Tổng hợp, đánh giá đặc trưng biến dạng của đất sét, sét pha khu vực cần thơ và so sánh với đặc trưng biến dạng của đất theo lý thuyết cố kết thấm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

----------

DIỆP THỊ HẠNH

TỔNG HỢP, ĐÁNH GIÁ ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG CỦA
ĐẤT SÉT, SÉT PHA KHU VỰC CẦN THƠ VÀ SO SÁNH
VỚI ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT THEO LÝ
THUYẾT CỐ KẾT THẤM
Chuyên ngành:
Mã số:

ĐIẠ KỸ THUẬT XÂY DỰNG
60-58-61

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2014


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hƣớng dẫn khoa học 1 : TS. PHẠM VĂN HÙNG
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học 2 : TS. BÙI TRƢỜNG SƠN
Cán bộ chấm nhận xét 1 : GS. TSKH Nguyễn Văn Thơ.
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS Nguyễn Ngọc Phúc
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 03 tháng 09 năm 2014

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS Châu Ngọc Ẩn ....................... Chủ tịch Hội đồng
2. TS. Phạm Văn Hùng ............................ Cán bộ hƣớng dẫn
3. GS.TSKH Nguyễn Văn Thơ ................ Cán bộ phản biện 1
4. TS. Nguyễn Ngọc Phúc ........................ Cán bộ phản biện 2
5. TS. Nguyễn Mạnh Tuấn ....................... Thƣ ký Hội đồng
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT XD


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
------------------------

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: DIỆP THỊ HẠNH

MSHV: 12860418

Ngày, tháng, năm sinh:30/07/1965

Nơi sinh: CẦN THƠ

Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG (CT)

Mã ngành: 605861

I. TÊN ĐỀ TÀI
“ TỔNG HỢP, ĐÁNH GIÁ ĐẶC TRƢNG BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT SÉT, SÉT PHA
KHU VỰC CẦN THƠ VÀ SO SÁNH VỚI ĐẶC TRƢNG BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT
THEO LÝ THUYẾT CỐ KẾT THẤM”.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

- Tổng hợp một số tài liệu nghiên cứu về đặc trƣng biến dạng của đất loại sét.
- Phân tích, đánh giá các đặc trƣng biến dạng của đất loại sét trong khu vực tp.
Cần Thơ và vùng lân cận.
- So sánh, đánh giá sự khác biệt giữa số liệu thí nghiệm với lý thuyết cố kết
thấm, đƣa ra nhận xét về đặc trƣng biến dạng của đất loại sét ở Cần Thơ .
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/02/2014
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/06/2014
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS. PHẠM VĂN HÙNG
TS. BÙI TRƢỜNG SƠN
Tp.Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2014
CÁN BỘ HD1

CÁN BỘ HD2

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TS. PHẠM VĂN HÙNG

TS. BÙI TRƢỜNG SƠN

CN BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

PGS. TS. VÕ PHÁN

TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Để hồn thành đƣợc chƣơng trình cao học và thực hiện luận văn này, tôi đã
nhận đƣợc sự hƣớng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình của q thầy cơ trƣờng Đại học Bách
khoa Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh .
Trƣớc tiên, tơi xin chân thành cảm ơn q thầy cơ Bộ mơn Địa cơ nền móng
đã tận tâm truyền đạt kiến thức cho tôi suốt thời gian học tập tại trƣờng.
Quan trọng nhất, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Thầy Phạm Văn Hùng,
Thầy Bùi Trƣờng Sơn đã dành nhiều thời gian và tâm huyết hƣớng dẫn tận tình,
truyền đạt nhiều kiến thức, động viên tôi nghiên cứu, giúp đỡ tôi thực hiện và hồn
thành luận văn này.
Tơi cũng chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trƣờng Đại học Bách khoa
ĐHQG Thành phố Hồ Chí Minh, các Thầy Cơ ở phịng Đào tạo sau đại học đã giúp
đỡ để tơi học tập và hồn thành tốt khóa học.
Lời cảm ơn cuối cùng xin dành cho gia đình tơi, những ngƣời thân u đã
khuyến khích, động viên tạo điều kiện và là nguồn động lực để cho tôi học tập, cảm
ơn những bạn bè cùng lớp đã cùng tôi phấn đấu, chia sẻ kiến thức, tài liệu học tập
và thực hiện luận văn này.
Mặt dù đã cố gắng thực hiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực

của mình, tuy nhiên với thời gian và kiến thức hạn hẹp không tránh khỏi những
thiếu sót, rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp q báu của q thầy cơ và
các bạn.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2014
Học viên

