Phương pháp xác định hệ số poisson của đất mềm bão hòa nước

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

NGUYỄN HOÀNG VÂN

PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ POISSON
CỦA ĐẤT MỀM BÃO HÒA NƯỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
Mã số ngành: 60.58.60

TP. Hồ Chí Minh - 2009


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

TS. BÙI TRƯỜNG SƠN

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày

tháng

năm 2009


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
----------------

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng ….. năm 2009

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN HOÀNG VÂN

Phái : Nữ

Ngày, tháng, năm sinh : 18/09/1979

Nơi sinh : Đồng Nai.

Chuyên ngành : Địa Kỹ Thuật Xây Dựng

Khoá : 2007

Mã số học viên: 00907555
1- TÊN ĐỀ TÀI:
PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ POISSON CỦA ĐẤT MỀM BÃO HÒA NƯỚC
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

- Tổng hợp các phương pháp xác định hệ số hệ số Poisson hay hệ số áp lực hông
- Chọn lựa phương pháp thí nghiệm hợp lý và tiến hành thí nghiệm xác định hệ số
Poisson trên đất mềm của khu vực.
- Phương pháp nghiên cứu được chọn lựa để giải quyết nhiệm vụ đề tài bao gồm tổng hợp
và phân tích lý thuyết để tìm phương pháp thí nghiệm hợp lý, tiến hành thí nghiệm trên
các mẫu sét mềm thực tế của khu vực.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/11/2009
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. BÙI TRƯỜNG SƠN
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thơng qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TS. BÙI TRƯỜNG SƠN

TS. VÕ PHÁN

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian hồn thành chương trình cao học ngành Địa kỹ thuật
Xây Dựng, với sự tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức chun mơn cũng như
kinh nghiệm sống và đạo đức làm người của tất cả các thấy cô bộ môn đã giúp
tôi trưởng thành hơn rất nhiều trong cuộc sống cũng như công việc. Với tấm lòng
của một học viên Cao học, cho phép tôi gởi lời tri ân đến tất cả những Thầy Cơ
giáo.
•

Bày tỏ sự kính trọng và lịng biết biết ơn sâu sắc nhất đến Thầy Bùi

Trường Sơn đã hướng dẫn và định hướng cho tơi trong việc tìm tịi và nghiên cứu
khoa học. Với sự tận tình giúp đỡ, động viên và thường xuyên nhắc nhở của thầy
đã giúp tôi vượt qua những khó khăn để hồn thành luận văn này.
•

Sự kính trọng và biết ơn đến thầy Võ Phán, chủ nhiệm bộ mơn địa cơ nền

móng đã nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức, chia sẽ những kinh nghiệm
chuyên môn vô cùng quý giá và đạo đức làm người đến với tất cả những học viên
cao học.
•

Sự biết ơn sâu sắc đến tất cả các Thầy Cô trong Bộ mơn Địa cơ Nền

Móng đã truyền đạt những kiến thức và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian hoc tập
và hồn thành luận văn.
•

Cảm ơn tất cả bạn bè Cao học khoá 2007 đã chia sẽ kiến thức và những

kinh nghiệm chuyên môn, cùng với sự động viên giúp đỡ trong suốt thời gian
vừa qua.
•

Và cuối cùng là niềm biết ơn sâu sắc đến tất cả những người thân trong

gia đình đã động viên tinh thần cho tơi trong suốt thời gian học tập và nghiên

cứu.


TÓM TẮT
ĐỀ TÀI: PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ POISSON CỦA ĐẤT MỀM
BÃO HỊA NƯỚC
Trong các bài tốn Địa kỹ thuật, hệ số Poisson ảnh hưởng đáng kể lên đặc điểm
và giá trị độ lún của nền dưới cơng trình. Trên cơ sở lý thuyết và tổng hợp các
phương pháp thí nghiệm, đề nghị phương pháp xác định giá trị hệ số Poisson của
đất mềm. Kết quả nghiên cứu cung cấp số liệu phù hợp đối với đất nền phổ biến của
khu vực để giúp việc tính tốn lún chính xác.
Giá trị và đặc trưng biến dạng của đất nền thường khác nhau ở mỗi thời điểm
sau khi xây dựng cơng trình. Thí nghiệm nén ba trục, theo sơ đồ CD được cho là
phù hợp, phản ánh tốt quá trình làm việc của đất nền khi đạt đến độ lún ổn định. Hệ
số Poisson khơng thốt nước giúp tính tốn độ lún ngắn hạn hợp lý.

ABSTRACT
SUBJECT: METHOD TO DETERMINE POISSON COEFFICIENT OF
SATURATED SOFT SOIL
On the geotechnical engineering problem, Poisson coefficient affects
considerably to characteristic and settlement of soft soil under project foundation.
On basic theory and test methods collected, it suggests the way to determine
Poisson coefficient value of soft soil. This study result supplies proper data for
foundation soil of area to help calculating settlement exactly.
Deformation value and characteristics of soils is usually different from time to
time after structures built up. The triaxial test with consolidation drained method
(CD) is considered suitable to reflect work process of foundation soil well until it
reaches stable settlement. The undraind Poisson coefficient is good to calculate
short term settlement properly.

