Để tìm hiểu và trao đổi thêm về vấn đề này, trên cơ sở phân tích bản chất của liên kết kiến trúc trong đất loại sét, tác giả phân tích quan hệ giữa liên kết kiến trúc và độ bền liên kết
Trang 1Một số vấn đề về liên kết kiến trúc
vμ độ bền liên kết kiến trúc với đặc trưng
độ bền của đất loại sét
ThS nguyễn đức mạnh
Bộ môn Địa kỹ thuật Khoa Công trình - Trường Đại học GTVT
Tóm tắt: Độ bền liên kết kiến trúc ở đất loại sét lμ một trong những đặc trưng quan trọng
liên quan đến độ bền của đất Bμi báo phân tích một số vấn đề cơ bản về liên kết kiến trúc vμ
độ bền liên kết kiến trúc với tính biến dạng vμ sức chống cắt của đất loại sét (đất dính)
Summary: The strength of structural joint is one of the important properties in cohesive
soil, related to strength of soil The article analyses some basic issues on structural joint and strength of structural joint with the strain and shear resistance of the cohesive soil
i đặt vấn đề
Độ bền của đất đá nói chung không chỉ
phụ thuộc vào độ bền của từng hạt khoáng
vật, mà còn phụ thuộc nhiều vào độ bền liên
kết giữa chúng - nghĩa là mối liên kết kiến
trúc, đặc biệt là đất loại sét Sự hình thành và
quá trình phát triển mối liên kết kiến trúc của
đất loại sét gắn chặt với quá trình thành tạo
đất Nghĩa là, cùng với việc nước trong lỗ rỗng
thoát ra, các hạt đất được nén chặt thì mối liên
kết kiến trúc trong đất được củng cố và phát
triển Chính sự củng cố mối liên kết kiến trúc
này làm cho độ bền liên kết kiến trúc của đất
ngày một tăng Độ bền liên kết kiến trúc là
một trong số những yếu tố có ý nghĩa quan
trọng, quyết định đến tính chất xây dựng của
đất loại sét
Để tìm hiểu và trao đổi thêm về vấn đề
này, trên cơ sở phân tích bản chất của liên kết
kiến trúc trong đất loại sét, tác giả phân tích
quan hệ giữa liên kết kiến trúc và độ bền liên
kết kiến trúc với đặc trưng độ bền của đất loại sét Bước đầu nghiên cứu vấn đề này, bài viết còn đưa ra một vài chỉ tiêu cơ lý từ kết quả thí nghiệm mẫu đất nguyên trạng và chế bị, đó
có thể là một trong số những cơ sở chứng tỏ vai trò của độ bền liên kết kiến trúc và liên kết kiến trúc cần được quan tâm nghiên cứu
ii liên kết kiến trúc trong đất loại sét
1 Bản chất của liên kết kiến trúc
Liên kết kiến trúc trong đất phát sinh do kết quả tác dụng qua lại giữa các ion và nguyên tử của mạng tinh thể khoáng vật cấu tạo nên hạt đất Cũng như giữa chúng và các ion, nguyên tử và phân tử của chất gắn kết các hạt đất Theo quan điểm vật lý, những liên kết này được tạo ra bởi các lực hút phân tử (Van dec van), ion, nguyên tử và từ, và lực
đẩy giữa các hạt Điều này cho thấy, chính tính dính của đất loại sét phát sinh là kết quả tác dụng qua lại trực tiếp giữa các hạt, cũng
Trang 2như bởi các chất khác khi gắn kết các hạt
Theo kết quả nghiên cứu của Deryagin
(1934-1956), Nerpin (1967) và một số tác giả
khác cho thấy; khi các hạt dịch lại sát nhau sẽ
phát sinh các lực chống nén, chống cắt và
