MỞ ĐẦU Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Trong tự nhiên, đất loại sét chiếm diện tích đáng kể và nằm ngay trên bề mặt. Hầu hết các công trình xây dựng đều sử dụng lớp đất này làm nền. Đất loại sét chứa một lượng nước liên kết nên có khả năng giữ ẩm cao, thời gian cố kết thường kéo dài. Nhằm tổng hợp và phân tích đặc điểm đặc trưng biến dạng (tính nén lún) và biến dạng theo thời gian (độ lún cố kết và từ biến) của đất loại sét khu vực thành phố Hồ Chí Minh và lân cận, học viên chọn đề tài: “Nghiên cứu, phân tích đặc trưng biến dạng của đất sét từ kết quả thí nghiệm nén cố kết và lý thuyết cố kết thấm một chiều”.
Kết quả thí nghiệm, đánh giá phân tích các đặc trưng cố kết của đất loại sét có thể cung cấp cho các kỹ sư thiết kế và khảo sát địa kỹ thuật các dữ liệu cần thiết, các đặc tính cố kết đất yếu và đặc trưng phù hợp cho tính toán thiết kế công trình. Mục tiêu của đề tài Thực tế, trong hầu hết các hồ sơ khảo sát địa chất, đặc trưng biến dạng của đất được xác định từ thí nghiệm nén cố kết với cấp áp lực 4,0kG/cm2. Tuy nhiên đặc trưng biến dạng của đất nền phụ thuộc đáng kể vào trạng thái ứng suất (trạng thái ứng suất ban đầu và sau khi chịu tải). Đối với sét mềm bão hòa nước, ứng suất nén lên chúng thường không vượt quá 2,0kG/cm2.
Trong khi đó, đất sét cứng thường ở độ sâu lớn và không chịu tác dụng đẩy nổi của nước tự do nên ứng suất do trọng lượng bản thân thường có giá trị vượt quá 6,0kG/cm2, do vậy các kết quả nén đến 4,0kG/cm2 có thể cho kết quả không đáng tin cậy hay có sự khác biệt so với ứng xử thực tế của đất nền. Mục tiêu của luận văn tập trung vào các vấn đề sau: Tiến hành thí nghiệm trên các mẫu đất loại sét đặc trưng của khu vực thành phố Hồ Chí Minh và lân cận. Tổng hợp, phân tích và chọn lựa đặc trưng biến dạng hợp lý cho việc tính toán thiết kế nền móng. Tổng hợp, phân tích đặc điểm đặc trưng biến dạng theo thời gian của đất loại sét.
Có thể thấy rằng hàm lượng nước tự do trong sét cứng không đáng kể, hay không có nên đặc điểm biến dạng của đất loại này có thể không tuân theo quy luật cố kết thấm của Terzaghi. 1 Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp được chọn lựa cho đề tài là thí nghiệm trong phòng và xây dựng các tương quan. Trong nội dung luận văn chủ yếu xét đến các yếu tố liên quan đến biến dạng thể tích một chiều bằng thí nghiệm nén cố kết. Các yếu tố phân tích bao gồm: đặc trưng biến dạng và biến dạng theo thời gian.
Đối tƣợng nghiên cứu Tiến hành thí nghiệm trên đất sét ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh và lân cận. MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐẶC TRƢNG BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT LOẠI SÉT 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 khoáng 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 hòa thì ngay khi gia tải, toàn 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 quá 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. Ngoài ra, chính yếu tố nhớt của khung kết cấu cũng làm cho nó không 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 hoàn toàn. 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. 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 thoát ra). - Biến hình là sự thay đổi hình dạng khung hạt không 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 [5]. Biến dạng cũng có thể chia ra làm các loại: - Biến dạng tức thời do sự co lại của các bọt khí; 3 - Biến dạng do thu hẹp lỗ rỗng từ việc đầm chặt làm thay đổi thể tích đất; - Biến dạng đàn hồi không 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. Từ những năm 20 của thế kỷ XX, quá trình cố kết của mẫu đất bão hòa nước đã được nghiên cứu bởi Terzaghi dựa trên mô hình nén một trục.
