Đánh giá giá trị hệ số cố kết cv và độ tin cậy trong địa kỹ thuật xây dựng

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích địa kỹ thuật xây dựng đánh giá giá trị hệ số cố kết cv và mức độ tin cậy của nó theo các phương, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Trần Nguyễn Minh Trí
• Người hướng dẫn: PGS. Bùi Trường Sơn
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP HCM
• Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Đánh Giá Giá Trị Hệ Số Cố Kết Cv Và Mức Độ Tin Cậy Của Nó Theo Các Phương Pháp Khác Nhau
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung về hệ số cố kết Cv

Hệ số cố kết Cv là một trong những thông số quan trọng trong lĩnh vực địa kỹ thuật xây dựng, đặc biệt là trong tính toán độ lún theo thời gian của nền đất. Hệ số này phản ánh khả năng cố kết của đất, cho phép các kỹ sư dự đoán và tính toán độ lún của công trình theo thời gian. Việc xác định giá trị chính xác của hệ số cố kết Cv là rất cần thiết, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến tính toán thiết kế và độ tin cậy của các công trình xây dựng. Đặc biệt, trong các khu vực có đất yếu, việc xác định đúng giá trị Cv giúp giảm thiểu rủi ro trong quá trình xây dựng và vận hành công trình. Các phương pháp xác định Cv thường được áp dụng bao gồm phương pháp logarit thời gian, căn bậc hai thời gian, và phương pháp giải tích. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, cần được xem xét kỹ lưỡng trong bối cảnh cụ thể của dự án.

1.1. Tính chất của hệ số cố kết Cv

Hệ số cố kết Cv có tính chất phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm loại đất, trạng thái ẩm ướt của đất, và điều kiện thí nghiệm. Trong trường hợp đất sét mềm, giá trị Cv thường giảm khi ứng suất tăng, cho thấy sự phụ thuộc của hệ số này vào điều kiện ứng suất. Nghiên cứu cho thấy rằng, đối với đất sét pha cát, phương pháp D. Taylor thường cho kết quả chính xác hơn so với các phương pháp khác. Điều này cho thấy rằng việc lựa chọn phương pháp xác định Cv cần phải được dựa trên đặc điểm của mẫu đất cụ thể. Kết quả thí nghiệm cần được phân tích một cách cẩn thận để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của các giá trị Cv được xác định.

II. Các phương pháp đánh giá hệ số cố kết Cv

Có nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng để đánh giá hệ số cố kết Cv, trong đó nổi bật là các phương pháp logarit thời gian, căn bậc hai thời gian, và phương pháp giải tích. Mỗi phương pháp có cách tiếp cận riêng để xác định mối quan hệ giữa độ lún và thời gian. Phương pháp logarit thời gian, do A. Casagrande phát triển, thường được sử dụng rộng rãi trong thực tiễn và cho kết quả đáng tin cậy trong việc xác định Cv cho đất sét mềm. Ngược lại, phương pháp căn bậc hai thời gian, mặc dù cũng có ứng dụng, thường không cho kết quả chính xác bằng trong một số trường hợp. Việc so sánh các phương pháp này cho thấy rằng, trong nhiều tình huống, sự lựa chọn phương pháp phù hợp có thể ảnh hưởng lớn đến kết quả cuối cùng của tính toán độ lún.

2.1. Phương pháp logarit thời gian

Phương pháp logarit thời gian được xem là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để xác định hệ số cố kết Cv. Phương pháp này dựa trên mối quan hệ giữa độ lún và thời gian, cho phép xác định giá trị Cv thông qua các thí nghiệm nén cố kết trong phòng thí nghiệm. Kết quả từ phương pháp này thường cho thấy sự giảm giá trị Cv khi ứng suất tăng, điều này đặc biệt đúng với đất sét mềm. Phương pháp này đã được áp dụng thành công trong nhiều dự án xây dựng lớn, và thường được coi là tiêu chuẩn trong lĩnh vực địa kỹ thuật.

2.2. Phương pháp căn bậc hai thời gian

Phương pháp căn bậc hai thời gian, mặc dù không phổ biến bằng phương pháp logarit, vẫn được sử dụng trong một số trường hợp nhất định. Phương pháp này cho phép xác định Cv dựa trên mối quan hệ giữa độ lún và thời gian nhưng thường cho kết quả không chính xác bằng. Việc áp dụng phương pháp này cần phải xem xét kỹ lưỡng điều kiện thí nghiệm và loại đất, đặc biệt là trong các trường hợp có sự thay đổi lớn về ứng suất. Do đó, việc lựa chọn phương pháp cần dựa trên các yếu tố cụ thể của dự án để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả.

III. Đánh giá và so sánh kết quả

Việc đánh giá và so sánh kết quả của các phương pháp xác định hệ số cố kết Cv là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác trong thiết kế và thi công công trình. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng phương pháp A. Casagrande thường cho kết quả tốt hơn trong việc xác định Cv cho đất sét mềm, trong khi phương pháp D. Taylor lại có ưu thế đối với đất sét pha cát. Sự khác biệt này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc lựa chọn phương pháp phù hợp dựa trên đặc điểm của mẫu đất. Kết quả phân tích và so sánh cũng giúp xác định mức độ tin cậy của các giá trị Cv, từ đó đưa ra các quyết định chính xác trong quá trình thiết kế và thi công.