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT NỀN TỪ
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG VÀ HIỆN TRƯỜNG........................ 3
1.1. Các đặc trưng biến dạng của đất .......................................................................... 3
1.2. Đặc điểm các đặc trưng biến dạng của sét mềm bão hòa nước ......................... 4
1.3. Ý nghĩa và sự tương quan giữa các thông số biến dạng của đất...................... 16
1.3.1. Ý nghĩa các thông số biến dạng .......................................................................... 16
1.3.2. Mối tương quan giữa các thông số biến dạng ..................................................... 23
1.3.2.1. Module biến dạng............................................................................................. 23
1.3.2.2 Chỉ số nén.......................................................................................................... 27
1.3.2.3. Tương quan giữa hệ số áp lực ngang tĩnh ξo và hệ số quá cố kết OCR .......... 28
1.3.2.4. Một số quan hệ thường được dùng trong các bảng tra có sẵn ........................ 32
1.4. Nhận xét về phương hướng của đề tài................................................................ 34
CHƯƠNG 2. CÁC ĐẶC ĐIỂM ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT. QUAN HỆ
GIỮA CÁC THÀNH PHẦN BIẾN DẠNG VÀ VAI TRÒ CỦA HỆ SỐ POISSON
....................................................................................................................................... 36
2.1. Các khái niệm ứng suất và tenser ứng suất trong đất ...................................... 36
2.2. Quan hệ giữa ứng suất và các thành phần biến dạng trong đất...................... 48
2.3. Biến dạng của đất ................................................................................................. 50
2.3.1. Nén cố kết và quan hệ giữa hệ số nén thể tích và module biến dạng ................. 51
2.3.2. Nén ba trục, quan hệ giữa biến dạng thể tích và hệ số Poisson ......................... 56
2.4. Nhận xét chương .................................................................................................. 64
CHƯƠNG 3. HỆ SỐ POISSON CỦA ĐẤT SÉT MỀM.......................................... 66
3.1. Phương pháp xác định hệ số Poisson từ phương pháp thí nghiệm ................. 66
3.2. Hệ số Poisson trong điều kiện khơng thốt nước .............................................. 70


3.3. Hệ số Poisson của sét mềm (hệ số Poisson thoát nước)..................................... 76

3.4. Kết luận chương ................................................................................................... 80
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 82
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG


-1-

MỞ ĐẦU
Ý nghĩa khoa học của đề tài
Biến dạng hay độ lún của nền đất là một trong các trạng thái giới hạn cần phải
tính tốn khi giải quyết các bài toán Địa kỹ thuật thực tế, đặc biệt đối với nền đất
loại sét bão hòa nước. Trong điều kiện bài tốn một chiều, nền đất được xem như
chỉ có biến dạng thể tích, các thơng số được sử dụng phục vụ tính tốn được xác
định từ kết quả thí nghiệm như chỉ số nén Cc, chỉ số nở Cs, áp lực tiền cố kết pc, hệ
số nén thể tích mv,… Đối với bài tốn phẳng hoặc khơng gian, thơng số được sử
dụng trong tính tốn thường là module tổng biến dạng Eo, hệ số Poisson ν hay
module cắt G và module biến dạng thể tích K. Ở đây, có thể thấy rằng giá trị hệ số
Poisson ν thường được chọn lựa theo các bảng tra hay được tính gián tiếp thông qua
hệ số áp lực hông ξ (hay K). Trong trường hợp này, mơ hình tính lún thường được
sử dụng là mơ hình cột đất: khi chịu tải tác dụng theo phương đứng, cột đất bị biến
dạng do nén thể tích và trượt ngang.
Giá trị hệ số Poisson ảnh hưởng đáng kể lên giá trị module tổng biến dạng thơng
qua hệ số xét đến tính nở hơng β = 1 −

2ν 2
hay được sử dụng để xác định G, K.
1 −ν

Khi giá trị hệ số Poisson ν thay đổi thì tỷ lệ giữa các thành phần biến dạng do nén

thể tích hay do đất bị trượt (biến dạng hình dạng) sẽ thay đổi đáng kể. Trong thực
tế, có những trường hợp độ lún xảy ra chủ yếu là do đất bị trượt ngang, đặc biệt là ở
giai đoạn vừa xây dựng cơng trình, khi q trình cố kết thấm mới bắt đầu xảy ra. Về
tổng thể, hệ số Poisson đóng vai trị quan trọng quyết định đến đặc điểm và giá trị
độ lún của nền dưới tác động của tải trọng cơng trình. Việc xác định giá trị hệ số
Poisson phục vụ tính tốn thiết kế là việc làm cần thiết, nhất là đối với các cơng
trình có quy mơ lớn trên đất yếu như cơng trình đường, đê, đập.
Cho đến nay, giá trị hệ số Poisson thông thường được chọn lựa theo các tài liệu
sẵn có. Tuy nhiên, trong một số trường hợp các tài liệu khác nhau lại ghi chép giá
trị hệ số Poisson khác nhau cho cùng một loại đất hoặc cũng có trường hợp trong
một tài liệu, giá trị hệ số Poisson của một loại đất cũng được chọn lựa khác nhau


