Các đặc trưng biến dạng của đất yếu trong quá trình cố kết thấm
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.85 MB, 229 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
**************************
LÊ THỊ NGỌC LAN
ĐỀ TÀI
CÁC ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT YẾU
TRONG QUÁ TRÌNH CỐ KẾT THẤM
CHUYÊN NGÀNH
: CÔNG TRÌNH TRÊN ĐẤT YẾU
MÃ SỐ NGÀNH
: 31.10.02
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2004
CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học 1:
TS. CHÂU NGỌC ẨN
Cán bộ hướng dẫn khoa học 2:
ThS. VÕ PHÁN
Cán bộ chấm nhận xét 1:
Cán bộ chấm nhận xét 2:
Luận Văn Thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 06 tháng 09 năm 2004
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập -Tự Do - Hạnh Phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN: LÊ THỊ NGỌC LAN
PHÁI: NỮ
NGÀY THÁNG NĂM SINH: 01 – 08 – 1971
NƠI SINH: HẢI HƯNG
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG TRÌNH TRÊN ĐẤT YẾU
MÃ SỐ: 31.10.02
I/- TÊN ĐỀ TÀI:
CÁC ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT YẾU TRONG QUÁ TRÌNH CỐ KẾT THẤM
II/- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. NHIỆM VỤ:
Nghiên cứu thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ học của đất yếu phục vụ cho việc tính toán
thiết kế biến dạng nền do cố kết thấm.
2. NỘI DUNG:
PHẦN I: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
Chương 1: Tổng quan về các đặc trưng biến dạng của đất yếu trong quá trình cố kết thấm thường được
sử dụng
PHẦN II: NGHIÊN CỨU ĐI SÂU VÀ PHÁT TRIỂN
Chương 2: Nghiên cứu về đất yếu khu vực TP. Hồ Chí Minh và Đồng bằng Sông Cửu Long
Chương 3: Đặc điểm biến dạng cố kết thấm có xét đến độ bền kết cấu và tính nén của hỗn hợp khí
nước
Chương 4: Nghiên cứu các thông số cơ bản trong thí nghiệm nén cố kết được áp dụng tính toán cho
bài toán phẳng
Chương 5: Phương pháp và kết quả thí nghiệm xác định các thông số ứng dụng cho bài toán cố kết có
xét đến độ bền kiến trúc và tính nén của hỗn hợp khí
Chương 6: Tính toán ứng dụng cho công trình thực tế.
PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Chương 7: các nhận xét, kết luận và kiến nghị
III/- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ
IV/- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ
V/- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
THẦY HƯỚNG DẪN 1 THẦY HƯỚNG DẪN 2
TS. CHÂU NGỌC ẨN Th.S. VÕ PHÁN
:
:
:
09/02/2004
10/08/2004
TS. CHÂU NGỌC ẨN
CHỦ NHIỆM NGÀNH CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
GS.TSKH LÊ BÁ LƯƠNG
Th.S. VÕ PHÁN
Nội dung và đề cương Luận văn Thạc só đã được Hội đồng Chuyên ngành thông qua.
Ngày
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
tháng
năm 2004
P.TRƯỞNG KHOA KỸTHUẬT XÂY DỰNG
TS. CHÂU NGỌC ẨN
PHẦN I
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
PHẦN II
NGHIÊN CỨU ĐI SÂU & PHÁT TRIỂN
PHẦN III
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
PHẦN IV
PHỤ LỤC HÌNH ẢNH VÀ CÁC KẾT QUẢ
THÍ NGHIỆM
LỜI CẢM ƠN
Trải qua hai năm học Cao Học Khóa 13 niên khóa 2002 - 2004 ngành Công
Trình Trên Đất Yếu với sự giúp đỡ nhiệt tình của tất cả các Thầy Cô giáo, tôi đã
hoàn thành Luận án Thạc sỹ với đề tài: CÁC ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG CỦA
ĐẤT YẾU TRONG QUÁ TRÌNH CỐ KẾT THẤM. Với tấm lòng một Kỹ sư và
Học viên cao học sắp thành Thạc só, tôi xin được gởi lời nói của mình:
• Sự kính trọng, và cảm ơn sâu sắc đến Thầy CHÂU NGỌC ẨN và Thầy VÕ
PHÁN đã hướng tôi làm đề tài trong suốt 7 tháng qua. Sự hướng dẫn nhiệt tình
và rất chuẩn mực của hai Thầy đã mởû ra và tạo cho tôi hướng đi mới trong
việc tìm tòi và nghiên cứu một vấn đề khoa học.
• Sự kính trọng và biết ơn cao cả đến Thầy LÊ BÁ LƯƠNG, chủ nhiệm ngành
Công trình trên đất yếu, đã truyền đạt hết kiến thức của người cho chúng tôi
trong tất cả các môn học Thầy phụ trách đồng thời giúp đỡ, động viên, nhắc
nhở tôi rất nhiều trong thời gian làm luận án.
• Sự kính trọng và biết ơn cao cả đến Thầy NGUYỄN VĂN THƠ, người có rất
nhiều kinh nghiệm trong lónh vực có liên quan đến đề tài đã chỉ cho những lời
khuyên và những kinh nghiệm rất cần thiết trong công tác thí nghiệm. Đồng
thời cảm ơn Thầy đã tham gia chấm phản biện cho tôi luận văn Thạc só này.
• Sự chân thành cám ơn đến Thầy Cao Văn Triệu đã tham gia chấm phản biện
luận văn và hướng dẫn nhiệt tình chúng tôi trong đợt bảo vệ.
• Sự biết ơn sâu sắc đến Thầy Bùi Trường Sơn, người đã đóng góp rất nhiều ý
kiến bổ ích và động viên tôi rất nhiều trong hai năm học qua.
