 

h k
1  e o 
ho

Bước 3: Kiểm tra, hiệu chỉnh kết quả thí nghiệm.
Theo mục 4.4.5 TCVN 4200:2012:
 Nếu tỷ lệ

e k  e' k
 5% , có thể tiến hành vẽ đường cong nén lún từ các
e' k

giá trị tính toán theo biến dạng của mẫu.
 Nếu tỷ lệ

e k  e' k
 5% , phải làm lại thí nghiệm, hoặc vẽ đường cong
e' k

nén lún từ các hệ số rỗng eo và e’k trước và sau khi thí nghiệm, còn các hệ số

rỗng trung gian phải được xác định từ công thức: e’n=en
trong đó:
e’n - hệ số rỗng ở cấp tải trung gian thứ n đã hiệu chỉnh;
en - hệ số rỗng ở cấp tải trung gian thứ n tính theo biến dạng;


-

hệ số hiệu chỉnh.

Bước 4: Vẽ đường quan hệ giữa e và .
Khi biết được hệ số rỗng của mẫu đất ( đã xử lý số liệu ở bước 3) với các tải
trọng tương ứng ta có thể vẽ được đường cong nén lún e- , tức là đường quan hệ
giữa e và .
Đường cong nén lún thường được sử dụng để tính lún nên phải thể hiện sao
cho có thể từ giá trị  bất kỳ, ta tra ra được giá trị e có độ chính xác chấp nhận
được.

Hình 1.22. Đường con nén lún ( gia tải và dỡ tải)
TIỂU LUẬN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

17


THÍ NGHIỆM NÉN CỐ KẾT

Đường cong nén lún còn có thể biểu diễn dưới dạng bán logarit, tức là quan
hệ giữa hệ số rỗng e và log().

Hình 1.23. Đường cong nén lún( gia tải và dỡ tải) theo biểu đồ bán logarit

1.5. Một số lỗi ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm
 Chuẩn bị mẫu không cẩn thận dẫn đến sự có mặt của bọt khí trong mẫu
hay cấu trúc mẫu bị xáo trộn nhiều .Dẫn đến kết quả thí nghiệm bị sai lệch không
đáng tin cậy.
 Ma sát giữa mẫu và dao vòng lớn làm mất tải trọng đặt lên mẫu. Nên bôi
trơn thành dao vòng bằng dầu nhờn.
 Sử dụng đá thấm không tốt do đá bị cặn bẩn, bị nứt nẻ, không ngâm đá
vào nước trước khi thí nghiệm.
 Thí nghiệm viên đọc số liệu không chính xác
 Không kiểm tra điều chỉnh lại máy trước khi thí nghiệm.

TIỂU LUẬN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

18


CÁC ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG

2. CÁC ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG PHỤC VỤ CHO VIỆC ƯỚC LƯỢNG
ĐỘ LÚN CỐ KẾT ỔN ĐỊNH VÀ ĐỘ LÚN CỐ KẾT THEO THỜI
GIAN
2.1. Tổng quan về lý thuyết cố kết
2.1.1. Nguyên lý cố kết trong đất
Đất bao gồm các hạt đất và không gian giữa các hạt mà chứa đầy trong đó là
khí hoặc nước hoặc cả khí và nước.
Khi chịu tải trọng nén, đất có khuynh hướng giảm thể tích. Đối với đất bão
hòa nước, điều đó có thể xảy ra bởi 3 yếu tố:
(1)

Sự nén ép các hạt rắn;

(2)

Sự nén ép nước trong các lỗ rỗng;

(3)

Sự thoát nước từ các lỗ rỗng.

Trong các loại đất vô cơ, sự ảnh hưởng của yếu tố (1) cực kỳ nhỏ và có thể
không cần xét đến. Nhưng đối với các loại đất hữu cơ, đặc biệt than bùn, sự nén
ép của các hạt rắn có thể là đáng kể.
Sự nén ép của nước không đáng kể so với các yếu tố khác, nên có thể bỏ qua
sự ảnh hưởng của yếu tố (2).
Vì thế, lý thuyết cố kết dựa trên cơ sở yếu tố (3), sự thoát nước từ các lỗ rỗng
giữa các hạt rắn. Trong đất thoát nước mạnh, chẳng hạn như đất cát, sự thoát
nước xảy ra nhanh chóng. Tuy nhiên, trong đất sét, tính thấm của nó kém hơn so
với tính thấm của cát từ hàng ngàn đến hàng triệu lần, làm cho sự thay đổi thể
tích cùng với quá trình cố kết diễn ra chậm chạp và dẫn đến phải mất một thời
gian dài để độ lún đạt đến mức ổn định.
2.1.2. Mô hình cố kết Terzaghi
Mô hình mà Terzaghi sử dụng để mô phỏng hiện tượng cố kết của đất gồm
một xy-lanh (có diện tích tiết diện ngang A) chứa đầy nước và một lò xo đỡ một
pit-tông có van xả như hình 1.1.
Lúc đầu, hệ thống cân bằng trong điều kiện van được khóa và không có lực
tác dụng lên pit-tông. Lò xo không bị nén và nước không tồn tại áp lực thặng dư.
Sau đó, đặt tải P lên bên trên pit-tông. Nước không được thoát ra, nên pittông không di chuyển xuống được và lò xo cũng không bị nén. Nếu đo áp lực
TIỂU LUẬN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

19

CÁC ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG

nước bên trong xy-lanh sẽ thấy nó tăng lên với một giá trị là ∆u = P/A. Độ gia
tăng áp lực nước này được gọi là áp lực nước thặng dư. Pit-tông không di
chuyển, nghĩa là lò xo không chịu tải P mà do nước gánh đỡ hoàn toàn tải trọng P
(với giả thiết là nước không bị nén).

