CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BIẾN DẠNG LÚN CỦA ĐẤT, TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1. Biến dạng lún của đất 1. Khái niệm về biến dạng Biến dạng là sự thay đổi về hình dạng, kích thước của một vật thể khi có lực tác dụng. Nguyên nhân là do sự thay đổi vị trí tương đối và khoảng cách giữa các nguyên tử, phân tử, ion… trong vật thể do tác dụng của lực hoặc do thay đổi nhiệt độ, độ ẩm…Ngoài ra, cũng có thể do thay đổi cấu trúc nội tại.
Các loại vật liệu khác nhau (rắn, lỏng, khí) biến dạng theo những quy luật khác nhau. Ở đây, chỉ xét cho các vật thể rắn và chỉ xét khi có sự tác dụng của lực ngoài. Có hai loại biến dạng cơ bản: biến dạng đàn hồi, tức là biến dạng sẽ mất đi khi không còn lực tác dụng từ bên ngoài lên vật thể. Biến dạng đàn hồi tỉ lệ thuận với lực tác dụng; Biến dạng không đàn hồi gọi là biến dạng dẻo, biến dạng không phục hồi được.
Biến dạng dẻo không có lợi đối với những kết cấu tạo hình dạng mong muốn cho vật liệu. Biến dạng lún của đất 1. Khái niệm về đất (các pha hợp thành đất) trong xây dựng Trong điều kiện tự nhiên, đất là vật thể rắn nhưng khác với các vật thể rắn khác như sắt, thép… là đất không liên tục và là vật thể rời. Trong đất luôn luôn tồn tại 3 pha là: rắn, lỏng và khí.
Trong đó, pha rắn là chủ yếu. Khi nghiên cứu pha rắn, cần quan tâm đến thành phần hạt và thành phần khoáng hóa của đất. Thành phần hạt: trong đất gồm nhiều hạt có kích thước rất khác nhau từ đá tảng có kích thước > 200mm đến hạt sét có kích thước < 0,002mm. Trong xây dựng, các hạt đất được phân chia ra các nhóm hạt chính: tảng (tròn và góc) có đường kính () > 200mm; cuội (dăm) có từ 10 ÷ 200mm; sỏi (sạn) có từ 10 ÷ 2mm; cát có từ 2 ÷ 0,05mm; bụi có từ 0,05 ÷ 0,002mm và sét với < 0,002mm (TCVN 9362 - 2012) [30].
Dựa vào thành phần hạt để phân chia đất ra thành: đất rời - là các loại đất giữa các hạt không tồn tại lực dính kết gồm đá tảng, đất cuội, đất sỏi, đất cát và đất dính (đất loại sét) - giữa các hạt tồn tại lực dính kết như đất sét, đất á sét, đất á cát. Chỉ xét riêng yếu tố thành phần hạt thì khi trong đất có hàm lượng nhóm hạt mịn càng tăng thì tính chất biến dạng lún càng lớn. Thành phần khoáng vật: Đất là sản phẩm của quá trình phong hóa các đá gốc hoặc nằm tại chỗ tạo nên đất eluvi (e), hoặc được vận chuyển dưới tác dụng của dòng chảy không thường xuyên tạo ra các sản phẩm sườn tích (d), hoặc được vận chuyển dưới tác dụng của dòng chảy thường xuyên hình thành nên các thành tạo aluvi (a). Chính vì vậy mà đất gồm chủ yếu là các khoáng vật thứ sinh tồn tại trong các nhóm hạt phân tán mịn (bụi và sét) như: Nhóm các khoáng vật không hòa tan, như: SiO 2 thứ sinh, các 5 muối khó tan như các muối của Ca … (CaCO3), các ô xít dạng R2O3 (Al2O3, Fe2O3); các nhóm các khoáng vật sét như: Montmorillonit, Illit, Caolinit.