• Cảm ơn Bộ môn Địa cơ Nền móng, Phòng Đào tạo sau Đại học và Trường Đại
học Bách Khoa đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn tất khoá học này.
• Và cuối cùng niềm động viên tinh thần lớn nhất để tôi hoàn thành tốt Luận
văn Thạc só này là Gia đình, đặc biệt là Ba Mẹ. Xin chân thành cảm ơn Ba
Mẹ, Gia đình đã giúp đỡ tôi hoàn thành khóa học, và luận văn Thạc só này là
món quà cao q nhất mà tôi xin tặng cho Gia đình.
Với khả năng và sự hiểu biết của tôi hiện tại chắc chắn sẽ không tránh được
những sai lầm nhất định xin quý Thầy, Cô và độc giả bỏ qua và chỉ dẫn cho tôi
trong việc hoàn thiện hơn nữa vốn kiến thức của mình.
Trân trọng kính chào!
Lê thị Ngọc Lan
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
TÊN ĐỀ TÀI
CÁC ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT YẾU TRONG QUÁ
TRÌNH CỐ KẾT THẤM
TÓM TẮT
Từ trước đến nay việc tính toán độ lún theo thời gian của nền đất trong quá
trình cố kết thấm theo bài toán cố kết thấm cổ điển của Terzaghi vẫn dựa trên cơ
sở coi như đất đã bão hòa hoàn toàn. Nhưng thực tế không như vậy, trong đất yếu
gần như bão hòa nước còn chứa một phần khí lỗ rỗng. Hiện nay, trong các báo
cáo khảo sát Địa chất công trình, các giá trị về độ bền kiến trúc của loại đất này
chưa được nghiên cứu và sử dụng đúng mức. Chính vì vậy trong luận văn này, tác
giả đã tiến hành nghiên cứu bổ sung phần tính lún cho đất yếu trong quá trình cố
kết thấm có xét đến độ bền kiến trúc và tính nén của hỗn hợp khí – nước.
Phần đầu của luận văn sẽ đi vào nghiên cứu tìm hiểu về các đặc trưng biến
dạng của đất yếu thường được sử dụng và những khó khăn thường gặp.
Phần tiếp theo tác giả nghiên cứu sự ảnh hưởng của giá trị độ bền kiến trúc
và hệ số áp suất lỗ rỗng ban đầu lên quá trình biến dạng của đất nền. Tiến hành
thí nghiệm tìm các giá trị này, áp dụng tính toán cho một công trình thực tế và so
sánh với cách tính lún thông thường khi không xét đến độ bền kiến trúc và tính
nén ép của khí lỗ rỗng.
Ngoài ra, trong luận văn này, dựa trên kinh nghiệm làm việc hơn 10 năm
tại phòng thí nghiệm Cơ học đất và số liệu thu thập được tác giả đã bước đầu
nghiên cứu một số qui luật biến đổi và các mối tương quan của một số đặc trưng
cơ bản của đất sét yếu bão hòa nước ở khu vực thành phố Hồ chí Minh và Đồng
Bằng Sông Cửu Long như sự biến đổi của giá trị áp lực tiền cố kết pc, chỉ số nén
cc …
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề nghiên cứu ......................................................................................1
2. Giới hạn của Đề tài ...........................................................................................2
3. Hạn chế của Đề tài nghiên cứu ........................................................................3
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT
YẾU THƯỜNG ĐƯC SỬ DỤNG
1.1. Đặc điểm biến dạng của đất ..........................................................................4
1.1.1. Biến dạng tuyến tính và phi tuyến
1.1.2. Biến dạng đàn hồi và dẻo
1.1.3. Biến dạng thể tích và biến dạng do trượt (cắt)
1.2. Cở sở lý thuyết bài toán cố kết ......................................................................7
1.2.1. Các khái niệm chung về áp lực nước lỗ rỗng, ứng suất hữu hiệu
1.2.2. Cở sở lý thuyết bài toán cố kết
1.3. Các lời giải đã có cho những trường hợp thường gặp ..................................11
1.4. Thí nghiệm nén cố kết và các thông số thí nghiệm thường được sử dụng
trong tính toán hiện nay......................................................................................13
CHƯƠNG 2 - NGHIÊN CỨU VỀ ĐẤT YẾU KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SÔNG
CỬU LONG
2.1. Một số đặc điểm của đất yếu .......................................................................21
2.1.1. Các pha của đất
2.1.2. Gradient thủy lực ban đầu
2.1.3. Độ bền kiến trúc Pst
2.2. Đất yếu khu vực ĐBSCL .............................................................................23
2.2.1. Cấu trúc địa chất
2.2.2. Sự phân bố đất yếu
2.2.3. Các đặc trưng cơ lý của đất yếu ĐBSCL
CHƯƠNG 3 - ĐẶC ĐIỂM BIẾN DẠNG CỐ KẾT THẤM CÓ XÉT ĐẾN ĐỘ
BỀN KIẾN TRÚC VÀ TÍNH NÉN CỦA HỖN HP KHÍ NƯỚC
3.1. Tính nén của nước lỗ rỗng có chứa khí và ảnh hưởng đến sự phân bố áp lực
lỗ rỗng ban đầu ...................................................................................................35
3.2. Lời giải giải tích bài toán cố kết ..................................................................40
3.2.1. Khảo sát vùng chịu nén cố kết thấm có xét đến độ bền kiến trúc
3.2.2. Lời giải giải tích bài toán cố kết
