Tính toán nền móng công trình có xét đến tính trương nở

Trong quá trình xây dựng công trình, khi bị ẩm ướt, đất loại sét nén chặt bị trương nở mạnh mẽ về thể tích và gây ra áp lực trương nở với giá trị nhất định... số công trình như: đê đập,

LÊ TIẾN NGHĨA

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS BÙI TRƯỜNG SƠN

GS TSKH NGUYỄN VĂN THƠ

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày ……… tháng……… năm………

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 01/06/1981 Nơi sinh: Vĩnh Long

Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng Mã số: 605860

I TÊN ĐỀ TÀI:

TÍNH TOÁN NỀN MÓNG CÔNG TRÌNH CÓ XÉT ĐẾN TÍNH TRƯƠNG NỞ

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Tính toán móng nông có xét đến tính trương nở của đất

 Xét tính trương nở của đất nền khi tính toán móng cọc

 Ảnh hưởng của trương nở lên ổn định công trình đường giao thông

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẤT TRƯƠNG NỞ

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN NỀN MÓNG CÔNG TRÌNH TRÊN ĐẤT TRƯƠNG NỞ

Chương 3: TÍNH TOÁN NỀN MÓNG TRÊN ĐẤT TRƯƠNG NỞ

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04 – 07 – 2011

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02 – 12 – 2011

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS BÙI TRƯỜNG SƠN

GS TSKH NGUYỄN VĂN THƠ

Tp HCM, ngày 11 tháng 11 năm 2011

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS BÙI TRƯỜNG SƠN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS TS VÕ PHÁN

tính trương nở” được thực hiện với kiến thức tác giả thu thập trong suốt quá trình

học tập tại trường Cùng với sự cố gắng của bản thân là sự giúp đỡ, động viên của các thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

Chân thành cám ơn GS Nguyễn Văn Thơ, thầy là động lực to lớn giúp tôi học tập và phấn đấu trong suốt quá trình học tập tại trường

Xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô bộ môn Địa Cơ – Nền Móng, những người

đã cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình học tập và công tác

Xin gửi lời cảm ơn đến các học viên chuyên ngành Địa Kỹ thuật Xây Dựng khóa

2010, những người bạn đã đồng hành và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập.Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Bùi Trường Sơn, người thầy đã nhiệt tình hướng dẫn, động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn bố mẹ và gia đình đã động viên và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi về vật chất và tinh thần trong những năm tháng học tập tại trường

Luận văn được hoàn thành nhưng không thể tránh được những thiếu sót và hạn chế Rất mong nhận được sự đóng góp của quý thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa thực tiễn hơn

Trân trọng!

Học viên

Lê Tiến Nghĩa

Tóm tắt:

Nội dung của luận văn tập trung vào việc tính toán độ nở trồi của đất nền dưới đáy móng công trình khi xảy ra hiện tượng trương nở của đất Kết quả tính toán được phân tích, đánh giá nhằm dự đoán sự biến dạng của công trình khi đất nền bị thấm ẩm

ESTIMATING THE FOUNDATION CONSIDERING THE

EXPANSIVENESS OF SOILAbstract:

The contents of the thesis concentrate on computing the expansion of the foundation below the construction footings when occur the expansiveness of soil The computing results are analysed to predict the deformation of the constructions when foundation is wetted

ĐƠN VỊ QUỐC TẾ (SI)

MỞ ĐẦU 01

CHƯƠNG 1 MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ ĐẤT TRƯƠNG NỞ 04 1.1 Đặc điểm chung của đất trương nở 04

1.2 Các phương pháp đánh giá tính trương nở 13

1.3 Một số nghiên cứu tính toán nền móng trên đất trương nở 24

1.4 Nhận xét và phương hướng của đề tài 27

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN NỀN MÓNG CÔNG TRÌNH TRÊN ĐẤT TRƯƠNG NỞ 28

2.1 Xác định độ lớn trương nở 28

2.2 Tính toán biến dạng trương nở dựa trên lý thuyết cơ học đất cho đất không bão hòa 32

2.3 Móng cọc trên đất trương nở 37

2.4 Đặc điểm thiết kế nhà và công trình trên đất trương nở 43

2.5 Nhận xét chương 48

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN NỀN MÓNG CÓ XÉT ĐẾN ĐẶC TÍNH TRƯƠNG NỞ CỦA ĐẤT NỀN 50

3.1 Tính toán móng nông trên nền đất trương nở 50

3.4 Nhận xét chương 77

KẾT LUẬN 79

KIẾN NGHỊ 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

ĐƠN VỊ CHIỀU DÀI ĐƠN VỊ LỰC

MỞ ĐẦU

Ý nghĩa khoa học của đề tài

Địa hình miền Đông Nam Bộ là một dải đất cao, hơi lượn sóng, có xu hướng thấp dần về phía đồng bằng châu thổ sông Mêkông Nền đá gốc bên dưới là nền rìa của khối granit Trường Sơn Nam và được bao phủ bởi các loại đất đá trầm tích có tuổi trẻ hơn Bên trên là lớp phù sa cổ (trầm tích cổ sông Mêkông) trải rộng ra khắp

bề mặt được gọi là dải đất xám

Sự xuất hiện của phù sa cổ dưới dạng sét loang lổ với trị số N dao động trong phạm vi từ 30 đến hơn 50, trạng thái cứng với hàm lượng hạt sét đáng kể ở một số nơi vùng Đông Nam Bộ cho thấy đây là bậc thềm của châu thổ Theo bản đồ địa chất, dải đất này nằm lộ trên bề mặt ở vùng Bình Phước, Tây Ninh thoải dần theo hướng Tây Bắc – Đông Nam và chìm dưới độ sâu 25 – 30 (m) ở phạm vi thành phố