Nhóm các khoáng vật hòa tan, như muối của các kim loại kiềm và kiềm thổ, chúng hòa tan trong nước và một phần bị nước vận chuyển đi. Ngoài ra, trong đất còn có chứa các vật chất hữu cơ có thành phần khác nhau và bị phân hủy ở các mức độ khác nhau. Trong các khoáng vật trên, phổ biến nhất là các khoáng vật sét. Do có kích thước rất nhỏ, năng lượng mặt ngoài rất lớn, lại có cấu trúc ô mạng tinh thể đặc biệt nên chúng có ảnh hưởng rất lớn đến đặc trưng cơ lý của đất đặc biệt là biến dạng lún.
Khi các lỗ rỗng trong đất chứa đầy nước (bão hòa lý tưởng) thì đất chỉ gồm 2 pha: rắn và lỏng. Nếu dùng sơ đồ 3 pha, tượng trưng cho thể tích đất, thì dễ dàng có khái niệm về phân lượng mỗi pha trong đất. Tính chất biến dạng của đất phụ thuộc chủ yếu vào lực ngoài tác dụng (trị số, phương thức tác dụng của lực, các yếu tố chủ quan khác) và bản chất của đất. Pha rắn của đất gồm nhiều thành phần có tỷ lệ thay đổi khác nhau như các khoáng vật sét, các khoáng vật phi sét (non-clay minerals), các hạt sét phi tinh thể (vô định hình-noncrystalline), vật chất hữu cơ, và các loại muối kết tủa.
Những khoáng vật kể trên thường được tạo bởi các nguyên tử của các nguyên tố phổ biến như ôxy, silic, hydro, sắt và nhôm, chúng tạo thành nhiều dạng tinh thể khác nhau. Những nguyên tố này kết hợp cùng với canxi, kali, natri, magie và cacbon chiếm trên 99% khối lượng của đất. Các hạt rắn được phân chia thành nhóm theo kích thước như các nhóm: hạt sét, hạt bụi, hạt cát, hạt sỏi (sạn), hạt cuội (dăm), tảng (góc, tròn cạnh). Pha lỏng trong đất thông thường chứa chủ yếu là nước cùng với một lượng khác nhau các chất điện ly hòa tan trong nước.
Nước trong đất có ở các dạng sau: nước trong hạt khoáng vật (nước liên kết hóa học), nước kết hợp mặt ngoài (nước liên kết vật lý hay nước màng mỏng), nước tự do (nước trọng lực và nước mao dẫn). Pha khí, tồn tại đặc biệt trong chưa đất bão hòa. Khí có thường có nguồn gốc từ không khí, do các phản ứng địa hoá, sự hoạt động của các vi sinh vật và phân huỷ các vật chất hữu cơ. Khí tốn tại trong các lỗ rỗng của đất và hấp phụ trên bề mặt hạt các hạt nhỏ.
Sự có mặt của các pha và thành phần của chúng trong đất có ảnh hưởng lớn tới tính chất biến dạng lún của đất [24]. Sự khác biệt về biến dạng giữa đất và các vật rắn khác Đất và các vật rắn khác khi bị biến dạng, tổng biến dạng S sẽ gồm 2 loại biến dạng đó là: đàn hồi (có hồi phục) (Sđh) và dư (không hồi phục) (Sd). Tuy nhiên, do là vật rắn không liên tục nên trong đất, biến dạng dư là chủ yếu (lớn) còn biến dạng đàn hồi là phụ (nhỏ) (hình 1. Trong khi các vật rắn khác, có tính liên tục thì biến dạng đàn hồi là chủ yếu còn biến dạng dư lại là phụ.
6 Sd S Sdh 0 Hình 1. Đồ thị quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của đất 1. Các lý thuyết về cố kết Lý thuyết về sự cố kết của đất được tác giả Terzaghi (1925) [80] đưa ra lần đầu tiên trong nghiên cứu về biến dạng của nền đất do sự thoát nước từ các lỗ rỗng trong vật liệu độ thấm thấp. Nghiên cứu này được thực hiện dưới tác dụng của tải trọng nén và giả định định luật Darcy là đúng.