-2-

trong các công thức xác định module biến dạng. Nhằm mục đích xác định giá trị hệ
số Poisson cho các loại đất phổ biến của khu vực, đề tài được chọn lựa cho luận văn
là “Phương pháp xác định hệ số Poisson của đất mềm bão hòa nước”.
Nhiệm vụ của đề tài
- Tổng hợp các phương pháp xác định hệ số áp lực hơng hay hệ số Poisson
- Phân tích quan hệ ứng xử ứng suất – biến dạng trong thí nghiệm nén ba trục
theo sơ đồ thốt nước từ đó kiến nghị phương pháp thí nghiệm xác định hệ số
Poisson cho đất sét mềm của khu vực.
Phương pháp nghiên cứu được chọn lựa để giải quyết nhiệm vụ đề tài bao gồm:
tổng hợp và phân tích lý thuyết để tìm phương pháp thí nghiệm hợp lý, tiến hành thí
nghiệm trực tiếp trên các mẫu sét mềm thực tế của khu vực.
Do thời hạn thực hiện luận văn hạn chế và trình độ có hạn nên việc thí nghiệm
chủ yếu được tiến hành trên đất sét mềm với số lượng hạn chế. Đặc điểm của các
loại đất này là khi chịu tác dụng của ứng suất lệch, thể tích mẫu đất thường giảm
xuống kèm theo hiện tượng thoát nước. Đối với các loại sét cứng hay cát chặt, khi

đạt đến một trạng thái nào đó trong q trình nén lệch trục, mẫu đất có thể bị nở ra
và đặc điểm biến dạng khơng cịn tn theo quy luật biến dạng đàn hồi nữa. Các vấn
đề về sự giản nở hay hóa cứng cũng như các đặc điểm độ bền của đất cứng hoặc kết
cấu chặt không được xét đến trong nội dung luận văn, đây cũng là hạn chế của đề
tài.


-3-

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG CỦA
ĐẤT NỀN TỪ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TRONG PHỊNG VÀ
HIỆN TRƯỜNG
1.1. Các đặc trưng biến dạng của đất
Biến dạng của đất là sự thay đổi hình dạng và thể tích dưới tác dụng của tải
trọng ngoài hay do sự thay đổi trạng thái ứng suất. Đối với đất loại sét bão hòa
nước, biến dạng của đất phụ thuộc đáng kể vào thời gian do hiện tượng cố kết thấm
hay lưu biến. Trong thực tế xây dựng, việc tính tốn độ lún hay ước lượng biến
dạng thường được thực hiện theo từng thời điểm: khi vừa xây dựng xong (giai đoạn
ngắn hạn), khi chấm dứt quá trình cố kết thấm (thời điểm ổn định) hay ở một thời
điểm nào đó trong giai đoạn cố kết hay từ biến.
Trong các bài toán Địa kỹ thuật thực tế, việc tính tốn thường được thực hiện
thơng qua các mơ hình: mơ hình đất hay mơ hình nền. Cho đến hiện nay, việc ước
lượng độ lún nền cơng trình (tức thời, ổn định và theo thời gian) thường được căn
cứ trên cơ sở lý thuyết đàn hồi với mơ hình nền là cột đất. Các thơng số phục vụ
tính tốn phụ thuộc vào mơ hình sử dụng và thường được xác định bằng các thí
nghiệm trong phòng và hiện trường [1, 10, 12].
Đối với đất rời, biến dạng thường xảy ra và chấm dứt trong khoảng thời gian
ngắn sau khi tác dụng tải trọng. Còn trong đất sét bão hòa nước, dưới tác dụng của
tải trọng, trong các lỗ rỗng sẽ hình thành áp lực thặng dư. Do hệ số thấm trong đất
loại sét bé, quá trình tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư diễn ra chậm chạp và

ứng suất hữu hiệu tăng lên từ từ đồng thời với biến dạng [12]. Nhìn chung, đặc
điểm biến dạng của đất phụ thuộc vào điều kiện thay đổi trạng thái ứng suất, tính
chất của mỗi loại đất và lịch sử hình thành địa chất. Về tổng thể, các đặc trưng biến
dạng của đất thường được sử dụng trong tính tốn là: module tổng biến dạng Eo, hệ
số Poisson ν hay module biến dạng thể tích K, module cắt G, chỉ số nén Cc, chỉ số
nở Cs, giá trị áp lực tiền cố kết pc (hay gián tiếp qua giá trị hệ số quá cố kết OCR).
Các đặc trưng biến dạng theo thời gian có thể kể ở đây là: hệ số cố kết Cv, Ch, độ