Lý thuyết này dần được hoàn thiện bởi nhiều nhà khoa học trên thế giới. Một trong những đóng góp cần được kể đến là việc xây dựng các bài toán trên cơ sở kết hợp giữa mô hình cố kết một trục với các mô hình lưu biến như: mô hình thể hiện quan hệ tuyến tính giữa hệ số rỗng và logarit của ứng suất hữu hiệu (Davis và Raymond-1965); mô hình thể hiện hệ số rỗng là hàm của ứng suất hữu hiệu (Taylor và Meschen-1940); mô hình thể hiện hệ số rỗng là hàm của ứng suất hữu hiệu và thời gian (Koppejan- 1948, Bjerrum – 1967 và Hansem – 1969 và các mô hình lưu biến khác. Cho tới những thập niên 70, thí nghiệm cố kết truyền thống, trên thực tế, bài toán cố kết một trục của Terzaghi vẫn là mô hình chính để tính toán các đặc trưng cố kết[1],dựa trên lý thuyết Terzaghi được sử dụng để xác định những đặc trưng nén của đất dính. Trong thí nghiệm nén này, thông thường tỷ số tải gia tăng (LIR) đồng nhất (LIR= =1) được áp dụng mặc cho đôi lúc là không cần thiết, để cho kết quả ứng suất tiền cố kết tốt hơn thì tỷ số tải gia tăng LIR = 0,5 đối với những cấp tải của giai đoạn nén lại và LIR = 1 đối với các cấp tải của giai đoạn nén đi và mỗi bước tăng được giữ trong 24 giờ mà nó được cộng dồn vào thời gian thí nghiệm.
Điều này mô phỏng các điều kiện tải trọng của lý thuyết Terzaghi và cho phép nội suy dữ liệu để xác định k và Cv. Khi sử dụng tỷ số tải gia tăng như vậy thì khoảng cách giữa các điểm rộng gây khó khăn trong việc xác định ứng suất tiền cố kết. Vì thế khi rút ngắn lại tốc độ tăng tải sẽ cho một đường nén tốt hơn nhưng lại gây khó khăn trong việc xác định biểu đồ chuyển vị - thời gian, và thời gian kết thúc cố kết sơ cấp. Ngay cả một vài thí nghiệm có thể được tự động hóa bằng máy tính và hệ thống nhận dữ liệu được kết hợp, sự nỗ lực để thể hiện dữ liệu thí nghiệm cũng tiêu tốn nhiều thời gian.
4 Casagrande (1938) và Taylor (1948) đã đề nghị phương pháp giải phương trình cố kết của K. Terzaghi và lời giải đó được sử dụng rộng rãi ngày nay. Casagrande (1936) đã nghiên cứu và đưa ra phương pháp xác định áp lực tiền cố kết dựa trên đường cong quan giữa hệ số rỗng và ứng suất tác dụng., phương pháp này vẫn được sử dụng rộng rãi cho đến nay. Áp lực tiền cố kết thể hiện lịch sử hình thành và ảnh hưởng đến các ứng xử cơ học của đất dính trong tính toán.
Trong nền đất ở hiện trường, mẫu đất ở độ sâu khảo sát chịu một áp lực do trọng lượng bản thân với tải trọng lớn nhất trong lịch sử hình thành và phát triển. Hiện tại chúng có thể bằng hoặc bé hơn áp lực do trọng lượng bản thân từng có. Tỷ số giữa áp lực tiền cố kết và trọng lượng bản thân các lớp đất bên trên hiện hữu tác động gọi là hệ số quá cố kết OCR (over consolidation ratio). Dựa vào áp lực tiền cố kết có thể phán đoán được trạng thái nén chặt của đất [3] Bảng 1.1: Đặc điểm quá cố kết của đất loại sét Trạng thái của So sánh Tỷ số quá Lịch sử địa chất Đất điển hình đất pc và po cố kết OCR Đất quá cố kết p c > po OCR > 1 Lớp đất trong quá trình Đất dạng sét trầm tích tự nhiên đã đỏ qua nén chặt ổn định dưới áp lực tương đối lớn Đất cố kết p c = po OCR = 1 Lớp đất trong quá trình Đất dạng sét thường trầm tích tự nhiên đã nói chung qua tác dụng cố kết và phát sinh tương ứng không ngừng trầm tích Đất chưa cố pc < po OCR < 1 Lớp đất do lịch sử trầm Trầm tích mới kết tích ngắn hoặc do có lớp bùn nguyên nhân nào đó tác dụng cố kết chưa hoàn thành dưới áp lực tự nhiên của đất 5 Đất ở trạng thái tự nhiên được chia làm hai loại: đất cố kết thường và đất quá cố kết.
Đất cố kết thường là đất hiện đang chịu áp lực lớn nhất trong lịch sử.
