Trong thực tế xây dựng, có rất nhiều công trình bị lún, sập hư hỏng khi xây dựng trên nền đất yếu do không có những biện pháp xử lý phù hợp, không đánh giá chính xác được các tính chất cơ lý của nền đất.
Trang 1127
CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ VÀ BIẾN
DẠNG CỦA NỀN ĐẤT YẾU
ThS Võ Thanh Toàn
Khoa Cầu đường, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung
Tóm tắt
Việt Nam được biết đến là nơi có nhiều
đất yếu, đặc biệt lưu vực sông Hồng và sông
Mê Kông Nhiều thành phố và thị trấn quan
trọng được hình thành và phát triển trên nền
đất yếu với những điều kiện hết sức phức tạp
của đất nền, dọc theo các dòng sông và bờ
biển Thực tế này đã đòi hỏi phải hình thành và
phát triển các công nghệ thích hợp và tiên tiến
để xử lý nền đất yếu
Trong thực tế xây dựng, có rất nhiều
công trình bị lún, sập hư hỏng khi xây dựng
trên nền đất yếu do không có những biện pháp
xử lý phù hợp, không đánh giá chính xác được
các tính chất cơ lý của nền đất Do vậy việc
đánh giá chính xác và chặt chẽ các tính chất cơ
lý của nền đất yếu (chủ yếu bằng các thí
nghiệm trong phòng và hiện trường) để làm cơ
sở và đề ra các giải pháp xử lý nền móng phù
hợp là một vấn đề hết sức khó khăn, nó đòi hỏi
sự kết hợp chặt chẽ giữa kiến thức khoa học và
kinh nghiệm thực tế để giải quyết, giảm được
tối đa các sự cố, hư hỏng công trình khi xây
dựng trên nền đất yếu
Từ khóa
Đất yếu, cố kết
1 Mở đầu
Đất yếu chưa có một khái niệm rõ ràng và thống nhất Bởi vì trong mối quan
hệ tương tác với công trình có qui mô và tải trọng khác nhau nền đất sẽ ứng xử khác nhau Có khi nền đất là yếu với công trình này, lại không yếu với công trình khác Nhìn chung đất yếu là đất có sức chịu tải thấp, vào khoảng 0.5–1.0 kg/cm2,
có tính biến dạng lớn, hầu như bão hòa nước, có hệ số rỗng lớn (thường e > 1), module biến dạng thấp (E0 ≤ 50 kg/cm2), lực dính c theo kết quả cắt nhanh không thoát nước ≤ 0.15 kg/cm2, góc nội ma sát
từ 00 đến 100 hệ số sức kháng cắt không đáng kể,…
Ngoài ra có thể định nghĩa nền đất yếu theo sức kháng cắt không thoát nước
Su và trị số xuyên tiêu chuẩn N như sau: Đất rất yếu: Su ≤ 12.5kPa hoặc N≤2 Đất yếu: Su ≤ 25kPpa hoặc N ≤ 4 Như vậy nếu không áp dụng các giải pháp xử lý thích hợp thì việc xây dựng công trình trên nên đất yếu sẽ rất khó khăn hoặc không thực hiện được
2 Nguyên nhân làm nền đất yếu
Đất yếu trong định nghĩa của là đất
có độ bền cơ học, thủy lực không cao, dễ
bị biến dạng khi gặp tải trọng Như vậy tác nhân làm ra đất yếu có thể qui về ba nhóm chính
2.1 Do kết cấu
Nguyên nhân này thường gặp ở các điều kiện địa chất đất sỏi, đá cuội, đá tảng Các phần tử đất đá gối lên nhau không chắc chắn, ở một số tải trọng nhất định, công trình lún ít do đất biến dạng không nhiều, ở các tải trọng lớn hơn xảy ra đứt gãy hoặc lún lệch làm công trình đổ sập như đập Malpasset ở Pháp hoặc do yếu tố thay đổi về kết cấu
Trang 2128
chịu lực của vùng như sập một vài mỏ
khai thác đá ở Việt Nam trong những
năm gần đây có thể tính một phần là do
yếu tố này Cũng có trường hợp đất sét
tạo gối nước trong lòng đất, công trình
đặt lên làm nền đất biến dạng từ từ,
hoặc khoan cọc móng tại vùng địa chất
bên cạnh, dẫn tới nứt ra những khe