Hồ Chí Minh

Những kết quả phân tích thành phần khoáng vật của đất loại sét của khu vựccho thấy hàm lượng montmorilonit chiếm đa số và có khi đạt tới 70% so với tổng hàm lượng sét Lớp phù sa cổ này thường ở trạng thái nửa cứng – cứng do đã được nén chặt đáng kể

Theo nghiên cứu của Nguyễn Văn Thơ và Trần Thị Thanh, kết quả phân tích thành phần khoáng vật của các loại đất sét ở Tây Nguyên, Nam Trung Bộ và Đông Nam Bộ cho thấy rằng: khoáng vật montmorilonit – loại khoáng vật sét có đặc điểm trương nở mạnh – không xuất hiện trong đất bazan, nhưng có mặt trong các loại đất bồi tích, hồ tích và các loại tàn tích, sườn tàn tích có nguồn gốc từ bột kết, cát kết, granit

Trong quá trình xây dựng công trình, khi bị ẩm ướt, đất loại sét nén chặt bị trương nở mạnh mẽ về thể tích và gây ra áp lực trương nở với giá trị nhất định Một

số công trình như: đê đập, kênh dẫn, đường giao thông, công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp trên nền đất loại này sau thời gian xây dựng và sử dụng phát sinh một số hiện tượng như: trồi, lún lệch gây nứt nẻ công trình, không đảm bảo điều kiện sử dụng công trình.

Để phân tích, đánh giá ảnh hưởng của hiện tượng trương nở lên việc tính toán

nền móng công trình, chúng tôi chọn lựa đề tài “Tính toán nền móng công trình có

xét đến tính trương nở”.

Việc phân tích, tính toán căn cứ vào các số liệu thí nghiệm trên các mẫu đất thực tế nhằm rút ra các kinh nghiệm cần thiết phục vụ thiết kế cũng như dự tính các khả năng bất lợi trong công tác xây dựng công trình ở khu vực phổ biến loại đất này (Tây Ninh, Bình Phước, Bình Dương và đồng bằng sông Cửu Long)

Nhiệm vụ của luận văn

Để thực hiện mục đích đánh giá ảnh hưởng của độ trương nở và áp lực trương

nở lên độ ổn định của nền móng công trình, chúng tôi đề ra các nhiệm vụ chính cho luận văn như sau:

 Tính toán, thiết kế móng nông có xét đến tính trương nở của đất

 Xét tính trương nở của đất nền trong tính toán móng cọc

 Ảnh hưởng của trương nở lên ổn định công trình đường giao thông

Các kết quả tính toán có thể được so sánh với các phương pháp tính toán không xét đến tính trương nở của đất nền

Phương pháp nghiên cứu

 Tổng quan các kết quả nghiên cứu đã có và các phương pháp tính toán nền móng trên đất trương nở

 Thu thập các số liệu về tính trương nở của đất nền thực tế phục vụ tính toán.

 Tính toán, so sánh và phân tích kết quả

Việc tính toán chủ yếu đề cập đến đặc điểm nở thể tích cũng như áp lực trương

nở, các yếu tố độ bền, áp lực nước lỗ rỗng không được xét đến, đây cũng là hạn chế của đề tài

CHƯƠNG 1 MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ ĐẤT

TRƯƠNG NỞ1.1 Đặc điểm chung của đất trương nở

1.1.1 Một số khái niệm chung

Đất sét có tính nở thì được gọi là đất trương nở Khi các loại đất này chưa hoàn toàn bão hòa, chúng có thể gia tăng thể tích khi bị tẩm ướt Đất trương nở co lại rất nhanh khi khô lại và phát triển các vết nứt trên bề mặt Các loại đất này có chỉ

số dẻo khá cao Đất đen nhiệt đới được tìm thấy ở nhiều nơi của Ấn Độ cũng thuộc vào loại đất này Màu sắc thay đổi từ màu xám đen tới đen và có tính thay đổi thể tích khi chịu ảnh hưởng của sự thay đổi lượng chứa ẩm như đất yếu của khu vực Chúng ta có thể dễ dàng để nhận ra các loại đất trên trong mùa khô hoặc mùa mưa Vết nứt co ngót có thể nhìn thấy trên mặt đất trong mùa khô Chiều rộng tối đa của các vết nứt có thể lên đến 20 (mm) và giảm dần khi tiến sâu vào lòng đất Trong mùa mưa, những vùng đất trên trở nên rất dính, cường độ có thể giảm đến hàng chục lần và tương tự là đặc tính biến dạng [3, 18]