Diệp Thị Hạnh


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dƣới sự hƣớng dẫn
của TS. Phạm Văn Hùng và TS. Bùi Trƣờng Sơn.
Các số liệu thí nghiệm đƣợc tổng hợp và đánh giá có nguồn gốc rõ ràng, đáng
tin cậy, các kết quả trong luận văn là trung thực và chính xác.
Học viên

Diệp Thị Hạnh


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Tên đề tài:
“Tổng hợp, đánh giá đặc trưng biến dạng của đất sét, sét pha khu vực Cần
Thơ và so sánh với đặc trưng biến dạng của đất trong lý thuyết cố kết thấm”
Tóm tắt đề tài:
Đặc trưng biến dạng của đất loại sét phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố như:
điều kiện hình thành trầm tích, lịch sử nén chặt, trạng thái ứng suất và các yếu tố
khác. Kết quả tổng hợp đặc trưng biến dạng đất loại sét ở Cần Thơ cho thấy một số
đặc trưng biến dạng trong cùng một lớp có sự khác biệt theo độ sâu. Ngoài ra, đặc
trưng biến dạng theo thời gian từ kết quả thí nghiệm trong phịng của sét cứng trong
một số trường hợp không tuân thủ theo qui luật cố kết thấm. Các kết quả tổng hợp

của luận văn có thể giúp các kỹ sư thiết kế chọn lựa đặc trưng biến dạng của đất loại
sét ở khu vực phù hợp cho bài toán thiết kế.

SUMMARY OF THESIS
Title:
“Synthesizing, evaluating deformation characteristics of clayey soil in Can
Tho area and comparing them with deformation characteristic of cohesive soil by
permeability consolidation theory”.
Abstract:
Deformation characteristics of clayey soil depend on the following factors:
conditions of sedimentary formation, compaction history, stress state and other
factors. Synthetic results of clay deformation characteristics in Can Tho city show
that in a layer, deformation characteristics are various by depth. In addition,
rhyological deformation charaderistics of hard clay from laboratory tests do not
have consolidation law in some cases. The results of this thesis can help engineer
designers to choose deformation characteristics of clay in the area more suitable for
the design problem.


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU...………………………………………………………………………….1
CHƯƠNG 1. MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ ĐẶC TRƯNG BIẾN
DẠNG CỦA ĐẤT LOẠI SÉT……….……………………………………………4
1.1. Đất loại sét và khái niệm về biến dạng của đất loại sét…………………4
1.2. Một số đặc trưng biến dạng cơ bản của đất loại sét……………………5
1.3. Một số kết quả nghiên cứu đánh giá giá trị và tương quan của các đặc
trưng biến dạng của đất…………………………………………………………….23
1.4. Nhận xét chương……………………………………………………….31
CHƯƠNG 2. ĐÁNH GIÁ ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT BẰNG THÍ
NGHIỆM NÉN CỐ KẾT TRONG PHỊNG……...…………………………….33

2.1. Thí nghiệm nén cố kết khơng nở hơng (Oedomerter)………………….33
2.2. Tính tốn các đặc trưng biến dạng khi đất đạt độ lún ổn định…………36
2.3. Tính tốn các đặc trưng biến dạng của đất theo thời gian……………..40
2.4. Nhận xét chương……………………………………………………….44
CHƯƠNG 3. ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT LOẠI SÉT KHU VỰC
CẦN THƠ ………………………..………….……………………………………47
3.1. Phân chia đơn nguyên địa chất công trình các lớp đất loại sét khu vực
Cần Thơ ………………...………………………………………………………….49
3.2. Đặc trưng biến dạng của đất loại sét ở khu vực Cần Thơ ……….…53
3.2.1. Đặc điểm đường cong nén lún và đặc trưng biến dạng của lớp
bùn sét CH1…………………………………………………………………..…….53
3.2.2. Đặc điểm đường cong nén lún và đặc trưng biến dạng của lớp
bùn sét pha CL1………………………………………………………………...….60
3.2.3. Đặc điểm đường cong nén lún và đặc trưng biến dạng của lớp
sét CH2 dẻo chảy ………………………………………………………………….65
3.2.4. Đặc điểm đường cong nén lún và đặc trưng biến dạng của lớp
sét CH3, sét pha CL2 dẻo cứng đến cứng……………………………………….…67
3.2.5. Đặc điểm đường cong nén lún và đặc trưng biến dạng của lớp
sét pha CL3 dẻo mềm……………………………………………………………..75


