MỞ ĐẦU Ý nghĩa khoa học của đề tài Địa hình miền Đông Nam Bộ là một dải đất cao, hơi lượn sóng, có xu hướng thấp dần về phía đồng bằng châu thổ sông Mêkông. Nền đá gốc bên dưới là nền rìa của khối granit Trường Sơn Nam và được bao phủ bởi các loại đất đá trầm tích có tuổi trẻ hơn. Bên trên là lớp phù sa cổ (trầm tích cổ sông Mêkông) trải rộng ra khắp bề mặt được gọi là dải đất xám. Sự xuất hiện của phù sa cổ dưới dạng sét loang lổ với trị số N dao động trong phạm vi từ 30 đến hơn 50, trạng thái cứng với hàm lượng hạt sét đáng kể ở một số nơi vùng Đông Nam Bộ cho thấy đây là bậc thềm của châu thổ.
Theo bản đồ địa chất, dải đất này nằm lộ trên bề mặt ở vùng Bình Phước, Tây Ninh thoải dần theo hướng Tây Bắc – Đông Nam và chìm dưới độ sâu 25 – 30 (m) ở phạm vi thành phố Hồ Chí Minh. Những kết quả phân tích thành phần khoáng vật của đất loại sét của khu vực cho thấy hàm lượng montmorilonit chiếm đa số và có khi đạt tới 70% so với tổng hàm lượng sét. Lớp phù sa cổ này thường ở trạng thái nửa cứng – cứng do đã được nén chặt đáng kể. Theo nghiên cứu của Nguyễn Văn Thơ và Trần Thị Thanh, kết quả phân tích thành phần khoáng vật của các loại đất sét ở Tây Nguyên, Nam Trung Bộ và Đông Nam Bộ cho thấy rằng: khoáng vật montmorilonit – loại khoáng vật sét có đặc điểm trương nở mạnh – không xuất hiện trong đất bazan, nhưng có mặt trong các loại đất bồi tích, hồ tích và các loại tàn tích, sườn tàn tích có nguồn gốc từ bột kết, cát kết, granit.
Trong quá trình xây dựng công trình, khi bị ẩm ướt, đất loại sét nén chặt bị trương nở mạnh mẽ về thể tích và gây ra áp lực trương nở với giá trị nhất định. Một -2- số công trình như: đê đập, kênh dẫn, đường giao thông, công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp trên nền đất loại này sau thời gian xây dựng và sử dụng phát sinh một số hiện tượng như: trồi, lún lệch gây nứt nẻ công trình, không đảm bảo điều kiện sử dụng công trình. Để phân tích, đánh giá ảnh hưởng của hiện tượng trương nở lên việc tính toán nền móng công trình, chúng tôi chọn lựa đề tài “Tính toán nền móng công trình có xét đến tính trương nở”. Việc phân tích, tính toán căn cứ vào các số liệu thí nghiệm trên các mẫu đất thực tế nhằm rút ra các kinh nghiệm cần thiết phục vụ thiết kế cũng như dự tính các khả năng bất lợi trong công tác xây dựng công trình ở khu vực phổ biến loại đất này (Tây Ninh, Bình Phước, Bình Dương và đồng bằng sông Cửu Long).
Nhiệm vụ của luận văn Để thực hiện mục đích đánh giá ảnh hưởng của độ trương nở và áp lực trương nở lên độ ổn định của nền móng công trình, chúng tôi đề ra các nhiệm vụ chính cho luận văn như sau: Tính toán, thiết kế móng nông có xét đến tính trương nở của đất. Xét tính trương nở của đất nền trong tính toán móng cọc. Ảnh hưởng của trương nở lên ổn định công trình đường giao thông. Các kết quả tính toán có thể được so sánh với các phương pháp tính toán không xét đến tính trương nở của đất nền.