Sự biến dạng của đất là do tác động có hiệu quả ứng suất (được định nghĩa là sự chênh lệch giữa ứng suất tổng và áp lực nước lỗ rỗng dư). Áp lực nước lỗ rỗng dư được tạo ra do tải trọng ban đầu truyền vào ma trận đất (Cavalcanti và Telles, 2003) [48]. Lý thuyết của Terzaghi sau đó được Biot (1941) [44] khái quát hóa thành phiên bản ba chiều và được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực thực tế. Hơn nữa, sự khái quát hóa ba chiều của lý thuyết Terzaghi cũng do Rendulic đề xuất (1936) [72].
Sự khái quát hóa này dẫn đến một phương trình khuếch tán hai chiều trong đó ứng suất tổng được giả định là không đổi trong suốt quá trình cố kết (Meijer, 1985) [66]. Lý thuyết cố kết thẳng đứng của Tezraghi Lý thuyết cố kết thẳng đứng của Terzaghi đề cập đến quá trình nén một chiều được sử dụng trên đất sét yếu khi chịu tải trọng tăng. Terzaghi (1943) [81] cho rằng: mẫu đất bị nén chặt là kết quả của sự thoát nước trong lỗ rỗng. Nén một chiều, trong đó biến dạng xảy ra theo hướng tải trọng, có một ý nghĩa đặc biệt trong cơ học đất và kỹ thuật nền móng (Powrie, 2004) [71].
Trong thực tế, các phép thử cố kết một chiều được sử dụng để ước tính các thông số chịu nén của đất. Các thí nghiệm Oedometer thông thường được nêu ra bởi Terzaghi từ các giả định sau: 1. Đất đồng nhất và bão hòa hoàn toàn; 2. Tải trọng tác dụng 1 lần tức thời không đổi trong suốt quá trình cố kết; 3.
Tốc độ nén lún của đất chỉ phụ thuộc tốc độ thoát nước trong đất. Quá trình thấm thoát nước tuân theo định luật Darcy; 7 4. Nước và các hạt đất coi như không thay đổi thể tích khi chịu nén; 5. Biến dạng của đất cũng như quá trình thoát nước lỗ rỗng chỉ diễn xảy theo chiều thẳng đứng; 6.
Hệ số thấm k và hệ số nén lún a của đất chịu nén là hằng số trong quá trình cố kết thấm; 7. Sự cố kết thứ cấp được bỏ qua (Calabria, 1996) [47]. Những giả định này có giá trị đối với đất hạt mịn nhưng có một số hạn chế: 1. Hệ số thấm k và hệ số nén thể tích mv được coi là không đổi.
Tuy nhiên, trong quá trình cố kết, hệ số rỗng (e) giảm dẫn đến hệ số thấm giảm. Như vậy, hệ số thấm không phải là hằng số, mv thay đổi theo mức độ nén, dẫn đến sự khác biệt giá trị của hệ số cố kết; 2. Dòng thấm được coi là một chiều nhưng thực tế nó là ba chiều; 3. Giả thiết việc áp dụng tải trọng sẽ tạo ra áp lực nước dư trên toàn bộ tầng đất, nhưng trong một số trường hợp, áp lực nước dư thừa không phát triển trên toàn bộ tầng đất sét (Whitlow, 2001) [87].
Trong quá trình cố kết có thể xảy ra hai điều kiện thoát nước là thoát nước 1 chiều và thoát nước 2 chiều. Trong điều kiện thoát nước 1 chiều, trên mặt cắt, lớp đất yếu cần gia cố nằm trên lớp đất nền không thấm nước. Vì vậy, mức độ cố kết của lớp đất gia cố theo độ sâu cho các giá trị khác nhau (Hình 1. Đối với lớp đất gia cố có khả năng thoát nước cả ở mặt trên và mặt dưới (thoát nước 2 chiều), sự cố kết của nửa dưới của lớp đất là hình ảnh phản chiếu của nửa trên (Berry và Reid, 1987) [43].
Sơ đồ thoát nước cố kết này được thể hiện trong Hình 1. Kết quả của hiện tượng thoát nước này là áp lực nước lỗ rỗng dư sẽ xuất hiện ở tâm và đáy lớp đất dưới hệ thống thoát nước 2 chiều và 1 chiều tương ứng. Điều kiện thoát nước của đất ở a) thoát nước đơn và b) thoát nước kép (Head, 1998) [54] 8 1.