3.3. Đặc điểm biến dạng theo thời gian của đất loại sét khu vực Cần Thơ…77
3.3.1. Đặc điểm biến dạng theo thời gian của lớp bùn sét CH1…….77
3.3.2. Đặc điểm biến dạng theo thời gian của lớp bùn sét pha CL1...80
3.3.3. Đặc điểm biến dạng theo thời gian của lớp sét CH3, sét pha
CL2 dẻo cứng đến cứng……………………………………………………………83
3.4. So sánh các đặc trưng biến dạng của đất trong khu vực với các nghiên
cứu khác……………………………………………………………………………87
3.4.1. So sánh các cách xác định chỉ số nén Cc…………………….87
3.4.2. Phân tích và so sánh chỉ số nén thứ cấp Cα với chỉ số nén Cc 91

3.4.3. So sánh hệ số cố kết Cv từ nhiều cách xác định………………94
3.5. Tính tốn áp dụng và nhận xét…………………………………………94
3.5.1. So sánh đường cong nén lún theo thời gian của mẫu thí nghiệm
và của lý thuyết cố kết cổ điển Terzaghi…………………………………………..94
3.5.2. So sánh kết quả dự tính lún cơng trình thực tế theo các thông số
từ các cách phân chia địa tầng khác nhau ……………………………………….98
3.5.3. Tính tốn độ lún nền đất yếu và mức độ chính xác của giá trị độ
lún ước lượng trong việc chọn lựa thông số phù hợp ……………………….100
3.6. Nhận xét chương……………………………………………………101
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………………………103
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………106
PHỤ LỤC
Phụ lục 1: Bảng tổng hợp đặc trưng biến dạng của đất loại sét khu vực Cần
Thơ.
Phụ lục 1a: Lớp bùn sét CH1………………………………... 7 trang
Phụ lục 1b: Lớp bùn sét pha CL1………………………………4 trang
Phụ lục 1c: Lớp sét CH2 dẻo chảy….………………………….2 trang
Phụ lục 1d: Lớp sét CH3, sét pha CL2 dẻo cứng đến cứng……6 trang
Phụ lục 1e: Lớp sét pha CL3 dẻo mềm…………………………2 trang
Phụ lục 2: Bảng tổng hợp đặc trưng biến dạng theo thời gian của đất loại sét
khu vực Cần Thơ.


Phụ lục 2a: Lớp bùn sét CH1……………………………..….15 trang
Phụ lục 2b: Lớp bùn sét CL1………………………………….4 trang
Phụ lục 2c: Lớp sét CH3, sét pha CL2 dẻo cứng đến cứng……5 trang
Phụ lục 3: Bảng so sánh các cách xác định chỉ số nén Cc .
Phụ lục 3a: Lớp bùn sét CH1…………………………………..5 trang
Phụ lục 3b: Lớp bùn sét pha CL1………………………………3 trang
Phụ lục 3c: Lớp sét CH2 dẻo chảy……………………………..2 trang

Phụ lục 3d: Lớp sét CH3, sét pha CL2 dẻo cứng đến cứng……6 trang
Phụ lục 3e: Lớp sét pha CL3 dẻo mềm…………………………1 trang
Phụ lục 4: Bảng so sánh hệ số cố kết Cv từ các cách xác định ………2 trang
Phụ lục 5: Bảng thống kê chỉ tiêu cơ lý đất và phân chia địa tầng DA Nâng
cấp đô thị vùng ĐBSCL – Tiểu dự án TP. Cần Thơ – Đường vào khu tái định cư
Long Tuyền
Phụ lục 5a: Bảng phân chia địa tầng của đơn vị thí nghiệm…..1 trang
Phụ lục 5b: Bảng phân chia địa tầng của học viên…………….1 trang


BẢNG KÝ HIỆU


BẢNG KÝ HIỆU
Áp lực

:

p

Áp lực cấp n

:

pn

Áp lực tiền cố kết

:

pc ;  c'

Áp lực bản thân

:

p0 ;  vo'

Áp lực phụ thêm

:

Δp

Biến dạng

:

ε; εx ; εy ; εz

Biến đổi thể tích

:

ΔV

Chỉ số nén

:

Cc

Chỉ số nén thể tích

:

Ccε

Chỉ số nở

:

Cs

Chỉ số nén thứ cấp

:

Cα

Chỉ số nén thứ cấp thể tích

:

C'

Chỉ số nén lại

:

Cr

Chỉ số dẻo

:

Ip ; PI

Chiều cao mẫu, chiều cao lớp đất

:

H, h

Chiều cao hạt

:

hs

Diện tích

:

A0 ; A i

Dung trọng đất tự nhiên

:

γ

Dung trọng đất khô

:

γd

Dung trọng đẩy nổi

:

γ’

Dung trọng hạt

:

γh

Đất sét có tính dẻo cao

:

CH

Đất sét có tính dẻo thấp (ít dẻo)

