Nghiên cứu sử dụng các kết quả thí nghiệm hiện trường để xác định sức chịu tải của đất nền tại khu vực formasa, hà tĩnh (luận văn thạc sĩ)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.66 MB, 100 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
NGUYỄN THÀNH VINH
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÁC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
HIỆN TRƯỜNG ĐỂ XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA ĐẤT
NỀN TẠI DỰ FORMOSA, HÀ TĨNH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH XDDD&CN
Hà Nội - 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
NGUYỄN THÀNH VINH
KHÓA: 2017 - 2019
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÁC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
HIỆN TRƯỜNG ĐỂ XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CỦA ĐẤT
NỀN TẠI DỰ ÁN FORMOSA, HÀ TĨNH
Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình DD và CN
Mã số
: 60.58.02.08
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH XDDD&CN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. ĐỖ MINH TÍNH
XÁC NHẬN
CỦA CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN
Hà Nội - 2019
LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu sử dụng các kết quả thí nghiệm hiện trường để
xác định sức chịu tải của đất nền tại khu vực Formasa, Hà Tĩnh” được tác giả thực
hiện tại khoa Sau đại học, trường Đại học Kiến trúc Hà Nội. Quá trình thực hiện
luận văn của mình, tác giả đã nhận được rất nhiều sự ý kiến đóng góp ý kiến
cũng như giúp đỡ của các cán bộ giảng viên công tác trong bộ môn Địa kỹ thuật,
khoa Sau đại học cũng như các chuyên gia thuộc lĩnh vực có liên quan cũng như
các bạn học cùng khóa. Trong quá trình thu thập số liệu làm luận văn, tác giả
nhận được sự giúp đỡ hết sức nhiệt tình của các lãnh đạo Viện Địa kỹ thuật Công ty CP Kỹ thuật Nền móng và Công trình ngầm (FECON). Trung tâm
Nghiên cứu Địa kỹ thuật (trường Đại học Mỏ - Địa chất), qua đây tác giả xin
cảm ơn.
Quá trình hoàn thiện luận văn, tác giả được sự chỉ dẫn tận tình trực tiếp từ
TS. Đỗ Minh Tính và các thầy cô công tác trong bộ môn Địa kỹ thuật và các
bạn đồng nghiệp. Xin chân thành cảm ơn quí thầy cô và các bạn.
Mặc dù bản thân đã có nhiều cố gắng trong việc tìm tòi, học hỏi nhưng do
năng lực và trình độ còn nhiều hạn chế, thời gian có hạn nên trong luận văn của
mình chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Tác giả rất mong
muốn nhận được sự góp ý chân thành thành và thẳng thắn từ phía thầy cô, các
chuyên gia và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Nguyễn Thành Vinh
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ này là công trình nghiên cứu của bản
thân. Các số liệu kết quả trình bày trong luận văn này là đúng sự thật, có nguồn
gốc rõ ràng, và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào.
Hà Nội, ngày ..... tháng ..... năm 2019
Tác giả
Nguyễn Thành Vinh
MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
Danh mục các bảng,biểu
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU
*Lý do chọn đề tài ............................................................................................................ 1
*Mục đích nghiên cứu ...................................................................................................... 2
*Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................................. 2
*Nội dung nghiên cứu của đề tài...................................................................................... 2
*Phương pháp nghiên cứu................................................................................................ 2
*Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ....................................................................... 3
*Cấu trúc của luận văn ..................................................................................................... 2
NỘI DUNG
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ SỨC CHỊU TẢI CỦA ĐẤT NỀN ..... 4
1.1 Khái niệm về sức chịu tải của đất nền ................................................................... 4
1.2. Khái quát về một số dạng công tác thí nghiệm hiện trường thường hay sử dụng
trong công tác khảo sát địa kỹ thuật tại Việt Nam. .................................................... 15
1.3. Thực trạng nghiên cứu về các công thức kinh nghiệm xác định sức chịu tải của
đất nền ........................................................................................................................ 33
1.4. Phương pháp xác định sức chịu tải của đất nền theo tiêu chuẩn quốc gia Việt
