Luận án tiến sĩ: Đánh giá độ lún cố kết nền đất yếu theo sơ đồ hai chiều và áp lực nước lỗ rỗng

Luận án tiến sĩ nghiên cứu phương pháp đánh giá độ lún cố kết nền đất yếu theo sơ đồ hai chiều, xem xét áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất trung bình.

• Tác giả: Lâm Ngọc Quí
• Người hướng dẫn: PGS. Bùi Trường Sơn
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Nghiên Cứu Phương Pháp Đánh Giá Độ Lún Cố Kết Nền Đất Yếu Theo Sơ Đồ Hai Chiều Có Xét Áp Lực Nước Lỗ Rỗng Phụ Thuộc Ứng Suất Trung Bình
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về độ lún nền đất yếu

Độ lún là một trong những yếu tố quan trọng trong thiết kế công trình xây dựng, đặc biệt là trên nền đất yếu. Đánh giá độ lún của nền đất yếu không chỉ giúp dự đoán sự ổn định của công trình mà còn ảnh hưởng đến tiến độ thi công. Nền đất yếu thường có đặc điểm là khả năng chịu tải kém, dẫn đến việc đánh giá độ lún trở nên phức tạp hơn. Theo lý thuyết cố kết của Terzaghi, độ lún của nền đất yếu có thể được ước lượng thông qua các phương pháp khác nhau, trong đó có phương pháp cố kết một chiều. Tuy nhiên, lý thuyết này vẫn còn nhiều hạn chế khi áp dụng vào thực tế, đặc biệt là trong các điều kiện địa chất phức tạp. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp mới để đánh giá độ lún là rất cần thiết.

1.1. Tầm quan trọng của việc đánh giá độ lún

Việc đánh giá độ lún có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho các công trình xây dựng. Đặc biệt, trong các khu vực có lớp đất yếu dày, độ lún không đồng đều có thể dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng như nứt tường, sụt lún, và thậm chí là sập đổ công trình. Do đó, việc áp dụng các phương pháp chính xác để đánh giá độ lún là cần thiết để đảm bảo tính bền vững của công trình. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng, độ lún có thể chiếm từ 80-95% tổng độ lún của nền đất yếu dưới tác động của tải trọng. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp đánh giá độ lún hiệu quả.

II. Các phương pháp đánh giá độ lún

Có nhiều phương pháp khác nhau để đánh giá độ lún của nền đất yếu, bao gồm phương pháp lý thuyết và phương pháp thực nghiệm. Phương pháp lý thuyết thường dựa trên các mô hình toán học để dự đoán độ lún dựa trên các thông số địa chất và tải trọng. Trong khi đó, phương pháp thực nghiệm thường sử dụng các thiết bị đo lường để thu thập dữ liệu thực tế từ các mẫu đất. Một trong những phương pháp phổ biến là thí nghiệm nén cố kết, trong đó áp lực nước lỗ rỗng được đo và phân tích để xác định độ lún. Kết quả từ các thí nghiệm này cho thấy rằng áp lực nước lỗ rỗng có thể ảnh hưởng lớn đến độ lún của nền đất yếu, đặc biệt là trong các điều kiện có tải trọng lớn.

2.1. Phương pháp lý thuyết

Phương pháp lý thuyết thường sử dụng các mô hình toán học để đánh giá độ lún. Một trong những mô hình phổ biến là mô hình cố kết một chiều của Terzaghi, tuy nhiên, mô hình này có nhiều hạn chế khi áp dụng vào thực tế. Để cải thiện độ chính xác, các nghiên cứu gần đây đã đề xuất mô hình cố kết hai chiều, cho phép xem xét ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất trung bình. Mô hình này giúp dự đoán độ lún một cách chính xác hơn, đặc biệt trong các điều kiện có lớp đất yếu dày. Việc áp dụng mô hình này trong thực tế có thể giúp các kỹ sư xây dựng đưa ra các quyết định chính xác hơn trong thiết kế và thi công công trình.

III. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng phương pháp đánh giá độ lún mới đề xuất có thể dự đoán chính xác độ lún của nền đất yếu. Các thí nghiệm cho thấy rằng áp lực nước lỗ rỗng gia tăng từ từ và đạt giá trị lớn nhất sau khoảng 50-70 phút. Điều này cho thấy rằng thời gian cũng là một yếu tố quan trọng trong quá trình cố kết. Kết quả tính toán cho thấy độ lún do biến dạng thể tích trong nền đất yếu dưới công trình đắp chiếm từ 80-95%. Những kết quả này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao trong việc thiết kế và thi công các công trình hạ tầng ở các tỉnh phía Nam, nơi có lớp đất yếu dày.

3.1. Ứng dụng trong thiết kế công trình

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong thiết kế các công trình xây dựng trên nền đất yếu. Việc sử dụng phương pháp đánh giá độ lún mới giúp các kỹ sư có thể dự đoán chính xác hơn về độ lún của nền đất, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế hợp lý. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn đảm bảo an toàn cho các công trình. Ngoài ra, việc áp dụng các phương pháp mới trong địa kỹ thuật cũng giúp nâng cao hiệu quả thi công và giảm thiểu rủi ro trong quá trình xây dựng.

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 1.1 Các phương pháp ước lượng độ lún và độ lún của nền đất theo thời gian theo lý thuyết cố kết 1.1 Các phương pháp ước lượng độ lún Trong tính toán thiết kế móng nông hay công trình đất, độ lún của nền đất dự tính chủ yếu là chuyển vị đứng tại tâm diện gia tải. Theo các chỉ dẫn trong các tài liệu phổ biến, độ lún được xác định bằng các dữ liệu thí nghiệm nén lún như module tổng biến dạng Eo, hệ số Poisson  hay hệ số nén thể tích ao [1], [2], [3], [4], chỉ số nén Cc, chỉ số nén lại Cr và áp lực tiền cố kết pc [5], [6], [7] kết hợp với ứng suất gây lún theo phương đứng. Ở đây, việc sử dụng Cc, Cr, pc hoặc trực tiếp theo hệ số rỗng để ước lượng độ lún căn cứ trên cơ sở bài toán một chiều và xem độ lún hoàn toàn do nén thể tích. Ngoài ra, việc sử dụng đại lượng Eo hay ao để ước lượng độ lún cũng căn cứ trên cơ sở bài toán một chiều do xem đất nền dưới móng không có chuyển vị ngang.

Tuy nhiên, theo lý thuyết về phân bố ứng suất, có thể nhận thấy đối với móng nông, độ lún dự tính ở tâm thường lớn hơn thực tế do độ lún ở biên móng nhỏ hơn và độ cứng của móng phân phối lại độ lún. Ngoài ra, có thể qui đổi module tổng biến dạng từ thí nghiệm trong phòng theo module biến dạng xác định bằng phương pháp nén tải trọng tĩnh để độ lún tại tâm móng phù hợp với thực tế hơn [4]. Trong thực tế, mặc dù chịu áp lực đất xung quanh nhưng nền đất yếu bão hòa nước dưới công trình đắp có thể bị dịch chuyển theo phương ngang dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng, nhiều kết quả quan trắc chuyển vị ngang trong nền đất yếu cho thấy rõ điều đó [8], [9]. Hơn nữa, việc phân tích đánh giá đặc điểm chuyển vị của đất nền có thể thực hiện bằng các phần mềm trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn và kết quả cho thấy chuyển vị ngang trong nền đất xảy ra khi chịu tác dụng của tải trọng thẳng đứng.