3.3. Xác định module biến dạng của đất loại sét có xét đến độ bền kiến trúc từ
thí nghiệm nén ....................................................................................................46
3.4. Kết quả lời giải bài toán cố kết có xét đến độ bền kiến trúc và tính nén ép
của nước lỗ rỗng .................................................................................................47
CHƯƠNG 4 - NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN TRONG THÍ
NGHIỆM NÉN CỐ KẾT ĐƯC ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO BÀI TOÁN
PHẲNG
4.1. Cơ sở lý thuyết và phương pháp xác định ...................................................51
4.2. Kết quả các thông số cơ bản trong thí nghiệm nén cố kết các mẫu đất yếu
thuộc TP. Hồ Chí Minh và Đồng bằng sông Cửu long. ......................................59
4.3. Một số nhận xét về quy luật biến đổi của các đặc trưng biến dạng của đất 98
CHƯƠNG 5 - PHƯƠNG PHÁP VÀ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC
THÔNG SỐ ỨNG DỤNG CHO BÀI TOÁN CỐ KẾT CÓ XÉT ĐẾN ĐỘ BỀN
KIẾN TRÚC VÀ TÍNH NÉN CỦA HỖN HP KHÍ
5.1. Nguyên tắc và kết quả thí nghiệm xác định giá trị độ bền kiến trúc của mẫu
đất trong phòng thí nghiệm...............................................................................103
5.2. Nguyên tắc và kết quả thí nghiệm xác định giá trị hệ số áp lực lỗ rỗng ban
đầu của mẫu đất trong phòng thí nghiệm .. ......................................................110
CHƯƠNG 6 - TÍNH TOÁN ỨNG DỤNG CHO CÔNG TRÌNH THỰC TẾ
6.1. Vài nét về công trình cụ thể .....................................................................117
6.1.1 Điều kiện địa chất công trình
6.1.2. Mục đích tính toán
6.2. Kết quả tính toán trên cơ sở lý thuyết cố kết thấm có xét đến tính nén ép
của nước lỗ rỗng và độ bền kiến trúc của đất nền. ..........................................126
6.3. Kết quả tính toán trên cơ sở lý thuyết cố kết thấm không xét đến tính nén
ép của nước lỗ rỗng và độ bền kiến trúc của đất. ............................................136
CHƯƠNG 7 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
7.1. Nhận xét và kết luận .................................................................................141
7.2. Một số kiến nghò ........................................................................................143
MỘT SỐ KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
a
:
hệ số nén
a0
:
hệ số nén tương đối
c
:
lực dính (kG/cm2)
c’
:
lực dính hữu hiệu (KPa)
cc
:
chỉ số nén
cs
:
chỉ số nở
cv
:
hệ số cố kết (cm2/sec)
e0
:
hệ số rỗng tự nhiên của đất
E0
:
module biếng dạng của đất (kG/cm2)
E
:
module đàn hồi của đất (kG/cm2)
G
:
module biến dạng cắt: G =
H0
:
bề dày lớp đất ban đầu trước khi xây dựng công trình
IP
:
chỉ số dẻo (%)
IL
:
độ sệt
K
:
module biến dạng thể tích: K =
kv
:
hệ số thấm theo phương đứng (cm/sec)
kh
:
hệ số thấm theo phương ngang (cm/sec)
mv
:
hệ số nén thể tích
n
:
độ rỗng
OCR
:
hệ số quá cố kết
LL
:
độ ẩm giới hạn chảy (%)
PL
:
độ ẩm giới hạn dẻo (%)
Patm
:
áp lực khí quyển bằng 100KPa
pc
:
áp lực tiền cố kết của mẫu đất
po
:
áp lực bản thân các lớp đất bên trên hiện hữu
Pst
:
độ bền kiến trúc của đất
qu
:
sức chịu nén đơn (kG/cm2)
S(0)
:
độ lún ban đầu (m)
S∞
:
độ lún ổn định cuối cùng (m)
Sr
:
độ bão hòa ban đầu
E
2(1 + ν )
E
3(1 − 2ν )
u
:
áp lực lỗ rỗng (pore pressure) (kG/cm2)
uo
:
áp lực lỗ rỗng ban đầu
U
:
mức độ cố kết
Wo
:
độ ẩm tự nhiên (%)
ϕ
:
góc ma sát trong (độ)
ϕ’
:
góc ma sát trong hữu hiệu của sức chống cắt (độ)
γW
:
khối lượng thể tích đất ướt (g/cm3)
γd
:
khối lượng thể tích đất khô (g/cm3)
γ’
:
khối lượng thể tích đất đẩy nổi (g/cm3)
γs
:
trọng lượng riêng hạt (g/cm3)
σ
:
áp lực pháp tuyến (kG/cm2)
σ1
:
áp lực thẳng đứng (vertical pressure) (kG/cm2)
σ3
:
áp lực hông (lateral pressure) (kG/cm2)
τ
:
sức chống cắt (kG/cm2)
ε
:
biến dạng thẳng đứng tương đối (axial strain) (%)
β0
:
hệ số áp suất lỗ rỗng ban đầu
ξ
:
hệ số áp lực hông
µ
:
hệ số nở hông, hệ số Poisson
β
:
hệ số để chuyển sang trạng thái ứng suất
σT
:
ứng suất do tải trọng ngoài gây nên
-1-
MỞ ĐẦU
1- Đặt vấn đề nghiên cứu
Trong những năm gần đây, trên địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh và đồng
bằng sông Cửu Long (ĐB.SCL) đã tiến hành xây dựng nhiều cụm công trình công
nghiệp, dân dụng, hệ thống công trình giao thông cũng không ngừng phát triển.
Theo đà phát triển kinh tế, các công trình xây dựng cũng tăng trưởng theo cả về
số lượng lẫn quy mô. Ở những khu vực này, điều kiện địa chất công trình được
nghiên cứu nhằm phục vụ cho việc thiết kế thi công chủ yếu trên các lớp trầm
tích Đệ Tứ.