-4-

nhớt η , hệ số nén thứ cấp Cα. Lưu ý rằng, giá trị module biến dạng Eo của đất luôn
thay đổi và phụ thuộc chủ yếu vào sự thay đổi trạng thái ứng suất (gia tải, dỡ tải) và
độ gia tăng cấp áp lực. Tương tự, hệ số Poisson ν, giá trị K, G cũng thay đổi tương
ứng trong khi các đặc trưng khác thường được xem là hằng số trong các bài tốn.
Trong khảo sát địa chất cơng trình, các phương pháp thí nghiệm thường sử dụng
để xác định các đặc trưng biến dạng của đất là: nén không nở hông (nén cố kết), nén
đơn, nén ba trục theo sơ đồ CU, CD, nén trong hố khoan, bàn nén hiện trường.
1.2. Đặc điểm các đặc trưng biến dạng của sét mềm bão hòa nước
Đặc trưng biến dạng của đất là thông số cần thiết để ước lượng độ lún của nền,
thể hiện thơng qua các đặc tính cơ học và tính nén lún của đất, nó mang ý nghĩa
quan trọng về mặt lý thuyết cũng như thực tiễn khi tính tốn thiết kế các cơng trình
xây dựng. Nói chung, hiện tượng cố kết hay biến dạng lún của nền hoàn toàn là do
sự nén ép của đất khi tác dụng tải trọng. Thể tích các lỗ rỗng trong đất bị giảm do
các hạt dịch chuyển tương đối với nhau và sắp xếp lại. Khi đó, biến dạng của chính
hạt cũng như của nước và khí chứa trong lỗ rỗng là do sự giảm thể tích các lỗ rỗng
gây ra, cịn sự giảm thể tích bản thân các hạt và nước trong các lỗ rỗng thì rất bé, có
thể bỏ qua.
Như đã biết, tính ép co của đất dưới tải trọng là đặc trưng quan trọng nhất của
tính biến dạng của đất mềm bão hòa nước do bản chất mối liên kết giữa các thành

phần hỗn hợp cấu tạo trong chúng quyết định. Đối với đất bão hòa nước thì sự biến
dạng khi nén chặt là do nước thốt ra khỏi lỗ rỗng, khi đó độ ẩm của đất sẽ giảm
dần, cịn đất khơng bão hịa nước thì trong phạm vi áp lực nhất định, q trình nén
chặt có thể xảy ra mà không làm thay đổi độ ẩm của nó. Nước thốt ra khỏi lỗ rỗng
thể hiện rất rõ thông qua khả năng nén chặt dưới tác dụng của ứng suất xảy ra tức
thời hay trong một thời gian dài. Như vậy tính nén lún của đất là hoàn toàn khác
nhau tùy thuộc vào từng loại đất, trạng thái và hồn cảnh cụ thể thể hiện thơng qua
trạng thái ứng suất ngay cả trong cùng một loại đất. Nhìn chung, đặc điểm biến
dạng của đất được thể hiện rất cụ thể khi nén mẫu đất trong phịng thí nghiệm hoặc


-5-

bằng các thí nghiệm hiện trường thơng dụng hiện nay như: nén trong hố khoan, bàn
nén hiện trường…
Quan sát một mẫu bị nén trong thí nghiệm nén cố kết (cịn gọi là thí nghiệm
oedometer) cho thấy, sự ép co của mẫu đất chứa trong dao vòng chủ yếu là do thể
tích lỗ rỗng giảm và biến dạng nén của đất được biểu hiện qua trị số biến đổi của hệ
số rỗng [1,3, 12]. Thí nghiệm được thực hiện bằng cách nén một mẫu đất có chiều
cao 2cm và diện tích tiết diện ngang từ 30 ÷ 50 cm2 chứa trong dao vịng và hộp nén
có đá thấm ở hai mặt trên và dưới của mẫu (hình 1.1). Mẫu đất được bão hịa hồn
tồn suốt q trình thí nghiệm trong điều kiện ngập nước [15,18]. Do có thành
cứng, mẫu đất chỉ biến dạng theo phương thẳng đứng mà khơng có khả năng nở
hơng.
Trong thí nghiệm nén cố kết, mẫu đất được chất tải dọc trục với áp lực tác
dụng tăng dần theo từng cấp. Tải trọng thẳng đứng được đặt lên mẫu qua một hệ
thống tay đòn và sự thay đổi bề dày của mẫu được đo bằng các giá trị trung bình của
đồng hồ chuyển vị gắn ở mặt trên mẫu đất. Đặt tải trọng theo từng cấp áp lực tăng
dần, mỗi cấp tải trọng thường chọn lựa gấp đôi cấp tải trọng trước đó, chẳng hạn
như: 0,125; 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 4,0; 8,0; 16; 32;…kG/cm2. Mỗi cấp áp lực tác dụng

lên mẫu được giữ cho đến khi đạt ổn định biến dạng nén: không vượt quá 0,01mm
trong thời gian khơng ít hơn 30 phút đối với đất cát; 3 giờ đối với đất cát pha; 12
giờ đối với đất sét pha và đất sét [15, 18].