ngang làm nước thoát đi, độ lún biến đổi
đột ngột, một số nhà cao tầng ở thành
phố Hồ Chí Minh có thể tính một phần là
vì lí do này mà lún sập
2.2 Do độ ẩm
Nguyên nhân này thường gặp ở đất
cát và đất sét, nước trong đất tồn tại
dưới hai dạng chủ yếu là tự do và liên
kết Đây là các tác nhân chính gây ra
hiện tượng đàn hồi thủy lực và tính nén
của đất Các nhân tố này gây ra sự khó
khăn lớn trong thi công, cản trở việc lắp
đặt và sử dụng thiết bị gia cố Hiện tượng
này phổ biến ở các vùng đồng bằng ven
sông, ven biển, các vùng rừng lâu năm
và là yếu tố chính đối với các công trình
thi công trên biển
2.3 Do đặc tính sinh hóa
Nguyên nhân này thường gặp ở các
điều kiện địa chất đã được gia cố Trải qua
thời gian, do các tác động sinh hóa, như
phản ứng hóa học trong thành phần của
chất gia cố với nước, hoạt động của sinh
vật và vi sinh vật, đất đã được gia cố trở
nên yếu đi Đây là một vấn đề tương đối
khó khăn đối với các công trình sử dụng
biện pháp hóa học để gia cố đất như xi
măng, thủy tinh,…
3 Phân biệt nền đất yếu và một số
loại đất yếu thường gặp
Đất mềm yếu nói chung là loại đất
có khả năng chịu tải nhỏ (áp dụng cho đất
có cường độ kháng nén quy ước dưới 0,50 daN/cm2), có tính nén lún lớn, hệ số rỗng lớn (e>1), có mô-đun biến dạng thấp (Eo<
50 daN/cm2), và có sức kháng cắt nhỏ Khi xây dựng công trình trên đất yếu mà thiếu các biện pháp xử lý thích đáng và hợp lý thì sẽ phát sinh biến dạng thậm chí gây hư hỏng công trình Nghiên cứu xử lý đất yếu có mục đích cuối cùng là làm tăng
độ bền của đất, làm giảm tổng độ lún và
độ lún lệch, rút ngắn thời gian thi công và giảm chi phí đầu tư xây dựng
3.1 Cách phân biệt nền đất yếu
Cách phân biệt nền đất yếu ở trong nước cũng như ở nước ngoài đều có các tiêu chuẩn cụ thể để phân loại nền đất yếu
Theo nguyên nhân hình thành: loại
đất yếu có nguồn gốc khoáng vật hoặc nguồn gốc hữu cơ
- Loại có nguồn gốc khoáng vật: thường là sét hoặc á sét trầm tích trong nước ở ven biển, vùng vịnh, đầm hồ, thung lũng
- Loại có nguồn gốc hữu cơ: hình thành từ đầm lầy, nơi nước tích đọng thường xuyên, mực nước ngầm cao, tại đây các loại thực vật phát triển, thối rữa phân hủy tạo ra các vật lắng hữu cơ lẫn với trầm tích khoáng vật
Phân biệt theo chỉ tiêu cơ lý (trạng thái tự nhiên): Thông thường phân biệt
theo trạng thái tự nhiên và tính chất cơ lý của chúng như hàm lượng nước tự nhiên,
tỷ lệ lỗ rỗng, hệ số co ngót, độ bão hòa, góc nội ma sát (chịu cắt nhanh) cường độ chịu cắt
Phân biệt đất yếu loại sét hoặc á sét, đầm lầy hoặc than bùn theo độ sệt
Một số chỉ tiêu phân biệt loại đất mềm yếu:
Bảng 3.1.Phân loại đất yếu dựa vào lượng nước, độ rỗng, cường độ chịu cắt
Cường độ chịu cắt (kPa)
Giá trị chỉ tiêu ≥ 35 và giới hạn lỏng ≥ 1,0 < 35
Trang 3129
Bảng 3.2 Phân loại đất yếu dựa vào hệ số co ngót, độ bão hòa, góc ma sát trong
Chỉ tiêu
Loại đất
Hàm lượng nước tự nhiên (%)
Độ rỗng
tự nhiên
Hệ số co ngót (Mpa -1 )
Độ bão hòa (%)
Góc nội ma sát ( o ) (chịu cắt nhanh)
Đất sét > 40 > 1,2 > 0,50 > 95 < 5
Đất á sét
(Đất bột) > 30 > 0,95 > 0,30 > 95 < 5
3.2 Vị trí nền đất yếu
Nền đất yếu thường gặp ở khu vực
miền duyên hải (bãi bồi ven sông, biển)