Nam ............................................................................................................................ 38
1.5. Những nội dung chính cần nghiên cứu của luận văn.......................................... 39
CHƯƠNG 2. SỬ DỤNG KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG ĐỂ XÁC ĐỊNH
SỨC CHỊU TẢI CỦA ĐẤT NỀN TẠI DỰ ÁN FORMOSA ....................................... 42
2.1. Khái quát khu vực nghiên cứu ............................................................................ 42
2.1.1. Đặc điểm điều kiện tự nhiên ..................................................................... 42
2.1.2. Đặc điểm địa hình, địa mạo ....................................................................... 45
2.1.3. Đặc điểm địa tầng ...................................................................................... 45
2.1.3. Đặc điểm nước dưới đất ............................................................................ 47
2.2. Sử dụng kết quả của thí nghiệm xuyên tĩnh xác định sức chịu tải và mô đun biến
dạng của đất nền ......................................................................................................... 49
2.2.1. Khái quát chung ........................................................................................ 49
2.2.2. Xác định sức chịu tải và mô đun nén lún của đất loại sét ......................... 50
2.2.3. Xác định sức chịu tải và mô đun nén lún của đất cát pha ......................... 56
2.2.4. Kết luận ..................................................................................................... 58
2.3. Sử dụng kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn xác định sức chịu tải và mô đun
biến dạng của đất nền ................................................................................................. 59
2.3.1. Xác định sức chịu tải (Ro) của đất loại sét ................................................ 60
2.3.2. Xác định sức chịu tải và mô đun nén lún của đất cát pha ........................ 62
2.3.3. Kết luận ..................................................................................................... 64
CHƯƠNG 3 : MỐI QUAN HỆ CỦA SỨC KHÁNG XUYÊN ĐẦU MŨI (Qc) VỚI
CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA ĐẤT .............................................................................. 66
3.1. Khái quát chung .................................................................................................. 66
3.2. Quan hệ giữa sức kháng xuyên đầu mũi (qc) với các chỉ tiêu cơ lý của đất ....... 67
3.2.1. Đối với đất dính ......................................................................................... 67
3.2.2. Đối với đất cát pha .................................................................................... 72
3.3. Quan hệ giữa sức chịu tải với các chỉ tiêu cơ lý của đất .................................... 77
3.3.1. Sức chịu tải tiêu chuẩn của đất dính .......................................................... 77
3.2.4. Sức chịu tải tiêu chuẩn của đất cát pha ..................................................... 79
3.4. Kết luận ............................................................................................................... 81
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................ 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
Đơn vị
Giải thích
ĐCCT
Địa chất công trình
SCT
Sức chịu tải
CPT
Thí nghiệm xuyên tĩnh
SPT
Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn
VST
Thí nghiệm cắt cánh hiện trường
PBT
Thí nghiệm nén tĩnh nền
PIgh
kPa
Tải trọng giới hạn thứ nhất
PIIgh
kPa
Tải trọng giới hạn thứ hai
Pa
kPa
Sức chịu tải cho phép
Eo
kPa
Môđun biến dạng
qult
kPa
Sức chịu tải cực hạn của đất nền
Rf
kPa
Sức chịu tải cho phép của móng nông
Rp
kPa
Sức chịu tải cho phép của cọc đơn
Rtc
kPa
Sức chịu tải tiêu chuẩn của đất nền
qu
kPa
Cường độ kháng nén nở hông của đất
qc
kPa
Sức kháng xuyên đầu mũi
fs
kPa
Ma sát thành đơn vị
Fr
kPa
Tỷ sức kháng xuyên
cu
kPa
Lực dính kết không thoát nưóc.
u
Độ
Góc nội ma sát không thoát nưóc.
c
kPa
Lực dính
Độ
Góc nội ma sát
kN/m3
Dung trọng của đất
W
%
Độ ẩm tự nhiên
WP
%
Độ ẩm giói hạn dẻo
WL
%
Độ ẩm giói hạn chảy
Ip
%
Chỉ số dẻo.
Is
Độ sệt.
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
Tên hình
Trang
Bảng 1.1:
Hệ số hình dạng đáy móng theo Tezaghi
13
Bảng 1.2:
Bảng tra hệ số hiệu chỉnh a theo chiều dài cần khoan
21
Bảng 1.3:
Bảng phân loại độ chặt của đất rời theo trị số xuyên tiêu chuẩn N30
22
hình
Bảng 1.4:
Bảng 1.5:
Bảng phân loại trạng thái của đất dính theo trị số xuyên tiêu chuẩn
N3
Bảng tra giá trị 10 ÷ 20 xác định lực dính kết không thoát nước theo
kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn
22
22
Bảng 1.6:
Bảng xác định sức chịu tải của đất rời theo trị số xuyên tiêu chuẩn
23
Bảng 1.7:
Bảng tra hệ số điều chỉnh K1, K2
25
Bảng 1.8:
Bảng tra góc ma sát trong của đất rời theo trị số xuyên động
26
Bảng 1.9:
Bảng tra mô đun tổng biến dạng của đất theo trị số xuyên động
26
Bảng 1.10:
Bảng tra sức chịu tải của đất dính theo kết quả xuyên động N10
27
Bảng 1.11:
Bảng tra sức chịu tải của đất rời theo kết quả xuyên động N10
27
Bảng 1.12:
Bảng 1.13:
Bảng 1.14:
Bảng 1.15:
Bảng 2.1:
Các công thức thực nghiệm xác định sức chịu tải của đất theo kết
quả thí nghiệm xuyên tĩnh
34
Các công thức thực nghiệm xác định mô đun nén lún của đất theo
kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh
36
Các công thức thực nghiệm xác định sức chịu tải của đất theo kết
quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn
Các công thức thực nghiệm xác định mô đun nén lún của đất theo
kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn
Bảng kết quả phân tích thành phần hóa học của nước dưới đất tại
khu vực
36
37
48
Bảng 2.2:
Bảng 2.3:
Bảng 2.4:
Công thức thực nghiệm tính sức chịu tải của đất loại sét và đất cát
pha theo kết quả xuyên tĩnh tại dự án Formosa
Công thức thực nghiệm tính mô đun nén lún của đất loại sét và đất
cát pha theo kết quả xuyên tĩnh tại dự án Formosa
Công thức thực nghiệm tính sức chịu tải của đất loại sét và đất cát
pha theo kết quả xuyên tiêu chuẩn tại dự án Formosa
56
59
65
Bảng 3.1:
Giá trị sức chịu tải tiêu chuẩn của đất dính
77
Bảng 3.2:
Bảng các thông số thiết kế của đất nền
79
Bảng 3.3:
So sánh giá trị sức chịu tải tiêu chuẩn tính theo tiêu chuẩn và theo
công thức kinh nghiệm tác giả đề xuất
79
Bảng 3.4:
Giá trị sức chịu tải tiêu chuẩn của đất cát pha
80
Bảng 3.5:
Bảng các thông số thiết kế của đất nền
81
Bảng 3.6
So sánh giá trị sức chịu tải tiêu chuẩn tính theo tiêu chuẩn và theo
công thức kinh nghiệm tác giả đề xuất
81
DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
Tên bảng,biểu
Trang
Hình 1.1:
Các giai đoạn phát triển của đất nền dưới móng
5
Hình 1.2:
Xác định sức chịu tải cực hạn theo hình dạng mặt trượt phẳng
8
Hình 1.3:
Đánh giá sức chịu tải bằng phương pháp mặt trượt trụ tròn
9
Hình 1.4:
Sơ đồ tải trọng xiên trong lời giải của V.V.Sokolovsky
12
Hình 1.5:
Diện tích hữu ích dưới móng chữ nhật chịu tải lệch tâm
15
Hình 1.6:
Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm nén tĩnh nền
17
Hình 1.7:
Sơ đồ thiết bị thí nghiệm nén ngang trong hố khoan
19
Hình 1.8:
Sơ đồ cấu tạo của đầu xuyên
29
Hình 2.1:
Vị trí địa lý Khu kinh tế Vũng Áng
42
Hình 2.2:
Biểu đồ phân bố điểm qc ~ Rtc của đất loại sét ( 0
52
Hình 2.3:
Biểu đồ phân bố điểm qc ~ Rtc của đất loại sét (qc > 3000kPa)
53
Hình 2.4:
Biểu đồ phân bố điểm qc ~ Es của đất loại sét (0 < qc < 3000)
54
Hình 2.5:
Biểu đồ phân bố điểm qc ~ Es của đất loại sét (qc > 3000)
56
Hình 2.6:
Biểu đồ phân bố điểm qc ~ Rtc của đất cát pha
56
Hình 2.7:
Biểu đồ phân bố điểm qc ~ Es của đất cát pha (0 < H 20m)
57
Hình 2.8:
Biểu đồ phân bố điểm Rtc ~ N30 của đất loại sét ( 0 < N30 5)
60
Hình 2.9:
Biểu đồ phân bố điểm Rtc ~ N30 của đất loại sét ( 5 < N30 15)
61
Hình 2.10:
Biểu đồ phân bố điểm Rtc ~ N30 của đất loại sét ( N30 > 15)
61
Hình 2.11:
Biểu đồ phân bố điểm Rtc ~ N30 của đất loại sét ( 0 < N30 15)
63
Hình 2.12:
Biểu đồ phân bố điểm Es ~ N30 của đất cát pha
64
Hình 3.1:
Biểu đồ quan hệ giữa qc và h của đất dính (0 < qc 6000kPa)
68
Hình 3.2:
Biểu đồ quan hệ giữa qc và h của đất dính (qc > 6000kPa)
68
Hình 3.3:
Biểu đồ quan hệ giữa qc và e (0 < qc 6000 kPa)
69
Hình 3.4:
Biểu đồ quan hệ giữa qc và e (qc > 6000 kPa)
70
bảng,biểu
Hình 3.5:
Biểu đồ quan hệ giữa qc và độ ẩm w của đất dính (0 < qc 6000
71
kPa)
Hình 3.6:
Biểu đồ quan hệ giữa qc và độ ẩm w của đất dính (qc>6000 kPa)
71
Hình 3.7:
Biểu đồ quan hệ giữa qc và h của đất cát pha (0< qc 6000kPa)
73
Hình 3.8:
Biểu đồ quan hệ giữa qc và h của đất cát pha (qc > 6000kPa)
73
Hình 3.9:
Biểu đồ quan hệ giữa qc và e của đất cát pha (0 < qc 6000kPa)
74
Hình 3.10:
Biểu đồ quan hệ giữa qc và e của đất cát pha (qc > 6000kPa)
74
Hình 3.11:
Biểu đồ quan hệ giữa qc và độ ẩm w của đất cát pha (0 < qc
75
6000 kPa)
Hình 3.12:
Biểu đồ quan hệ giữa qc và độ ẩm w của đất cát pha (qc > 6000
kPa)
76
1
MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Thông thường, trong công tác khảo sát địa kỹ thuật chúng ta thường sử dụng kết
quả thí nghiệm các mẫu đất ở trong phòng để xác định các chỉ tiêu cơ lý, cũng như sức
chịu tải của đất nền. Tuy nhiên, quá trình lấy mẫu lại thường chịu sự tác động từ chính
các thao tác của con người, làm cho mẫu đất không còn giữ được tính nguyên dạng.
