Báo cáo khoa học: "DỰ BÁO ĐỘ LÚN CỦA NỀN ĐẮP TRÊN NỀN ĐẤT YẾU" potx

LÊ CÔNG THÀNH Bộ môn Đường sắt Khoa Công trình Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Báo cáo đưa ra phương pháp dự báo độ lún cố kết của nền đường trên cơ sở phân tích các kết quả

DỰ BÁO ĐỘ LÚN CỦA NỀN ĐẮP TRÊN NỀN ĐẤT YẾU

TS LÊ CÔNG THÀNH

Bộ môn Đường sắt Khoa Công trình Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Báo cáo đưa ra phương pháp dự báo độ lún cố kết của nền đường trên cơ sở

phân tích các kết quả thí nghiệm ép lún các mẫu đất nền và móng

Summary: This report puts forward the method to forecast the consolidation sag of the

roadbed on the basis of analysing the results of the experiments on pressing soil paterns of the formation and basement

Trong thiết kế và xây dựng nền đường sắt trên nền đất yếu cần phải tính đến các đặc thù của bài toán: phải chỉ ra các diễn biến của quá trình nén lún dưới tác dụng của tải trọng động, tự trọng của kiến trúc tầng trên và của nền đắp Dựa trên kết quả thử nghiệm các mẫu đất khác nhau trong hàng loạt nghiên cứu của nhiều tác giả [1, 2] đã chỉ ra rằng quá trình nén và lún diễn

ra theo quy luật chặt chẽ và có dạng (tương ứng với độ chặt K >0,99):

Y =

] ) c x ( exp[

b a

1

K

+

− + (1) Thông qua các kết quả thí nghiệm trị số của độ cố kết Y phụ thuộc vào độ lún tương đối của mẫu đất λ, giá trị của đối số tự do x biểu diễn biến thiên của thời gian xảy ra quá trình lún

cố kết t (phút) Khi theo dõi độ lún cố kết của nền đường sắt ta bắt đầu từ thời điểm bắt đầu xảy

ra quá trình lún cố kết, nghĩa là trị số c = 0 Trong quá trình xử lý các kết quả của thí nghiệm nén lún cần phải xác định cả bốn thông số của (1) theo các kết quả của thí nghiệm Trong trường hợp này hàm số phụ thuộc sẽ là hệ số nén lún e (mm/m), còn đối số tự do sẽ là đại lượng biến thiên - lực nén ép P (kg/cm2)

CT 2

Với sự sử dụng tương quan (1) có thể xác định theo phương pháp phân tích tất cả các thông

số cần thiết để xác định các hệ số thực nghiệm Trong trường hợp riêng độ lún cực đại (cuối cùng) có thể xác định theo công thức:

Yc =

a

1 (2) Trong đó a - tham số thích ứng của mô hình cố kết

Đại lượng lún ban đầu của mẫu thử tại thời điểm bắt đầu nén có thể xác định theo công thức:

λđ =

b a

1 + (3) Trong đó a và b là tham số của mô hình cố kết

Trong trường hợp tổng quát vận tốc của quá trình biến dạng của mẫu tương ứng với mọi giá trị định trước của đối số tự do có thể xác định theo công thức:

v(x) = {a b.exp[ (x c) ]}

] ) c x ( exp[

) c x ( k b

k

k 1

k

+

− +

+

− + −

(4)

Hình 1 Sự phụ thuộc của biến dạng tương đối e vào lực ép P

Việc phân tích kết quả xây

dựng các mô hình thí nghiệm nén

lún cho phép chỉ ra một số đặc thù

động lực học biến thiên vận tốc biến

dạng mẫu thử tương ứng với lực ép

Trong đại đa số các trường hợp

được khảo sát giai đoạn đầu của ép

lún mẫu thử nhận thấy sự gia tăng

vận tốc lún, bắt đầu từ giá trị của áp

lực Pp nào đó quá trình thể hiện sự

giảm vận tốc biến dạng một cách rõ

rệt khi gia tăng lực ép (hình 1)

Một trong những phương án giải thích sự tồn tại của điểm Pp - điểm uốn của đường cong

nén lún là do trong quá trình lấy mẫu ra từ khối nền móng ở trạng thái tự nhiên xảy ra làm giảm

độ lèn chặt của đất bởi đã loại bỏ mất các tải trọng tác dụng lên mẫu đất ở điều kiện tự nhiên

Bởi vậy có thể suy luận rằng trong khi thử nghiệm mẫu đất tại phòng thí nghiệm với lực ép

không lớn hơn Pp, mẫu đất theo “bộ nhớ” của mình có xu hướng đầu tiên phục hồi trạng thái tự

nhiên của mình và chỉ sau đó mới quan sát thấy quá trình biến dạng là hệ quả của gia tăng lực

ép so với Pp

Trong giai đoạn này quá trình nén lún về căn bản xảy ra theo quy luật đặc trưng của quá

trình lún cố kết của mẫu thí nghiệm dưới tác dụng của tải trọng - với sự gia tăng của giá trị của

tham số tự do vận tốc quá trình biến dạng sẽ giảm Trong trường hợp đó mô đun nén lún của lớp