Đất trương nở có thể là đất tàn tích, đó là kết quả của quá trình phong hóa đá gốc Độ sâu của các loại đất này ở một số vùng có thể lên đến trên 6 (m) Ở điều kiện khí hậu nước ta, bề dày bề dày lớp phong hóa trung bình đạt đến 15 (m) Thông thường, mực nước ngầm tại những vùng này có độ sâu lớn Vì vậy, đất trở nên ẩm ướt chỉ trong mùa mưa và khô hoặc bão hòa một phần trong suốt mùa khô Trong một số khu vực, mùa mưa và mùa khô luân phiên nhau, những loại đất này trương nở và co ngót mang tính chu kỳ đều đặn Do sự thay đổi độ ẩm trong đất, các cấu trúc trong đất bị dịch chuyển liên tục nên bất kỳ kết cấu xây dựng nào trên đất trương nở cũng xuất hiện các vết nứt và dẫn đến phá hoại công trình hoặc hư hỏng

Sự biến đổi độ ẩm trong đất theo chiều sâu được thể hiện trong hình 1.1 [3, 18]

Hình 1.1 Sự thay đổi độ ẩm trong đất theo chiều sâu (Chen, 1988)

Trong mùa khô, lượng nước tự nhiên trên bề mặt không có hoặc rất ít và thể tích của đất đạt đến giới hạn co Độ ẩm tăng theo chiều sâu và tiến đến giá trị Wn tại một độ sâu Dus, phần còn lại gần như không đổi Trong mùa mưa, độ ẩm tăng lên và đạt tối đa trên bề mặt Độ ẩm giảm dần theo chiều sâu từ giá trị tối đa Wn ở bề mặt đến một giá trị không đổi Wn(const) ở cùng một chiều sâu Dus Điều này chỉ ra rằng lượng nước đất trương nở hút vào cấu trúc mạng tinh thể của nó là tối đa ở bề mặt

và bằng không ở chiều sâu Dus Điều này có nghĩa là đất nằm trong phạm vi chiều sâu Dus thay đổi độ ẩm liên tục và do đó gây ra chuyển vị đáng kể trong nền đất Các chuyển vị phần lớn nằm gần mặt đất và giảm theo chiều sâu

Vùng phía trên được giới hạn bởi chiều sâu Dus được gọi là vùng không ổnđịnh (vùng hoạt động trương nở) và phía dưới là vùng ổn định Kiến trúc xây dựng trong khu vực không ổn định này có khả năng di chuyển lên và xuống theo mùa và

do đó bị thiệt hại nếu có chuyển vị đáng kể [3, 18]

Nếu một kết cấu được xây dựng trong mùa khô với nền móng được đặt trong vùng không ổn định sẽ phải chịu một áp lực trương nở khi đất nền bão hòa nước làm việc trong mùa mưa Áp lực trương nở này bị giới hạn bởi sự trương nở tự do của nền Áp lực trương nở tối đa ghi nhận có thể đạt đến 2 (MPa) Nếu áp lực do tải trọng công trình nhỏ hơn áp lực trương nở thì kết cấu công trình có khả năng bị nâng lên và có thể dẫn đến rạn nứt trong kết cấu Nếu áp lực do tải trọng công trình lớn hơn áp lực trương nở thì sẽ không ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu [18]

1.1.2 Thành phần khoáng sét và cơ chế trương nở

Khoáng vật sét có thể được chia làm 3 nhóm dựa trên cấu trúc tinh thể của chúng, bao gồm:

 Nhóm Kaolinit

 Nhóm Montmorilonit

 Nhóm Illit

Hình 1.2 Mô hình đất trương nở

Tính trương nở là đặc điểm tăng thể tích và áp lực trương nở do quá trình thủy hóa hoặc do tương tác với các dung dịch hóa học Đặc điểm hình thành tính trương

nở của đất loại sét có quan hệ mật thiết đến nguồn gốc thành tạo và quá trình hóa đá

Tính trương nở thể hiện rõ rệt trong đất loại sét có liên kết ximăng yếu và bị nén lại (quá cố kết hay được đầm chặt) Các loại đất này hình thành chủ yếu trong điều kiện khí hậu khô và chứa một hàm lượng khoáng vật sét có mạng lưới tinh thể linh động (dạng montmorilonit) hay các chất hữu cơ Hầu hết các loại đất trương nở sau khi ngấm nước đều giảm độ chặt (dung trọng), chuyển từ trạng thái cứng, nửa cứng sang trạng thái dẻo, giảm độ bền đến vài lần

Sự trương nở của đất thường là do quá trình thẩm thấu và hấp phụ nước vào trong đất Khi ngấm nước, độ ẩm của đất tăng dần, bề dày của màng nước xung quanh hạt rắn tăng theo và đồng thời làm tăng bề dày tầng điện kép dẫn đến việc hình thành áp lực làm các hạt xô đẩy nhau Hiện tượng này làm phá hủy các liên kết cấu trúc giữa các hạt và làm tăng thể tích của toàn bộ khối đất