Tồn tại một số phương pháp khác nhau để xác định trị số lún như lý thuyết nền biến dạng đàn hồi cục bộ, lý thuyết nền hỗn hợp, lý thuyết nền biến dạng tổng quát, lý thuyết nền biến dạng tuyến tính. Các lý thuyết này đều căn cứ trên cơ sở lý thuyết đàn hồi [1], [2]. 6 Trong đánh giá độ lún của nền đất dưới tác dụng của tải trọng ngoài, phạm vi vùng chịu lún ảnh hưởng đáng kể lên giá trị độ lún dự tính cũng như cách xác định độ lún. Trong các bài toán ứng dụng, phạm vi vùng chịu nén lún thường được đánh giá dưới dạng bề dày lớp đất chịu nén kể từ biên tác dụng tải trọng.

Ngoài phương pháp xác định theo giá trị độ bền cấu trúc pst theo N. Txưtôvich [2] và theo gradient ban đầu io cho đất loại sét theo N. Các phương pháp dự tính độ lún nền đất phổ biến bao gồm: phương pháp sử dụng đường cong nén lún e -  [1], [2]; phương pháp sử dụng đường cong nén e – log(p) [6]; phương pháp căn cứ lý thuyết nền biến dạng đàn hồi toàn bộ trường hợp nền đất có chiều dày vô hạn và trường hợp nền đất có chiều dày giới hạn [1], [2]; phương pháp lớp tương đương của N. Các phương pháp này căn cứ mô hình cột đất biến dạng theo phương đứng, phụ thuộc ứng suất theo phương đứng và xem độ lún của nền đất là do biến dạng thể tích.

Trong đó, phương pháp lớp tương đương cho phép đánh giá độ lún theo thời gian trên cơ sở lý thuyết cố kết một chiều do sơ đồ bài toán tính lún được qui đổi thành bài toán một chiều. Nếu xem nền đất dưới tác dụng tải trọng ngoài có dạng mô hình cột đất đàn hồi và độ lún tổng cộng bao gồm hai thành phần do biến dạng hình dạng và biến dạng thể tích [11]: h  z  h    3 S  S s  Sv   dz 3 dz  z h  h (1.1) 0 2 G 0 K 2 G K Eo Eo ở đây: G – module cắt, G  ; K – module nén thể tích, K  ; z,  - ứng 2 1    (1  2 ) suất theo phương đứng và ứng suất trung bình; h – bề dày lớp đất chịu nén. Căn cứ đặc trưng biến dạng theo kết quả thí nghiệm của cùng một mẫu đất, cùng bề dày lớp đất chịu nén theo trạng thái ứng suất, việc tính toán và mô phỏng theo sơ đồ bài toán nén đất một chiều và hai chiều được thực hiện nhằm phân tích độ lún dưới móng nông 7 theo các phương pháp khác nhau. Các kết luận về giá trị độ lún được rút ra như sau [12]: độ lún theo đường cong nén e - log(p) khi xem nền là một lớp cho giá trị bé nhất.

Ở đây, cũng nên lưu ý rằng trong các tài liệu chỉ dẫn sử dụng phương pháp này việc tính toán thường chỉ tính cho nền một lớp; độ lún khi xem nền là bán không gian vô hạn cho giá trị lớn nhất và lớn hơn đáng kể so với các kết quả dự tính theo các phương pháp khác; kết quả mô phỏng bằng Plaxis cho thấy đất nền dưới mép móng chuyển vị ngang. Phần chuyển vị ngang chủ yếu hướng về phía ngoài móng nên gây ra độ lún bổ sung; phương pháp phân chia độ lún thành hai thành phần cho giá trị độ lún tại tâm lớn hơn nhưng khác biệt không đáng kể so với các phương pháp khác và phù hợp áp dụng cho sơ đồ bài toán phẳng. Trong tính toán độ lún theo đường cong e - log(p), là phương pháp được qui định sử dụng cho nền đường [7], cần lưu ý giá trị pc ảnh hưởng đáng kể lên kết quả độ lún dự tính nên có thể gây sai số lớn trong kết quả. Ngoài ra, việc ước lượng giá trị pc phụ thuộc nhiều yếu tố như: cấp áp lực nén, vị trí chọn điểm uốn nên giá trị này có thể khác biệt và khó xác định chính xác.

