Tiểu luận môn địa chất công trình

Tính nén lún của đất Khi công trình được xây dựng trên đất bão hoà, tải trọng của công trình được xem như truyền lên nước trong các lỗ rỗng của đất trước tiên.. Vì chịu tải nên nước có x

1 THÍ NGHIỆM NÉN CỐ KẾT

1.1 Giới thiệu 3

1.1.1 Sơ bộ về tính nén lún và cố kết của đất 3

1.1.2 Thí nghiệm nén cố kết (Consolidation Test) 4

1.1.3 Tiêu chuẩn hiện hành 5

1.2 Dụng cụ thí nghiệm 5

1.2.1 Máy nén cố kết 5

1.2.2 Dụng cụ tạo mẫu 9

1.2.3 Các dụng cụ khác 10

1.3 Trình tự thí nghiệm 11

1.3.1 Chuẩn bị mẫu đất 11

1.3.2 Tiến hành thí nghiệm 12

1.4 Xử lý kết quả và vẽ đường quan hệ giữa e - 15

1.5 Một số lỗi ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm 18

2 CÁC ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG PHỤC VỤ CHO VIỆC ƯỚC LƯỢNG ĐỘ LÚN CỐ KẾT ỔN ĐỊNH VÀ ĐỘ LÚN CỐ KẾT THEO THỜI GIAN 2.1 Tổng quan về lý thuyết cố kết 19

2.1.1 Nguyên lý cố kết trong đất 19

2.1.2 Mô hình cố kết Terzaghi 19

2.1.3 Quá trình cố kết của đất 21

2.1.4 Các giả thiết trong lý thuyết cố kết 22

2.1.5 Lý thuyết cố kết 23

2.1.6 Các giai đoạn cố kết 25

2.2 Các đặc trưng biến dạng phục vụ cho việc ước lượng độ lún sơ cấp 27

2.2.1 Dùng đường cong nén lún e–σ để ước lượng độ lún sơ cấp 27

2.2.2 Dùng đường cong nén lún e-logσ để ước lượng độ lún sơ cấp 29

2.3.1 Phương pháp Casagrande 33

2.3.2 Phương pháp Taylor 35

2.3.3 Phương pháp hypecbon (Hyperbola method) 36

2.3.4 Phương pháp log(t) giai đoạn đầu (Early stage log-t method) 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

Hình 1.1 Tính nén lún của đất

Khi công trình được xây dựng trên đất bão hoà, tải trọng của công trình được xem như truyền lên nước trong các lỗ rỗng của đất trước tiên Vì chịu tải nên nước có xu hướng thoát ra từ các lỗ rỗng trong đất (áp lực nước lỗ rỗng phân tán

từ nơi có áp lực lớn đến nơi có áp lực bé hơn và áp lực hữu hiệu tăng dần lên), gây ra sự giảm thể tích phần rỗng của đất và lún công trình

Đối với đất có hệ số thấm lớn (đất hạt thô), quá trình này hoàn tất trong khoảng thời gian ngắn và kết quả là hầu như sự lún kết thúc hoàn toàn trong khi thi công Tuy nhiên, đối với đất có hệ số thấm nhỏ (đất hạt mịn, đặc biệt là đất loại sét), quá trình này chiếm một khoảng thời gian rất lớn, mức độ biến dạng và

độ lún xảy ra rất chậm

Hình 1.2 Sự sắp xếp lại của hạt rắn khi đất chịu tải trọng công trình

1.1.1.2 Cố kết (Consolidation)

Hiện tượng nén chặt do sự thoát ra rất chậm của nước từ các lỗ rỗng trong đất hạt mịn và là kết quả của việc tăng tải (trọng lượng của công trình lên trên đất nền)

Hình 1.3 Sự cố kết của đất sét bão hòa

1.1.2 Thí nghiệm nén cố kết (Consolidation Test)

1.1.2.1 Thí nghiệm nén cố kết

Thí nghiệm nén cố kết xác định độ lún trong quá trình thoát nước lỗ rỗng của một mẫu đất dưới tải trọng thẳng đứng và không bị nở hông (do chỉ tiêu ép co của đất được xác định thí nghiệm này bằng cách nén mẫu đất chứa trong dao vòng có thành cứng)