chống kéo đàn hồi phân tử Nếu ngoài các lực
phân tử đó, trên bề mặt các hạt còn có tác
dụng của các lực khác thì chúng có thể làm
tăng cường hoặc yếu đi sự tác dụng qua lại
của các hạt Lực hút và lực đẩy bị biến đổi
cùng với sự thay đổi khoảng cách giữa các
hạt Giá trị và dấu của các lực trên bề mặt hạt
phụ thuộc vào cấu trúc ô mạng tinh thể
khoáng vật của các hạt, thành phần và độ
khoáng hoá của môi trường bao quanh chúng
Trong tự nhiên, sự hình thành lực dính kết
giữa các hạt đất là do tác dụng đồng thời của
các lực phân tử, ion, nguyên tử và từ Song vai
trò tương đối của mỗi lực này có thể khác
nhau tuỳ thuộc vào loại đất sét đang nghiên
cứu cũng như trạng thái của nó
2 Sự hình thành liên kết kiến trúc
trong quá trình thành tạo đất đá loại sét
Theo Lômtađze và một số tác giả khác,
các trầm tích mới lắng đọng (bùn sét ở trạng
thái chảy, lỏng) vẫn phát sinh liên kết kiến
trúc, chúng chi phối cả khối trầm tích (đó là do
các hạt sét lơ lửng, khi chuyển động sẽ va
chạm nhau, dính lại với nhau nhờ tác dụng
của lực bề mặt) Song những liên kết kiến trúc
ở dạng này có độ bền không lớn, dễ bị phá
huỷ Rebinđer (1950) gọi loại liên kết này là
ngưng keo xúc biến (vì ở giai đoạn đầu này,
trầm tích có đặc điểm là chuyển hoá xúc biến)
Trong quá trình nén chặt, theo mức độ
nén chặt trầm tích sét (kèm theo sự mất nước
và biến đổi mạnh mẽ của các quá trình địa
hoá), diện tích tiếp xúc của các hạt trong một
đơn vị thể tích tăng lên, làm cho tác dụng qua
lại các hạt mạnh thêm và liên kết kiến trúc
được tăng cường Khi bị mất nước dần, các
hạt và màng keo sét gắn kết trầm tích lại,
đồng thời nhờ tác dụng của các quá trình địa hoá làm kết tinh các thành tạo khoáng vật mới
từ trong dung dịch quá bão hoà Điều này dẫn
đến thành phần ban đầu của trầm tích bị biến
đổi và làm phát triển những liên kết kiến trúc bền, cứng hơn Theo Rebinđer (1950), các liên kết kiến trúc đó gọi là liên kết kiến trúc ngưng tụ kết tinh (ion, từ, nguyên tử và phân tử) Đồng thời với quá trình hình thành và phát triển liên kết gắn kết làm cho đất loại sét mất dần tính xúc biến
Sự hình thành các liên kết kiến trúc được phát sinh và phát triển dần đồng thời với quá trình thành tạo đất đá trầm tích loại sét Nói cách khác, bản chất vật lý của sự hình thành liên kết kiến trúc trong trầm tích sét là quá trình tương tác – tác dụng lực hút và lực đẩy giữa các hạt khoáng để làm thay đổi trạng thái
và thành phần vật chất của chúng Chính yếu
tố môi trường trầm tích (độ pH, lượng muối trong đất ) cũng đã tác động rất nhiều đến quá trình hình thành liên kết kiến trúc của đất Nhiều nghiên cứu đã chứng minh, liên kết kiến trúc trong đất loại sét chỉ do lực phân tử gây nên sẽ không tạo thành các hợp thể, vi hợp thể lớn và ổn định trong nước Tức là sự tăng độ bền và độ chịu nước của các hợp thể phần chính là do quá trình dán dính và gắn kết các hạt khoáng bởi những hợp chất hoá học
và keo – Tức là do lực hoá học (ion, cộng hoá trị và hyđrô) và lực từ