Theo tài liệu Địa chất kiến trúc và bản đồ phân vùng Địa chất công trình
lãnh thổ Việt Nam, khu vực ĐB.SCL và phần lớn địa bàn TP.HCM nằm trên đơn
nguyên địa hình đồng bằng thấp tích tụ trầm tích phù sa Đệ Tứ trẻ miền Tây,
thuộc ven rìa Bắc của miền sụp võng rộng lớn dạng địa hào Nam Bộ. Do điều
kiện hình thành nên ở đây phân bố các tầng trầm tích có chiều dày lớn và biến
đổi phức tạp. Đặc biệt lớp trầm tích phù sa trẻ Holocene gần như phủ kín khắp bề
mặt khu vực: bề dày từ vài mét đến vài chục mét, một số nơi đến 40-50m. Đặc
trưng của hệ trầm tích yếu trong khu vực là đang trong quá trình biến đổi tích tụ,
phân hủy hấp thụ hóa sinh, bão hòa nước và bắt đầu vào quá trình cố kết hóa đá,
nên các tầng đất từ mềm yếu đến rất mềm yếu, khả năng chịu tải thấp, tính biến
dạng cao.
Ngoài lớp trên cùng có bề dày khoảng 0,5 đến 3,0m đã được cải tạo, thổ
nhưỡng hay thổ cư hóa, các tầng trầm tích trẻ Holocene bên dưới chủ yếu là bùn
có các đặc điểm chung về đặc tính xây dựng như:
-
Trạng thái rất mềm (hoặc rất rời rạc), hoàn toàn bão hòa nước, đang
trong quá trình phân hủy hấp thụ hóa sinh, độ ẩm rất cao từ 50 đến
100% (có khi đến 120%); khối lượng thể tích khô nhỏ, thường không
quá hoặc xấp xỉ 1,0 g/cm3; độ sệt IL>1,0; hệ số rỗng e > 1, thậm chí có
khi từ 2 đến 3 hoặc lớn hơn.
-
Tính nén cao, chỉ số nén Cc biến đổi từ 0,5 đến 1,5. Module tổng biến
dạng E0-2 từ 5 đến 10 kG/cm2. Đồng thời, trong điều kiện tự nhiên đất
yếu loại sét có tính chất liên cấu trúc tạo, tính nén lún thể hiện rõ khi
áp lực gây lún lớn hơn độ bền cấu trúc.
-
Cường độ sức chống cắt không thoát nước nói chung đều dưới
0,2kG/cm2.
-
Tính thấm nước thấp: tính năng thấm nước của đất yếu rất thấp,
thường hệ số thấm theo phương đứng vào khoảng i x (10-6 ÷ 10-8)
-2cm/sec (i =1:10), không có lợi đối với nền cố kết thoát nước. Trong
chu kỳ đầu gia tải, nền thường xuất hiện áp lực nước lỗ rỗng cao, ảnh
hưởng đến cường độ của nền và thời gian lún kéo dài.
-
Tính không đồng đều: do hoàn cảnh trầm tích, trong tầng đất dạng sét
thường cục bộ có kẹp tầng đất bột chiều dày không giống nhau khiến
đặc điểm cơ lý theo phương ngang và phương đứng khác nhau.
Việc lựa chọn các thông số tính toán nền móng hợp lý cho mỗi loại công
trình trong từng giai đoạn cụ thể sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao và đảm bảo
cho công trình làm việc ổn định lâu dài.
Sự không chính xác khi lựa chọn các thông số để tính lún cho các công
trình dẫn đến việc hư hại các công trình đó. Nhiều công trình ngay trong giai
đoạn thi công đã gặp phải sự cố hoặc đã bị lún lệch ngay sau khi mới hoàn thành.
Dưới đây là hình ảnh một số công trình đã bị biến dạng sau khi bị lún, trượt, sụp.
(Xem hình 1.a; hình1.b; hình 1.c; hình 1.d; hình 1.e; hình 1.f; hình 1.g; hình 1.h)
Chính vì lý do đó, công tác nghiên cứu các đặc trưng cơ lý của đất và dự
báo sự biến đổi của chúng theo thời gian trong quá trình thi công và sử dụng có ý
nghóa đặc biệt quan trọng và hết sức cấp thiết. Ngoài ra, các kết quả thí nghiệm
và nghiên cứu tổng kết được áp dụng cho tính toán trên nền đất yếu, dự báo độ
lún lâu dài và khả năng thay đổi địa hình do biến dạng bề mặt, tính toán việc ổn
định lâu dài các công trình cơ sở hạ tầng.
Đối với các công trình cơ sở hạ tầng, sự biến dạng của nền trong phạm vi
rộng có ảnh hưởng rất lớn về mặt kinh tế và kỹ thuật. Do vậy vấn đề biến dạng
và thay đổi sức chịu tải của nền đất theo thời gian cần thiết được nghiên cứu.
-32- Những vấn đề còn tồn tại:
Giá trị áp lực tiền cố kết của đất có một ý nghóa rất quan trọng trong việc
áp dụng các công thức tính toán theo các mô hình cơ học đất hiện đại. Cho đến
nay chưa có một tài liệu nào nghiên cứu về phạm vi và quy luật biến đổi của giá
trị đó cho thành phố Hồ chí Minh và Đồng bằng sông Cửu long.
Cách tính toán độ lún của công trình theo thời gian của đất yếu Đồng bằng
sông Cửu long khi có xét đến độ bền kiến trúc và tính nén của hỗn hợp khí chưa
được nghiên cứu cụ thể. Trong các báo cáo khảo sát Địa chất công trình, các giá
trị về độ bền kiến trúc của loại đất này chưa được nghiên cứu và sử dụng đúng
mức. Với độ sâu phân bố không lớn, nước trong lỗ rỗng có chứa nhiều bọt khí,
ảnh hưởng đến kết quả tính toán và ước lượng độ biến dạng do cố kết. Theo
những đặc điểm nêu trên, việc nghiên cứu xác định bổ sung các thông số cần
thiết và xét các bài toán cố kết là vấn đề cần thiết, đặc biệt cho những công trình
cần tính toán ổn định lâu dài trên đất yếu.