Thí nghiệm nén cố kết còn gọi là thí nghiệm nén không nở hông

Hình 1.4 Sơ đồ thí nghiệm nén cố kết bằng thiết bị nén không nở hông

1.1.2.2 Mục đích thí nghiệm nén cố kết

Xác định các đặc trưng biến dạng của đất nền như:

 Thiết lập biểu đồ quan hệ độ rỗng e và từng cấp tải trọng tác dụng

 (kPa);

 Xác định hệ số nén an-1, n (kPa)-1;

 Hệ số biến đổi thể tích mv (kPa) -1;

 Module tổng biến dạng Eo (kPa);

 Chỉ số nén Cc, chỉ số nén lại hay chỉ số nở Cs, áp lực tiền cố kết pc hay σ’c (kPa);

 Hệ số cố kết Cv (cm2/s hoặc là m2/ngày đêm), hệ số thấm k (cm/s hoặc

là m/ngày đêm);

Từ các đặc trưng trên, người kỹ sư có thể xác định độ lún của đất nền dưới công trình cũng như dự báo độ lún theo thời gian

1.1.3 Tiêu chuẩn hiện hành

TCVN 4200:1012 “Đất xây dựng - Phương pháp xác định tính nén lún trong phòng thí nghiệm”

1.2 Dụng cụ thí nghiệm

1.2.1 Máy nén cố kết

Hình 1.5 Các bộ phận của một máy nén cố kết cơ học thông thường

và hình ảnh thực tế

Hình 1.6 Một số máy nén cố kết khác hiện nay

1.2.1.1 Hộp nén

Có 2 loại:

 Hộp nén với vòng mẫu trôi nổi (Floating Ring Consolidation Cell)

Hình 1.7 Hộp nén với vòng mẫu trôi nổi

Sức nén xảy ra từ trên và dưới hướng về phía giữa Trong hộp loại này, sự

ma sát giữa thành hộp và mẫu đất nhỏ

 Hộp nén với vòng mẫu cố định (Fixed Ring Consolidation Cell)

Hình 1.8 Hộp nén với vòng mẫu cố định

Trong vòng mẫu cố định sự nén của mẫu đất diễn ra từ mặt trên xuống mặt dưới, lớp đất dưới cùng không di chuyển suốt quá trình cố kết

Ma sát với thành vòng lớn hơn vòng mẫu không cố định

Đo được lượng nước thấm qua đáy mẫu đất trong quá trình cố kết, cho phép xác định hệ số thấm k của đất

Hình 1.11 Dao vòng

TCVN 4200:2012 yêu cầu đối với đất loại sét và đất loại cát (không lẫn sỏi sạn) đường kính mẫu thử trong dao vòng d ≥ 50 mm, đất lẫn sỏi sạn phải dùng dao vòng có đường kính d ≥ 70 mm Mẫu đất thí nghiệm thường có chiều cao 2cm và diện tích mặt cắt ngang từ 30 đến 50 cm2

1.3 Trình tự thí nghiệm

1.3.1 Chuẩn bị mẫu đất

Mẫu đất nguyên dạng: tiến hành lấy mẫu đất bằng dao vòng như khi thí

nghiệm xác định các đặc trưng vật lý của mẫu đất

Hình 1.13 Mẫu đất được chuẩn bị nguyên trạng

Mẫu đất không nguyên dạng: thì lấy mẫu trung bình có khối lượng khoảng

200g từ đất đá được giã sơ bộ, loại bỏ sỏi sạn và tạp chất để chế bị mẫu Lấy khoảng 10g để xác định độ ẩm ban đầu (W)

Hình 1.14 Lấy mẫu thí nghiệm cho đất sau khi được chế bị xong

1.3.2 Tiến hành thí nghiệm

Bước 1: Cho dao vòng chứa mẫu đất có chiều cao 2cm, diện tích tiết diện

ngang từ 30 đến 50cm2 đã lấy vào hộp nén có đá thấm ở hai mặt trên và dưới của mẫu