Như vậy, liên kết kiến trúc trong đất loại sét được tạo thành do sự bám dính giản đơn của các khoáng vật với nhau, hoặc do sự gắn kết chúng bằng các chất khoáng hoặc chất hữu cơ mới (được hấp thụ trên bề mặt các hạt khoáng hoặc lấp đầy trong các lỗ rỗng) Từ
đặc điểm về liên kết kiến trúc cho thấy, độ bền liên kết kiến trúc trong đất đá loại sét
được quyết định bởi các yếu tố như: Thành phần khoáng vật, mức độ phân tán, độ ẩm, độ chặt, thành phần và tính chất của chất gắn kết
Trang 3III độ bền liên kết kiến trúc với tính
chất biến dạng của đất loại sét
1 Đánh giá chung
Dưới tác dụng của tải trọng ngoài, đất bị
biến dạng (nén chặt), tức là bị nén lún Khi
nén chặt, độ rỗng của đất giảm, độ chặt và
sức chống cắt tăng Việc nén chặt đồng thời
có thoát nước trong lỗ rỗng của đất bão hoà
gọi là cố kết
Quá trình nén đất được biểu diễn trên
biểu đồ quan hệ về sự thay đổi giữa hệ số
rỗng của đất (e) và tải trọng tác dụng (σ)
(hình 1)
[1] đường nén (tăng tải)
[2] đường nở (dỡ tải)
Hình 1 Đường cong nén lún
Trên mỗi đường cong nén lún có hai
nhánh - đường cong nén chặt và đường cong
nở khi dỡ tải Khi nén chặt đất dưới một tải
trọng, biến dạng toàn phần S là tổng của biến
biến dạng dư S
ư xuất hiện do sự giảm lỗ rỗng
a các
ủa đất tron
yết thấm của K Terzaghi, N
M G
ự nhiên, dưới tác dụng của áp lực
địa t
nghịch)
Biến dạng d , tăng độ chặt của đất – chính là hậu quả của sự phá hoại liên kết kiến trúc và sự chuyển vị của các hạt đất Biến dạng này gọi
là biến dạng kiến trúc (Đênixôv, 1951)
Biến dạng đàn hồi là do lực đàn hồi củ hạt khoáng vật, của màng nước hấp phụ bao quanh hạt, của bóng nước, khí và hơi giam hãm trong lỗ rỗng Đối với đất loại sét nói riêng, loại biến dạng này là không đáng
kể Mặt khác khi giảm tải, hoặc khi cho nước vào trong đất lực hấp phụ có thể vượt quá ứng suất trong các liên kết kiến trúc, khi đó chiều dày của vỏ hyđrat sẽ tăng lên và sẽ làm cho
đất nở ra (hồi phục lại) ở một số loại đất sét, biến dạng đàn hồi này có thể đạt giá trị lớn Biến dạng thuận nghịch có liên quan đến sự thay đổi bề dày của vỏ hyđrat được gọi là biến dạng hấp phụ kiến trúc (theo Đênixov)
2 Cố kết và quá trình cố kết c
e
S
0,4
0,2
0
σch
0,6
0,8
s2
3.0
b - Đường cong nén có vòng trễ.
1.0 2.0 4.0
kPa
σ d
s1
a - Đường cong nén lún
A
0
e2
e1
2
M1
α
M2
1
e
g tự nhiên
Theo lý thu erxevanop cố kết thấm của đất xảy ra khi
có ngoại lực tác dụng, hoặc do trọng lượng các lớp đất nằm trên làm cho đất bị nén chặt
và có kèm theo nước trong lỗ rỗng được thoát
ra (cố kết)
Trong t ầng và áp lực của nước trên mặt, đất được nén chặt lại (liên kết kiến trúc được củng cố và phát triển) - đất được cố kết Càng xuống sâu,
càng tăng, tạo điều kiện cho mức độ cố kết càng cao Song khả năng cố kết của đất còn phụ thuộc vào thành phần vật chất, độ chặt, khả năng thoát nước, áp lực tác dụng lên, lịch
sử chịu tải, điều kiện tồn tại cũng như thời gian thành tạo của nó Do đó, mức độ cố kết của