-6-

Tải trọng P
Đá thấm

Đồng hồ đo
biến dạng

Dao vịng

Mẫu đất
Nước

Hình 1.1 Sơ đồ thiết bị nén một trục không nở hông
Ứng với một cấp tải trọng, các số đọc của đồng hồ đo lún của mẫu đất sẽ được
ghi nhận ứng với các thời điểm 6”, 15”, 30”, 45”, 1phút, 2’, 4’, 8’, 15’, 30’, 1giờ,
2h, 3h, 5h, 8h, 24h,… Đọc các số đo tiếp tục cho đến khi mẫu cố kết hoàn toàn dưới
một cấp áp lực, thường là 24 hay 48 giờ [15, 18]. Sau đó gia tải cấp tải trọng tiếp
theo. Số lượng và giá trị 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, khi
cố kết hồn tồn đạt được thì dỡ tải theo một hay vài giai đoạn.
Quan hệ giữa ứng suất nén (áp lực nén p hoặc σ) và hệ số rỗng e được biểu diễn
dưới hai dạng: đồ thị thường hoặc dạng bán lograrit hình 1.2

-7-

(a)

(b)

Hình 1.2 (a) Đường quan hệ e – p; (b) e - logp
Do đặc điểm thí nghiệm, mẫu đất chỉ biến dạng thẳng đứng (do có thành cứng)
mà khơng có khả năng nở hông, biểu thức hệ số rỗng của đất được thiết lập tương
ứng với trị số cấp tải trọng bất kỳ:
ei = eo – (∆hi/ho).(1+eo)

(1.1)

Trong đó:
ei - là hệ số rỗng ứng với cấp tải trọng pi
ho - chiều cao ban đầu của mẫu, tính bằng (mm)
eo - hệ số rỗng ban đầu
∆hi - biến dạng của mẫu đất ở cấp tải trọng i, tính bằng (mm).
Khi biết hệ số rỗng của đất với các giá trị tải trọng tương ứng, có thể vẽ được
đường cong nén hình 1.2a. Đường cong nén thường được sử dụng để tính lún, trong
đó độ dốc của đường cong ở một cấp số gia áp lực chính là hệ số nén lún và được
xác định bằng biểu thức:
a=−

de
(cm2/kG hoặc m2/kN)
dp

Hệ số nén lún a liên hệ với module biến dạng tổng quát Eo bằng quan hệ sau:

(1.2)


-8-

Eo = β

1 + eo
(kG/cm2 hoặc kN/m2)
a

(1.3)

Trong đó:
β- hệ số phụ thuộc tính nở hơng của đất
2ν 2
β = 1−
1 −ν

(1.4)

Hệ số nén thể tích mv (coefficient of volume compressibility): biểu thị giá trị biến
đổi thể tích đơn vị gây ra do độ tăng đơn vị của ứng suất hiệu quả. Với một loại đất,
giá trị mv không là hằng số mà thay đổi với mức của ứng suất hiệu quả do phụ thuộc
vào giá trị hệ số nén a:
mv = a

1
1 + en

(1.5)

Ta cũng có, module biến dạng khơng nở hông liên hệ với hệ số nén lún a:
Es =

1 + eo
a

(1.6)

Trường hợp sử dụng biểu đồ e – logp (hình 1.3), trên biểu đồ chỉ số nén được xác
định theo công thức:
Cc =

en−1 − en
de
=−
log pn − log pn−1
d log( p)

(1.7)

Chỉ số nở Cs, xác định từ đường cong dỡ tải:
Cs =

en − en−1
log pn−1 − log pn

(1.8)

Hệ số nén lún av (cm2/kG) được xác định trong trường hợp này theo công thức:
av =

0,435.Cc
pTB

pTB – Áp lực trung bình của hai cấp tải trọng
Hệ số quá cố kết OCR (overconsolidation ratio):

(1.9)


-9-

OCR =

(1.10)

p0
pc

Trong đó:
pc – áp lực tiền cố kết của mẫu đất
po – áp lực thẳng đứng hữu hiệu do trọng lượng bản thân.
2.20

Hệ số rỗng e

2.00

1.80

1.60

Cc

1.40

1.20

Cs
1.00
0.1

Pc

1.0

10.0
2

Ứng suất nén σ (kG/cm )

Hình 1.3 Đường cong nén lún (gia tải và dỡ tải)theo biểu đồ bán logarit.
Ngồi thí nghiệm nén khơng nở hơng được thực hiện trong phịng để xác định
các thơng số biến dạng của đất, người ta cịn dùng một số thí nghiệm khác tại hiện
trường để xác định các thông số biến dạng. Hiện nay, việc sử dụng các thơng số
biến dạng từ thí nghiệm hiện trường được thực hiện khá phổ biến. Phương pháp thí
nghiệm nén tĩnh trong hố đào tại hiện trường, được cho là khá phổ biến hiện nay và

xem là phù hợp với trạng thái ứng suất và biến dạng của khối đất tự nhiên [14]. Thí
nghiệm được mơ phỏng như hình 1.4.