Ngoài ra, đối với một số loại đất yếu thì việc lấy được mẫu nguyên dạng cũng rất khó
khăn. Đối với một số công trình có yêu cầu về tiến độ thi công ngắn, mà công tác thí
nghiệm trong phòng thường mất nhiều thời gian do vậy nó ảnh hưởng đến tiến độ của
công trình. Khác với các công tác thí nghiệm trong phòng, công tác thí nghiệm hiện
trường có những ưu điểm nổi bật rõ rệt như: có thể thực hiện thí nghiệm trong các lớp
đất đá ở điều kiện thế nằm tự nhiên của nó, nên về cơ bản nó đảm bảo được kết cấu tự
nhiên, độ ẩm tự nhiên và trạng thái ứng suất tự nhiên của đất đá. Từ các kết quả thí
nghiệm hiện trường có thể xác định được các chỉ tiêu cơ học và đánh giá được đặc tính
xây dựng của đất đá. Như vậy có thể thấy, việc sử dụng kết quả thí nghiệm hiện trường
nhằm xác định sức chịu tải của đất nền có ý nghĩa hết sức quan trọng và thực tế trong
công tác tính toán, thiết kế nền móng các công trình xây dựng.
Tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu sử dụng các kết quả thí nghiệm hiện
trường để xác định sức chịu tải của đất nền tại dự án Formasa, Hà Tĩnh”, thông qua
các nội dung nghiên cứu của mình sẽ tiến hành chỉnh lý, phân tích một khối lượng lớn
các kết quả thí nghiệm hiện trường tại dự án Formosa (Hà Tĩnh), trên cơ sở về đặc
điểm cấu trúc địa chất khu vực nghiên cứu tác giả sẽ tiến hành sử dụng kết quả thí
nghiệm xuyên tiêu chuẩn, thí nghiệm xuyên tĩnh, thí nghiệm cắt cánh ... để tiến hành
tổng hợp, phân tích, nghiên cứu thành lập công thức kinh nghiệm để tính toán sức chịu
tải của đất nền. Cũng thông qua kết quả nghiên cứu tác giả sẽ tiến hành so sánh, loại bỏ
các sai số giữa các công thức tính toán theo tiêu chuẩn, qui phạm quốc gia hiện hành
do tính chất đặc thù về điều kiện địa chất của từng khu vực gây ra. Qua đó, góp phần
2
xây dựng công thức chỉnh lý, tính toán sức chịu tải của đất nền thêm chính xác cho khu
vực Formosa.
Mục đích nghiên cứu
- Thành lập công thức kinh nghiệm xác định sức chịu tải của đất nền từ các kết
quả thí nghiệm hiện trường tại dự án Formosa (Hà Tĩnh).
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Xác định sức chịu tải của đất nền từ kết quả thí nghiệm
hiện trường.
Phạm vi nghiên cứu: dự án Formosa – thị xã Kỳ Anh – tỉnh Hà Tĩnh.
Nội dung nghiên cứu của đề tài
- Thông qua việc tổng hợp, phân tích, chỉnh lý các kết quả thí nghiệm hiện
trường đã được thực hiện tại dự án Formosa để tính toán, so sánh các kết quả tính toán
từ các dạng thí nghiệm hiện trường khác nhau nhằm xác định sức chịu tải của đất nền;
- Nghiên cứu, thiết lập công thức kinh nghiệm xác định sức chịu tải của đất nền
từ kết quả thí nghiệm hiện trường tại dự án Formosa;
- So sánh kết quả nghiên cứu với các công thức trong tiêu chuẩn, qui phạm hiện
hành, từ đó kiến nghị sử dụng công thức tính toán sức chịu tải của đất nền cho dự án
Formosa.
Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập, tổng hợp và phân tích các tài liệu có liên quan tới lĩnh vực nghiên
cứu;
- Nghiên cứu lý thuyết về các phương pháp tính toán sức chịu tải của đất nền từ
kết quả thí nghiệm hiện trường;
- Phương pháp thống kê toán học.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3
- Ý nghĩa khoa học: góp phần xây dựng công thức tính toán sức chịu tải của đất
nền phù hợp với điều kiện địa chất của từng khu vực.