đất trong tự nhiên không phải sẽ luôn tăng theo chiều sâu Chẳng hạn, với một tầng đất
Trang 4bùn yếu, chứa nhiều hữu cơ có thể nằm sâu
nhưng chưa cố kết xong do khả năng thoát
nước lỗ rỗng kém
Đất trong tự nhiên có thể chia làm ba
dạng
kết, hiện tại quá trình cố kết vẫn
ết bình thường, ở loại đất này
quá
quá cố kết là loại đất đã từng chịu tác
dụng
ới độ bền liên kết k
hặt đất, nếu tải trọng ngoài bé
hơn
iên cứu đã chứng tỏ, biến
trong tự nhiên,
độ b
Hình 2 Đường cong nén lún của đất loại sét
lún cho thấy, chín
kPa
σ
c)
ch 1
cơ bản sau: Đất chưa cố kết (under
consolidation), đất cố kết bình thường (normal
consolidation) và đất quá cố kết (over
consolidation)
Đất chưa cố
đang xảy ra, mặt đất vẫn đang lún xuống,
nước vẫn thoát ra Đất chưa cố kết có áp lực
(consolidation pressure - Pc) Thuộc loại đất
này bao gồm có các trầm tích ở giai đoạn lắng
đọng (bùn đáy sông, biển, hồ), các tầng đất
yếu chứa hữu cơ thoát nước kém, các tầng đất
chịu ảnh hưởng của sự hạ thấp mực nước dưới
đất (Po > Pc)
Đất cố k
trình cố kết đã kết thúc dưới tác dụng của
áp lực tự nhiên đạng tác dụng, nước không
thoát ra nữa Đất cố kết bình thường có
P
o = Pc
Đất
của tải trọng lớn, sau đó một phần tải bị
dỡ đi Tức là đất có Po < Pc Với loại đất này,
khi tải trọng tác dụng vượt quá tải trọng đã
từng chịu trước đây đất mới bị biến dạng
Thuộc loại này, là đất đá ở nơi có bề mặt bị
bóc mòn hoặc băng tan
3 Đường cong nén lún v
iến trúc
Khi nén c
tải trọng có hiệu (độ bền liên kết kiến
trúc) thì biến dạng rất bé, khi đó coi đất là vật
thể gần như rắn Sự bắt đầu lún của đất chỉ
bắt đầu từ khi tải trọng ngoài vượt quá tải
trọng có hiệu (Pc - σch)
Nhiều kết quả ngh
dạng của đất gắn liền với sự phân bố lực
ngoài, sự thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng vừa phụ thuộc vào độ bền liên kết kiến trúc, vừa phụ thuộc vào khả năng linh động của nước trong lỗ rỗng, tức là để nước có thể thoát ra -
đất cố kết được, thì lực ngoài phải thắng được
độ bền liên kết kiến trúc của đất và áp lực nước lỗ rỗng phải thắng được sức cản nhớt của nước bên trong lỗ rỗng
Với các loại đất khác nhau
ền liên kết kiến trúc khác nhau - tải trọng
có hiệu không giống nhau Độ bền liên kết kiến trúc (tải trọng có hiệu) và tổng mức biến dạng lún đều là kết quả của nhiều yếu tố liên quan đến lịch sử thành tạo và tồn tại của đất
đá ở vỏ trái đất Từ những đặc điểm này dẫn
đến sự đa dạng về đặc điểm của các đường cong nén lún của các loại đất, ví dụ (hình 2)
có mức độ cố kết khác nhau
Từ các đường cong nén
h đoạn nằm ngang trên đường thí nghiệm khi mới tăng tải, trước khi đất bị lún (biến dạng) chính là đoạn đường biểu thị độ bền liên kết kiến trúc của đất
e
1 0
e
ch = 0 0 0,6 σ 0,8
1 2
3
e 1,2
2 a)
0 kPa
σ
0,6 0,8
0,4 σ 0,6
(Kí hiệu ch - có hiệu)
3
3 2 b) σ kPa ch
σ
Trang 5Thực tế quá trình cố kết của đất loại sét
phụ
iv Độ bền liên kết kiến trúc với sức
ả năng chống lại sự phá
chủ yếu đặc thù cho
đất
biểu thị bằng phương trình tổng quát Coulomb:
lượng về độ bền c
u một số chỉ tiêu cơ lý của mẫu đất bùn chế bị
và tính chất đặc biệt, việc phải xác định cá
g trong phòn
của mẫu đất tại hiện trường
Kết quả nghiên cứu trên hai mẫu chế bị
mẫu đ
t vài chỉ tiêu vật lý nhất đị
thuộc vào nhiều yếu tố, song theo tác giả
quan trọng hơn cả là độ bền liên kết kiến trúc
trong đất (khi các liên kết kiến trúc trong đất
chưa bị phá hoại quá trình cố kết chưa thể xảy
ra), khả năng thoát nước và độ nhớt của nước
trong đất Theo Maxlov mức độ nén chặt của
đất dính có mức độ tạo đá cao thì bị hạn chế
bởi các liên kết kiến trúc bền và có độ chặt
lớn Tốc độ nén chặt của đất loại sét ở mức độ
tạo đá thấp - có liên kết phân tử (ngưng keo
xúc biến) thì phụ thuộc vào độ nhớt, tốc độ
thấm nước và trị số tải trọng tác dụng lên nó
chống cắt của đất
Sức chống cắt là kh
hoại của đất khi có tải trọng tác dụng Độ
bền chống cắt của đất loại sét được đặc trưng
bởi hai thành phần là: Lực ma sát do sự trượt
của các hạt trong đất - được thể hiện bằng hệ
số ma sát trong của đất; và thành phần lực
dính kết giữa các hạt, đây chính là lực của các
liên kết kiến trúc trong đất Cường độ lực dính
kết này còn được dùng để biểu thị định lượng
độ bền của các liên kết kiến trúc tác dụng
trong một đơn vị thể tích đất, ở mặt trượt hoặc
trong phạm vi đới trượt
Lực dính kết đơn vị
loại sét (đất dính) Lực này được sinh ra
bởi tác dụng của các liên kết kiến trúc (như
phân tử, ion, cộng hoá trị, hyđrô và từ) giữa
các hạt và các hợp thể tạo thành đất Các liên
kết này có thể là ngưng keo xúc biến và
ngưng tụ kết tinh (xi măng), không bền (dẻo),
bền (cứng), đàn hồi, ổn định đối với nước hoặc
không ổn định đối với nước Tuỳ theo bản chất
và đặc trưng của các liên kết kiến trúc mà đất
loại sét có một giá trị độ bền nào đó
Độ bền của đất loại sét được
τ = c + σ.f trong đó: ϕ, c, f là các tham số chỉ tiêu định
ủa đất
v Kết quả nghiên cứ
vμ nguyên trạng
Đất bùn là một trong số những loại đất có thành phần trạng thái
c đặc trưng địa kỹ thuật
từ mẫu nguyên trạng ở trong phòng là rất cần thiết và quan trọng Tuy nhiên, việc lấy mẫu
đất bùn nguyên trạng ngoài hiện trường lại rất khó khăn, đặc biệt với loại bùn chảy
Để tìm hiểu vấn đề này, chúng tôi đã tiến hành chế bị mẫu bùn nguyên dạn
g từ các mẫu phá huỷ lấy ngoài hiện trường Cơ sở chế bị mẫu gồm:
- Chế bị tương ứng trạng thái độ ẩm của
đất ngoài hiện trường
- Tải trọng nén chế bị trong phòng tương ứng với áp lực địa tầng
- Thời gian nén chế bị 96 giờ
ai mẫu đất nguyên trạng cùng
ược thể hiện trong bảng 1
Kết quả thí nghiệm cho thấy, việc chế bị mẫu có thể thực hiện được với mộ
nh, song việc kết luận cụ thể cần phải được nghiên cứu kỹ, số lượng mẫu thực hiệu đủ nhiều và phải đề cặp đến các yếu tố
ảnh hưởng khác như lượng muối hoà tan, độ
pH của nước, điều kiện thành tạo của đất ,
đặc biệt phải quan tâm đến liên kết kiến trúc
và độ bền liên kết kiến trúc
Trang 6vi Nhận xét
Như vậy, cùng với sự làm chặt đất loại