Mạng tinh thể của kaolinit tương đối bền và ổn định Mỗi tập của mạng tinh thể gồm một lớp các khối 4 mặt oxyt silic và một khối 8 mặt hydroxyt alumin xen

kẽ nhau Các lớp tiếp xúc của hai tập kế cận nhau tạo nên mạng tinh thể kaolinit rất khác nhau (hình 1.3): lớp trên của tập dưới được tạo bởi các nhóm hydroxyl, còn lớp dưới của tập trên nằm kề đó thì có các nguyên tử oxy Tên khác nhau của các lớp tiếp xúc với các tập kế cận làm cho mạng tinh thể rất chắc Mỗi liên kết ở bên trong của các tập cũng bền vững, đó là do có các lớp chuyển tiếp của các ion điện tích dương và âm Do đó mà mạng tinh thể không di động và vì vậy các tinh thể kaolinit tương đối lớn, chỉ có khả năng hấp thụ nước và trương nở không đáng kể

Hình 1.3 Sơ đồ phân bố các lớp ở mạng tinh thể khoáng vật sét

Montmorilonit (Al,Mg)2 [Si4O10] [OH]2 nH2O (tên của các mẫu sét lấy ở gần Montmorillon, nước Pháp) Tinh thể có nhiều hình dạng khác nhau Theo nghiên cứu qua kính hiển vi điện tử, chúng đều có đặc điểm là có độ phân tán cao và tính chất mơ hồ của đường nét Do mối liên kết giữa các mạng tinh thể yếu hơn, nên montmorilonit dễ hấp thụ nước vào giữa các mạng tinh thể và có khả năng trương

nở mạnh Dấu hiệu đặc trưng của nhóm khoáng vật thuộc nhóm montmorilonit là lượng nước trong thành phần của chúng thay đổi mạnh tùy theo độ ẩm của môi trường xung quanh Kích thước thường nhỏ hơn 0,001 (mm) làm tăng tỷ mặt ngoài, tăng hoạt tính mặt ngoài

Cấu trúc mạng tinh thể của montmorilonit nói chung gần giống cấu trúc mạng tinh thể của kaolinit (hình 1.3), nhưng khác so với kaolinit là tập lớp riêng biệt của montmorilonit đối xứng nhau Mỗi tập mạng ở trên và dưới đều kết thúc bằng các lớp gồm những khối 4 mặt SiO2 và giữa các lớp này lại có một lớp gồm những khối

8 mặt hydroxyt alumin Các tập lớp của montmorilonit quay các lớp đồng nhất

(gồm các nguyên tử oxy) lại phía nhau Mối liên kết giữa các tập này yếu hơn mối liên kết giữa các tập mà các lớp nguyên tử khác tên quay ngược chiều với nhau như kaolinit Vì vậy nước dễ thấm vào trong mạng tinh thể của montmorilonit, làm cho mạng này giãn ra và có khả năng trương nở mạnh.

Illit (Hydromica) KAl2[(Si, Al)4O10] [OH] nH2O (do các nhà địa chất ở Illinois đặt tên) có tính chất trung gian giữa kaolinit và montmorilonit Illit hình thành do khoáng vật mica tác dụng với nước Tinh thể thường gặp dạng phiến mỏng Khác với kaolinit, illit có các lớp oxyt silic xếp kề nhau và có ion kali liên kết giữa cáclớp này nên có khả năng nở hạn chế khi ngậm nước

Kiến trúc mạng tinh thể của illit giống như kiến trúc mạng montmorilonit Tuy nhiên sự có mặt trong mạng illit có các ion kali phân bố ở giữa các tập lớp làm cho những tập này chắc hơn, tạo cho illit có độ bền lớn và không có tính di động Vì vậy các tinh thể illit thường lớn hơn tinh thể montmorilonit [10]

Thành phần khoáng vật của đất là một trong những yếu tố quan trọng gây ra tính trương nở Ảnh hưởng của thành phần cấu tạo đất loại sét lên quá trình trương

nở có quan hệ với giá trị tỷ diện tích và hàm lượng, cũng như dạng ion trao đổi Mức độ ảnh hưởng của thành phần khoáng vật hạt sét lên tính trương nở có thể sắp xếp như sau: montmorilonit – illit – kaolinit Dãy các ion theo mức độ ảnh hưởng lên tính trương nở của đất sét: Li+, Na+, NH4+, K+, Mg2+, Ca2+, Al3+, Fe3+

1.1.3 Các đặc trưng cơ bản về tính trương nở

Đất trương nở có thể được phân loại trên cơ sở một số đặc điểm vốn có của đất Điều này rất cần thiết để hiểu một số thông số cơ bản được sử dụng trong phân loại

 Khả năng trương nở

Độ trương nở (sw) là tỷ số giữa biến dạng tuyệt đối của mẫu đất trương nở

trong điều kiện không nở hông (h) với chiều cao ban đầu của mẫu đất với độ ẩm tự nhiên (h0):

 Độ ẩm trương nở tự do (W sw )

Độ ẩm trương nở tự do (Wsw) là độ ẩm của mẫu đất trương nở hoàn toàn trong điều kiện không nở hông và không có áp lực tác dụng lên mẫu Còn khi mẫu đất chịu áp lực ngoài thì độ ẩm trương nở của mẫu đất sẽ ứng với giá trị áp lực đó

*

i

i f

f

V

V V

Vi– thể tích ban đầu của mẫu đất

Bảng 1.1 Phân loại đất theo độ trương nở

cố kết luôn có khuynh hướng trương nở

Hình 1.4 Chế độ trương nở của đất loại sét với độ ẩm ban đầu khác nhau, W 0 – độ

1.1.4 Các giai đoạn trương nở

Đất trương nở có ba giai đoạn riêng biệt như sau:

Trương nở sơ cấp: là giai đoạn đầu tiên của đất sét Trương nở sơ cấp xảy ra

từ lúc thời điểm bằng 0 đến khoảng 100 (phút) Trong suốt quá trình nở sơ cấp hệ số thấm của đất giảm rất nhanh là bởi sự khép lại của những vết nứt khi đất trương nở

Ở thời điểm cuối của trương nở sơ cấp, những vết nứt chính có thể được khép lại và

Trương nở thứ cấp: giai đoạn 2 của trương nở là trương nở thứ cấp Trương

nở thứ cấp xảy ra từ 100 ÷ 20000 (phút) sau khi mẫu bị ngập nước Trong giai đoạn trương nở thứ cấp hệ số thấm tiếp tục giảm bởi vì sét tiếp tục trương nở và những vi khe nứt đóng lại Hệ số thấm thấp nhất vào khoảng 1,5x10-8(cm/s) xảy ra ở khoảng

5000 (phút) khi mà hầu hết những vi khe nứt hầu như được khép kín Từ 5000 –

20000 (phút) hệ số thấm tăng nhẹ, là bởi sự kết hợp trương nở thứ cấp tăng thêm (làm tăng hệ số rỗng) và sự giảm khí lỗ rỗng

Ổn định: Giai đoạn 3 bắt đầu khi đất sét ngừng trương nở khoảng 20000

(phút) sau khi mẫu bị ngập nước Đất không còn trương nở được ghi lại từ 20000 –

50000 (phút) (kết thúc thí nghiệm) Hệ số thấm không đổi (3x10-8 cm/s) khi đất sét ngừng trương nở

1.2 Các phương pháp đánh giá tính trương nở

1.2.1 Đánh giá khả năng trương nở của đất bằng phương pháp chỉ số đơn (Chen, 1988)

Các thí nghiệm được dùng để đánh giá khả năng trương nở của đất là:

 Các thí nghiệm xác định giới hạn Atterberg

 Thí nghiệm xác định độ co

 Thí nghiệm xác định độ keo

 Giới hạn Atterberg

Holtz và Gibbs (1956) đã chứng minh rằng chỉ số dẻo Ip và giới hạn nhão WL

được dùng để xác định đặc điểm trương nở của hầu hết các loại đất sét Vì giới hạn nhão và độ trương nở của đất sét phụ thuộc vào lượng nước mà đất sét hấp thụ Mối quan hệ giữa các khả năng trương nở của đất sét và chỉ số dẻo đã được thiết lập và thể hiện như ở bảng 1.2 [18]

Bảng 1.2 Mối quan hệ giữa khả năng trương nở và chỉ số dẻo I p

Chỉ số dẻo I p (%) Khả năng trương nở

 Hàm lượng hạt keo phân tán (hạt mịn)

Tồn tại mối quan hệ trực tiếp giữa hàm lượng hạt keo phân tán và khả năng trương nở như hình 1.5 (Chen, 1988) Ứng với một loại đất sét nào đó, khả năng trương nở sẽ tăng tùy thuộc vào hàm lượng sét có trong đất

Hình 1.5 Quan hệ giữa độ trương nở (%) và hàm lượng hạt sét của đất thí nghiệm

1.2.2 Phân loại đất trương nở bằng phương pháp đo gián tiếp

Bằng cách sử dụng các thông số khác nhau như được giải thích ở trên, khả năng trương nở có thể được đánh giá mà không cần đến đo trực tiếp (Chen, 1988)

 Phương pháp USBR

Holtz và Gibbs (1956) phát triển phương pháp này dựa trên việc xem xét đồng thời nhiều thuộc tính của đất Các mối quan hệ đặc trưng của những thuộc tính này với khả năng trương nở được thể hiện trong hình 1.6 Bảng 1.4 được tổng hợp dựa trên các đường cong được trình bày trong hình 1.3 bởi Holtz và Gibbs (1956)

Mối quan hệ giữa khả năng trương nở và chỉ số dẻo được thể hiện qua biểu thức sau (Chen, 1988):

Độ keo Chỉ số dẻo Giới hạn co (%)

Hình 1.6 Quan hệ của sự thay đổi thể tích với hàm lương hạt keo, chỉ số dẻo và giới

Mức độ trương nở

Hình 1.7 Quan hệ giữa sự thay đổi thể tích với chỉ số dẻo (Chen, 1988)

 Phương pháp độ hoạt động (Activity)

Skempton (1953) xác định độ hoạt động bằng biểu thức sau:

của bentonit, illit, kaolinit và cát mịn theo những tỷ lệ khác nhau Độ hoạt động của mẫu đất tái tạo được định nghĩa là:

n C

I



Trong đó: n= 5 cho đất tự nhiên; n= 10 cho hỗn hợp đất nhân tạo

Biểu đồ phân loại đề xuất được thể hiện trong hình 1.8 Phương pháp này là một cải tiến so với phương pháp USBR