3- Phương hướng nghiên cứu:
Nghiên cứu sự thay đổi của giá trị áp lực tiền cố kết pc theo thời gian của
các mẫu đất yếu thuộc thành phố Hồ Chí Minh và đồng bằng sông Cửu long.
Ngoài ra còn thiết lập một số tương quan giữa các đặc trưng cơ lý của đất trong
quá trình cố kết thấm.
Nghiên cứu phương pháp thí nghiệm để tìm ra giá trị độ bền kiến trúc và
hệ số áp lực lỗ rỗng ban đầu của mẫu đất yếu. Ứng dụng kết quả tìm được để tính
lún cho một công trình cụ thể, so sánh với cách tính truyền thống.
Ngoài việc nghiên cứu các tài liệu và số liệu thí nghiệm sẵn có trong quá
trình công tác thí nghiệm, những nghiên cứu ở nước ngoài và trong nước về
những vấn đề liên quan, trong quá trình nghiên cứu sẽ tiến hành thí nghiệm trên
các thiết bị nén cố kết, nén ba trục, sử dụng chương trình áp dụng tính cho một số
bài toán.
4- Hạn chế của đề tài nghiên cứu
Trong tính toán ổn định nền, ngoài độ bền, tính biến dạng của nền là một
yếu tố quan trọng. Phạm vi nghiên cứu chủ yếu là tính chất biến dạng trong quá
trình cố kết do thoát nước.
Thời gian cho đề tài còn ngắn, với số lượng thí nghiệm hạn chế trên các
loại đất đặc trưng của khu vực. Dự định nghiên cứu thí nghiệm chủ yếu trên đất
bùn sét, loại đất có thời gian cố kết chậm và có đặc điểm độ bền kiến trúc rõ rệt.
Các kết quả nghiên cứu tương tự trong điều kiện địa chất công trình khu
vực rất ít, sẽ khó khăn và chủ quan khi tổng kết và đưa ra quy luật chung các
thông số cơ học từ thí nghiệm.
-4-
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT YẾU
TRONG QUÁ TRÌNH CỐ KẾT THẤM THƯỜNG ĐƯC SỬ DỤNG
1.1. Đặc điểm biến dạng của đất
Khi có tác dụng của tải trọng ngoài, các pha (thành phần) của đất sẽ chống
lại bằng những tác động lực khác nhau và bị biến dạng khác nhau, đó là đặc điểm
chủ yếu nhất của trạng thái ứng suất – biến dạng của đất. Khi xem xét chung cần
phải nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng của đất như một chỉnh thể (xem
đất như vật thể tựa liên tục và một pha), cũng như theo từng pha riêng trong
tương tác giữa chúng.
Những kết quả nghiên cứu từ trước tới nay đã chỉ rõ, những giả thiết dùng
trước đây về tính không nén ép của các thành phần khác nhau của đất (như của
nước lỗ rỗng) và về sự truyền áp suất tức thời lên cốt đất không được xác nhận
bằng thực nghiệm. Tính biến dạng của đất còn phụ thuộc vào thời gian tác dụng
của tải trọng do hiện tượng từ biến.
Đối với đất rời khi gia tải một lần, luôn luôn xuất hiện sự chuyển vị và
quay không thuận nghịch của các hạt đất đối với nhau, điều đó gây nên sự tồn tại
thường xuyên của biến dạng dư.
Đối với đất dính, các liên kết kiến trúc, kể cả liên kết cứng và nhớt, có ảnh
hưởng rõ rệt đến đặc trưng biến dạng.
Trong rất nhiều trường hợp, các đất dính tự nhiên có liên kết cứng và
thường cả liên kết nhớt có độ bền khác nhau nên quá trình biến dạng của chúng
xảy ra rất phức tạp.
Đặc điểm biến dạng của đất thể hiện rõ rệt trong các kết quả nghiên cứu
thí nghiệm. Nhằm mục đích khảo sát các đặc điểm biến dạng của đất, ta xét các
ứng xử của đất dưới tác dụng của tải trọng ngoài.
1.1.1. Biến dạng tuyến tính và phi tuyến
Dưới tác dụng của tải trọng tăng dần P lên một bàn nén (hay móng công
trình), đất nền sẽ bị dịch chuyển và bàn nén lún xuống dần. Giá trị độ lún của bàn
nén tăng theo giá trị của tải trọng ngoài.
-5-
O
P1
P2
s
P
O
P1
P2
P
s
(a)
(b)
Hình 1.1: Biểu đồ quan hệ độ lún và áp lực nén: (a) khi nén và (b) nén – dỡ tải
Với tải trọng từ 0 đến giá trị P1 nào đó, quan hệ giữa độ lún của bàn nén và
áp lực gần như là đường thẳng. Tiếp tục tăng áp lực (P1
bị phá hoại.
Khi biến thiên áp suất ngoài không lớn lắm (khoảng 0,3 – 0,5 MPa), với
độ chính xác đủ dùng trong thực tế, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là quan
hệ đường thẳng. Điều đó làm đơn giản nhiều việc tính toán. Theo Giáo sư N. M.
Ghecxêvanốp (1931), nếu quan hệ giữa tổng biến dạng và ứng suất là đường
thẳng, thì để xác định ứng suất trong đất, hoàn toàn dùng được lý thuyết đàn hồi.
Như vậy trong trường hợp tổng quát đất có tính chất biến dạng phi tuyến,
với phạm vi ứng suất bé có thể xem như tuyến tính.