hoặc ở các thung lũng thuộc vùng núi,…
có chung đặc tính là lượng nước tự nhiên
lớn (≥35%) độ lún cao, cường độ chịu cắt
thấp (< 35kPa), hệ số rỗng lớn (e ≥ 1,0)
và độ thoát nước kém,… khi xây dựng
công trình trên loại đất này dễ bị lún sụt
Từ các khu vực châu thổ Bắc bộ,
Thanh - Nghệ Tĩnh, ven biển Trung bộ, đến
đồng bằng Nam Bộ đều có những vùng đất
yếu Trong lĩnh vực nghiên cứu và xử lý
nền đường đắp trên đất yếu trên các tuyến
đường của Việt Nam, ngành GTVT đã có
nhiều cố gắng trong việc ứng dụng công
nghệ mới để xử lý hàng trăm km đường bộ
đắp trên đất yếu và đã thu được những kết
quả bước đầu đầy khích lệ
3.3 Các loại nền đất yếu thường gặp
Đất sét mềm: gồm các loại đất sét
hoặc á sét tương đối chặt, ở trạng thái
bão hòa nước, có cường độ thấp;
Bùn: Các loại đất tạo thành trong
môi trường nước, thành phần hạt rất mịn
(<200μm) ở trạng thái luôn no nước, hệ
số rỗng rất lớn, rất yếu về mặt chịu lực;
Than bùn: Là loại đất yếu có nguồn
gốc hữu cơ, được hình thành do kết quả
phân hủy các chất hữu cơ có ở các đầm
lầy (hàm lượng hữu cơ từ 20 – 80%);
Cát chảy: Gồm các loại cát mịn, kết
cấu hạt rời rạc, có thể bị nén chặt hoặc
pha loãng đáng kể Loại đất này khi chịu
tải trọng động thì chuyển sang trạng thái
chảy gọi là cát chảy
Đất bazan: Đây cũng là đất yếu với đặc điểm độ rỗng lớn, dung trọng khô bé, khả năng thấm nước cao, dễ bị lún sập
4 Các phương pháp xác định cường
độ và biến dạng nền đất yếu 4.1 Các phương pháp thí nghiệm xác định sức kháng cắt của đất yếu
* Thí nghiệm nén đơn (Unconfined
compression test)
Cường độ chống nén của đất thường được xác định bằng cách nén đến phá hoại một mẫu trong điều kiện nở hông tự do Lực phá hoại khi nén mẫu chỉ tác dụng theo một hướng Do đó thí nghiệm này gọi
là nén một trục – nén đơn
Cường độ chống nén của đất ứng với lúc mẫu bị phá hoại, được thể hiện khi có sự tăng biến dạng tương đối một cách rõ rệt hoặc thấy rõ mẫu đất bị phá hoại bằng mắt Cường độ chống nén của đất cho phép đánh giá được sức chịu tải của nền tức là tải trọng cho phép để nền không bị phá hoại hoặc sức chịu tải của nền tức thời
Cường độ chống nén q u hay sức kháng nén đơn cực hạn của mẫu đất được tính theo công thức:
A
P
q u max
(1) Trong đó:
P max– Lực nén lớn nhất làm mẫu bị phá hoại (ghi nhận trên đồng hồ đo lực)
A – Diện tích tiết diện mẫu bị phá
hoại Tương quan giữa cường độ chống
Trang 4130
nén q u và giá trị sức chống cắt
Sức chống cắt không thoát nước hay
lực dính không thoát nước
2
u u
q
c
(2) Trong đó: u = 0
Thí nghiệm phù hợp để xác định sức
chống cắt của đất sét bão hòa nước hoàn
toàn
* Thí nghiệm cắt trực tiếp (Direct
shear test)
Tùy theo tương quan giữa tốc độ
truyền lực nén và lực cắt, cùng điều kiện
thoát nước của mẫu đất khi thí nghiệm, có
thể phân biệt các phương pháp (sơ đồ)
chính sau đây để xác định sức chống cắt
Tiến hành thí nghiệm trên mẫu đất
có h=2cm, Ø=6.3cm
- Sơ đố cắt nhanh không cố kết (UU):
Sau khi mẫu thí nghiệm đặt vào hộp
cắt, cho tác dụng lực thẳng đứng N để xác
định cấp áp lực pháp tuyến đầu tiên σ1
Cho hộp cắt ngập nước và kiểm tra các
thiết bị đo
Tác động lực cắt ngang (T) chuyển
động với vận tốc cắt khoảng
1.25mm/phút và cho chuyển vị liên tục