Hình 1.8 Biểu đồ phân loại theo khả năng trương nở của đất

 Trị trương nở

ASTM đề xuất sử dụng một trị trương nở (EI) như là một phương pháp thống nhất để xác định các đặc trưng của đất trương nở Nó được xem như là một đặc trưng cơ bản của đất như: giới hạn nhão, giới hạn dẻo, chỉ số dẻo

Rây vật liệu bằng sàng số 4 Nước được thêm để cho mức độ bão hòa giữa 49

và 51 phần trăm Mẫu này sau đó được nén vào trong một khuôn đường kính 4 (in.) gồm hai lớp, tổng chiều cao đầm xấp xỉ 2 (in.) Mỗi lớp được đầm 15 búa, trọng lượng búa 5,5 (lb), độ cao rơi của búa 12 (in.) Các mẫu đất được cho cố kết dưới áp lực 1 (lb/in2.) trong thời gian 10 phút, sau đó cho ngập nước cho đến khi mẫu đất không còn trương nở [18]

Trị trương nở được định nghĩa là:

∆h – số gia thay đổi chiều cao của mẫu (in.)

hi– chiều cao ban đầu của mẫu (in.)

Phân loại khả năng trương nở của đất dựa theo bảng 1.5

Bảng 1.5 Phân loại khả năng trương nở của đất

Trị trương nở (EI) Khả năng trương nở

WL– giới hạn nhão của đất.

Quan hệ giữa chỉ số trương nở Is và giới hạn nhão được thể hiện trong hình 1.9

Hình 1.9 Quan hệ giữa chỉ số trương nở và giới hạn nhão của đất

 Dự đoán khả năng trương nở

Chỉ số dẻo và giới hạn co có thể được sử dụng để xác định đặc tính của đất trương nở Theo Seed (1962), khả năng trương nở có mối quan hệ với chỉ số dẻo theo công thức sau:

44 , 2

1.2.3 Xác định áp lực trương nở bằng phương pháp đo trực tiếp

ASTM định nghĩa áp lực trương nở là áp lực cần thiết để trả mẫu đất về trạng thái ban đầu (chiều cao, hệ số rỗng) sau khi mẫu đất đã trương nở Về cơ bản, việc xác định áp lực trương nở có thể được tiến hành theo 2 phương pháp: kiểm soát ứng suất và kiểm soát biến dạng [3, 17, 18]

Trong phương pháp kiểm soát ứng suất, các hộp nén thông thường được sử dụng Các mẫu đất được đặt trong dao vòng có chiều cao 0,75 – 1 (in.) Các mẫu đất

sẽ được nén với các áp lực khác nhau từ 500 (psf) đến 2000 (psf) tùy thuộc vào áp lực thực tế của công trình Sau khi kết thúc quá trình cố kết, nước được thêm vào mẫu đất Quá trình trương nở bắt đầu diễn ra cho đến khi ứng suất theo phương đứng không còn nữa Áp lực cần thiết để nén mẫu trở lại chiều cao ban đầu của mẫu đất được gọi là áp lực trương nở Đường cong điển hình được thể hiện như ở hình 1.10

Hình 1.10 Biểu đồ trương nở - cố kết theo phương pháp kiểm soát ứng suất

1.2.4 Ảnh hưởng của độ ẩm và khối lượng riêng khô ban đầu đến áp lực trương nở

Khả năng trương nở của đất sẽ giảm khi tăng độ ẩm ban đầu của đất vì khả năng hấp thụ nước của đất sẽ giảm khi độ bão hòa tăng lên Điều này đã được kiểm chứng bằng các thí nghiệm với đất đen nhiệt đới của Abouleid (1982) và được mô

tả trong hình 1.11(a)

Khả năng trương nở và áp lực trương nở của đất tăng lên khi khối lượng riêng khô ban đầu của đất tăng lên vì đất chặt hơn sẽ chứa nhiều hạt sét hơn trong một đơn vị thể tích Ảnh hưởng của khối lượng riêng khô ban đầu đến áp lực trương nở được thể hiện trong hình 1.11(b)

Hình 1.11 Ảnh hưởng của độ ẩm và khối lượng riêng khô ban đầu đến áp lực

trương nở của đất

1.3 Một số nghiên cứu tính toán nền móng trên đất trương nở

1.3.1 Khả năng trương nở liên quan đến độ bão hòa của đất

Biến dạng trương nở xảy ra trong thực tế đôi khi có giá trị không bằng biến dạng được đo trong phòng thí nghiệm vì đất tại hiện trường có thể không được bão hòa hoàn toàn Hệ số thể hiện khả năng biến dạng do trương nở của đất tại hiện trường được gọi là hệ số thấm ướt  [16]

Chen (1988) đề nghị hệ số  tương ứng với sự thay đổi mức độ bão hòa trong đất theo công thức sau:

0

0

1 S

S S

S0– độ bão hòa của đất trước khi làm thấm ướt

S – độ bão hòa của đất sau khi làm thấm ướt

Tuy nhiên, độ bão hòa của đất trong thực tế rất khó xác định và phụ thuộc vào các yếu tố sau:

 Lượng nước và thời gian bốc hơi, thấm ẩm

 Lượng nước đi qua khối đất

 Sự phân tầng của các lớp đất

1.3.2 Xác định độ lớn trương nở

Tính toán trương nở thông thường được dựa trên các thí nghiệm trương nở trong phòng, sử dụng các kết quả thí nghiệm được tiến hành trên các mẫu nguyên

dạng ở nhiều độ sâu khác nhau trong vùng hoạt động để thiết lập đặc tính trương nở cho từng phân lớp.