Bước 2: Đặt hộp nén vào máy nén, điều chỉnh đồng hồ đo lún về vị trí 0 và

đổ nước đầy hộp nén

Hình 1.16 Cho mẫu đất đã lấy vào

hộp nén có đá thấm, giấy thấm ở hai mặt trên và dưới của mẫu

Hình 1.15 Mẫu đất được lấy bằng

dao vòng

Hình 1.17 Đặt hộp nén vào máy

nén, điều chỉnh đồng hồ đo lún

Hình 1.18 Đổ nước đầy hộp nén

Bước 3: Cân bằng cánh tay đòn bằng thước thủy bình

Hình 1.19 Thước thủy bình để cân bằng cánh tay đòn Bước 4: Đặt tải trọng theo từng cấp áp lực tăng dần và ghi nhận số đọc của

đồng hồ đo lún theo thời gian

Hình 1.20 Gia tải lên máy

 Yêu cầu đối với quá trình đặt tải

Theo mục 3.7 TCVN 4200:2012, trị số các cấp áp lực nén thí nghiệm được xác định theo tính chất của đất và yêu cầu thực tế của công trình trong từng trường hợp cụ thể Thông thường, cấp sau lớn gấp hai lần cấp trước:

 Đối với đất sét ở trạng thái dẽo chảy và chảy, sử dụng các cấp: 10; 25; 50; 100 và 200 kPa

 Đối với đất sét, sét pha ở trạng thái dẻo mềm và dẻo cứng, dùng các cấp: 25; 50; 100; 200 và 400 kPa

 Đối với đất cứng và nửa cứng, dùng các cấp: 50; 100; 200; 400 và 800 kPa

Số lượng cấp áp lực không nhỏ hơn 5 cho một mẫu nén

Mỗi cấp áp lực tác dụng lên mẫu được giữ cho đến khi đạt ổn định biến dạng nén tức là biến dạng không vượt quá 0.01 mm trong:

 30 phút đối với đất cát

 3 giờ đối với đất cát pha

 12 giờ đối với đất sét pha hoặc đất sét có chỉ số dẻo IP < 30

 Riêng với đất sét có IP > 30 và đất sét mềm yếu thì biến dạng chỉ được coi là ổn định nếu biến dạng không vượt quá 0.01 mm trong 24 giờ

 Yêu cầu đối với việc theo dõi biến dạng nén trên đồng hồ

Theo mục 4.3.3 TCVN 4200:2012 thì theo dõi biến dạng nén trên đồng hồ biến dạng dưới mỗi cấp tải trọng ngay sau 15s tăng tải Khoảng thời gian đọc biến dạng nén lần sau được lấy gấp đôi so với lần đọc trước :15s; 30s; 1m; 2m; 4m; 8m; 15m; 30m; 1h; 2h; 3h; 6h; 12h và 24h kể từ lúc bắt đầu thí nghiệm cho mẫu cố kết hoàn toàn dưới một cấp áp lực, thường là 24h và 48h

Ghi chú :

Theo Mục 4.3.4 - TCVN 4200:2012,tải trọng cần thiết tác dụng lên mẫu ở áp lực, được tính bằng đơn vị (N) theo công thức sau:

)N(f

mF

 – áp lực tác dụng lên mẫu đất (Pa);

F – tiết diện mẫu đất (m2);

1.4 Xử lý kết quả và vẽ đường quan hệ giữa e -

Bước 1: Tìm hệ số rỗng ban đầu eo và hệ số rỗng ở cấp áp lực cuối cùng e’k

Mẫu đất trước khi thí nghiệm đã được xác định các đặc trưng vật lý ban đầu như , w, Gs

Từ đó tìm được hệ số rỗng ban đầu eo:

w s o

Ge1

k

k w

Bước 2: Tính hệ số rỗng theo biến dạng en đối với mỗi cấp áp lực

Hệ số rỗng theo biến dạng en đối với mỗi cấp áp lực được tính theo công thức:

 o

o

n o

h

he

trong đó:

ho – chiều cao ban đầu của mẫu đất, bằng 20mm;

hn – biến dạng của mẫu đất ở cấp tải trọng n ,đơn vị mm

Ghi chú :

Theo Mục 4.4.2 - TCVN 4200:2012, biến dạng của mẫu (hn) trong quá trình thí nghiệm ở cấp tải thứ n được xác định theo công thức:

n o

ro - biến dạng ban đầu của đồng hồ đo biến dạng (mm);

