Luận Văn Thạc Sĩ: Đánh Giá Độ Cố Kết Đất Sét Dựa Trên Độ Lún Và Áp Lực Nước Lỗ Rỗng Thặng Dư

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu địa kỹ thuật xây dựng nghiên cứu đánh giá độ cố kết của đất loại sét theo độ lún và mức độ tiêu tán, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất

• Tác giả: Huỳnh Kim Linh
• Người hướng dẫn: PGS. Bùi Trường Sơn
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Nghiên cứu đánh giá độ cố kết của đất loại sét theo độ lún và mức độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Độ cố kết đất sét

Độ cố kết đất sét là một khái niệm quan trọng trong địa kỹ thuật, đặc biệt khi nghiên cứu về sự ổn định của nền đất. Độ cố kết được xác định thông qua độ lún và áp lực nước lỗ rỗng thặng dư. Quá trình cố kết xảy ra khi nước trong lỗ rỗng của đất sét thoát ra ngoài, dẫn đến sự giảm thể tích và tăng độ chặt của đất. Thí nghiệm cố kết được thực hiện để đánh giá quá trình này, với mục tiêu xác định thời gian cần thiết để đất đạt được độ cố kết hoàn toàn.

1.1. Độ lún và áp lực nước lỗ rỗng

Độ lún là một chỉ số quan trọng để đánh giá độ cố kết đất sét. Khi đất chịu tải trọng, nước trong lỗ rỗng bị ép ra ngoài, dẫn đến sự lún của đất. Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư là áp lực dư thừa trong lỗ rỗng của đất sau khi tải trọng được áp dụng. Sự tiêu tán của áp lực này theo thời gian là yếu tố quyết định tốc độ cố kết. Kết quả thí nghiệm cho thấy áp lực nước lỗ rỗng thặng dư không tiêu tán đồng thời với độ lún, điều này cần được xem xét trong các mô hình tính toán.

1.2. Mô hình đất sét bão hòa

Đất sét bão hòa là loại đất có lỗ rỗng chứa đầy nước, đóng vai trò quan trọng trong quá trình cố kết. Độ thấm đất sét ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ thoát nước và do đó ảnh hưởng đến thời gian cố kết. Các mô hình đất sét được sử dụng để mô phỏng quá trình này, bao gồm cả việc xem xét tính chất cơ học đất và quá trình cố kết. Các mô hình này giúp dự đoán chính xác hơn về độ lún và áp lực nước lỗ rỗng trong các điều kiện khác nhau.

II. Phương pháp nghiên cứu và thí nghiệm

Phương pháp nghiên cứu trong luận văn bao gồm thí nghiệm nén cố kết và phân tích áp lực nước lỗ rỗng. Các thí nghiệm được thực hiện trên mẫu đất sét mềm để đánh giá độ cố kết thông qua độ lún và áp lực nước lỗ rỗng thặng dư. Kết quả thí nghiệm cho thấy sự khác biệt giữa độ lún và áp lực nước lỗ rỗng, điều này cần được xem xét trong các mô hình tính toán. Lý thuyết cố kết có xét đến từ biến cốt đất được sử dụng để mô tả quá trình tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng.

2.1. Thí nghiệm nén cố kết

Thí nghiệm nén cố kết được thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN 4200:2012. Trong quá trình thí nghiệm, độ lún và áp lực nước lỗ rỗng được đo đạc theo thời gian. Các phương pháp như phương pháp Casagrande và phương pháp Taylor được sử dụng để xác định hệ số cố kết Cv. Kết quả thí nghiệm cho thấy áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tăng lên sau khi đặt tải và giảm dần sau khi đạt giá trị lớn nhất, thời gian tiêu tán hoàn toàn xấp xỉ thời gian mẫu đất đạt cố kết 100%.