Phương pháp phân chia độ lún thành hai thành phần cho độ lún khác biệt không đáng kể so với các phương khác nên phù hợp sử dụng khi dự tính sự phân bố độ lún ở tâm và ở biên trong nền đắp do các phương pháp không ứng dụng được. Ngoài ra, kết quả tính toán và so sánh với sự phân bố độ lún ổn định của nền được xử lý bấc thấm kết hợp gia tải trước cho thấy phương pháp phân chia độ lún làm hai thành phần cho kết quả độ lún và phân bố chuyển vị trong nền đất phù hợp với kết quả quan trắc [13].2 Ước lượng độ lún của nền đất theo thời gian trong điều kiện bài toán cố kết một chiều Cho đến nay, lý thuyết cố kết của K. Terzaghi vẫn được sử dụng rộng rãi do cơ sở lý thuyết chặt chẽ và phù hợp áp dụng đối với đa số các bài toán thực tế [14]. Lý thuyết cố kết của K.

Terzaghi căn cứ trên cơ sở xem biến dạng cốt đất tuân theo định luật biến dạng tuyến tính theo sơ đồ một chiều và hiện tượng thấm trong đất tuân theo định luật Darcy. Để thuận tiện trong áp dụng tính toán, một số rút gọn trong công thức xác định độ lún theo thời gian dưới dạng chuỗi hay các hàm số xấp xỉ được đề nghị sử dụng [15]. 8 Phương trình vi phân cố kết một chiều theo lý thuyết cố kết của K. Terzaghi có dạng: u  2u  Cv 2 (1.2) t z k ở đây: Cv – hệ số cố kết: Cv  , với: k – hệ số thấm; a0 – hệ số nén tương đối của  w a0 cốt đất; w – trọng lượng riêng của nước.

Lời giải phương trình (1.2) với các điều kiện ban đầu và điều kiện biên khác nhau cho phép tìm được độ lún theo thời gian. Trường hợp lớp đất chịu tải trọng phân bố đều q (Hình 1.1) tức thời, mặt biên của lớp đất ở z = 0 và z = h được xem như thấm nước, lời giải nhận được dưới dạng chuỗi Fourier [14]: 4q  1 i z  Cvi 2 2  u  z, t    sin h exp   h2 t   i 1,2.3)   Đặc điểm của biểu đồ áp lực thặng dư u trong nước và ứng suất trong cốt đất ’ = q – u ở các thời điểm khác nhau t1 hoặc t2 tương ứng theo quan hệ (1.3) được trình bày trên Hình 1.1 Các biểu đồ áp lực trong nước lỗ rỗng (u) 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. Độ lún theo thời gian lớp đất có bề dày h có thể biểu diễn dưới dạng: 9 a  h h h h a a S  t     i  t  dz   dz    dz    q  u  dz (1.4) 0 0 1  e 1  e 0 1  e 0 ở đây: e – hệ số rỗng trung bình Đặt biểu thức (1.3) vào quan hệ (1.4) nhận được: aq  4  1 i z  Cvi 2 2   h S (t )  1   1  e 0   i 1,3,. i sin exp  2 t  dz  h  h  aq  4  1  Cvi 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    Bằng cách tương tự, giải phương trình (1.2) có thể nhận được các quan hệ đối với việc xác định ứng suất trong lớp đất cố kết dưới tác dụng của trọng lượng bản thân bzb trong điều kiện gia tải tức thời lên lớp đất trên nền không thấm (Hình 1.2 b) và thoát nước (Hình 1. Khi ở mặt trên của lớp đất xuất hiện tức thời áp lực nước lỗ rỗng (ALNLR) trong nước Hs (Hình 1.2 d) làm xuất hiện lực thấm  = wHs/h và gây tăng nhanh quá trình cố kết lớp đất.