đất được khảo sát trong tính toán có thể được xác định theo công thức:

Epz = E′pz−Epz′′ (5)

T CT2

Trong đó: E′pz - mô đun biến dạng dưới lực nén ép P = Pz + Pp; E ′′ - module nén lún dưới pz

lực ép P = Pp; Pz - ứng suất tính toán tại chân nền đắp do tự trọng của nền đắp

Nhiều nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng thời gian kết thúc giai đoạn lún nhanh hợp lý nhất là

xác định theo lý thuyết cố kết của Maslov N N [1] Theo nghiên cứu trên từ năm 1941 thời gian

cố kết nhanh của kết cấu được xác định theo công thức:

Tu = u

n

t

h

H

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

Trong đó: u - mức độ cố kết cho trước của đất, %; Tu - thời gian tạo lớp và độ cố kết của

mẫu đất; h - chiều cao của mẫu thí nghiệm; H - độ dầy của lớp đất tính toán; n - chỉ số của độ cố

kết (0 ≤ n ≤ 2)

Maslov N N đã xây dựng được mối tương quan giữa chỉ số độ cố kết vào phân loại đất, độ sệt

và chỉ số dẻo của chúng Bằng cánh tổng quát hoá các tương quan nêu ra cho phép [2] đưa ra kết

luận rằng tồn tại mối tương quan vật lý giữa chỉ số độ cố kết và mức độ bão hoà, độ thấm nước:

n = 2 - 0,73.Spw (7) Cách tiếp cận đó cho phép tính toán cấu trúc nền đất với các đặc thù độ cố kết và điều kiện

làm việc của đất nền trong cấu trúc đó Tuy vậy công thức (6), (7) thiếu cơ sở lý thuyết chắc

chắn nên gây nhiều tranh cãi Trong không ít trường hợp đã đã nêu ra nghi ngờ về tính bất biến

(một cách tương đối) của giá trị n trong quá trình cố kết Sử dụng hàng loạt các mẫu thí nghiệm

mô hình nén lún trong điều kiện phòng thí nghiệm cho phép [3] đưa ra công thức:

n = 1,28 - 0,32.Kck.ln(Pp + Pz) (8) Điều đó thêm một lần nữa khẳng định tính bất biến của giá trị n theo thời gian (hệ số độ chặt 0,99) Trong đó Kck - giá trị tham số K của mẫu thí nghiệm; Pp - giá trị của lực ép tại điểm uốn của đồ thị trong thí nghiệm nén mẫu đất; Pz - ứng suất tính thực tế dưới tác dụng của tự trọng của nền đắp

Trên cơ sở nghiên cứu, phân tích các kết quả tính toán đó cho phép đưa ra hàng loạt kết luận [3]

Các tính toán theo các công thức trên cho kết quả là đại lượng độ lún cuối cùng có khác biệt rất lớn so với các phương pháp truyền thống Giá trị độ lún vào thời điểm giai đoạn lún cố kết kết thúc (u = 90%) cho kết quả khác biệt rất đáng kể trong nhiều trường hợp Điều đáng chú

ý ở đây là kết quả tính toán theo phương thức nêu ra luôn luôn có giá trị nhỏ hơn so với giá trị đối chứng theo phương pháp truyền thống

Để kiểm chứng sự tương đồng trong tính đã tiến hành tính toán sơ bộ theo phương pháp đưa ra và so sánh với kết quả quan sát thức tế thể hiện các giá trị về độ lớn và quá trình phát triển của độ lún theo thời gian

Các thông tin trong bảng minh chứng một điều rằng tại hai điểm qua sát đầu tiên giá trị độ lún khác với đo đạc thực tế trong giới hạn khảo sát Giá trị thời gian tính toán Tu = 90% ghi nhận

để so sánh với đo

đạc cụ thể trên

hiện trường bởi vì

sau đó sự gia tăng

độ lún rất nhỏ khó

có thể đo chính

xác Trong thí

nghiệm hiện

trường tương ứng

với sơ đồ đưa ra

chúng ta khảo sát

móng nền đắp có

hai lớp

CT 2

Tại điểm quan sát thứ ba sự

khác biệt giữa các

giá trị được so

sánh là rất rõ rệt,

điều đó được giải

thích bởi độ dày của lớp đất không tương ứng trong sơ đồ tính toán với số liệu chuẩn trên thực

tế Thời gian kết thúc giai đoạn cố kết mạnh ban đầu được tính toán theo phương thức cũ [4] - theo lớp đất tính toán tương ứng với thời gian Tu lớn nhất

Hình 2 Đồ thị độ lún tổng cộng của nền móng với hai lớp đất

Không khó khăn lắm ta có thể nhận ra rằng với cách tiếp cận như vậy chỉ có một số trường hợp có thể giải được bài toán với đặt vấn đề khi u = 100%, hay cho trường hợp khi dưới móng nền chỉ có một lớp đất tính toán.Trong cấu trúc đất móng nhiều lớp ta có thể nhận được giá trị T thực tế không đặc trưng cho giá trị mức độ lún U cho trước mà là một giá trị không xác định Uf, tuỳ vào các điều kiện cụ thể giá trị đó nằm trong khoảng:

U ≤ Uf ≤ 100% (9)

Việc tiến hành các thử nghiệm nén lún trong điều kiện phòng thí nghiệm đối với các mẫu

đất nền cho phép cụ thể hoá và điều chỉnh phương pháp tính toán thời gian Tu cho cấu trúc

móng nền nhiều lớp đồng thời có tính được các ảnh hưởng qua lại giữa các lớp đất đó

Trên hình 2 đưa ra sơ đồ nguyên tắc làm việc của móng nền hai lớp (I và II) Đồ thị độ lún

tổng cộng được xem bằng tổng độ lún cố kết của mẫu đất trong lớp móng I và II có tính tới thời

gian Tu cho kết cấu nới chung Trong trường hợp ví dụ với kết cấu đang xem xét giá trị tính

toán Tu (u = 90%) có giá trị nhỏ hơn 15% so với giá trị tương tự được xác định theo phương

pháp truyền thống

Các mẫu thử nén lún đất móng trong phòng thí nghiệm dạng (1) có thể xây dựng trên cơ sở

kết quả thử nghiệm các mẫu đất có độ cao khác nhau Ví dụ về các thí nghiệm xác định độ lún

của các mẫu có độ cao 1,7; 2; 2,5; 3,75 cm khẳng định sự tương đồng rất lớn trong các tính toán

phân tích kết quả thí nghiệm Trong đó theo nguyên tắc các mẫu thử có độ cao càng lớn thì độ

chính xác càng cao

Phân tích kết quả quá trình thử nghiệm xác định độ lún cố kết của các mẫu đất móng trong

điều kiện phòng thí nghiệm được nghiên cứu nhằm mục đích khống chế biến dạng của nền

đường sắt Trong quá trình thí nghiệm đã tiến hành khảo sát các mẫu đất mềm, sét có độ cao

khác nhau cho phép xác định quy luật thay đổi của các thông số của mẫu thử tương ứng với độ

cao của mẫu hm Trên hình 3 đưa ra đồ thị minh hoạ biến đổi của giá trị thông số K của mẫu thử

độ cố kết vào độ cao của mẫu

Xu hướng tương tự xảy ra với các thông số khác của mẫu (a và b) Có thể thể hiện dưới

dạng đồ thị các tương quan đó với các đặc thù riêng đồng thời mang một số đặc điểm của xu

hướng chung Cần chú ý rằng trong mọi trường hợp các giá trị các thông số của mẫu đất luôn có

giá trị dương Trong đó giá trị của K luôn nhỏ hơn 1 Hơn nữa tốc độ thay đổi giá trị của các

thông số cũng khác nhau Điều quan trọng nhất là độ cao của mẫu thử càng lớn thì tốc độ biến

đổi của các thông số càng giảm và dần tiến đến không T CT2

Trên cơ sở đó ta có thể đưa ra kết luận:

- Đối với các loại đất tồn tại giá trị tới hạn hm - độ cao của mẫu thử trong phòng thí nghiệm,

bắt đầu từ độ cao đó các thông số của mẫu thí nghiệm thay đổi không đáng kể

- Đối với các mẫu thử có độ cao lớn hơn hm đại lượng độ lún tương đối trong điều kiện thử

nghiệm giống nhau biến đổi không đáng kể;

- Với quan điểm tạo ra cơ sở tính toán tính đặc điểm cố kết và độ biến dạng của đất nền

móng trong điều kiện phòng thí nghiệm độ cao của các mẫu

thí nghiệm, với mục đích loại bỏ ảnh hưởng của kích thước

mẫu thử lên kết quả thí nghiệm, cần phải lớn hơn hm;

Hình 3 Sự phụ thuộc của tham số K vào chiều cao h của mẫu thí nghiệm:

I, II - đất bùn đường cao tốc Cầu Giẽ - Ninh Bình độ ẩm 600% và 650%; III - đất ruộng ướt đường cao tốc Láng - Hoà Lạc độ ẩm 650%; IV - đất bùn đường sắt Hạ Long - Cái Lân độ ẩm 625%

- Với các loại đất khác nhau hm >> 5 cm (các thông số

khác tương ứng)

Tài liệu tham khảo

[1] Maslov N.N Cơ sở của địa chất công trình và cơ học đất, M 1982

(bản tiếng Nga)

[2] Lê Bá Lương Đánh giá độ ổn định theo thời gian của đất yếu dưới

móng của nền đắp theo phương pháp xây dựng miền biến dạng dẻo, Tóm

tắt luận án tiến sỹ khoa học kỹ thuật, 1971, MADI, (bản tiếng Nga)

[3] Semediaev L.I Sử dụng chỉ số độ cố kết trong việc dự báo độ lún của

nền đắp trên nền đất yếu MADI, 1998, (bản tiếng Nga)

[4] Nguyễn Thanh Tùng, Nền đường sắt, GTVT, 2004♦