1.1.2. Biến dạng đàn hồi và dẻo
Trong quá trình thí nghiệm tiến hành dỡ tải và tăng tải, có thể thấy rằng
với cấp tải trọng bất kỳ, thậm chí trong giới hạn đàn hồi P
hồi (đàn hồi) và biến dạng dư (dẻo). Biến dạng đàn hồi do độ đàn hồi của kết cấu
hạt rắn, của các loại nước và khí trong đất. Biến dạng đàn hồi thường xảy ra trong
giây lát khi có tác dụng tải trọng và có khả năng phục hồi hoàn toàn nếu như độ
chặt của đất không thay đổi. Trong thực tế, khi đất chưa đạt tới độ ẩm, độ chặt tốt
nhất, dưới tác dụng của tải trọng trùng phục, biến dạng đàn hồi thường xảy ra
đồng thời với biến dạng dẻo. Thông thường thì biến dạng dẻo có giá trị lớn hơn
biến dạng đàn hồi. Khi biến dạng nhỏ, có thể trình bày độ biến dạng tổng quát
dưới dạng:
ε = εe+ εp
-6Càng nén đi nén lại nhiều lần dưới một tải trọng không đổi thì kết cấu của
đất càng chặt, liên kết giữa các hạt càng lớn, khung kết cấu càng khó thay đổi, và
biết dạng dư càng giảm, cuối cùng chỉ còn biến dạng đàn hồi.
1.1.3. Biến dạng thể tích và biến dạng do trượt (cắt)
Một phân tố đất trong nền chịu tác dụng của lực ngoài có thể chia làm hai
thành phần: nén thủy tónh và lệch trục. Kết quả có thể được phân chia và thể hiện
bằng biểu đồ như hình vẽ (hình 1.2). Từ biểu đồ có thể thấy rằng khi tăng áp lực
nén σm thì biến dạng thể tích εv cũng tăng nhưng sẽ tiến đến một giá trị không đổi
nào đó. Trong khi đó việc tăng cường độ ứng suất cắt τi thì biến dạng lệch trục γi
có thể phát triển không ngừng và dẫn đến phá hoại đất nền.
Có thể thấy rằng sự phá hoại của đất nền xảy ra là do tác dụng của ứng
suất lệch gây trượt, dạng phá hoại chủ yếu trong cơ học đất là do trượt. Còn nén
đẳng hướng làm chặt đất, độ bền của đất cũng vì thế sẽ tăng lên.
Do là loại vật liệu có kết cấu rời nên đặc điểm biến dạng của đất phức tạp
và phụ thuộc vào thành phần cấu tạo, trạng thái và đặc điểm tăng tải. Khi cắt
mẫu cát chặt, ở thời điểm phá hoại có thể quan sát thấy sự phát triển thể tích do
dãn nở (dilatantion), còn đối với cát rời thì có thể bị nén chặt hơn. Đối với đất sét
mềm, hiện tượng này không có ảnh hưởng rõ rệt. Trong một số trường hợp có thể
thấy sự quan hệ giữa áp lực lỗ rỗng và thay đổi thể tích. Quan hệ này phụ thuộc
vào hàng loạt yếu tố khác nhau như áp lực đẳng hướng tác dụng, độ ẩm – độ chặt
của đất, tốc độ gia tăng của ứng suất lệch,…
σm
τi
εv
(a)
γi
(b)
Hình 1.2: Quan hệ ứng suất và biến dạng: (a) biến dạng thể tích, (b) biến
dạng do trượt.
-7Các phương trình cơ bản:
εx =
(
)
1
1
σ x −σ T +
σT
2G(τ )
3 K (σ )
(
)
(
)
1
1
εy =
σ y −σ T +
σT
2G (τ )
3 K (σ )
εz =
Với:
1
1
σz −σ T +
σT
2G (τ )
3 K (σ )
σT =
σ1 + σ 2 + σ 3
;
;
;
γ xy =
1
τ xy
G (τ )
γ yz =
1
τ yz
G (τ )
γ zx =
1
τ zx
G (τ )
3
K - Module biến dạng thể tích: K =
G - Module biến dạng cắt: G =
E
3(1 − 2µ )
E
2(1 + µ )
1.2. Cở sở lý thuyết và lời giải bài toán cố kết
1.2.1. Các khái niệm chung về áp lực nước lỗ rỗng, ứng suất hữu hiệu
Khi nén chặt đất bão hòa nước dưới tác dụng của lực ngoài, các hạt rắn cấu
tạo nên cốt đất xít lại gần nhau và thể tích lỗ rỗng giảm đi. Khi đó nước lấp đầy
trong các lỗ rỗng bị nén ép và chuyển động theo hướng về biên thoát nước, khu
vực có áp lực nước lỗ rỗng bé hơn.
Quá trình nén lún của đất dưới tác dụng của tải trọng ngoài thực chất là
quá trình nén chặt đất. Trong một số trường hợp, lún mặt đất do đất nền bên dưới
bị trượt. Dưới tác dụng của tải trọng ngoài, 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 tùy thuộc vào từng loại đất và từng trạng thái,
hoàn cảnh cụ thể ngay cả trong cùng một loại đất.
Khi công trình được xây dựng trên đất bão hòa (khung hạt không có liên
kết xi măng), tải trọng 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 lựu 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 một 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 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.
-8Hiện tượng nén chặt do sự thoát ra rất chậm của nước từ các lỗ rỗng trong
đất hạt mịn dưới tác động của tải ngoài (trọng lượng của công trình lên trên đất
nền) được gọi là cố kết (consolidation).