2.2. Phân tích áp lực nước lỗ rỗng

Phân tích áp lực nước lỗ rỗng là một phần quan trọng trong nghiên cứu. Kết quả thí nghiệm cho thấy áp lực nước lỗ rỗng thặng dư không tiêu tán đồng thời với độ lún. Điều này cho thấy sự cần thiết của việc xem xét từ biến cốt đất trong các mô hình tính toán. Lý thuyết cố kết có xét đến từ biến cho phép mô tả gần đúng mức độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư, giúp hiểu rõ hơn về quá trình cố kết trong đất sét.

III. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong thực tiễn, đặc biệt trong việc thiết kế và xây dựng các công trình trên nền đất yếu. Kết quả nghiên cứu giúp hiểu rõ hơn về quá trình cố kết và độ lún của đất sét, từ đó cải thiện độ chính xác của các mô hình dự đoán. Đánh giá đất sét thông qua độ lún và áp lực nước lỗ rỗng giúp các kỹ sư đưa ra các giải pháp hiệu quả để xử lý nền đất, đảm bảo sự ổn định và an toàn cho công trình.

3.1. Cải thiện mô hình tính toán

Kết quả nghiên cứu giúp cải thiện các mô hình tính toán về độ cố kết đất sét. Việc xem xét từ biến cốt đất và áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong các mô hình giúp tăng độ chính xác của dự đoán về độ lún và thời gian cố kết. Điều này đặc biệt quan trọng trong các công trình lớn, nơi độ lún có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự ổn định của công trình.

3.2. Ứng dụng trong xử lý nền đất

Nghiên cứu này cung cấp cơ sở khoa học cho việc xử lý nền đất trong các công trình xây dựng. Đánh giá đất sét thông qua độ lún và áp lực nước lỗ rỗng giúp các kỹ sư lựa chọn các phương pháp xử lý nền đất phù hợp, như sử dụng bấc thấm hoặc gia tải trước. Điều này giúp rút ngắn thời gian cố kết và đảm bảo sự ổn định của công trình trong thời gian dài.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG ĐỘ LÚN THEO THỜI GIAN TRÊN CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỐ KẾT 1. Các phương pháp ước lượng độ lún 1. Phương pháp căn cứ trên cơ sở lý thuyết nền biến dạng đàn hồi Do đất nền không phải là vật thể hoàn toàn đàn hồi, ngoài biến dạng đàn hồi còn có biến dạng dẻo, nhưng lý thuyết đàn hồi cho đến nay vẫn được áp dụng rộng rãi và có hiệu quả đối với môi trường đất khi tải trọng của công trình tác dụng lên nền đất không gây vùng biến dạng dẻo lớn. Vấn đề này đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới xác minh bằng thực nghiệm trong phòng cũng như ngoài hiện trường.

Do đó, khi tính toán trị số độ lún cố kết sơ cấp có thể trực tiếp sử dụng những thành quả đã đạt được trong lý thuyết đàn hồi. Tuy nhiên, để xét đến đặc tính của đất, tức là có kể đến biến dạng dẻo của đất, thì trong tất cả các biểu thức có chứa giá trị số module đàn hồi E’ sẽ được thay bằng trị số module biến dạng tổng quát E0. Khi đó, cơ sở tính toán căn cứ trên lý thuyết đàn hồi [5]. Ngoài độ lún ổn định khi xem nền đất có chiều dày vô hạn và có chiều dày giới hạn ít được áp dụng tính toán hiện nay, phương pháp tổng độ lún các lớp phân tố thường áp dụng rộng rãi nhằm đạt độ chính xác cần thiết.