Mn - biến dạng của máy ở cấp tải trọng thứ n (mm)

Hệ số rỗng ứng với cấp áp lực cuối cùng tính theo biến dạng là ek:

 o

o

k o

'eek

'eek

k

k   , phải làm lại thí nghiệm, hoặc vẽ đường cong nén lún từ các hệ số rỗng eo và e’k trước và sau khi thí nghiệm, còn các hệ số rỗng trung gian phải được xác định từ công thức: e’n=en

trong đó:

e’n - hệ số rỗng ở cấp tải trung gian thứ n đã hiệu chỉnh;

en - hệ số rỗng ở cấp tải trung gian thứ n tính theo biến dạng;

 - hệ số hiệu chỉnh

Bước 4: Vẽ đường quan hệ giữa e và 

Khi biết được hệ số rỗng của mẫu đất ( đã xử lý số liệu ở bước 3) với các tải trọng tương ứng ta có thể vẽ được đường cong nén lún e- , tức là đường quan hệ giữa e và 

Đường cong nén lún thường được sử dụng để tính lún nên phải thể hiện sao cho có thể từ giá trị  bất kỳ, ta tra ra được giá trị e có độ chính xác chấp nhận được

Hình 1.22 Đường con nén lún ( gia tải và dỡ tải)

Đường cong nén lún còn có thể biểu diễn dưới dạng bán logarit, tức là quan

 Ma sát giữa mẫu và dao vòng lớn làm mất tải trọng đặt lên mẫu Nên bôi trơn thành dao vòng bằng dầu nhờn

 Sử dụng đá thấm không tốt do đá bị cặn bẩn, bị nứt nẻ, không ngâm đá vào nước trước khi thí nghiệm

 Thí nghiệm viên đọc số liệu không chính xác

 Không kiểm tra điều chỉnh lại máy trước khi thí nghiệm

2 CÁC ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG PHỤC VỤ CHO VIỆC ƯỚC LƯỢNG

ĐỘ LÚN CỐ KẾT ỔN ĐỊNH VÀ ĐỘ LÚN CỐ KẾT THEO THỜI GIAN

Sự nén ép của nước không đáng kể so với các yếu tố khác, nên có thể bỏ qua

sự ảnh hưởng của yếu tố (2)

Vì thế, lý thuyết cố kết dựa trên cơ sở yếu tố (3), sự thoát nước từ các lỗ rỗng giữa các hạt rắn Trong đất thoát nước mạnh, chẳng hạn như đất cát, sự thoát nước xảy ra nhanh chóng Tuy nhiên, trong đất sét, tính thấm của nó kém hơn so với tính thấm của cát từ hàng ngàn đến hàng triệu lần, làm cho sự thay đổi thể tích cùng với quá trình cố kết diễn ra chậm chạp và dẫn đến phải mất một thời gian dài để độ lún đạt đến mức ổn định

2.1.2 Mô hình cố kết Terzaghi

Mô hình mà Terzaghi sử dụng để mô phỏng hiện tượng cố kết của đất gồm một xy-lanh (có diện tích tiết diện ngang A) chứa đầy nước và một lò xo đỡ một pit-tông có van xả như hình 1.1

Lúc đầu, hệ thống cân bằng trong điều kiện van được khóa và không có lực tác dụng lên pit-tông Lò xo không bị nén và nước không tồn tại áp lực thặng dư Sau đó, đặt tải P lên bên trên pit-tông Nước không được thoát ra, nên pit-tông không di chuyển xuống được và lò xo cũng không bị nén Nếu đo áp lực

nước bên trong xy-lanh sẽ thấy nó tăng lên với một giá trị là ∆u = P/A Độ gia tăng áp lực nước này được gọi là áp lực nước thặng dư Pit-tông không di chuyển, nghĩa là lò xo không chịu tải P mà do nước gánh đỡ hoàn toàn tải trọng P (với giả thiết là nước không bị nén)

Van mở

Van mở

Trong mô hình này, lò xo tượng trưng cho khung hạt đất, nước trong xy-lanh tượng trưng cho nước trong lỗ rỗng và kích thước van tượng trưng cho hệ số thấm của đất