h tạo đất đá loại sét, thì
c trong đất được được phát triển
tại c
tố có ý nghĩa quyết định đến khả năng, mức
nó
n trúc của nó Cần quan tâm bản chất
ố
Chỉ tiêu
M1 - NT M1 - CB
sét – quá trình thàn
liên kết kiến trú
và củng cố dần Các liên kết kiến trúc
này được hình thành và phát triển ngay từ khi
lắng đọng trầm tích - liên kết phân tử (ngưng
keo xúc biến), dần củng cố và phát triển thành
liên kết có độ bền vững cao - liên kết ngưng tụ
kết tinh (ion, từ - xi măng) Các liên kết này
chính là sự tác dụng qua lại của các lực bề
mặt các hạt với nhau, hoặc giữa các hạt với
chất gắn kết giữa các hạt Cùng với sự củng
cố liên kết kiến trúc trong đất khi nén chặt thì
độ bền của liên kết kiến trúc ngày càng tăng
Độ bền liên kết kiến trúc của mỗi loại đất
khác nhau là khác nhau, nó phụ thuộc vào
bản chất của đất, điều kiện thành tạo và tồn
ủa nó ở vỏ và trên bề mặt trái đất… Mặt
khác, chính độ bền liên kết kiến trúc là nhân
Khi nghiên cứu tính chất xây dựng của
đất đá nói chung, đặc biệt với đất loại sét cần phải đề cặp đến liên kết kiến trúc và độ bền liên kết kiế
đặc trưng cơ lý của mẫu đất chế bị vμ nguyên trạng
i riêng
của liên kết kiến trúc (phân tử, ion, cộng hoá trị, hyđrô, từ), về dạng (ngưng keo xúc biến, ngưng tụ kết tinh), thời gian thành tạo (đồng sinh, nguyên sinh, hậu sinh, thứ sinh),
độ chịu nước (chịu được nước, không chịu
được nước), độ bền cơ học (bền, cứng, đàn hồi, không bền, dẻo)… Song, thực tế vấn đề này ở việt nam chưa được chú ý nhiều, với bản chất của liên kết kiến trúc và độ bền liên kết kiến trúc còn có nhiều ý kiến rất khác nhau Vì vậy, cần phải tiến hành nghiên cứu những vấn đề liên quan đến bản chất của liên kết kiến trúc và độ bền liên kết kiến trúc với các đặc trưng địa kỹ thuật của đất một cách
có hệ thống, bằng định lượng cụ thể
Bảng 1 Kết quả xác định một s
Kí hiệu Đơn vị
Bùn sét
M2 - CB
Bùn sét lẫn hữu
cơ
lẫn hữu
)
Trang 7Tài liệu tham khảo
[1] V.Đ Lômtadze, 1978 Địa chất công trình -
Thạch luận công trình NXB ĐH và THCN Hà nội
[2] R Whitlow, 1999 Cơ học đất - Tập 1, 2 NXB
T
on John Wiley & Sons Inc
i
ater an microstructure of clay soil Tuyển tập
của đất
Giáo dục Hà nội
[3] erzaghi K., Peck R.B and Mesri G., 1996 Soil Mechanics in engineering Practice Third edition
John Wiley & Sons Inc 549p
[4] Lampe T.W and Whitman R.V., 1969 Soil
Mechanics Third editi
553p
[5] Trần Văn Việt, 2004 Cẩm nang dùng cho kỹ sư
Địa kỹ thuật NXB Xây dựng Hà nộ
[6] Negami T., Onitsuka K and Lu Jiang, 2004
Influence of diatom remains and salt contents of pore w
hội thảo khoa học địa kỹ thuật và địa kỹ thuật môi trường Việt nam - Nhật bản Hà nội
[7] Phân hội khoa học kỹ thuật chuyên ngành địa chất công trình Việt nam, 1984 Những vấn đề địa chất công trình - Tập 1 NXB Xây dựng Hà nội
[8] Nguyễn Viết Tình, Phạm Văn Tỵ, 2004 Vấn
đề cố kết và áp lực bắt đầu cố kết thấm
yếu Tạp chí khoa học địa chất công trình và môi trường, số 1 tháng 7 NXB Xây dựng Hà nội