- 10 -

Các đặc trưng biến dạng của đất thực hiện từ thí nghiệm này thường dùng cho
các cơng trình đường giao thơng hoặc móng nơng. Thí nghiệm này có thể sử dụng
cho mọi loại đất nền từ các loại đất đá cứng, nửa cứng cho tới các loại đất sét mềm
dẻo đến các loại đất cát từ trạng thái rời xốp đến rất chặt. Mục đích chính của thí
nghiệm là xác định quan hệ giữa độ lún của nền đất đá và tải trọng tương ứng tác
dụng lên nền, tức là tính chất biến dạng của đất đá.
Thí nghiệm được thực hiện bằng tấm nén kim loại dày (10 ÷ 40)mm, hình vng
hoặc trịn, kích thước của các tấm nén khi thí nghiệm được quy định. Trên kích có
đồng hồ đo áp lực dùng để tính tải trọng, trên bàn nén có hệ thống đồng hồ đo biến
dạng (chuyển vị) thông qua bộ giá chuyển vị kế.
Mỗi cấp áp lực, tùy thuộc vào loại đất mà có tần số đọc chuyển vị khác nhau cho
đến lúc đạt được ổn định quy ước về lún thì mới cho phép tăng tải.
Khi thí nghiệm với đất cát, đất sét loại có kết cấu chặt, thí nghiệm trong hố đào
thì dùng tấm nén trịn với diện tích 2500cm2, trong các loại đất độ có chặt trung
bình hoặc kém chặt, diện tích bàn nén 5000cm2, nếu là hình vng thường chọn
diện tích 5000cm2.
Tiến hành thí nghiệm nén chặt sơ bộ với tải trọng thiên nhiên ở đáy tấm nén
nhưng không nhỏ hơn 50kN/m2. Quy tắc này chỉ thực hiện khi nén đất ở độ sâu
(4÷5)m, cịn ở độ sâu nhỏ hơn thì khơng có ý nghĩa.
Tổng số các cấp tải trọng phụ thuộc vào tính nén lún của đất và cấp tải trọng dự
kiến do cơng trình truyền xuống và khơng nhỏ hơn 5 cấp, cấp tải trọng cuối cùng
phải vượt quá từ (100÷200) kN/m2 so với tải trọng của cơng trình thiết kế.
Khi thí nghiệm bằng kích thủy lực phải bảo đảm tải trọng không đổi ở mọi cấp áp
lực.

Tiến hành quan trắc độ lún của tấm nén ứng với từng cấp tải trọng thử. Khi thí
nghiệm nén đất cát và đất hòn to, mỗi lần ghi nhận độ lún cách nhau khoảng 10
phút. Với đất sét thì 15 phút trong giờ đầu, 30 phút cho giờ thứ hai. Từ giờ thứ ba
trở đi, sau mỗi giờ đọc đồng hồ lún một lần.


- 11 -

Sau độ lún của cấp tải cuối cùng ổn định, tiến hành dỡ tải theo từng cấp và đọc
độ nở của đất sau mỗi dỡ cấp tải.
Độ lún ổn định ở mỗi cấp tải trọng:
Đất cát và đất hòn to, sau 30 phút độ lún < 0,01mm
Đất cát pha sau 1 giờ độ lún < 0,01mm.
Đất sét pha sau 3 giờ độ lún < 0,01mm.
Đất sét mềm sau 6 giờ độ lún < 0,01mm
4

3

2
1

Hình 1.4 Sơ đồ nén tĩnh trong hố đào
1- Bàn nén; 2-Kích thủy lực; 3- Dầm tựa dọc; 4- Cọc neo
Trên kích có gắn đồng hồ đo áp lực được dùng để xác định tải trọng, trên bàn nén
có hệ thống đồng hồ đo biến dạng (chuyển vị) thông qua bộ giá chuyển vị kế.
Mỗi cấp áp lực, tùy thuộc vào loại đất mà có tần số đọc chuyển vị khác nhau cho
đến lúc đạt được ổn định quy ước về lún thì mới cho phép tăng tải.
Kết quả thu từ thí nghiệm được ghi thành bảng và thiết lập hai biểu đồ S = f(t) và
S= f(p).

Giá trị module biến dạng E được xác định trên cơ sở lý thuyết đàn hồi áp dụng
cho đoạn tuyến tính của biểu đồ S = f(p) theo cơng thức sau:
E = (1 −ν 2 )ω.d .

Trong đó:

dp
dS

(1.11)


- 12 -

E – module biến dạng
ω – hệ số bàn nén, ω=0,79
dp – gia số ứng suất tác dụng lên bàn nén
d – đường kính hay độ dài cạnh hình vng bàn nén, cm
dS – gia số độ lún cuối cùng của bàn nén, cm
ν - hệ số Poisson của đất, thông thường được chọn (bảng 1.1)
Bảng 1.1. Hệ số Poisson theo loại đất
Loại đất
Cát, cát pha
Sét pha
Sét