:

CL

Độ ẩm tự nhiên

:

W%; WN

Độ sệt

:

B; IL

Độ lún

:

S; ΔH; Δh

Độ lún cố kết sơ cấp

:

Sc


Độ sâu lấy mẫu

:

z

Giới hạn chảy

:

WL; LL

Giới hạn dẻo

:

Wp

Hệ số rỗng tự nhiên

:

e0

Hệ số rỗng tại cấp tải n

:

en

Hệ số rỗng giai đoạn bắt đầu cố kết thứ cấp

:

ep

Hệ số nén lún thẳng đứng

:

a; av

Hệ số nén cấp tải 1,0 ÷ 2,0kG/cm2

:

av12

Hệ số nén thể tích

:

mv

Hệ số nén thể tích cấp tải 1,0 ÷ 2,0kG/cm2

:

mv12

Hệ số cố kết thẳng đứng

:

Cv

Hệ số Possion

:

ν

Hệ số Possion điều kiện khơng thốt nước

:

νu

Hệ số Possion trong điều kiện thốt nước

:

ν’

Hệ số áp lực hơng

:

ξ

Hệ số thấm cố kết

:

kv

Khối lượng thể tích đất tự nhiên

:

ρ

Khối lượng thể tích đất khơ

:

ρd

Khối lượng thể tích nước

:

ρw

Lực dính khơng thốt nước của đất

:

cu

Module biến dạng đàn hồi

:

Ee

Module biến dạng tổng qt

:

Eo

Module đàn hồi khơng thốt nước

:

Eu

Module biến dạng không nở hông

:

Es

Module biến dạng theo oedometer

:

'
Eoed

Module tổng biến dạng cấp tải 1,0÷ 2,0kG/cm2 :

E12; Eo12

Module cắt

:

G

Số gia hệ số rỗng

:

de; Δe

Số gia áp lực

:

dp; Δp

Sức kháng xuyên mũi

:

qc


Tỷ trọng

:

Gs

Thời gian cố kết 22,14%

:

t22,14

Thời gian cố kết 50%

:

t50

Thời gian cố kết 90%

:

t90

Thời gian cố kết 100%

:

t100

Thể tích

:

V

Thể tích lỗ rỗng của đất

:

Vr

Thể tích hạt đất

:

Vs

Ứng suất

:

σ; σx ; σy ; σz


-1-

MỞ ĐẦU
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Đồng bằng sông Cửu Long trong đó có thành phố Cần Thơ được bao phủ bởi
lớp trầm tích Đệ Tứ hiện đại (QIV - Holocene) dưới dạng bùn sét, sét pha bão hòa
nước. Bề dày lớp đất này dao động trong phạm vi rộng từ 12m đến 30m, đặc biệt ở
ven sông Hậu, sơng Cần Thơ có nơi trên 50m. Đặc điểm của lớp sét yếu bão hòa

nước là hệ số rỗng rất lớn và vì thế biến dạng lún của đất rất lớn. Dưới lớp sét yếu
này là lớp sét và sét pha cát cứng hơn ở trạng thái từ dẻo mềm, dẻo cứng đến nửa
cứng, đơi khi có vài lớp cát nhưng độ chặt không lớn hoặc chiều dày nhỏ, hiếm khi
xuất hiện sỏi sạn. Các loại móng sâu thường đặt lên trên lớp đất này.
Có thể nói thành phố Cần Thơ nói riêng và đồng bằng sơng Cửu Long nói
chung có điều kiện địa chất khơng thuận lợi cho việc xây dựng do sức chịu tải của
các lớp gần bề mặt không lớn và biến dạng nhiều. Để các công trình xây dựng trên
vùng đất này được an tồn có hiệu quả về kinh tế thì việc tìm hiểu, phân tích, đánh
giá các đặc trưng biến dạng của đất nền là điều cần thiết phải thực hiện. Việc đánh
giá giá trị đặc trưng biến dạng đại diện cho từng loại đất và từng độ sâu, đồng thời
so sánh với lý thuyết cố kết thấm đã có để tìm ra các đặc điểm riêng về biến dạng
của đất nền ở thành phố Cần Thơ sẽ giúp cho việc tính tốn lún của các cơng trình
được chính xác và hiệu quả hơn. Hơn nữa, đối với sét yếu bão hòa nước, độ lún của
cơng trình trên chúng thường đóng vai trị chủ yếu trong tính tốn thiết kế, đặc biệt
đối với các cơng trình cơ sở hạ tầng vì vậy, việc đánh giá đặc trưng biến dạng của
đất càng cần thiết hơn.
Từ những suy nghĩ trên, học viên chọn thực hiện đề tài “ Tổng hợp, đánh
giá các đặc trưng biến dạng của đất sét, sét pha khu vực Cần Thơ và so sánh với
các đặc trưng biến dạng của đất sét theo lý thuyết cố kết thấm”. Kết quả nghiên
cứu tổng hợp có thể là tài liệu tham khảo cho các kỹ sư thiết kế và kỹ sư Địa kỹ
thuật. Điều này mang nhiều ý nghĩa thực tiễn cho thành phố Cần Thơ là nơi có
nhiều cơng trình cơ sở hạ tầng cần được triển khai trong thời gian tới.