Nội dung cơ bản của phương pháp này là chia nền đất thành những lớp nhỏ có chung một tính chất bởi những mặt phẳng nằm ngang, sao cho biểu đồ phân bố ứng suất nén do tải trọng của công trình gây nên trong phạm vi mỗi lớp nhỏ thay đổi không đáng kể và độ lún toàn bộ của nền đất sẽ bằng tổng độ lún của từng lớp nhỏ đã được chia (Hình 1. Độ lún của công trình trong trường hợp này sẽ là: 4 b p h1 h2 h3 H h4 h5 h6 h7 z Hình 1. Sơ đồ tính toán độ lún theo phương pháp cộng lún lớp phân tố.1) i 1 Trong đó : S – độ lún toàn bộ của nền đất Si – độ lún của lớp đất phân tố thứ i Si = εzi hi [zi   'oi  xi  yi ] 1 Với: zi  (1.2) Eoi 1  e1 Eoi  1  2 'oi  (zi  xi  yi ) (1.3) e1  e2 Eoi, 0i - module biến dạng và hệ số Poisson của lớp đất phân tố thứ i. Trong bài toán không gian, trị số Si được tính theo biểu thức: 1   zi   'oi   xi   yi   e  e Si   zi h i    1i 2i h i (1.4) 1  2 oi   i  1  e1i 5 Trong đó: i  zi   xi   yi  Đối với bài toán phẳng, vì e yi = 0 hay zi   'oi xi   yi nên:  1 zi   'oi  zi  xi   e1i  e2i Si  ezi h i  1  2 'oi    hi (1.5) zi  xi  1  e1i Trong trường hợp bài toán một chiều, do không có xét đến hiện tượng nở hông của đất, nên exi = eyi = ezi và  xi   yi  oi  zi (  oi : hệ số áp lực hông), vì vậy trị số Si được tính toán theo biểu thức đơn giản sau: e e Si  1i 2i h i (1.6) 1  e1i Phương pháp này cho kết quả chính xác hơn so với trường hợp xem nền là một lớp duy nhất.

Ngoài ra, độ lún còn có thể tính theo quan hệ e-logσ’ [4]. Ñöôøng neùn laïi Ñöôøng neùn nguyeân thuûy Ñöôøng nôû vaø neùn laïi ' ' Hình 1. Biểu đồ quan hệ e-logσ. Độ lún tổng cộng của lớp đất cố kết thường được xác định bằng công thức: Cc h p  p S log o (1.7) 1  eo po Trong đó: Cc- chỉ số nén 6 h - bề dày lớp đất chịu nén e0 – hệ số rỗng ban đầu p0 – áp lực ban đầu (áp lực do trọng lượng bản thân) Δp- số gia áp lực (áp lực bổ sung do tải trọng ngoài) Đối với đất sét cố kết nặng công thức tính toán trở thành Cs h p Ch p  p S log c  c log o (1.8) 1  eo po 1  eo po Trong đó: Cs- chỉ số nở, pc- áp lực tiền cố kết.

Phương pháp lớp tương đương Phương pháp lớp tương đương cũng như một số phương pháp khác đều dựa trên cơ sở lý thuyết nền biến dạng tuyến tính. Nội dung của phương pháp này là thay việc tính toán độ lún của nền đất dưới tác dụng của tải trọng phân bố đều trên diện chịu tải bằng việc tính toán độ lún của nền đất dưới tác dụng của tải trọng có cùng trị số, nhưng phân bố đều kín khắp trên bề mặt nghĩa là nền bị lún theo điều kiện của bài toán một chiều. Điều này cho phép đơn giản hóa việc ước lượng độ lún và có thể sử dụng cho việc ước lượng độ lún theo thời gian [1], [5]. Trường hợp nền đồng nhất p Q Q p H= 2h s hs z z Hình 1.

Sơ đồ tính toán của phương pháp lớp tương đường. 7 Thiết lập công thức tính dựa vào cân bằng độ lún của hai biểu đồ tính lún, cuối cùng ta có công thức tính lún đơn giản như sau: S = a 0 hs p (1.9) Trong đó :  a0  Eo (1   '02 ) hs  b hoặc h s  Ab (1  2 '0 ) Với: A : tra bảng phụ thuộc vào n’ và tỷ số l/b.A Txưtôvich, chiều sâu vùng chịu nén h phụ thuộc vào trị số độ bền kết cấu pst, giá trị gradient thủy lực ban đầu io của đất và có thể tính toán theo biểu thức tổng quát sau đây.10)  i  p  p  o 2h s  n   Trong đó: poc = p – pst Trường hợp nền đất gồm nhiều lớp đất S = aomhsp (1.11) Trong đó : aom – hệ số nén tương đối trung bình của các lớp đất nằm trong phạm vi vùng chịu nén n a h z oi i i a om  i 1 (1. Phương pháp xác định độ lún theo thời gian 1. Ước lượng độ lún của nền theo thời gian trong điều kiện bài toán cố kết thấm một chiều Phương trình vi phân cố kết thấm một chiều theo lý thuyết cố kết của K.13) t z 2 Ở đây: Cv – hệ số cố kết, phụ thuộc vào đặc tính của đất k Cv  wa Với: k – hệ số thấm a – hệ số nén tương đối của đất w – trọng lượng riêng của nước Giải phương trình này với các điều kiện biên ban đầu và điều kiện biên thoát nước của lớp đất cố kết cho phép tìm được độ lún theo thời gian của bài toán cố kết thấm một chiều.