Hệ số Poisson ν
0,3
0,35
0,42

Ngoài ra, việc xác định đặc trưng biến dạng của đất ở hiện trường cịn được thực
hiện thơng qua thí nghiệm nén trong hố khoan hoặc gián tiếp thơng qua các kết quả
thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT, xuyên tĩnh CPT,…
Thí nghiệm nén ép hơng được áp dụng để xác định đặc trưng biến dạng của đất
trong các hố khoan, nghĩa là ở độ sâu lớn hơn hố đào hoặc trong vùng có mực nước
ngầm nơng. Phương pháp này nhằm đo biến dạng của đất tại thành hố khoan dưới
tác dụng của áp lực. Thí nghiệm được thực hiện bằng cách áp đặt áp lực lên thành
hố khoan [6].
Thiết bị thí nghiệm bao gồm hai bộ phận chính: bộ phận ghi nhận kết quả nằm ở
trên bề mặt đất và buồng áp lực nằm trong hố khoan. Buồng áp lực là một bình hình
trụ trịn có thành xung quanh bằng chất dẻo được ngăn làm ba buồng: một buồng
nén chính để tạo áp và hai buồng nén phụ tải bảo vệ ở trên và dưới buồng nén
chính. Các buồng áp lực phụ phía trên và phía dưới nối với một ống thùng tròn, còn
buồng làm việc ở giữa được nối với ống đo (hình 1.5).
Các buồng áp lực có thể lắp đặt vào trong hố khoan có sẵn đến độ sâu thí nghiệm
sau đó được bơm đầy nước để tạo áp lực. Khi tăng áp lực vào hệ thống ống, áp lực
thông qua màng chất dẻo tác dụng lên thành hố khoan và làm thành hố khoan biến


- 13 -

dạng. Áp lực trong buồng được giữ không đổi trong khoảng 60s và độ biến dạng thể
tích nước đo được duy trì thì số liệu thí nghiệm được ghi nhận.

3

2

1

l

2

Hình 1.5 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm nép ép hông: 1- Buồng nén; 2- Buồng
nén phụ tải; 3- Ống dẫn khí
Độ tăng mỗi cấp áp lực nén là: 0,1 – 0,25kG/cm2 cho đất kém chặt (đất yếu) và
cho đất có độ chặt trung bình là 0,5 – 1,0kG/cm2. Ở mỗi cấp, áp lực nén tác dụng
trong thời gian 1 – 2 phút và duy trì cho đến khi độ biến dạng ổn định.
Từ kết quả ghi nhận thiết lập biểu đồ quan hệ giữa áp lực nén và sự thay đổi thể
tích buồng nén (thể tích nước bơm vào) p - ∆V.


- 14 -

700

D

Thay đổi thể tích (cm 3)

600

500

400

C
300

B

200

A

100

0
0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Ứng suất (kPa)

Hình 1.6 Biểu đồ quan hệ p-∆V
Trên biểu đồ có thể thấy rằng: đầu tiên có biến dạng phụ để buồng nén tiếp xúc
thành hố khoan (đoạn OA) và do thành hố khoan không bằng phẳng (đoạn AB).
Giai đoạn đất ở thành hố khoan bắt đầu nén chặt BC, quan hệ giữa ứng suất và biến
dạng mang đặc điểm tuyến tính; sử dụng các giá trị biến thiên trong khoảng này để
xác định module biến dạng E của đất. Sau đó, giữa ứng suất và biến dạng có quan
hệ phi tuyến (đoạn CD), đất bắt đầu phá hoại, không dùng giá trị áp lực trong phạm
vi này để tính E nhưng có thể sử dụng giá trị này để xác định ứng suất giới hạn của
đất nền. Áp lực giới hạn được xác định như là giá trị áp lực làm phồng buồng nén
với thể tích xấp xỉ Vo vượt quá thể tích cần thiết bơm vào hệ thống tạo áp lực (Vc)
và dồn ép vào thành hố khoan đến vị trí ban đầu (Vo). Việc đánh giá giá trị áp lực
giới hạn được thực hiện tương tự như xác định điểm phá hoại trong thí nghiệm nén
ba trục, tức là ở điểm phá hoại tương ứng với biến dạng dọc trục trong phạm vi 10 –
15%.


- 15 -

Thể tích nước bơm vào hệ thống ở giá trị áp lực giới hạn được xác định bằng
biểu thức:
VL = Vo + Vc + Vo = Vc + 2Vo

(1.12)

Ở đây:
Vo – thể tích cần thiết bơm vào hệ thống để dồn đẩy đất về vị trí ban đầu.
Vc – Thể tích ban đầu của buồng áp lực.
Bảng 1.2. Giá trị Vc theo các kiểu thiết bị.
Đường kính hố khoan (mm)

Vc
(cm3)

34

535

44

535

60

535

76

790

Module biến dạng của đất nền phụ thuộc vào hệ số Poisson, độ dốc của đoạn
thẳng quan hệ biến ứng suất – biến dạng và bản thân thể tích trong đoạn “tựa” đàn
hồi.
E = 2(1 + ν ).V .

dp
dV

(1.13)

Trong đó:

ν - hệ số Poisson của đất, theo một số đề nghị thì giá trị đặc trưng xấp xỉ 0,33.
V – thể tích khoang chứa trong giai đoạn đàn hồi, V = Vc+Vm.
Vc – thể tích ban đầu của buồng nén theo thiết bị (xem bảng).
Vm – thể tích trung bình trong giai đoạn đàn hồi, Vm = (Vf+Vo)/2.
dp/dV – độ dốc đường đàn hồi.