-2-

Mục tiêu đề tài
- Tổng hợp đặc trưng biến dạng của đất loại sét ở khu vực Cần Thơ và qui
luật thay đổi của chúng theo điều kiện phân bố.
- Phân tích, đánh giá các đặc trưng biến dạng của đất ở khu vực từ đó tổng

kết và so sánh với đặc trưng biến dạng của đất theo lý thuyết cố kết thấm để tìm ra
những điểm chung và riêng về biến dạng của đất loại sét ở Cần Thơ.
Mục đích đề tài
Giúp tìm hiểu sâu hơn các đặc trưng biến dạng của đất loại sét ở Cần Thơ từ
đó ứng dụng trong việc tính tốn độ lún tức thời, lâu dài, thời gian lún và việc xử lý
nền chính xác hơn để đạt hiệu quả về kinh tế.
Nhiệm vụ nghiên cứu
- Tổng hợp một số tài liệu nghiên cứu về đặc trưng biến dạng của đất loại sét.
- Tính tốn và thống kê các số liệu thí nghiệm nén cố kết của đất từ các cơng
trình khảo sát địa chất ở thành phố Cần Thơ và vùng lân cận (do học viên thực hiện
từ các năm trước và của các phịng thí nghiệm khác).
- Khảo sát một số vị trí mới ở thành phố Cần Thơ và tiến hành lấy mẫu thí
nghiệm cơ lý và đặc biệt là thí nghiệm nén cố kết trên mẫu nguyên dạng .
- Tổng hợp, thống kê các đặc trưng biến dạng của đất loại sét trong khu vực.
Từ các số liệu tổng hợp được vẽ các biểu đồ e ~ p ; e ~ logp; chỉ số OCR ~ độ sâu;
Cc ~ độ sâu; ; giá trị Eo12 ;mv12; Cv ;Cc ; Cs ; pc ; Cc 

Cc
; Cα …. theo từng loại
1  e0

đất và theo độ sâu; tỷ số Cα/Cc ; Cs/Cc của từng loại sét ở Cần Thơ. Đánh giá đường
cong biến dạng của đất trên lý thuyết và với số liệu thí nghiệm thực tế.
- Đánh giá sự khác biệt của số liệu thí nghiệm thu thập được với lý thuyết về
nén lún, đưa ra nhận xét về đặc trưng biến dạng của đất loại sét ở Cần Thơ.
Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết:


-3-

+ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về các đặc trưng biến dạng của đất loại
sét.
+ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết cố kết của đất nền.
- Nghiên cứu thí nghiệm trong phịng:
+ Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu vật lý của đất.
+ Thí nghiệm nén cố kết để xác định đặc trưng biến dạng của đất.
Phạm vi nghiên cứu
- Địa điểm thu thập tài liệu và khảo sát là các cơng trình nằm trên địa
bàn Thành Phố Cần Thơ và lân cận.
- Thí nghiệm và tính tốn các đặc trưng biến dạng của đất loại sét.


-4-

CHƢƠNG 1
MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ ĐẶC TRƢNG BIẾN DẠNG CỦA
ĐẤT LOẠI SÉT
1.1. Đất loại sét và khái niệm về biến dạng của đất loại sét
Đất là vật liệu phong hóa nằm trên cùng của vỏ trái đất gồm hai loại cơ bản
là đất rời và đất loại sét. Đất loại sét có chứa các hạt khống sét, xung quanh có
màng nước liên kết vật lý do sức hút tĩnh điện có tính nhớt bao bọc. Các hạt đất tạo
thành một khung kết cấu nhất định, đồng thời giữa các hạt đất có lỗ rỗng chứa đầy
nước. Khi tải trọng tác dụng lên đất bão hịa thì ngay khi gia tải, tồn bộ tải trọng đó
sẽ do nước trong lỗ rỗng đó tiếp thu và làm tăng áp lực nước lỗ rỗng, hình thành áp
lực nước lỗ rỗng thặng dư. Dưới tác dụng của gradien thủy lực tăng lên, nước lỗ
rỗng bắt đầu bị ép ra. Khi nước thoát ra, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư sẽ giảm đi và
tải trọng ngoài sẽ chuyển dần sang khung hạt. Vì đất sét có tính thấm nhỏ nên q
trình thoát nước lỗ rỗng diễn ra chậm chạp, phần tải trọng tác dụng lên khung hạt
cũng tăng lên chậm và biến dạng lún của đất cũng xảy ra từ từ. Ngồi ra, chính yếu