3.1. Đánh giá độ tin cậy của các phương pháp

Độ tin cậy của các phương pháp xác định hệ số cố kết Cv có thể được đánh giá thông qua việc so sánh giữa các giá trị tính toán và thực nghiệm. Kết quả cho thấy rằng, trong nhiều trường hợp, giá trị Cv xác định bằng phương pháp A. Casagrande gần sát với giá trị thực tế hơn so với các phương pháp khác. Điều này cho thấy rằng, phương pháp này không chỉ đáng tin cậy mà còn phù hợp với thực tế trong các dự án xây dựng. Việc đánh giá độ tin cậy này là rất cần thiết để đảm bảo rằng các quyết định trong thiết kế nền móng được dựa trên dữ liệu chính xác và đáng tin cậy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Tính toán độ lún theo thời gian của công trình là một vấn đề quan trọng trong thiết kế nền móng, đặc biệt là trong xử lý nền. Đặc trưng cơ lý cơ bản của độ lún theo thời gian là các thông số đặc trưng biến dạng của đất nền. Trong đó, hệ số cố kết Cv là một trong những thông số quan trọng dùng để tính toán lún cố kết nền đất, đặc biệt là các công trình được xây dựng ở các tỉnh phía Nam - nơi đất yếu có bề dày lớn, thời gian lún có thể kéo dài đến hàng trăm năm đến khi đạt được độ lún ổn định. Hơn nữa, trong tính toán xử lý nền bằng gia tải trước, hệ số cố kết đóng vai trò quan trọng trong tính toán thiết kế và dự báo độ lún theo thời gian.

Do đó, mức độ chính xác trong việc xác định giá trị hệ số cố kết Cv là yếu tố quyết định cho mức độ tin cậy của giá trị độ lún của đất nền theo thời gian. Đề tài được lựa chọn nhằm đánh giá sâu sắc hơn các phương pháp xác định giá trị hệ số cố kết Cv và mức độ tin cậy của nó. Kết quả tổng hợp phân tích giúp lựa chọn đặc trưng hệ số cố kết phù hợp để áp dụng tính toán các bài toán thực tế hơn đối với các công trình cơ sở hạ tầng ngày càng nhiều ở các tỉnh phía Nam. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Các phương pháp xác định giá trị hệ số cố kết Cv từ thí nghiệm và tính toán giá trị hệ số cố kết Cv của các loại đất phổ biến của khu vực các tỉnh phía Nam.

Từ hệ số cố kết xác định bằng thí nghiệm, tính toán độ lún theo thời gian của các mẫu đất dựa trên lời giải của bài toán cố kết một chiều, so sánh với giá trị độ lún theo thời gian đo được thực tế. Kết luận, đánh giá về mức độ tin cậy của các phương pháp xác định hệ số cố kết Cv. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI Luận văn có thể là tài liệu tham khảo phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu sâu sắc hơn về phương pháp xác định giá trị hệ số cố kết Cv từ thí nghiệm, cũng như đánh giá được mức độ tin cậy của nó theo các phương pháp khác nhau. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về đặc trưng biến dạng của đất nền từ kết quả thí nghiệm trong phòng và hiện trường, các phương pháp xác định giá trị hệ số cố kết Cv từ thí nghiệm và quy trình thí nghiệm nén cố kết.

Sử dụng kết quả thí nghiệm của mẫu đất và tính toán hệ số cố kết Cv theo các phương pháp khác nhau và đánh giá, so sánh với độ lún thực tế của mẫu. 2 PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỂ TÀI Đánh giá giá trị hệ số cố kết Cv theo các phương pháp khác nhau và mức độ tin cậy của nó được thực hiện cho một số loại đất bão hòa nước phổ biến. 3 CÁC ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT NỀN TỪ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG VÀ HIỆN TRƯỜNG 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 toán 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 toán thường được thực hiện thông qua các mô hình: mô hình đất hay mô hình nền [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 toán 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 nhớt , 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 toán. Trong khảo sát địa chất công 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.

Các đặc trưng biến dạng của sét mềm bão hòa nước từ thí nghiệm nén cố kết Đặc trưng biến dạng của đất là thông số cần thiết để ước lượng độ lún của nền, thể hiện thông 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 toán thiết kế các công trình xây dựng. Nói chung, hiện tượng cố kết hay biến dạng lún của nền hoàn toàn là do sự nén 4 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, còn 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 thoát ra khỏi lỗ rỗng, khi đó độ ẩm của đất sẽ giảm dần, còn đất không bão hòa nước thì trong phạm vi áp lực nhất định, quá trình nén chặt có thể xảy ra mà không làm thay đổi độ ẩm của nó. Nước thoát 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 hoàn cảnh cụ thể thể hiện thông 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 phòng thí nghiệm hoặc bằng các thí nghiệm hiện trường thông dụng hiện nay như: nén trong hố khoan, bàn nén hiện trường… Quan sát một mẫu bị nén trong thí nghiệm nén cố kết (còn 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 2 cm và diện tích tiết diện ngang từ 30 ÷ 50 cm2 chứa trong dao vòng và hộp nén có đá thấm ở hai mặt trên và dưới của mẫu (Hình 1. Mẫu đất được bão hòa hoàn toàn suốt quá trình thí nghiệm trong điều kiện ngập nước [15], [18]. Do có thành cứng, mẫu đất chỉ biến dạng theo phương thẳng đứng mà không có khả năng nở hông.

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 0,01 mm trong thời gian không 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].

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 5 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 hoàn toàn đạt được thì dỡ tải theo một hay vài giai đoạn.

Đồng hồ đo Tải trọng P biến dạng Đá thấm Dao vòng Mẫu đất Nước Hình 1.1 Sơ đồ thiết bị nén một trục không nở hông. Quan hệ giữa ứng suất nén (áp lực nén p hoặc σ) và hệ số rỗng e được biểu diễn dưới hai dạng: thường hoặc dạng bán lograrit (Hình 1.2 Quan hệ giữa ứng suất nén (áp lực nén p hoặc σ) và hệ số rỗng e (a) Đường quan hệ e – p; (b) e - logp.