trong khoảng 9mm Số đo ứng suất cắt
được đọc ở đồng hồ gắn với vòng ứng biến
theo từng khoảng chuyển vị bằng nhau
Phương thức tiến hành tương tự như
trên cho 3 mẫu đất thí nghiệm với các cấp
áp lực pháp tuyến khác nhau
Như vậy, ngay sau khi đặt ứng suất
pháp σ, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư xuất
hiện trong mẫu đất và trong suốt quá
trình cắt nhanh áp lực nước lỗ rỗng thay
đổi nhưng không đo đạc được chúng
Từ kết quả thí nghiệm, ta xác định
được các thông số sức kháng cắt ở trạng
thái ứng suất tổng c u và φ u
- Sơ đồ cắt nhanh, cố kết (CU):
Quá trình chuẩn bị đến thí nghiệm
cắt là tương tự như trong thí nghiệm UU,
ngoại trừ các dao vòng mẫu thí nghiệm
cho cố kết trước theo từng cấp áp lực
pháp tuyến dự kiến trước khi tiến hành thí
nghiệm cắt Trong thí nghiệm này cũng
không đo được áp lực nước lỗ rỗng
Từ kết quả thí nghiệm, ta xác định được các thông số sức kháng cắt ở trạng
thái ứng suất tổngc cu và φ cu
- Sơ đồ cắt chậm, cố kết (CD):
Mẫu đất thí nghiệm được cố kết dưới
áp lực nén thẳng đứng cho đến khi kết thúc giai đoạn cố kết ban đầu Sau đó cắt mẫu với tốc độ dịch chuyển đủ chậm để nước có thể thoát ra Tùy theo loại đất và khả năng của thiết bị mà chọn vận tốc cắt cho phù hợp Sơ đồ thí nghiệm này có thể được xem như cắt ở trạng thái cố kết, thoát nước, cung cấp thông số ứng suất hữu hiệu
Từ kết quả thí nghiệm, ta xác định được trị số c’ và φ’
- Ưu điểm:
+ Cơ sở lý thuyết đơn giản dễ chấp nhận
+ Là thí nghiệm đơn giản nhất để xác định sức chống cắt: cách chuẩn bị mẫu, thực hiện thí nghiệm đơn giản, không đòi hỏi máy móc phức tạp Do vậy, thí nghiệm được sử dụng rộng rãi
+ Thời gian thực hiện nhanh
- Khuyết điểm:
+ Máy cắt trực tiếp chỉ cắt theo một mặt phẳng ấn định trước, đôi khi mặt phẳng này chưa phải là mặt phẳng yếu nhất trong nền (đối với đất trầm tích không đồng nhất, mặt trượt là mặt xiên)
Do vậy kết quả c, φ tìm được theo thí nghiệm này không phản ánh trung thực ứng xử của nền
+ Sự phân bố ứng suất trên bề mặt cắt là không đều
Do vậy để có kết quả chính xác hơn
về hình ảnh của một mẫu đất khi làm việc trong phòng thí nghiệm giống như nền đất khi làm việc ở ngoài hiện trường, người ta
thường dựa vào thí nghiệm nén 3 trục (triaxial compression test) thì sẽ tìm được
c, φ chính xác hơn Hơn nữa c, φ cũng được xác định theo 3 sơ đồ khác nhau phù hợp điều kiện thoát nước và tốc độ xây dựng công trình trong thực tế nhằm mục đích ứng dụng các thiết bị hiện đại trong nghiên cứu thí nghiệm xác định các thông
Trang 5131
số phục vụ cho tính toán ổn định lâu dài
các công trình
* Thí nghiệm nén ba trục (Triaxial
compression test)
Thí nghiệm nén ba trục là thí nghiệm
xác định sức kháng cắt của đất được áp
dụng rộng rãi nhất hiện nay bởi vì thí
nghiệm này mô hình hóa được đúng hơn
trạng thái ứng suất tự nhiên của mẫu đất
trong điều kiện thế nằm tự nhiên Thí
nghiệm được thực hiện trên mẫu đất hình
trụ có tỉ số giữa chiều cao và đường kính
bằng 2/1: kích thước mẫu thường là 100 x
50mm hoặc 76 x 38mm
Trong thực tế, sức kháng cắt của đất
thường được thực hiện theo 3 sơ đồ:
Thí nghiệm không cố kết, không
thoát nước đối với đất bão hòa, ký hiệu
UU
Đây là sơ đồ thí nghiệm đơn giản,