Phương pháp nghiên cứu Tổng quan các kết quả nghiên cứu đã có và các phương pháp tính toán nền móng trên đất trương nở. -3- Thu thập các số liệu về tính trương nở của đất nền thực tế phục vụ tính toán. Tính toán, so sánh và phân tích kết quả. Việc tính toán chủ yếu đề cập đến đặc điểm nở thể tích cũng như áp lực trương nở, các yếu tố độ bền, áp lực nước lỗ rỗng không được xét đến, đây cũng là hạn chế của đề tài.
MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ ĐẤT TRƯƠNG NỞ 1. Đặc điểm chung của đất trương nở 1. Một số khái niệm chung Đất sét có tính nở thì được gọi là đất trương nở. Khi các loại đất này chưa hoàn toàn bão hòa, chúng có thể gia tăng thể tích khi bị tẩm ướt.
Đất trương nở co lại rất nhanh khi khô lại và phát triển các vết nứt trên bề mặt. Các loại đất này có chỉ số dẻo khá cao. Đất đen nhiệt đới được tìm thấy ở nhiều nơi của Ấn Độ cũng thuộc vào loại đất này. Màu sắc thay đổi từ màu xám đen tới đen và có tính thay đổi thể tích khi chịu ảnh hưởng của sự thay đổi lượng chứa ẩm như đất yếu của khu vực.
Chúng ta có thể dễ dàng để nhận ra các loại đất trên trong mùa khô hoặc mùa mưa. Vết nứt co ngót có thể nhìn thấy trên mặt đất trong mùa khô. Chiều rộng tối đa của các vết nứt có thể lên đến 20 (mm) và giảm dần khi tiến sâu vào lòng đất. Trong mùa mưa, những vùng đất trên trở nên rất dính, cường độ có thể giảm đến hàng chục lần và tương tự là đặc tính biến dạng [3, 18].
Đất trương nở có thể là đất tàn tích, đó là kết quả của quá trình phong hóa đá gốc. Độ sâu của các loại đất này ở một số vùng có thể lên đến trên 6 (m). Ở điều kiện khí hậu nước ta, bề dày bề dày lớp phong hóa trung bình đạt đến 15 (m). Thông thường, mực nước ngầm tại những vùng này có độ sâu lớn.
Vì vậy, đất trở nên ẩm ướt chỉ trong mùa mưa và khô hoặc bão hòa một phần trong suốt mùa khô. Trong một số khu vực, mùa mưa và mùa khô luân phiên nhau, những loại đất này trương nở và co ngót mang tính chu kỳ đều đặn. Do sự thay đổi độ ẩm trong đất, các cấu trúc trong đất bị dịch chuyển liên tục nên bất kỳ kết cấu xây dựng nào trên đất trương nở cũng xuất hiện các vết nứt và dẫn đến phá hoại công trình hoặc hư hỏng. Sự biến đổi độ ẩm trong đất theo chiều sâu được thể hiện trong hình 1.1 Sự thay đổi độ ẩm trong đất theo chiều sâu (Chen, 1988) Trong mùa khô, lượng nước tự nhiên trên bề mặt không có hoặc rất ít và thể tích của đất đạt đến giới hạn co.
Độ ẩm tăng theo chiều sâu và tiến đến giá trị Wn tại một độ sâu Dus, phần còn lại gần như không đổi. Trong mùa mưa, độ ẩm tăng lên và đạt tối đa trên bề mặt. Độ ẩm giảm dần theo chiều sâu từ giá trị tối đa Wn ở bề mặt đến một giá trị không đổi Wn (const) ở cùng một chiều sâu Dus. Điều này chỉ ra rằng lượng nước đất trương nở hút vào cấu trúc mạng tinh thể của nó là tối đa ở bề mặt và bằng không ở chiều sâu Dus.
Điều này có nghĩa là đất nằm trong phạm vi chiều sâu Dus thay đổi độ ẩm liên tục và do đó gây ra chuyển vị đáng kể trong nền đất. Các chuyển vị phần lớn nằm gần mặt đất và giảm theo chiều sâu. -6- Vùng phía trên được giới hạn bởi chiều sâu Dus được gọi là vùng không ổn định (vùng hoạt động trương nở) và phía dưới là vùng ổn định. Kiến trúc xây dựng trong khu vực không ổn định này có khả năng di chuyển lên và xuống theo mùa và do đó bị thiệt hại nếu có chuyển vị đáng kể [3, 18].