Như đã biết, chuyển động của nước có thể tồn tại nếu tại các điểm của
vùng từ đó nước thoát ra, xét áp lực thủy tónh, có áp lực thặng dư lớn hơn nơi
không nằm ở trong vùng chịu nén. Nói cách khác, khi nén chặt đất bão hòa trong
nước lỗ rỗng xuất hiện áp lực thặng dư, được gọi là áp lực nước lỗ rỗng, đất khi
đó ở trong trạng thái không ổn định. p lực lên cốt đất (áp lực hữu hiệu) của đất
không ổn định, đang trong quá trình cố kết luôn nhỏ hơn trong cốt đất mà sự nén
chặt nó có thể xem như đã hoàn toàn.
Xét tải trọng Q tác dụng phân bố đều lên một tiết diện A của mẫu đất
(hình 1.3). Tải trọng thực sự tác dụng lên phần hạt rắn của mẫu đất là Q’.
σ'=
Q'
A
- Ứng suất σ’ là ứng suất hữu hiệu.
Tổng tải trọng Q đặt lên mẫu đất gồm phần rắn và lỗ rỗng với áp lực u
trong các lỗ rỗng. Nếu tổng tải trọng nén tác dụng lên mẫu đất có diện tích phần
lỗ rỗng là Ar thì chúng được phân bố như sau:
Q = Q’ + uAr
Ta có:
A ⎞
Q Q'
⎛
⎛ A ⎞ Q'
= + u ⎜ r ⎟ = + u ⎜1 − c ⎟ , ở đây Ac diện tích tiếp xúc giữa các
A A
A⎠
⎝ A⎠ A
⎝
hạt rắn và tải trọng.
Q
Q
Ac
Hình 1.3: Mô hình phân bố ứng suất do nén đất
Đối với đất, diện tích tiếp xúc trực tiếp giữa các hạt rắn và tải trọng rất bé,
do đó tỷ số Ar/A có thể xem như xấp xỉ bằng 1.
Như vậy: σ = σ’ + u: đây là biểu thức quan hệ quan trọng được chấp nhận
để giải quyết các bài toán cố kết thấm.
-91.2.2. Cở sở lý thuyết và bài toán cố kết
Các giả thiết:
• Đất bão hòa nước
• Hạt đất và nước lổ rỗng không bị nén
• Độ thay đổi thể tích ∆V của phân tố dxdydz là bé so với thể tích ban đầu
của dxdydz
• Thấm trong cố kết thấm tuân theo định luật Darcy
• Định luật Darcy được tổng quát hóa trong môi trường thấm không đẳng
hướng
• Đất đẳng hướng thấm theo các trục x, y, z.
• Gia tải ∆σ được đặt tức thời
Khảo sát một phân tố dxdydz tại điểm (x,y,z) trong khối đất đang có hiện
tượng cố kết sơ cấp. Vận tốc thấm v được phân tích thành ba thành phần vx ,vy ,
vz. Theo định luật bảo toàn khối lượng, độ chênh lệch của lưu lượng nước vào và
lưu lượng nước ra phân tố đất dxdydz: qout – qin = độ thay đổi thể tích của phân tố
dxdydz trong thời gian ∂t:
[(vx +(∂vx/∂x)dx)dydz + (vy+(∂vy/∂x)dy)dxdz + (vz +(∂vz/∂x)dz)dxdy - (vxdydz +
vydxdz + vzdxdy) =
∂V
∂t
z
vz+(∂vz/∂z)dz
vy+(∂vy/ ∂y)dy
vx+(∂vx/ ∂x)dx
vx
x
vy
y
dx
vz
dy
Hình 1.4: Sơ đồ phân tố đất trong quá trình cố kết thaám
∂V ⎛ ∂vx ∂v y ∂vz ⎞
⎟dxdydz
=⎜
+
+
∂t ⎜⎝ ∂x
∂y
∂z ⎟⎠
V=Vs (1+e)= dxdydz ⇒ Vs =
dxdydz
= const
1+ e
∂e
∂V
∂V dxdydz ∂e
⇒
=
= Vs
∂t
∂t
∂t
1 + e ∂t
Phối hợp (1.1) và (1.3):
(1.1)
(1.2)
(1.3)
- 10 ⇒
⎛ ∂v ∂v y ∂vz ⎞
∂e
⎟
+
= (1 + e)⎜⎜ x +
∂z ⎟⎠
∂y
∂t
⎝ ∂x
(1.4)
Sự chảy trong cố kết thấm do áp lực nước lổ rỗng thặng dư ∆u= γw∆h hoặc
diễn tả dưới dạng ∂h =
1
γw
∂u
Định luật thấm Darcy tổng quát có dạng:
vx =
k ∂u
k x ∂u
k ∂u
; vy = y
; vz = z
γ w ∂x
γ w ∂y
γ w ∂z
(1.5)
Vi phân (1.5) và thay vào (1.4) ta được:
∂u 1 + e
=
∂t a 0 .γ w
⎛ ∂ 2u
∂ 2u ⎞
∂ 2u
⎜⎜ k x 2 + k y 2 + k z 2 ⎟⎟
∂z ⎠
∂y
⎝ ∂x
∂ 2u ⎞
∂ 2u
∂u ⎛
∂ 2u
⎜
= C vx 2 + C vy 2 + C vz 2 ⎟⎟
∂t ⎜⎝
∂z ⎠
∂y
∂x
k
k
k
Với: C vx = x ; C vy = y , C vz = z
a0γ w
a0γ w
a0γ w
(1.6)
(1.7)
Neáu bài toán thấm được xem xét trong điều kiện chỉ có thấm thẳng đứng,
phương trình thấm một chiều có dạng:
∂u
∂ 2u
= C vz 2
∂t
∂z
(1.8)
Ở đây: Cvz – hệ số cố kết phụ thuộc vào đặc tính của đất
với : u – áp lực trung tính của nước lỗ rỗng trong đất ;
k – hệ số thấm của đất ;
a0 – hệ số nén tương đối của đất;
γw – trọng lượng riêng của nước.