vận hành nhanh, giá thành rẻ và thông
dụng nhất của thí nghiệm nén ba trục Kết
quả sức kháng cắt thu được là ở trạng thái
ứng suất tổng
Những nguyên lý được trình bày sau
đây chỉ liên quan đến đất bão hòa Trong
suốt quá trình thí nghiệm, nước lỗ rỗng bị
khống chế không được thoát ra ngoài,
mẫu đất không được cố kết dưới các tải
trọng tác dụng lên nó Vì nước và cốt đất
hầu như không chịu nén và giả thiết trong
nước không chứa không khí nên trong quá
trình thí nghiệm mẫu không bị biến dạng
thể tích Khi thí nghiệm với đất bão hòa,
độ tăng nào đó của ứng suất tổng tạo nên
sự tăng tương ứng của áp lực nước lỗ rỗng
(Δu = Δσ) và vì thế không xảy ra sự tăng
ứng suất hiệu quả, tức là Δσ’=0 Khi đó ta
có: S u = c u và u = 0
Giá trị S u gọi là sức kháng cắt không
thoát nước của đất
Thí nghiệm cố kết, không thoát nước
đối với đất bão hòa, ký hiệu CU
Trong phương pháp thí nghiệm có cố
kết – không thoát nước, sau khi bơm nước
vào buồng nén và tăng áp tạo ứng suất
đẳng hướng σ c lên mẫu đất, áp lực nước
trong mẫu đất sẽ tăng lên một lượng bằng
với σ c, nếu mẫu đất là mềm và bão hòa
hoàn toàn Giữ yên áp lực trong buồng nén cho đến lúc áp lực nước lỗ rỗng thặng
dư bên trong mẫu phân tán hết (có cố kết), lúc này ứng suất hữu hiệu theo các phương như nhau và bằng với áp lực
buồng nén (σ 1 ’= σ 2 ’= σ 3 ’= σ c )
Sau đó giữ nguyên áp lực buồng nén, khóa van thoát nước tức là thể tích mẫu đất bão hòa nước không đổi thể tích,
gia tăng ứng suất thẳng đứngσ 1 cho đến lúc mẫu đất bị trượt, đo áp lực nước lỗ rỗng gia tăng u trong suốt quá trình tăng tải Vận tốc nén từ 1mm/phút đến 2mm/phút Trong quá trình áp ứng suất
lệch q=Δu = σ 1 - σ 3 = Δσ 1
- Mẫu đất là cát rời hoặc đất dính cố
kết thường (NC = normally consolidation),
nếu không thoát nước áp lực nước lỗ rỗng
sẽ tăng
- Mẫu đất là cát chặt hoặc đất dính
cố kết trước mạnh (OC = over consolidation), nếu không thoát nước áp
lực nước lỗ rỗng sẽ giảm
Kết quả thu được theo sơ đồ này là sức kháng cắt theo hai trạng thái:
Đặc trưng sức kháng cắt cố kết
không thoát nước: c cu và φ cu sử dụng cho thiết kế đắp đất theo giai đoạn trên nền đất yếu
Đặc trưng sức kháng cắt cố kết, thoát nước: c’ và φ’ được dùng trong tính
ổn định dài hạn
Thí nghiệm cố kết, thoát nước, ký hiệu CD
Giống như trong thí nghiệm cố kết không thoát nước, mẫu thí nghiệm trước tiên được tiến hành cố kết dưới các tải trọng tác dụng lên nó nhưng ở giai đoạn nén, mẫu đất được thoát nước tự do Sau
đó tăng tải trọng gây cắt Tốc độ tăng tải trọng gây cắt phải chậm đủ để đảm bảo rằng không xảy ra việc tăng áp lực nước
lỗ rỗng
Vận tốc cắt (nén) cực đại được suy
ra từ thời gian cố kết mẫu:
100
0 max
t b
H
(3) Trong đó:
Trang 6132
ε f : Biến dạng tương ứng giai đoạn
sụp đổ theo các thí nghiệm trước (ε f=3%
cho sét cứng hoặc sét cố kết trước; ε f =
6% cho các trường hợp khác);
t 100 : Thời gian cố kết 100% của
mẫu;
H0 : Chiều cao ban đầu của mẫu;
b = 8.5;
Đặc trưng sức kháng cắt nhận được,
theo sơ đồ thí nghiệm này, ở trạng thái
ứng suất hữu hiệu với các thông số c’ và
φ’ riêng của mẫu
Thí nghiệm theo phương pháp CD
nhằm mô phỏng ứng xử của đất vào giai
đọan mà cố kết sơ cấp đã kết thúc
Các tham số sức chống cắt (c, φ)