- Ý nghĩa thực tiễn: góp phần cung cấp số liệu, công thức tính toán sức chịu tải
từ thí nghiệm hiện trường phục vụ cho công tác tính toán, thiết kế nền móng các công
trình xây dựng tại dự án Formosa.
Cấu trúc luận văn
Ngoài các phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo nội dung chính
của Luận văn gồm ba chương:
Chương 1: Tổng quan về các phương pháp xác định sức chịu tải của đất nền
Chương 2: Sử dụng kết quả thí nghiệm hiện trường để xác định sức chịu tải của
đất nền tại dự án Formosa (Hà Tĩnh)
Chương 3: Mối quan hệ giữa sức kháng xuyên đầu mũi (Qc)với các chỉ tiêu cơ lý
của đất.
4
NỘI DUNG
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU
TẢI CỦA ĐẤT NỀN
1.1. Khái niệm về sức chịu tải của đất nền [1]
Sau khi nền đất chịu tác dụng của tải trọng công trình, ứng suất trong nền đất sẽ
bị thay đổi. Một mặt, ứng suất phụ thêm sẽ làm cho đất nền bị biến dạng, mặt khác, nó
làm tăng ứng suất cắt trong đất nền. Khi ứng suất cắt tại một điểm trong đất nền đạt tới
cường độ kháng cắt của đất thì đất tại điểm đó sẽ đạt tới trạng thái cân bằng cực hạn.
Khi tất cả các điểm trong một phạm vi nào đó trong nền đất đều đạt tới trạng thái cân
bằng cực hạn nó sẽ hình thành nên khu cần bằng cực hạn (còn gọi là vùng biến dạng
dẻo). Nếu tải trọng tác dụng tiếp tục tăng, thì phạm vi khu cân bằng cực hạn sẽ không
ngừng phát triển, vùng biến dạng dẻo cục bộ phát triển để hình thành nên mặt trượt
tổng thể kéo dài tới bề mặt đất. Khi này, một phần đất ở dưới đáy móng sẽ bị trượt theo
bề mặt trượt vừa được sinh ra và làm cho đất nền mất đi tính ổn định của nó. Khi xảy
ra trượt, công trình xây dựng sẽ bị phá hủy do sập đổ, nghiêng ...Như vậy, khả năng
chịu tác dụng của tải trọng của đất nền được gọi là sức chịu tải của đất nền. Thực tế,
sức chịu tải của đất nền thường được chia ra làm hai loại là sức chịu tải cực hạn và sức
chịu tải cho phép. Sức chịu tải cực hạn là sức chịu tải của đất nền khi nó mất đi tính ổn
định hoặc có những biến dạng khá lớn gây ảnh hưởng tới việc sử dụng nó một cách
bình thường và an toàn, hay có những vết nứt xuất hiện vượt quá những phạm vi nhất
định. Sức chịu tải cho phép của đất nền là chỉ sức chịu tải khi mà tính ổn định của đất
nền vẫn đủ để đảm bảo an toàn đồng thời biến dạng của công trình vẫn còn nằm trong
phạm vi cho phép. Như vậy, khi tính toán đất nền nhất thiết phải tiến hành kiểm tra sức
chịu tải và dự báo độ lún của nó. Để giải quyết vấn đề này thông thường người ta kết
hợp chặt chẽ ba phương pháp: nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thực nghiệm và quan
trắc thực tế.
5
Dựa trên kết quả nghiên cứu thí nghiệm đất, tác giả Gherxêvanov đã phân tích
quá trình biến dạng của của đất nền dưới móng công trình khi tải trọng tăng dần. Ông
cho rằng quan hệ giữa tải trọng và
độ lún của đất nền phản ánh những
O
PIgh
PIIgh
P
A
diễn biến vật lý xảy ra trong đất
nền. Theo tác giả, có thể chia ra ba
B
giai đoạn làm việc của đất nền như
sau (Hình 1.1):
Giai đoạn I: khi áp lực đáy
móng P tăng thì độ lún của S của
móng cũng tăng dần. Quan hệ giữa
C
s
Hình 1.1 Các giai đoạn làm việc của đất nền dưới
P và S có dạng gần như đường
thẳng (đoạn OA). Ở giai đoạn này, biến dạng của đất chủ yếu là nén lún theo phương
thẳng đứng. Giai đoạn thứ nhất này gọi là giai đoạn nén chặt (hay giai đoạn biến dạng
tuyến tính).