Độ nâng lên do đất trương nở được xác định theo công thức sau:

Để tính toán cần thực hiện các bước tính:

Bước 1 Chia vùng hoạt động của đất nền làm nhiều lớp Các lớp này nên

được chia tương đối mỏng gần dưới đáy móng và tăng dần bề dày theo độ sâu Đáy của lớp đất cuối cùng trùng với biên dưới của vùng hoạt động

Bước 2 Tính tổng ứng suất đứng (z) tại điểm giữa của mỗi lớp (bao gồm ứng suất do trọng lượng bản thân cột đất và ứng suất do tải trọng từ móng)

Bước 3 Sử dụng các kết quả thí nghiệm trương nở, tính toán biến dạng trương

nở (sw) tại điểm giữa của mỗi lớp

Bước 4 Xác định hình dạng ban đầu của đường độ bão hòa theo độ sâu dựa

trên các kết quả thí nghiệm độ ẩm từ các mẫu đất được thu thập trong quá trình khoan khảo sát

Bước 5 Dự đoán hình dạng sau cùng của đường độ bão hòa theo độ sâu Đây

là bước rất khó khăn và có các giả thiết bổ trợ sau:

Giả thiết 1 Dùng kinh nghiệm đánh giá dựa trên sự quan trắc của các dự án đã

được xây dựng Nghiên cứu điều kiện cân bằng độ ẩm dưới các khu vực tòa nhà, đường Giá trị độ ẩm sau cùng thường nằm trong khoảng (1,1 – 1,3)WP, với WP –giới hạn dẻo

Giả thiết 2 Giả thiết đất bão hòa nhưng áp lực nước lỗ rỗng trên mực nước

ngầm bằng không

Giả thiết 3 Giả thiết sự hấp thụ nước phát triển giống như cột áp thủy tĩnh âm.

Giả thiết 4 Giả thiết S= 100% tại bề mặt và giảm dần đến giá trị tự nhiên S0

tại biên dưới của vùng hoạt động

Bước 6 Tính độ trương nở tổng.

1.3.3 Mối liên hệ giữa sự thay đổi thể tích của đất và thí nghiệm nén cố kết (ASTM D4546)

Thí nghiệm nén cố kết (ASTM D4546) có thể được sử dụng để đánh giá mức

độ trương nở hoặc co ngót của đất Thí nghiệm này sử dụng thiết bị nén cố kết tiêu chuẩn (ASTM 2435) Vẽ đường cong quan hệ e – logp và các dữ liệu cần thiết về trương nở cũng như co ngót được ghi nhận Mặt khác cần thu thập số liệu về hệ số rỗng ở hiện trường e0 và hệ số rỗng ef sau khi đất đã chấm dứt trương nở hoặc co ngót Kết quả tốt nhất sẽ thu nhận được khi chia vùng hoạt động Dus thành nhiều phân lớp có bề dày Hi, xác định hệ số rỗng của từng phân lớp ei Tiến hành thí nghiệm với các mẫu đất ứng với từng phân lớp [14]

iL

i c

e

e e H

H

Trong đó:

∆Hi– sự thay đổi chiều cao của mẫu đất so với chiều cao ban đầu HiL

efi– hệ số rỗng sau cùng của mẫu đất

e0i– hệ số rỗng ban đầu của mẫu đất

Khi đó, độ biến dạng ở ngoài thực tế hiện trường sẽ là:

1.4 Nhận xét và phương hướng của đề tài

Theo hầu hết các kết quả nghiên cứu thí nghiệm, đất có chứa một hàm lượng hạt sét nhất định đều có tính trương nở Độ trương nở càng lớn, nền đất có độ hoạt tính cao với hàm lượng montmorilonit lớn Theo kết quả nghiên cứu về hàm lượng hạt sét ở khu vực cũng như theo một số hồ sơ khảo sát địa chất công trình của khu vực, trầm tích khu vực có lớp sét trạng thái nửa cứng – cứng Công trình xây dựng trên lớp đất này có thể chịu ảnh hưởng do trương nở

Kết quả nghiên cứu các đặc trưng trương nở của đất hầu hết đều chỉ được xét trên các thí nghiệm các thí nghiệm trương nở theo phương thẳng đứng và chưa thấy xem xét các đặc tính trương nở theo phương ngang

Các kết quả nghiên cứu về đất trương nở hiện nay chủ yếu tập trung vào đặc tính và đặc điểm của đất trương nở cũng như các sự cố công trình do trương nở, những kết quả nghiên cứu tính toán về đất trương nở không nhiều Thực tế, việc tính toán nền móng trên đất trương nở theo các sơ đồ đơn giản theo các tiêu chuẩn

và biện pháp xử lý khi nền là đất trương nở chưa được đề cập đến trong hầu hết các

hồ sơ khảo sát cũng như thiết kế

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN NỀN MÓNG

CÔNG TRÌNH TRÊN ĐẤT TRƯƠNG NỞ

Rõ ràng đặc điểm trương nở của đất có ảnh hưởng đến sự làm việc ổn định của công trình Ảnh hưởng này xuất hiện đầu tiên ở phạm vi móng tiếp xúc với đất nền Việc tính toán nền móng có xét đến tính trương nở của đất có sự khác biệt so với các trường hợp khác Nội dung chủ yếu của chương này trình bày về các vấn đề cơ bản khi tính toán nền móng trên đất trương nở