được thí nghiệm theo cùng một sơ đồ dựa
vào máy cắt trực tiếp và máy nén 3 trục
có sự khác nhau nhưng không đáng kể
Trong đó góc ma sát φ được thí
nghiệm theo 2 sơ đồ khác nhau (CU) và
(CD) trên các lọai máy lớn hơn góc ma sát
của đất trong điều kiện không cố kết và
không thoát nước (UU) trên 100 tùy theo
tốc độ cắt hoặc nén
Lực dính của đất có khác nhau,
nhưng không nhiều
Khi các công trình đất đắp như
đường, đê, đập,… được đặt trưc tiếp trên
nền đất sét mềm và phải hoàn thành công
trong một đợt thi công thì nên chọn các
tham số sức chống cắt (c, φ) theo sơ đồ
(UU) Khi đợt đắp thứ 2 trở đi thì chọn các
tham số sức chống cắt (c, φ) theo sơ đồ (CU) hoặc (CD)
Nếu các công trình này được đắp trên nền đất sét mềm có gia cố bằng giếng cát hoặc bấc thấm kết hợp gia tải trước thì các tham số sức chống cắt (c, φ) được chọn để thiết kế phải theo sơ
đồ (CD)
Bảng tổng kết của Ladd, năm 1971,
về ứng dụng các phương pháp thí nghiệm khác nhau để tính sức chống cắt và sức chịu tải của đất nền dưới công trình
Bảng 4.1 Một số ứng dụng của phương pháp
CD
CD
Thi công công trình đất đắp từng lớp thật chậm trên nền sét mềm
Ứng suất chống cắt tại chỗ có thoát nước sau khi đã cố kết
Đập đất với sự
thường trực
Ứng suất chống cắt của lõi đập có thoát nước, sau khi đã cố kết
Mái dốc tự nhiên hoặc mái đào của hố móng
Ứng suất chống cắt tại chỗ có thoát nước, sau khi đã cố kết
Móng nông trên nền đất sét, sau khi lún
ổn định
Ứng suất chống cắt tại chỗ có thoát nước, sau khi đã cố kết
Bảng 4.2 Một số ứng dụng của phương pháp CU
Công trình và giai đọan làm việc
Đắp lớp đất tiếp theo sau khi đã cho nền
cố kết hoàn toàn với lớp đắp trước của
công trình đất đắp, hoặc gia tải từng cấp
trong gia tải trước
Ứng suất chống cắt tại chỗ không thoát nước, ngay sau khi đắp lớp sau và nền đã
cố kết hoàn toàn bởi tải của lớp đắp trước
Xả nước hồ chứa nhanh Lõi không thấm
của đập chưa kịp thoát nước trong quá
trình tháo đập
Ứng suất chống cắt lõi đập không thoát nước, trong lúc xả nhanh hồ chứa, sau khi lõi đã cố kết hoàn toàn trong sự thấm thường trực
Thi công nhanh công trình đất đắp trên
suờn dốc
Ứng suất chống cắt ngay sau khi gia tải không thoát nước, nền đã cố kết hoàn toàn bởi trọng lượng bản thân trước đó
Trang 7133
Bảng 4.3 Một số ứng dụng của phương pháp UU
Công trình và giai đọan làm việc tương
ứng
Ứng suất chống cắt UU
Thi công nhanh công trình đất đắp trên
lớp sét mềm
Ứng suất chống cắt ngay sau khi gia tải không thoát nước, nền sét mềm chưa cố kết hoàn toàn bởi tải trọng lượng bản thân (NC)
Đập kích thước lớn khi thi công nhanh,
độ ẩm của lõi không kịp thay đổi
Ứng suất chống cắt không thoát nước của lõi sét đầm chặt của đập
Móng nông thi công nhanh trên nền sét Sức chịu tải phụ thuộc ứng suất chống
cắt không thoát nước
* Thí nghiệm cắt cánh hiện trường (Field
Vane test)
Ta đã biết, khả năng thoát nước của
lỗ rỗng của đất dính rất chậm nên trong
một số trường hợp tính toán nền móng,
đặc biệt nghiên cứu đất đắp trên nền đất
yếu, thì thí nghiệm theo sơ đồ UU (không
thoát nước, không cố kết) là thích hợp
Trong khi đó, việc xác định c u ở trong
phòng thí nghiệm không phải lúc nào cũng
thuận lợi, nhất là sét yếu và than bùn