Giai đoạn II: khi tải trọng P tiếp tục tăng, thì độ lún S tăng nhanh dần và khi P
vượt quá một tải trọng gọi là tải trọng giới hạn thứ nhất PIgh thì quan hệ giữa độ lún và
tải trọng S = f(P) chuyển sang có dạng đường cong (đoạn AB). Khi này bên dưới mép
móng bắt đầu xuất hiện khu vực biến dạng dẻo, trong đó các mặt trượt dần hình thành
và đất trong phạm vi này bị phá hoại tạo thành vùng vật liệu dẻo. Khi tải trọng càng
tăng thì khu vực biến dạng dẻo cũng dần dần phát triển. Ở giai đoạn này, độ lún của
móng lớn hơn nhiều so với ở giai đoạn thứ nhất vì lúc này đất không chỉ bị nén chặt mà
còn phát sinh hiện tượng trượt cục bộ gây nên biến dạng cắt theo chiều ngang, do đó
làm tăng biến dạng thẳng đứng của đất. Giai đoạn II gọi là giai đoạn hình thành các
khu vực trượt cục bộ. Theo tác giả Bêrêxanxev, trong giai đoạn này dưới đáy móng bắt
đầu hình thành một lõm đất hình cái nêm với độ chặt của đất ở đấy lớn hơn so với các
khu vực xung quanh. Nếu tải trọng tiếp tục tăng thì các khu vực biến dạng dẻo này
ngày càng lan rộng và nối liền nhau, tạo thêm một khu vực rộng lớn mà trong đó đất đã
6
bị phá hoại. Khu vực này được giới hạn bởi một mặt trượt. Đồng thời giai đoạn này
cũng là giai đoạn hình thành xong lõi đất dưới đáy móng. Tải trọng tương ứng với lúc
dó gọi là tải trọng giới hạn thứ hai PIIgh.
Giai đoạn III: khi tải trọng P bắt đầu vượt quá trị số giới hạn PIIgh thì độ lún của
móng đột nhiên tăng nhanh. Phần lõi đất dính liền ngay dưới đáy móng cùng di chuyển
với nó xuống phía dưới như một chỉnh thể. Lõi đất có tác dụng như một cái nêm đẩy
đất ra xung quanh và lên phía trên. Cuối cùng, đất bị trượt theo một mặt trượt và trồi ra
ngoài, nền đất hoàn toàn bị phá hoại và mất khả năng chịu tải. Giai đoạn này thường
xảy ra nhanh chóng và thường gọi là giai đoạn đất trồi (giai đoạn đẩy trồi). Hiện tượng
này thường chỉ xảy ra với các móng nông đặt trên nền đất tương đối chặt. Còn đối với
các móng sâu hoặc các móng nông đặt trên nền đất có độ chặt nhỏ thì sự phá hoại của
nền đất thường thể hiện bằng những biến dạng rất lớn, đất không trồi lên mặt và đường
cong S = f (P) cũng không thấy có ba đoạn rõ rệt như thể hiện tại Hình 1.1.
Như vậy, tải trọng giới hạn thứ nhất PIgh đánh dấu sự kết thúc giai đoạn biến
dạng tuyến tính của đất nền. Hay nói cách khác, khi tải trọng tác dụng P < PIgh ta có thể
xem đất nền như một vật thể biến dạng tuyến tính, và được đặc trưng bởi quan hệ
đường thẳng giữa tải trọng và biến dạng. Do đó, có thể áp dụng bài toán lý thuyết đàn
hồi vào việc tính toán đất nền. Tải trọng giới hạn thứ hai PIIgh có thể coi là tải trọng
giới hạn về ổn định. Chỉ cần tải trọng tác dụng vượt quá PIIgh là nền đất bị phá hoại và
hoàn toàn mất khả năng chịu lực. Để biểu diễn cho khả năng làm việc của đất nền, giá
trị này còn được gọi là sức chịu tải cực hạn của đất nền và thường được ký hiệu là Pu.
Trong thực tế, có rất nhiều các yếu tố ảnh hưởng đến sức chịu tải cực hạn của đất nền,
ngoài các tính chất của bản thân đất nền nó còn phụ thuộc vào chiều sâu chôn móng, bề
rộng và hình dạng móng. Khi tính toán người ta đề nghị sử dụng sức chịu tải cho phép
Pa để tính toán thiết kế:
Pa=
Pu
Fs
(1.1)
7
Trong đó, Fs là hệ số an toàn phụ thuộc vào loại đất, mức độ tin cậy của các chỉ
tiêu cơ lý của đất, loại và cấp công trình bên trên, các mức độ cảnh báo biến cố...
Tóm lại: Vấn đề sức chịu tải của nền đất là một vần đề quan trọng cần nghiên
cứu trong cơ học đất, mục đích của nó là nhằm cố gắng hiểu rõ qui luật về khả năng
mang tải của đất nền, phát hủy khả năng mang tải của đất nền, xác định hợp lý sức chịu
tải của đất nền làm cho các loại công trình nằm trên nó đảm bảo được an toàn trong
suốt quá trình sử dụng. Ngoài ra, việc xác định hợp lý sức chịu tải của đất nền còn
nhằm mục đích đảm bảo móng công trình không bị lún quá lớn hoặc lún lệch nhiều mà
ảnh hưởng tới sự sử dụng bình thường của công trình.