Phương trình (1.8) thường được biết dưới tên là phương trình vi phân cố kết
thấm một chiều theo lý thuyết cố kết của Terzaghi.
Dạng lời giải của phương trình này tùy thuộc vào điều kiện ban đầu và
điều kiện biên thoát nước của lớp đất cố kết.
Từ biểu thức tổng quát của tổng áp lực trong đất:
P = Pz + Pw
Với Pz – áp lực hữu hiệu
Pw – áp lực nước lỗ rỗng
Trong khoảng thời gian dt qua lớp đất phân tố lưu lượng nước dq sẽ bằng
sự thay đổi độ rỗng do nén chặt, có thể biểu diễn bằng biểu thức sau:
dq dn
=
dz dt
- 11 Sau khi biến đổi phương trình áp lực thủy tónh có thể được trình bày trong
bài toán 1 chiều ở dạng:
∂u
∂ 2u
= Cv 2
∂t
∂z
Đây là một phương trình vi phân đạo hàm riêng bậc nhất dạng parabôn với
hệ số không đổi. Để giải phương trình này có thể dùng phương pháp tách riêng
biến số, tìm các nghiệm riêng thỏa mãn các điều kiện , rồi dùng chuỗi Furie để từ
các nghiệm riêng đó tìm ra nghiệm tổng quát.
Giải phương trình vi phân trên bằng dãy Furier, kết quả có thể biểu diễn
dưới dạng:
3π .z −9 N 4
5π .z − 25 N
π .z − N 4
⎡ 4
⎤
− L⎥
sin
sin
Pz = P ⎢1 − sin
e −
e −
e
2h
3π
2h
5π
2h
⎣ π
⎦
Với: N =
π 2Cv t
4h 2
.
Ở đây h – chiều dài đường thấm.
1.3. Các lời giải đã có cho những trường hợp thường gặp
Trong thực tế các sơ đồ tính toán thường gặp như sau:
Pz = (P/h)z
z
h
z
h
p
Sơ đồ 0
h
p
p=γh
Sơ đồ 1
Sơ đồ 2
Hình 1.5: Các sơ đồ bài toán cố kết cơ bản thường gặp
Sơ đồ 0: ứng với biểu đồ áp lực nén phân bố theo chiều sâu có dạng hình
chữ nhật (bài toán 1 chiều):
Đây là bài trường hợp đơn giản nhất, khi lớp đất chiều dày h nằm trên một
tầng cứng không thấm nước và chịu tác dụng của một tải trọng phân bố đều kín
khắp trên mặt. Chiều thoát nước là chiều từ dưới lên trên. Có thể lập được điều
kiện biên dựa vào sự phân tích quá trình cố kết xảy ra trong lớp đất ấy.
- 12 Ở thời gian ban đầu, ngay khi gia tải, toàn bộ tải trọng đều do nước trong
các lỗ rỗng tiếp thu, do đó ở mọi điểm trong đất áp lực trung tính u có giá trị bằng
cường độ P của tải trọng ngoài. Ở các thời điểm trung gian, ở ngay trên mặt đất là
nơi thoát nước ra ngoài, áp lực trung tính của nước lỗ rỗng giảm xuống bằng 0
nên U = 0, còn ở mặt tiếp xúc với tầng không thấm nước thì
∂u
= 0. Cuối cùng,
∂t
ở thời điểm t = ∞, ở mọi điểm trong nền đất, áp lực nước trong lỗ rỗng hoàn toàn
tiêu tán và u = 0.
Có thể viết gọn các điều kiện biên này như sau:
t = 0 và 0 ≤ z ≤ h
thì u = p;
0 < t < ∞ và z = 0
thì u = 0;
0 < t < ∞ và z = h
thì
t = ∞ và 0 ≤ z ≤ h
thì u = 0.
∂u
= 0;
∂t
Sử dụng các điều kiện biên và điều kiện ban đầu, ta tìm được công thức
tính lún theo thời gian như sau:
⎡
8 ⎛
1
⎞⎤
S t = ha o .P ⎢1 − 2 ⎜ e − N + e −9 N + L⎟⎥
9
⎠⎦
⎣ π ⎝
(1.9)
Sơ đồ 1: áp lực do trọng lượng bản thân tăng dần theo độ sâu và phân bố
hình tam giác.
Trường hợp này tương ứng với ứng suất do trọng lượng bản thân lớp đất,
có thể sử dụng tính toán cho các nền đất san lấp biển, hoặc mở rộng xây dựng
trên những khu vực thấp bằng các vật liệu địa phương:
S t1 =
ha o .P ⎡ 32 ⎛ − N
1 −9 N
⎞⎤
1 − 3 ⎜e −
± L⎟ ⎥
e
⎢
2 ⎣ π ⎝
27
⎠⎦
(1.10)
Sơ đồ 2: khi tải trọng ngoài giảm theo chiều sâu và phân bố theo định luật
tam giác.
Sơ đồ này trong thực tế ứng với trường hợp khi lớp đất cố kết dưới ảnh
hưởng của tải trọng ngoài tác dụng trên bề mặt, đồng thời biểu đồ phân bố ứng
suất do tải trọng này gây ra có dạng gần như 1 đường thẳng. Đó là trường hợp bài
toán do tải trọng ngoài của móng băng hay móng đơn. Lời giải cho sơ đồ này như
sau:
St2 =
ha o .P ⎧ 16 ⎡⎛
⎤⎫
2 ⎞ −N 1 ⎛
2 ⎞ −9 N
+ L⎥ ⎬
⎟e
⎨1 − 2 ⎢⎜1 − ⎟e + ⎜1 +
2 ⎩ π ⎣⎝ π ⎠
9⎝
3π ⎠
⎦⎭
Với: N =
π 2Cv t
4h 2
(1.11)