Xuất phát từ những vấn đề nêu trên,
người ta đề xuất một loại thí nghiệm,
không cần tiến hành lấy mẫu nguyên
dạng, có thể xác định nhanh chóng sức
kháng cắt không thoát nước của đất yếu
Phương pháp cắt cánh thường được sử
dụng trong các loại đất mềm yếu, khó có
khả năng lấy mẫu nguyên dạng để thí
nghiệm trong phòng như đất loại sét mềm
yếu, cát hạt nhỏ và mịn bão hòa nước, các
loại đất bùn và than bùn Hiện nay, ở
nước ta, khi thiết kế nền đất yếu, thiết kế
thi công cọc khoan nhồi, hố móng, người
ta thường sử dụng phổ biến các tài liệu thí
nghiệm cắt cánh
Thí nghiệm cắt cánh theo nguyên
tắc là cắt đất trên một mặt phẳng định
sẵn Nguyên lý thí nghiệm rất đơn giản là
ấn vào trong đất một cánh cắt chữ thập
bằng thép, sau đó quay cánh cắt cho đến
khi đất bị cắt xoay tròn (phá hủy) xung
quanh trục của nó và đo mô-men xoắn
Đất bị cắt trong thời gian khá nhanh, nước
không kịp thoát ra ngoài nên thí nghiệm
được xem như là theo sơ đồ UU Ta tính
được ứng suất tiếp τ, từ đó có sức kháng
cắt không thoát nước S u (tức là c u) của đất yếu, do u = 0
3 7
6
d
M x
(4) Trong đó:
M x: Mô-men giới hạn do ngọai lực tác dụng lên cần nối và cánh chữ thập
d : Đường kính cánh chữ thập
Thí nghiệm cắt cánh có độ tin cậy tương đối tốt Các sai sót có thể có do thí nghiệm cắt cánh thường là: cánh cắt quá dày, tỷ lệ chiều cao với bề rộng cánh không phù hợp, ma sát
4.2 Các phương pháp thí nghiệm xác định tính nén lún của đất yếu
Bên cạnh các tham số (c, φ) đặc trưng cho sức chống cắt của đất nền Tính nén lún của nền đất yếu còn được đặc trưng bởi các hệ số nén lún a hoặc chỉ số nén Cc; hệ số cố kết thẳng đứng Cv; mô-đun biến dạng E0
Sau đây là một số phương pháp thí nghiệm xác định mô đun biến dạng E của nền đất
Mô-đun biến dạng E cho biết khả năng chống lại tác dụng nén lún của tải trọng tác dụng
- Khi E càng nhỏ thì đất càng yếu và biến dạng lún lớn
- Khi E càng lớn thì đất tốt và biến dạng lún nhỏ E = 300 ÷ 5000kN/m2 (đất bùn yếu) đến 100000kN/m2 (đá gốc, đá tảng)
- Mô-đun đàn hồi là mô đun chỉ xét đến biến dạng đàn hồi
- Mô-đun biến dạng khi xét đến biến
Trang 8134
dạng đàn hồi và biến dạng dư
* Thí nghiệm bàn nén hiện trường:
Khi xác định E trong phòng nghiệm
không phản ánh hoàn toàn đầy đủ tính
liên tục của đất (đất nền bị nở hông khi
chịu nén), để có giá trị E phù hợp với
trạng thái của khối đất tự nhiên, người ta
dùng phương pháp thí nghiệm bàn nén
hiện trường
Ngành xây dựng thường dùng bàn
nén vuông có cạnh từ 0,3m; 0,45m;
0,6m; 0,75m;… Ngành cầu đường thường
sử dụng bàn nén tròn có đường kính
0,75m Đôi khi, bàn nén được tiến hành ở
đáy hố khoan với những bàn nén tròn
cùng đường kính lỗ khoan
Thí nghiệm bàn nén hiện trường là
tăng tải từng cấp lên bàn nén, đo chuyển
vị đứng của bàn nén ứng với từng cấp tải
trọng, cho đến khi đạt được tải trọng giới
hạn Pult (tải trọng ứng với giá trị đó,
chuyển vị đứng của bàn nén giảm dần về
giá trị ổn định Giá trị ổn định được chọn
khi trong khoảng thời gian 1 giờ độ lún
nhỏ hơn 0,2mm)
Từ kết quả bàn nén hiện trường, ta
vẽ đường cong quan hệ giữa ứng suất và
biến dạng đứng của bàn nén
Mô đun đàn hồi của nền đất được
xác định theo biểu thức:
s
p R E
1 , 57 ( 1 2) .