Van đóng

Van đóng

Van mở
Van mở

Hình 2.1. Mô hình cố kết Terzaghi
Tiếp đến, van được mở làm cho nước trong xy-lanh bắt đầu thoát ra từ từ.
Pit-tông bắt đầu lún xuống, lò xo bị nén lại đồng nghĩa rằng lò xo bắt đầu gánh
đỡ tải trọng P cùng với nước, áp lực nước thặng dư giảm dần. Do lực P không
thay đổi, nên lực tác động lên lò xo bằng với độ giảm của áp lực nước thặng dư.
Sau một thời gian, nước không thoát ra nữa, lò xo bị nén hoàn toàn và chịu
toàn bộ tải trọng P. Lúc này, áp lực nước thặng dư tiêu tán hết. Quá trình trên
được gọi là cố kết thấm và thời gian diễn ra nhanh hay chậm là phụ thuộc vào
kích thước của van.
TIỂU LUẬN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

20

CÁC ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG

Trong mô hình này, lò xo tượng trưng cho khung hạt đất, nước trong xy-lanh
tượng trưng cho nước trong lỗ rỗng và kích thước van tượng trưng cho hệ số
thấm của đất.
2.1.3. Quá trình cố kết của đất
Ứng xử của mô hình Terzaghi được mô tả bên trên tương tự như ứng xử của
đất trong quá trình diễn ra sự cố kết. Những đặc tính của mô hình và của đất thực
có liên hệ với nhau và được diễn tả trong bảng 2.1.
Bảng 2.1. Đối chiếu các đặc tính của mô hình cơ và đất thực
Điểm

Mô hình cơ

Đất thực

Tốc độ thoát nước phụ thuộc vào:

Tốc độ thoát nước phụ thuộc vào:

(a) Kích thước van

(a) Kích thước lỗ rỗng (chẳng hạn như
tính thấm)

(b) Độ nhớt của nước

(b) Độ nhớt của nước trong lỗ rỗng (phụ

(c) Chiều dài ống thoát

thuộc nhiệt độ)
(c) Chiều dài đường thấm

Khả năng chịu nén của lò xo quyết định:

Tính nén lún của cấu trúc bên trong đất

(a) Mức độ biến dạng của lò xo

quyết định:
(a) Độ lún cố kết

(b) Thời gian đạt đến cân bằng

(b) Thời gian đạt mức cố kết 100%

3

Áp lực nước gánh đỡ ban đầu

Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ban đầu uo

4

Áp lực nước gánh đỡ ở thời điểm bất kỳ

Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trung bình u

5

Lực trong lò xo

Ứng suất khung hạt

6

Mức độ nén

Mức độ cố kết

1

2

Ứng suất trong đất do tải trọng ngoài gây ra được gọi là “ứng suất tổng”, kí
hiệu là ∆σ. Áp lực trong nước chứa bên trong các lỗ rỗng được gọi là “áp lực
nước lỗ rỗng”, kí hiệu là ∆u. Khi tải trọng ngoài tác dụng lên đất sét bão hòa
nước, toàn bộ tải trọng, ban đầu, sẽ do nước trong lỗ rỗng chịu, được thể hiện qua
sự gia tăng áp lực nước lỗ rỗng thặng dư với giá trị bằng với tổng áp lực tác dụng
từ bên ngoài.
Nếu lớp đất sét tiếp giáp với các mặt thoát nước (ví dụ như lớp cát), thì áp
lực nước lỗ rỗng thặng dư sẽ làm cho nước thoát ra từ lớp đất sét sang lớp thấm
nước liền kề. Quá trình này xảy ra chậm, do tính thấm của sét kém. Đồng thời,
TIỂU LUẬN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

21


CÁC ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG

một phần áp lực sẽ tác dụng lên khung hạt, tương ứng với sự giảm đi của áp lực
nước lỗ rỗng thặng dư. Sự chênh lệch giữa ứng suất tổng và áp lực nước lỗ rỗng
thặng dư tại một thời điểm bất kỳ được gọi là “ứng suất hữu hiệu”, kí hiệu là ∆σ’,
chính là phần áp lực do khung hạt gánh đỡ. Điều này được diễn tả trong phương
trình sau:

'    u

(P. 2.1)

Về bản chất, quá trình cố kết là quá trình truyền tải dần dần áp lực tác động
từ bên ngoài từ nước lỗ rỗng sang khung hạt; khi đó áp lực nước lỗ rỗng giảm
dần và ứng suất có hiệu tăng dần cho đến khi bằng với áp lực tác động từ bên
ngoài. Mức độ truyền tải đó được đánh giá thông qua độ cố kết U (sẽ được đề cập
sâu hơn ở mục Lý thuyết cố kết).
2.1.4. Các giả thiết trong lý thuyết cố kết
Các giả thiết nền tảng trong lý thuyết cố kết của Terzaghi như sau:
(1)

Lớp đất được cố kết ở trạng thái nằm ngang, đồng chất, đẳng hướng,
bề dày đều và bị hạn chế nở hông.