2.1 Xác định độ lớn trương nở

Khi móng hay công trình đắp được xây dựng trên nền đất trương nở, móng có khuynh hướng bị nâng lên do sự trương nở của đất Độ nâng lên và mức độ trương

nở của đất tác dụng lên móng của kết cấu công trình là rất phức tạp Việc tính toán

độ nâng lên này phụ thuộc vào nhiều yếu tố và không thể dễ dàng xác định một cách chính xác Một số yếu tố chính góp phần vào sự nâng lên của móng là:

 Điều kiện khí hậu liên quan đến lượng mưa, sự bốc hơi ảnh hưởng đến độ

 Tính toán độ nâng lên của nền phụ thuộc vào tính chất và độ hút nước của đất ngay sau khi xây dựng nền móng công trình

 Yếu tố quan trọng nhất quyết định áp lực trương nở và khả năng trương

nở là độ chặt của đất Khi kết thúc quá trình đào đất, sẽ có hiện tượng giải phóng

ứng suất trong khối đất Nếu các công tác xây dựng được tiến hành liên tục, tải trọng kết cấu sẽ cân bằng với ứng suất đã được giải phóng trước đó.

 Hệ số thấm của đất quyết định sự thâm nhập của nước vào đất và xác định mức độ nâng lên của nền

Tồn tại một số phương pháp đề xuất để dự đoán độ nâng của nền dưới tải trọng của kết cấu cho trước như: phương pháp của Bộ hải quân Mỹ (1982), phương pháp Van Der Merwe (1964) [18]

2.1.1 Xác định bề dày lớp ảnh hưởng trương nở

Trong điều kiện tự nhiên, độ ẩm của đất ở gần bề mặt dao động nhiều hơn so với ở dưới sâu vì các lớp đất phía trên chịu ảnh hưởng trực tiếp của mưa, bốc hơi,…

Một tiêu chí quan trọng khi tính toán nền móng trên đất trương nở là xác định chiều sâu vùng hoạt động Chiều sâu của vùng hoạt động trong thực tế rất khó có thể xác định một cách chính xác Chiều sâu của vùng hoạt động này nói chung chỉ

có thể đánh giá một cách tương đối và nhận biết trong quá trình khảo sát địa chất và dựa trên kinh nghiệm địa phương Đây là nguyên nhân khó khăn chính trong việc phân tích các biến dạng khi xảy ra hiện tượng trương nở của đất

Phương pháp của Bộ hải quân Mỹ

Quy trình xác định tổng độ lớn trương nở dưới tác dụng của tải trọng kết cấu:

 Tiến hành lấy các mẫu đất nguyên dạng dưới đáy móng Các mẫu đất này phải được lấy trong mùa khô khi độ ẩm thấp nhất

 Gia tải mẫu đất (ở độ ẩm tự nhiên) trong thiết bị nén cố kết dưới áp lực bằng với áp lực do trọng lượng bản thân cột đất cộng với tải trọng do kết cấu công trình Thêm nước vào để bão hòa mẫu và đo độ trương nở

 Tính phần trăm trương nở cuối cùng so với chiều cao mẫu ban đầu.

 Vẽ biểu đồ trương nở theo chiều sâu

 Tính tổng độ lớn trương nở thông qua diện tích dưới đường cong phần trăm trương nở theo độ sâu

Quy trình xác định điểm cắt tính toán để kiểm soát độ lớn trương nở với một giá trị cho phép được thực hiện như sau:

 Từ đường cong quan hệ phần trăm trương nở theo độ sâu, vẽ đường quan

hệ độ trương nở tổng theo độ sâu Tổng độ lớn trương nở tại một độ sâu bất kỳ bằng với diện tích phần đường cong tính từ phần có độ trương nở bằng không hướng lên đến điểm đang xét

 Với một giá trị độ lớn trương nở cho trước, chúng ta có thể xác định điểm cắt tính toán từ đường cong quan hệ tổng độ lớn trương nở theo chiều sâu

Phương pháp Van Der Merwe (1964)

Phương pháp này bắt đầu bằng cách phân loại khả năng trương nở của đất từ rất cao đến thấp được thể hiện trong hình 2.1 Sau đó gán khả năng trương nở (PE –Potential Expansion (in./ft)) dựa theo bảng 2.1

Hình 2.1 Phương pháp Van Der Merwe: (a) khả năng trương nở và (b) hệ số giảm

nở

2.1.2 Tính toán trương nở

 Giả định bề dày của lớp đất trương nở hoặc mực nước ngầm thấp nhất

 Chia chiều dày z này thành nhiều lớp đất nhỏ

 Độ trương tổng là:

i e

i (PE) (D)(F)



20 10 ) (

i

D i

( – chiều dày của lớp thứ i

2.2 Tính toán biến dạng trương nở dựa trên lý thuyết cơ học đất cho đất không bão hòa