(5) Trong đó:
ν : hệ số Poisson
R : bán kính bàn nén
Δp: biến thiên cấp áp lực trong pha
đàn hồi
Δs: biến thiên độ lún, tương ứng
khoảng cấp áp lực nêu trên
* Phương pháp nén cố kết (OCT):
Độ lún của đất yếu bão hòa nước,
dưới tác dụng của tải trọng, xảy ra hiện
tượng cố kết
Hiện tượng này có thể xác định trên thiết bị nén một trục không nở hông và thí nghiệm nén 3 trục Tuy nhiên, thí nghiệm nén 3 trục tiến hành khá phức tạp Thí nghiệm nén cố kết được tiến hành trên máy nén một trục nhằm xác định sự thay đổi chiều cao của một mẫu đất nguyên dạng trong một hộp hình trụ không cho phép biến dạng ngang và chịu áp lực thẳng đứng
Mẫu đất được lấy vào trong một dao vòng bằng thép không rỉ, cứng có đường kính 70mm, chiều cao 20mm Dao vòng,
có mẫu đất, được đặt trong một hộp nén với 2 viên đá bọt ốp trên và dưới Cả hộp được đặt chìm trong nước
Hộp mẫu được đặt trong hệ khung đặc biệt, có thể gia tải qua cánh tay cân, trên đó treo các quả cân có trọng lượng khác nhau Đo chuyển vị thẳng đứng mẫu đất bằng thiên vân kế gắn liền với khung Tiến hành chất tải theo cấp đầu tiên của cấp áp lực dự kiến (0,25 - 0,5 - 1,0 - 2,0 - 4,0 - 8,0 - 16,0 - 32,0 kg/cm2) Kết quả quan trắc được thể hiện dưới 2 dạng biểu đồ:
+ Biểu đồ quan hệ giữa hệ số rỗng – cấp áp lực
+ Biểu đồ quan hệ giữa chuyển vị - thời gian
Tại hai điểm bất kỳ trên đường cong nén lún ta có thể rút ra biểu thức:
) 1
e H H
(6)
e a
là hệ số nén lún và
khi đó ta có:
0 0
1
v
e E
a
Phương pháp dùng bảng tra:
Trang 9135
5 Kết luận
Khi nghiên cứu về các đất yếu, cần
tiến hành các thí nghiệm để xác định các
đặc trưng cơ học (cường độ chống cắt và
các đặc trưng biến dạng) của chúng
Các chỉ tiêu biểu thị sức kháng cắt
của đất gồm có lực dính kết c và góc ma
sát trong φ Tuỳ theo các giải pháp thiết
kế khác nhau màc, φ sẽ được xác định
theo các phương pháp thí nghiệm khác nhau
Các chỉ tiêu biểu thị tính nén lún của
đất gồm có: hệ số nén lún a v hoặc chỉ số
nén C c ; hệ số cố kết thẳng đứng C v; mô
đun biến dạng E 0
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bùi Trường Sơn, 2009 “Bài giảng địa chất công trình”
[2] Bùi Trường Sơn, 2009 “Thổ chất và công trình đất”
[3] Châu Ngọc Ẩn, 2009 “Cơ học đất” NXB Đại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh
[4] K.H.Head, 1994 “Soil laboratory testing, volume 2, Permeability, shear strength and compressibility”
[5] Tiêu chuẩn xây dựng TCVN 8868-2011; TCVN 4199-1995; TCVN 4200-2012; TCVN 9354-2012