Hiện nay, tùy theo từng quan điểm mà có nhiều phương pháp xác định sức chịu
tải của đất nền khác nhau. Về cơ bản các lý luận tính toán đó có thể được chia làm ba
nhóm chủ yếu sau:
+Phương pháp tính toán dựa trên việc giả định trước hình dạng mặt trượt và áp
dụng điều kiện giới hạn cho các điểm nằm trên mặt trượt đó. Theo quan điểm này thì
khối đất trượt được xem là một vật thể rắn ở trạng thái cân bằng tĩnh học.
+ Phương pháp tính toán theo lý luận nửa không gian biến dạng tuyến tính. Áp
dụng điều kiện cân bằng giới hạn Mohr-Rankine, trong đó các thành phần ứng suất
chính tính theo lý thuyết đàn hồi, dùng để xác định ranh giới khu vực biến dạng dẻo và
quy định mức độ phát triển của các khu vức đó tương ứng với các mức độ an toàn khác
nhau.
+ Phương pháp tính toán theo lý thuyết cân bằng giới hạn của môi trường rời,
áp dụng điều kiện cân bằng giới hạn cho tất cả các điểm nằm trong khu vực trượt, do
đó xác định được các mặt trượt và suy ra trạng thái giới hạn của đất nền.
1.1.1 Phương pháp tính toán dựa vào giả định trước hình dạng mặt trượt
Khi nền bị phá hoại, khối đất sẽ trượt theo một mặt trượt nhất định. Hiện tượng
này đã được nhìn nhận từ lâu nhưng để xác định hình dáng mặt trượt lại là một vấn đề
rất phức tạp. Cho nên trong một thời gian khá dài trước khi có các phương pháp tính
8
toán tương đối chính xác bằng phương pháp số, người ta đã phải giả định trước hình
dạng mặt trượt.
Giả định đơn giản nhất cho rằng mặt trượt có hình dạng gãy khúc như trong
phương pháp của Belzetxki, Gherevanov, Paoker…
Theo Belzetxki, dưới tác dụng của tải trọng giới hạn Pgh, hai khối đất IJK và
JKL sẽ trượt theo các đường IK, KL. Khối IJK trượt xuống phía dưới theo đường IK và
đẩy khối JKL trượt lên phía trên theo đường KL. Xét khối đất IJK ở trạng thái cân bằng
giới hạn chịu tác dụng của hệ lực cho phép ta tìm được giá trị tải trọng giới hạn phản
ánh sức chịu tải cực hạn của khối đất nền dưới móng.
No
b
p
No
F
D
q D
b
I
L
W2 45 /2
45 /2 W1
E1
E2
K
Hình 1.2 Xác định sức chịu tải cực hạn theo hình dạng mặt trượt phẳng
Vẽ đa giác lực và áp dụng định lý hàm số sin trong tam giác thường, kết hợp với
trạng thái cân bằng giới hạn giữa 2 khối trượt E1 = E2 ,cho phép ta tìm được giá trị tải
trọng cực hạn.
Trong thực thé, người ta hay sử dụng mặt trượt trụ tròn giả định để thay thế mặt
trượt gãy khúc vì việc giả định mặt trượt gãy khúc là không hợp lý. Phương pháp tính
toán dựa vào mặt trượt có hình trụ tròn trong thực tế được dùng để kiểm tra ổn định của
các nền đất và khối đất, nhưng về nguyên tắc cũng có thể dùng để xác định tải trọng
giới hạn pgh.
9
Xét trường hợp một móng băng có bề rộng b. Từ điểm Oi bất kỳ, vẽ cung tròn
bán kính Ri và giả định rằng khối đất trong cung tròn IKL trượt theo cung đó quanh
tầm Oi. Ta có thể chia khối đất ra làm nhiều mảnh theo chiều thẳng đứng và giả thiết
các mảnh không có tương tác với nhau. Xét một mảnh đất i nào đó, dưới tác dụng của
No
b
No
F
q D
D
p
O
b
I
L
W1
K
trọng lượng Wi, bao gồm trọng lượng bản thân đất và tải trọng trong phạm vi mảnh đó
truyền xuống nó trượt theo cung tròn.
Hình 1.3 Đánh giá sức chịu tải bằng phương pháp mặt trượt trụ tròn
1.1.2 Phương pháp tính toán dựa trên mức độ phát triển của vùng biến dạng dẻo
Khi tải trọng tác dụng trên nền đất tăng dần thì trong đất nền cũng dần hình
thành những khu vực biến dạng dẻo, tức là xuất hiện vùng đất bị phá hoại trượt, do
thành phần ứng suất tiếp τmax sinh ra bởi tải trọng ngoài vượt quá độ bền kháng cắt của
đất. Các khu vực biến dạng dẻo ngày càng phát triển cho đến khi chúng nối liền nhau
và hình thành mặt trượt liên tục thì nền đất bị phá hoại hoàn toàn. Vì vậy, muốn đảm
bảo khả năng chịu tải của đất nền thì cần quy định mức độ phát triển của các khu vực
biến dạng dẻo.