- 16 -

Bảng 1.3. Giá trị module E và ứng suất giới hạn pL của một số loại đất (Gambin và

Rousseau, 1988).
Loại đất

E (bar)

pL (bar)

Bùn

2 - 15

0,2 – 0,5

Sét mềm

5 - 30

0,5 - 3

Sét dẻo cứng

30 - 80

3-8

Sét cứng

80 - 400

6 - 20

Cát bột rời

5 - 20

1-5

Đất bột

20 - 100

2 - 15

Cát và sỏi sạn

80 - 400

12 - 50

Cát bồi tích

75 - 400

10 - 50

Đá vơi

800 - 200000

30 – hơn 100

Đất mới san lấp

5 - 50

0,5 - 3

Đất san lấp cũ (thổ nhưỡng)

40 - 150

4 - 10

1.3. Ý nghĩa và sự tương quan giữa các thông số biến dạng của đất
1.3.1. Ý nghĩa các thông số biến dạng
Đặc điểm và hành vi ứng xử của đất thể hiện thông qua các đặc trưng biến dạng.
Mỗi thông số biến dạng mang một ý nghĩa thể hiện các đặc điểm, đặc trưng riêng
cũng như lịch sử hình thành của mỗi loại đất. Tuy nhiên, giữa chúng vẫn ln có
mối quan hệ tương quan và ảnh hưởng lẫn nhau, được thể hiện cụ thể qua các thông

số đặc trưng biến dạng.
- Module biến dạng E: khi tác dụng một lực (hay ứng suất) vào mẫu đất, biến
dạng của đất bao gồm hai thành phần: biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo (hình vẽ
1.7) được gọi là biến dạng tổng quát εo= εe +εp. Khi đó, module tổng biến dạng
được xác định bằng biểu thức: Eo =

σ
εo


- 17 -

Hình 1.7 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của đất khi nén và dỡ tải
Giá trị module biến dạng được xác định ở hiện trường hoặc ở trong phịng thí
nghiệm. Đối với đất loại sét dẻo và đất rời, module biến dạng Eo thường được xác
định trong điều kiện không nở hông theo công thức sau :
Eo = β

1 + eo
a

(1.14)

Trong đó: eo – hệ số rỗng ban đầu
a – hệ số nén
β – hệ số để chuyển sang trạng thái ứng suất
β=

(1 + 2ξ )(1 − ξ )
2ν 2

= 1−
1+ ξ
1 −ν

(1.15)

Trong đó:
ν – hệ số Poisson (hệ số nở hông)
ξ – hệ số áp lực hông (hệ số nén hông)
- Hệ số nén Cc và hệ số nở Cs : khi nén một mẫu đất được mơ phỏng như trong
thí nghiệm nén một trục khơng nở hơng, đường nén cố kết có thể thể hiện bằng
quan hệ e-log(p). Độ dốc của đường nén nguyên thủy được gọi là chỉ số nén Cc bao
gồm cả tính đàn hồi và tính dẻo của đất, đường nén lại song song với đường nở nên


- 18 -

có cùng độ dốc và được gọi là chỉ số nở Cs diễn tả đặc trưng biến dạng đàn hồi của
đất (theo công thức (1.7) và (1.8)). Các kết quả nghiên cứu thường cho thấy Cs =
(1/5÷1/10)Cc. Hệ số nén có quan hệ với các thơng số vật lý và điều kiện hình thành
của đất thể hiện qua nhiều nghiên cứu khác nhau [3, 5].
Chỉ số nén lại (chỉ số nở) càng lớn chứng tỏ tính chất biến dạng đàn hồi của đất
càng lớn. Đối với một mẫu thí nghiệm, chỉ số nén là một thơng số định lượng không
thay đổi tùy theo độ gia tăng của áp lực.
Đối với đất sét mềm bão hoà nước, giá trị chỉ số nén Cc dao động từ (0,5 ÷1,4) tỷ
lệ với hệ số rỗng tự nhiên và độ ẩm giới hạn chảy nhưng không phụ thuộc độ sâu.
Trong trường hợp khu vực có bề dày lớp đất yếu lớn, cho đến độ sâu 20m, hệ số
rỗng của đất yếu của khu vực thay đổi không theo quy luật (đường cong nén lún do
tải trọng của trọng lượng bản thân), giá trị trung bình thay đổi khơng đáng kể. Như
vậy, tương tự như hệ số rỗng, chỉ số nén không thay đổi đáng kể theo độ sâu [5].

- Áp lực tiền cố kết pc: Casagrande (1936) đề nghị một phương pháp đồ thị theo
kinh nghiệm dựa trên đường cong e – logp để xác định áp lực tiền cố kết. Trên
đường cong e – log p, tại điểm cong nhất vẽ hai đường thẳng: một đường tiếp tuyến
với đường cong và đường kia song song với trục áp lực. Đoạn thẳng ở phần cuối
của đường e – logp cắt đường phân giác của góc hai đường thẳng trên tại điểm pc
(hình 1.3).
- Tỷ số tiền cố kết OCR (overconsolidation ratio): là tỷ số giữa áp lực tiền cố kết
pc và áp lực trọng lượng bản thân của lớp đất bên trên hiện hữu tác động po như sau:
OCR =

pc
po

Trong đó :

po = γ.z

Với:
γ - trọng lượng đơn vị (đẩy nổi) của đất nền
z - độ sâu lấy mẫu
pc - áp lực tiền cố kết hay còn gọi là ứng suất nén lại