tố nhớt của khung kết cấu cũng làm cho nó khơng thể biến dạng ngay tức thời khi
chịu nén mà quá trình nén lún phải trải qua một thời gian nhất định trước khi đi đến
ổn định hồn tồn.
Biến dạng của đất là sự thay đổi hình dạng và thể tích dưới tác dụng của tải
trọng ngồi hay do sự thay đổi trạng thái ứng suất. Biến dạng của đất gồm hai dạng
chính:
- Biến dạng thể tích là độ thay đổi thể tích khi chịu tải thường do các ứng
suất pháp tuyến gây ra. Biến dạng thể tích dương diễn tả sự giảm thể tích, biến dạng
thể tích âm diễn tả sự tăng thể tích. Trong đất sự thay đổi thể tích chủ yếu do thay
đổi thể tích phần rỗng vì biến dạng hạt rất bé nên thường được bỏ qua. Chỉ có ứng
suất hữu hiệu mới làm thay đổi kết cấu khung hạt và làm thay đổi thể tích lỗ rỗng
(nước trong lỗ rỗng thốt ra).


-5-

- Biến hình là sự thay đổi hình dạng khung hạt khơng kèm theo biến dạng thể
tích hoặc có nhưng rất bé. Biến dạng này do ứng suất tiếp tuyến gây ra. Ứng suất
tiếp tuyến thực chất là do độ chênh lệch ứng suất pháp gây ra nên không chịu ảnh
hưởng của áp lực nước lỗ rỗng [1].
Biến dạng cũng có thể chia ra làm các loại:
- Biến dạng tức thời do sự co lại của các bọt khí
- Biến dạng do thu hẹp lỗ rỗng từ việc đầm chặt làm thay đổi thể tích đất.
- Biến dạng đàn hồi khơng làm thay đổi thể tích đất.
- Biến dạng từ biến do các hạt sắp xếp lại vị trí hoặc trượt lên nhau hoặc do
sự thay đổi độ nhớt hay độ đặc của nước liên kết vật lý.
- Biến dạng dẻo khi trong đất xảy ra vùng biến dạng dẻo do mất ổn định.
1.2. Một số đặc trƣng biến dạng cơ bản của đất loại sét
Để thể hiện tính biến dạng của đất, có thể sử dụng một số đặc trưng cơ bản
như sau:

1.2.1. Hệ số nén lún a (coefficient of compressibility)
Hệ số nén lún a biểu hiện sự thay đổi hệ số rỗng khi áp lực p tăng lên
một đơn vị.
a

de
dp

(cm2/kG; m2/kN)

(1.1)

Hệ số nén lún a được xác định từ kết quả của thí nghiệm nén cố kết trong
phịng. Trong thí nghiệm nén cố kết, ở mỗi cấp tải sau khi lún ổn định hệ số
rỗng tương ứng sẽ được xác định, từ đó vẽ được đường cong quan hệ e~p (hình
1.1). Trên mỗi đoạn của đường cong (ví dụ từ A đến B ứng với p 1 đến p2) nếu p2
khơng lớn hơn p1 nhiều thì ta xem đường cong ấy như là đoạn thẳng và định
nghĩa hệ số nén a là độ dốc của đoạn thẳng đó (tgα).


-6-

a  tg  



hay

e e
e e

e
 1 2  1 2
p
p1  p2 p2  p1
a

e1  e2
p2  p1

(cm2/kG; m2/kN)

e1  e2  a p2  p1 

(1.2)

(1.3)

Hình 1.1. Đường cong nén lún e ~ p trong điều kiện khơng nở hơng
Đẳng thức (1.3) chính là biểu thức toán học của định luật nén lún: Trong phạm
vi thay đổi không lớn của áp lực, hệ số rỗng của đất giảm đi theo quan hệ tỷ lệ
thuận với lượng tăng áp lực nén [2].
Trên hình 1.1, có thể thấy rằng hệ số nén lún a không phải là hằng số mà nó phụ
thuộc vào cấp áp lực tính tốn. Thông thường hệ số nén lún a giảm dần khi áp lực p
tăng. Tuy nhiên, trong vài trường hợp đối với đất sét yếu bão hòa nước, ở cấp áp lực
khá nhỏ thì a sẽ tăng khi p tăng sau đó mới giảm.
Hệ số nén lún a dùng để xác định độ lún của nền đất.
Giả sử ở cấp áp lực p1 mẫu đất có chiều cao là H1, thể tích V1, sau khi tăng áp
lực đến p2 mẫu đất có chiều cao là H2, thể tích là V2 . Độ lún của mẫu đất không nở
hông là:

-7-

S  H1  H 2

Ta có: e 

Vr V  Vs

Vs
Vs



(1.4)
Vs 

V
1 e

(1.5)

Thể tích hạt Vs của một mẫu đất là không đổi và do không nở hông nên tiết diện
mẫu A cũng không đổi :
Vs 

V1
V
 2
1  e1 1  e2

H2 



A.H 1 A.H 2

1  e1 1  e2


1  e2
.H 1
1  e1

(1.6)

Thay (1.6) vào (1.3) ta có:
 1  e2 
 1  e2 
e e 
  H1 1 
  H1  1 2 
S  H1  H 2  H 1  H1 
 1  e1 
 1  e1 
 1  e1 
e e 
S  H 1  1 2 
 1  e1 

(1.7)

Từ (1.2) ta có: e1  e2  a p2  p1   a.p

(1.8)



Thay (1.8) vào (1.7) ta được: S 

a
p.H 1
1  e1

(1.9)

Nếu áp lực ban đầu là p1 = 0 và H1 = H, độ lún của nền có thể xác định bằng
biểu thức sau:
S

a
a
p.H 
p.H
1  e0
1  e0

(1.10)

Hệ số nén lún a càng lớn chứng tỏ đất biến dạng càng nhiều khi chịu tác dụng
của cùng một tải trọng. Ở đây, lưu ý rằng công thức xác định độ lún (1.10) dành cho

trường hợp không xét đến sự nở hơng. Trong thực tế xây dựng, có thể dựa vào giá


-8-

trị của hệ số nén lún của đất với biến thiên áp lực trong khoảng từ 1-2kG/cm2 để
phân chia tính nén lún của đất như sau [1]:
Đất có tính nén lún nhỏ khi a < 0,001 cm2/kG
Đất có tính nén lún vừa khi 0,001Đất có tính nén lún lớn khi a > 0,1 cm2/kG
1.2.2. Hệ số nén thể tích mv (coefficient of volume compressibility)
Hệ số nén thể tích mv cịn gọi là hệ số nén tương đối a0 biểu thị giá trị biến
đổi thể tích của mẫu đất có thể tích bằng 1 đơn vị khi chịu một áp lực nén tăng
thêm 1 đơn vị áp suất. Biến thiên thể tích V của mẫu đất khi chịu độ tăng áp lực
nén là p theo công thức:
V  mv .V .p

(1.11)

Từ đó có cơng thức định nghĩa hệ số nén thể tích mv:
mv 

V 1
.
V p

(1.12)

Mà theo định nghĩa về biến dạng thể tích tương đối, ký hiệu v ta có:
v 

V
1

.e
V
1  e1

(1.13)

Trong đó: e = e1 – e2
e  a.p

Từ biểu thức (1.2) ta có:

(1.14)

p = p2 – p1

Với

Thay (1.13), (1.14) vào biểu thức (1.12) ta có:
mv 

a
1  e1

(1.15)

Cũng như hệ số nén lún a, hệ số nén thể tích mv khơng là hằng số mà nó thay đổi

theo sự gia tăng của áp lực nén.
Tương tự, nếu p1= 0:

mv 

a
1  e0

(1.16)


-9-

Thay (1.16) vào (1.10) ta được:
S  mv p.H  a0 . p.H

(1.17)

Cơng thức (1.17) dùng để tính độ lún của đất nền làm việc trong điều kiện
bài toán nén đất một chiều.
Bảng 1.1. Một số giá trị tiêu biểu của hệ số nén thể tích [14]
Hệ số biến dạng
Tính nén ép

thể tích mv

Loại đất

(m2/MN)
Rất cao

>1,5

Cao

0,3 ÷ 1,5

Trung bình

0,1 ÷ 0,3

Sét nhiều hữu cơ và than bùn
Sét cố kết thường
Sét băng hà, sét ao hồ
Sét xanh nâu Luân Đôn
Sét cuội

Thấp

0,05 ÷ 0,1

Sét xanh Luân Đôn cứng và rất
cứng

Rất thấp

< 0,05

Sét cuội quá cố kết nặng
Đá cứng

1.2.3. Module biến dạng (deformation modulus)
Module biến dạng của đất là khả năng chống lại sự biến dạng của đất khi
chịu tác dụng của tải trọng ngoài. Đây là đại lượng ngược lại với hệ số nén lún a.
Theo định luật Hook, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng được biểu diễn như sau:
  E.