Để xây dựng lời giải theo lý thuyết cần chấp nhận hai giả thiết sau:
+ Ứng suất do tải trọng ngoài gây ra được chấp nhận gần đúng theo lý thuyết
đàn hồi bán không gian, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là quan hệ tuyến tính
(theo lời giải của tác giả Boussinesq)
10
+ Chấp nhận mô hình đàn hồi dẻo lý tưởng của Mohr-Coulmb nhằm xác định
quan hệ giữa các thành phần ứng suất ở ngưỡng dẻo cho vùng vật liệu dẻo dưới móng.
Tức là tại khu vực dẻo, ứng suất pháp theo mọi phương là như nhau.
(*) Sức chịu tải an toàn theo giáo sư N.P.Puzyrevsky
Theo quan niệm của giáo sư N.P.Puzyrevsky, vùng biến dạng dẻo zmax = 0 tức là
mới chỉ xuất hiện ở hai điểm góc của móng. Giá trị áp lực đáy móng lúc này biểu thị
sức chịu tải an toàn có quan hệ tuyến tính giữa tải trọng và biến dạng (PIgh).Lúc này
biểu thức xác định sức chịu tải an toàn được viết như sau:
PghI
cot
.D
f
c.cot .D f
(1.2)
2
1.1.3 Phương pháp tính toán theo lý luận cân bằng giới hạn
Khi tải trọng tăng dần đến một giá trị nhất định thì tại một số diểm trong nền đất
sẽ xảy ra hiện tượng trượt cục bộ trên mặt phẳng chứa ứng suất tiếp cực đại τmax ≥ [τ].
Nếu tải trọng tiếp tục tăng thì hiện tượng trượt cục bộ cũng sẽ phát triển, các mặt trượt
cục bộ sẽ nối tiếp nhau tạo thành những mặt trượt liên tục trong khu vực của nền đất ở
trạng thái cân bằng giới hạn.
Phương pháp tính toán theo lý luận cân bằng giới hạn đã khắc phục nhược điểm
đó, dựa trên việc giải các phương trình vi phân cân bằng tĩnh cùng với điều kiện cân
bằng giới hạn tại một điểm. Người ta tiếp tục xét trạng thái ứng suất của các điểm trong
khu vực trượt, qua đó có thể xác định hình dạng trượt một cách chặt chẽ và tìm ra tải
trọng giới hạn.
(*) Công thức của Prandlt và Reissner:
Prandlt và Reissner đã giải được bài toán cho trường hợp xem đất không có
trọng lượng (γ = 0) và chịu tác dụng của tải trọng thẳng đứng. Tải trọng giới hạn pcr
biểu trưng cho sức chịu tải cực hạn qult của nền đất tính theo công thức Prandtl có dạng
như sau:
qult ( D f . c.cot ).
1 sin .tan
.e
c.cot
1 sin
(1.3)
11
Theo A.Yu.Ishinsky, đối với bài toán không gian đới xứng trục, sức chịu tải cực
hạn trong trường hợp đất dính lý tưởng hoặc điều kiện gia tải nhanh không thoát nước
có công thức:
qult =5,7.c + Df.γ
(1.4)
Theo A.S.Stroganov, trong trường hợp đất sét no nước và ở trạng thái chưa ổn
định, sức chịu tải cực hạn dưới móng tròn hoặc vuông:
qult = 6,025.c + Df.γ
(1.5)
(*) Công thức của V.V.Sokolovsky
Công thức của Sokolovsky chỉ dùng được cho trường hợp móng đặt trên đất
hoặc móng nông ( với Df/b < 0,5 ) vì lúc đó có thể thay chiều sâu chôn móng bằng tải
trọng bên q = γ.Df.
+ Trường hợp tải trọng thẳng đứng:
Móng nông ( Df/b < 0,5) đặt trên đất dính, tải trọng giới hạn tính theo công thức:
qult = pT.(c + q.tanφ) + q
trong đó: pT là hệ số không thứ nguyên phụ thuộc vào đại lượng X T
(1.6)
.x với
q.tan c
0≤ x ≤b.
Móng đặt trên nền đất dính (c ≠ 0, ≠ 0): Sức chịu tải cực hạn tính theo công
thức:
qult = pT.c
với pT
(1.7)
.x
c
Móng đặt trên đất cát (Df/b < 0,5; c = 0, ≠ 0)
qult=q.( pT.tanφ + 1)
trong đó :
pT
(1.8)
.x
q.tan
Trường hợp tải trọng nghiêng: Khi có tải trọng xiên và phụ tải trên mặt đất, loại
đất có ma sát và lực dính, lời giải của V.V.Sokolovsky nhận được là tổng của tải trọng
giới hạn đối với đất dính nhưng không xét đến trọng lượng bản thân của đất.