2.1.3 Quá trình cố kết của đất

Ứng xử của mô hình Terzaghi được mô tả bên trên tương tự như ứng xử của đất trong quá trình diễn ra sự cố kết Những đặc tính của mô hình và của đất thực

có liên hệ với nhau và được diễn tả trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Đối chiếu các đặc tính của mô hình cơ và đất thực

tính thấm)

thuộc nhiệt độ)

2 Khả năng chịu nén của lò xo quyết định: Tính nén lún của cấu trúc bên trong đất

quyết định:

4 Áp lực nước gánh đỡ ở thời điểm bất kỳ Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trung bình u

Ứng suất trong đất do tải trọng ngoài gây ra được gọi là “ứng suất tổng”, kí hiệu là ∆σ Áp lực trong nước chứa bên trong các lỗ rỗng được gọi là “áp lực nước lỗ rỗng”, kí hiệu là ∆u Khi tải trọng ngoài tác dụng lên đất sét bão hòa nước, toàn bộ tải trọng, ban đầu, sẽ do nước trong lỗ rỗng chịu, được thể hiện qua

sự gia tăng áp lực nước lỗ rỗng thặng dư với giá trị bằng với tổng áp lực tác dụng

từ bên ngoài

Nếu lớp đất sét tiếp giáp với các mặt thoát nước (ví dụ như lớp cát), thì áp lực nước lỗ rỗng thặng dư sẽ làm cho nước thoát ra từ lớp đất sét sang lớp thấm nước liền kề Quá trình này xảy ra chậm, do tính thấm của sét kém Đồng thời,

một phần áp lực sẽ tác dụng lên khung hạt, tương ứng với sự giảm đi của áp lực nước lỗ rỗng thặng dư Sự chênh lệch giữa ứng suất tổng và áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tại một thời điểm bất kỳ được gọi là “ứng suất hữu hiệu”, kí hiệu là ∆σ’, chính là phần áp lực do khung hạt gánh đỡ Điều này được diễn tả trong phương trình sau:

'

u

Về bản chất, quá trình cố kết là quá trình truyền tải dần dần áp lực tác động

từ bên ngoài từ nước lỗ rỗng sang khung hạt; khi đó áp lực nước lỗ rỗng giảm dần và ứng suất có hiệu tăng dần cho đến khi bằng với áp lực tác động từ bên ngoài Mức độ truyền tải đó được đánh giá thông qua độ cố kết U (sẽ được đề cập sâu hơn ở mục Lý thuyết cố kết)

2.1.4 Các giả thiết trong lý thuyết cố kết

Các giả thiết nền tảng trong lý thuyết cố kết của Terzaghi như sau:

(1) Lớp đất được cố kết ở trạng thái nằm ngang, đồng chất, đẳng hướng,

bề dày đều và bị hạn chế nở hông

(2) Đất bão hòa nước hoàn toàn, tức là lỗ rỗng chứa đầy nước

(3) Hạt đất và nước không bị nén

(4) Sự chảy trong cố kết thấm tuân theo định luật Darcy

(5) Hệ số thấm và các đặc tính khác của đất không đổi trong suốt quá trình gia tải

(6) Áp lực tác dụng phân bố đều khắp

(7) Dòng thấm chỉ xảy ra theo phương đứng

(8) Sự thay đổi ứng suất hữu hiệu trong đất đồng thời dẫn đến sự thay đổi

hệ số rỗng và mối quan hệ của chúng là tuyến tính trong quá trình mỗi đợt gia tải

(9) Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ban đầu phân bố đều suốt bề dày lớp đất

(10) Quá trình cố kết được kéo dài hoàn toàn là do đất có hệ số thấm nhỏ (11) Một hoặc cả hai lớp liền kề của lớp đất sét có khả năng thoát nước hoàn toàn so với lớp đất sét đó

(12) Trọng lượng bản thân của đất được bỏ qua

2.1.5 Lý thuyết cố kết

Trong phần này, bài tiểu luận không trình bày chi tiết những diễn giải, phân tích phức tạp về phương diện toán học của quá trình cố kết, mà chỉ trình bày một cách khái lược để có cái nhìn tổng quát về quá trình này

Phương trình vi phân cố kết thấm một chiều của Terzaghi:

u – áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tại thời điểm đang xét t;

z – độ sâu tại điểm đang xét;