Nếu một kết cấu được xây dựng trong mùa khô với nền móng được đặt trong vùng không ổn định sẽ phải chịu một áp lực trương nở khi đất nền bão hòa nước làm việc trong mùa mưa. Áp lực trương nở này bị giới hạn bởi sự trương nở tự do của nền. Áp lực trương nở tối đa ghi nhận có thể đạt đến 2 (MPa). Nếu áp lực do tải trọng công trình nhỏ hơn áp lực trương nở thì kết cấu công trình có khả năng bị nâng lên và có thể dẫn đến rạn nứt trong kết cấu.
Nếu áp lực do tải trọng công trình lớn hơn áp lực trương nở thì sẽ không ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu [18]. Thành phần khoáng sét và cơ chế trương nở Khoáng vật sét có thể được chia làm 3 nhóm dựa trên cấu trúc tinh thể của chúng, bao gồm: Nhóm Kaolinit.2 Mô hình đất trương nở -7- Tính trương nở là đặc điểm tăng thể tích và áp lực trương nở do quá trình thủy hóa hoặc do tương tác với các dung dịch hóa học. Đặc điểm hình thành tính trương nở của đất loại sét có quan hệ mật thiết đến nguồn gốc thành tạo và quá trình hóa đá. Tính trương nở thể hiện rõ rệt trong đất loại sét có liên kết ximăng yếu và bị nén lại (quá cố kết hay được đầm chặt).
Các loại đất này hình thành chủ yếu trong điều kiện khí hậu khô và chứa một hàm lượng khoáng vật sét có mạng lưới tinh thể linh động (dạng montmorilonit) hay các chất hữu cơ. Hầu hết các loại đất trương nở sau khi ngấm nước đều giảm độ chặt (dung trọng), chuyển từ trạng thái cứng, nửa cứng sang trạng thái dẻo, giảm độ bền đến vài lần. Sự trương nở của đất thường là do quá trình thẩm thấu và hấp phụ nước vào trong đất. Khi ngấm nước, độ ẩm của đất tăng dần, bề dày của màng nước xung quanh hạt rắn tăng theo và đồng thời làm tăng bề dày tầng điện kép dẫn đến việc hình thành áp lực làm các hạt xô đẩy nhau.
Hiện tượng này làm phá hủy các liên kết cấu trúc giữa các hạt và làm tăng thể tích của toàn bộ khối đất. Mạng tinh thể của kaolinit tương đối bền và ổn định. Mỗi tập của mạng tinh thể gồm một lớp các khối 4 mặt oxyt silic và một khối 8 mặt hydroxyt alumin xen kẽ nhau. Các lớp tiếp xúc của hai tập kế cận nhau tạo nên mạng tinh thể kaolinit rất khác nhau (hình 1.3): lớp trên của tập dưới được tạo bởi các nhóm hydroxyl, còn lớp dưới của tập trên nằm kề đó thì có các nguyên tử oxy.
Tên khác nhau của các lớp tiếp xúc với các tập kế cận làm cho mạng tinh thể rất chắc. Mỗi liên kết ở bên trong của các tập cũng bền vững, đó là do có các lớp chuyển tiếp của các ion điện tích dương và âm. Do đó mà mạng tinh thể không di động và vì vậy các tinh thể kaolinit tương đối lớn, chỉ có khả năng hấp thụ nước và trương nở không đáng kể.3 Sơ đồ phân bố các lớp ở mạng tinh thể khoáng vật sét Montmorilonit (Al,Mg)2 [Si4O10] [OH]2 nH2O (tên của các mẫu sét lấy ở gần Montmorillon, nước Pháp). Tinh thể có nhiều hình dạng khác nhau.