(2)

Đất bão hòa nước hoàn toàn, tức là lỗ rỗng chứa đầy nước.

(3)

Hạt đất và nước không bị nén.

(4)

Sự chảy trong cố kết thấm tuân theo định luật Darcy.

(5)

Hệ số thấm và các đặc tính khác của đất không đổi trong suốt quá
trình gia tải.

(6)

Áp lực tác dụng phân bố đều khắp.

(7)

Dòng thấm chỉ xảy ra theo phương đứng.

(8)

Sự thay đổi ứng suất hữu hiệu trong đất đồng thời dẫn đến sự thay đổi
hệ số rỗng và mối quan hệ của chúng là tuyến tính trong quá trình mỗi
đợt gia tải.

(9)

Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ban đầu phân bố đều suốt bề dày lớp
đất.

(10) Quá trình cố kết được kéo dài hoàn toàn là do đất có hệ số thấm nhỏ.

(11) Một hoặc cả hai lớp liền kề của lớp đất sét có khả năng thoát nước
hoàn toàn so với lớp đất sét đó.
TIỂU LUẬN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

22


CÁC ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG

(12) Trọng lượng bản thân của đất được bỏ qua.
2.1.5. Lý thuyết cố kết
Trong phần này, bài tiểu luận không trình bày chi tiết những diễn giải, phân
tích phức tạp về phương diện toán học của quá trình cố kết, mà chỉ trình bày một
cách khái lược để có cái nhìn tổng quát về quá trình này.
Phương trình vi phân cố kết thấm một chiều của Terzaghi:

u
 2u
 Cv 2
t
z
Cv 

k 1  e 
a vw

(P. 2.2)

(P. 2.3)

trong đó:
u

– áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tại thời điểm đang xét t;

z

– độ sâu tại điểm đang xét;

k

– hệ số thấm của đất sét;

mv – hệ số nén thể tích của đất sét;
γw – trọng lượng riêng của nước;

C v – hệ số cố kết,;
k

– hệ số thấm;

a v – hệ số nén lún.
Lời giải của phương trình thấm trên đây là một hàm phụ thuộc hệ số cố kết

C v , chiều dài đường thấm lớn nhất h và thời gian t, như sau:
C t
U  f  v2 
 h 
Đặt Tv 

(P. 2.4)

Cv t
– nhân tố thời gian, khi đó phương trình trên được viết lại như
h2

sau:

U  f  Tv 

TIỂU LUẬN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

(P. 2.5)

23


CÁC ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG

Nhân tố thời gian Tv
0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

0
10
20
30
40
50

Độ cố kết U (%)

60

70
80
90

100

Hình 2.2. Đường cong quan hệ Tv - U
Nhân tố thời gian Tv
0.001
0

0.01

0.1

1

10

10
20
30
40
50

Độ cố kết U (%)

60

70
80
90
100

Hình 2.3. Đường cong quan hệ Tv - U (theo biểu đồ bán logarit)
TIỂU LUẬN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

24


CÁC ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG

Căn bậc hai Tv
0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

0
10
20
30

40
50

Độ cố kết U (%)

60
70
80
90
100

Hình 2.4. Đường cong quan hệ

Tv - U

Mối quan hệ giữa U và Tv trong phương trình (P. 2.5) được thể hiện trong
hình 2.2. Ngoài ra, mối quan hệ đó được thể hiện trong hình 2.3 theo biểu đồ bán
logarit, và hình 2.4 với U được biểu diễn theo căn bậc hai của Tv. Đường cong
dạng thứ 2 và 3 được thường được sử dụng trong phân tích cố kết thấm một
chiều hơn là dạng thứ nhất. Qua đó, có thể thấy rằng các đường đó tiến đến
đường tiệm cận U = 100% khi thời gian tiến đến vô cùng. Hay nói một cách
khác, quá trình cố kết kết thúc hoàn toàn sau một thời gian rất dài.
2.1.6. Các giai đoạn cố kết
Nhằm mục đích phân tích, sự nén chặt của đất sét được phân thành 3 giai
đoạn, kể ra như sau:
(1)

Giai đoạn nén ban đầu;

(2)

Giai đoạn nén cố kết (nén sơ cấp);

(3)

Giai đoạn nén thứ cấp.

TIỂU LUẬN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NÂNG CAO

25