Trường hợp nén chặt lớp đất chịu tải trọng phân bố đều q (Hình 1.4), đặt tải tức thời vào thời điểm t = 0. Mặt biên của lớp đất ở z = 0 và z = h được xem như thấm nước. 4q  1 iz  C vi 2 2  u w  z, t    sin h exp   h 2 t   i 1,2.14)   Đặc điểm của biểu đồ áp lực thặng dư uw trong nước và ứng suất trong cốt đất ’ = q – uw được tính ở các thời điểm khác nhau t1 hoặc t2 tương ứng theo quan hệ (1.14) được trình bày trên (Hình1. Các biểu đồ áp lực trong nước lỗ rỗng (uw) và ứng suất lên cốt đất (’) trong lớp đất chịu tải trọng phân bố đều.

Biết ứng suất trong cốt đất ở thời điểm bất kỳ t, có thể xác định độ lún của lớp đất S(t) ở thời điểm đó. Lưu ý rằng quan hệ độ lún lớp đất có bề dày h có thể biểu diễn dưới dạng: a h h h h a a S  t    i  t  dz     q  u  dz 1  e 0 dz  dz  (1.15) 0 0 1 e 1 e 0 Ở đây: e – hệ số rỗng trung bình Đặt biểu thức (1.14) vào quan hệ (1.15) ta được: aq  4  1 iz  C vi 2 2   h S(t)  1   1  e 0   i 1,3,. i sin exp  2 t  dz  h  h  aq  4  1  C vi 2 2   h  1   1  e 0  4 i 1,3,. i 2 cos(i  1) exp  2 t  dz  (1.

i 2 exp  h2 t    Mặt phẳng z = h/2 (xem Hình 1.4) là mặt phẳng đối xứng đối với toàn bộ biểu đồ áp lực thặng dư trong nước lỗ rỗng và là biên phân cách các dòng nước bị nén ép ra khỏi 10 lỗ rỗng lên trên hoặc xuống dưới. Do đó, mặt phẳng này có thể xem như không thấm và lời giải cho sơ đồ này với nền không thấm có thể nhận được từ (1.16) bằng cách thay h bằng 2h1, tức là: 4q  1 iz  C v i 2 2  u w (z, t)    i1,3,.17) 2h1  4h 1  * Các lời giải cho những trường hợp thường gặp: Trong thực tế các sơ đồ tính toán thường gặp như sau: Sơ đồ 0: ứng với biểu đồ áp lực nén phân bố theo chiều sâu có dạng hình chữ nhật (bài toán 1 chiều) như hình (Hình 1. Sử dụng các điều kiện biên và điều kiện ban đầu, ta tìm được công thức xác định độ lún theo thời gian như sau: z z q h h h q q=h Sơ đồ 0 Sơ đồ 1 Sơ đồ 2 Hình 1. Các sơ đồ bài toán cố kết cơ bản thường gặp.

aqh  8  1  C vi 2 2   S t   1   exp   4h 2 t  2 1  e   2 i 1,3.18)   Sơ đồ 1: theo độ sâu, áp lực tăng dần 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: 11 aqh  32  1  C vi 2 2   S t   1   exp   4h 2 t  2 1  e   3 i 1,3.