Từ đó:

E




(1.18)
(1.19)

Do đất khơng phải là vật liệu đàn hồi hoàn toàn nên biến dạng của đất bao
gồm biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo. Vì thế module biến dạng của đất là đại


- 10 -

lượng cơ bản đặc trưng cho trị số biến dạng toàn phần của đất gọi là module tổng
biến dạng hay module biến dạng tổng quát (gồm biến dạng đàn hồi và biến dạng dư)
Gọi Ee là module biến dạng đàn hồi và εe là biến dạng đàn hồi tương đối,
Eo là module biến dạng tổng quát và ε0 là tổng biến dạng tương đối.
Ta có:

Ee 


e

(1.20)

Eo 


0

(1.21)

a)

b)

Hình 1.2. a) Quan hệ giữa ứng suất và độ lún của đất khi gia tải và dỡ tải.
b) Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của đất khi nén và dỡ tải
Trong mỗi loại đất, module đàn hồi được coi là hằng số và module tổng biến
dạng thì thay đổi theo từng cấp tải. Từ hình 1.2b ta cũng thấy module biến dạng đàn
hồi của đất sét lớn hơn module biến dạng tổng quát.


- 11 -

Xác định module biến dạng bằng thí nghiệm nén đơn [3]
Thí nghiệm thường được tiến hành trên mẫu đất chuẩn hình lăng trụ trịn có
chiều dài bằng hai lần đường kính. Mẫu đất được đặt giữa hai bàn nén kim loại và
cho nở hơng hồn tồn. Gia tăng áp lực dọc trục theo kiểu ứng biến, tức là áp đặt

tốc độ biến dạng và kiểm soát áp lực gia tăng tác dụng lên mẫu đất. Giá trị áp lực
xác định được thông qua giá trị biến dạng của vịng lực hoặc bằng sensor. Trong
q trình nén mẫu, ghi nhận các giá trị biến dạng của mẫu đất Δhi thông qua đồng
hồ biến dạng và giá trị áp lực pi tương ứng.

Với

i 

hi
100%
h0

(1.22)

i 

Pi
Ai

(1.23)

Ai 

A0
1 i

(1.24)

h0

: chiều cao ban đầu của mẫu

Ai

: tiết diện ngang của mẫu ứng với biến dạng dọc trục εi

A0

: tiến diện ngang ban đầu của mẫu

Từ đó vẽ được biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng của mẫu đất và tính được
module biến dạng của đất (hình 1.3)

Hình 1.3. Quan hệ ứng suất - biến dạng của mẫu đất


- 12 -

Xác định module biến dạng bằng thí nghiệm bàn nén hiện trường
Thí nghiệm bàn nén hiện trường được thực hiện bằng cách tác dụng tải trọng
thẳng đứng theo từng cấp tải vào lớp đất nền thông qua bàn nén chịu lực bằng thép
hình trịn d= 76,5cm hoặc hình vng kích thước 70,7x70,7cm, (diện tích 0,5m2
hoặc 1m2), bộ kích thủy lực và dàn đối trọng cho đến khi đạt đến cấp tải lớn nhất
theo thiết kế hoặc đất nền bị phá hoại. Độ lún của bàn nén theo từng cấp tải được đo
bằng 3 hoặc 4 đồng hồ đo chuyển vị được gắn cố định cách nhau từ 1200 đến 900
trên bàn nén và tải trọng thí nghiệm theo từng cấp được đo bằng đồng hồ đo áp lực.
Ghi nhận số liệu từ thí nghiệm bàn nén ta xác định được module tổng biến dạng
E0 theo công thức:
Eo  (1  2 )d

Trong đó :

p
S

(1.25)

ν- Hệ số Poisson của đất lấy bằng 0,35 cho sét pha và 0,42 cho sét.
ω- Hệ số không thứ nguyên lấy bằng 0,79 cho bàn nén hình trịn và

0,82 cho bàn nén hình vng.
d- Đường kính hay cạnh của bàn nén
Δp- Số gia áp lực tác dụng lên bàn nén
ΔS- Số gia độ lún bàn nén tương ứng với Δp
Xác định module biến dạng bằng thí nghiệm nén cố kết
Xét mẫu đất có chiều cao H, chịu lực nén lún không nở hông dưới tác dụng
của tải trọng phân bố đều p (hình 1.4)

Hình 1.4. Sơ đồ mẫu đất chịu nén không nở hông
Do mẫu đất chịu tải trọng một chiều nên:
x  y  0

(1.26a)

x y

(1.26b)