Tieåu Luaän Ñòa Chaát Coâng Trình Naâng Cao
Caùc Ñaëc Tröng Bieán Daïng Cuûa Ñaát Vaø YÙ Nghóa
LÔØI NOÙI ÑAÀU
Trong giai ñoaïn xaây döïng vaø phaùt trieån ñaát nöôùc cuûa thôøi kyø kinh
teá môû, coâng taùc xaây döïng cô baûn vaø giao thoâng laø moät trong nhöõng
nhieäm vuï haøng ñaàu. Ñeå ñaùp öùng ñöôïc yeâu caàu naøy, vieäc nghieân cöùu
söû duïng ñaát ñaù laøm neàn vaø moâi tröôøng cho caùc coâng trình xaây döïng
khaùc nhau giöõ vai troø heát söùc quan troïng.
Coù theå noùi neàn moùng laø moät trong caùc yeáu toá quan troïng nhaát ñaûm
baûo oån ñònh coâng trình xaây döïng maø Ñòa Kyõ Thuaät laø chuyeân moân
quyeát ñònh vieäc löïa choïn giaûi phaùp, tính toaùn thieát keá vaø xöû lyù, kieán
nghò phuïc vuï cho coâng taùc thi coâng. Do vaäy, khi maø ñaâu ñoù coøn xaûy ra
söï coá veà luùn nhaø, nöùt ñöôøng, tröôït lôû maùi doác, saäp caàu … thì khoâng
nhöõng kieán thöùc vaø kyõ naêng Ñòa Kyõ Thuaät coù vaán ñeà maø traùch nhieäm
Ñòa Kyõ Thuaät cuõng khoâng theå xem nheï. Ñeå haïn cheá nhöõng baát caäp,
chuùng ta caàn nhaän thöùc roõ vaø ñaùnh giaù ñuùng vai troø Ñòa Kyõ Thuaät
trong coâng taùc xaây döïng, caàn ñaøo taïo, trang bò ñoàng boä vaø thoáng nhaát
caùc tieâu chuaån – quy phaïm vaø taøi lieäu kyõ thuaät chuyeân moân cao, sao
cho ngang taàm vôùi khu vöïc vaø quoác teá trong tieán trình hoäi nhaäp kinh
teá quoác teá.
Trong xaây döïng hieän nay, vieäc öôùc löôïng ñoä luùn vaø bieán daïng cuûa
neàn moùng coâng trình laø vaán ñeà heát söùc quan troïng ñoái vôùi ngöôøi kyõ
sö. Ñieàu naøy cho pheùp chuùng ta tính toaùn chính xaùc khoái löôïng coâng
trình, döï baùo chính xaùc ñöôïc ñoä luùn vaø bieán daïng cuûa coâng trình trong
quaù trình thi coâng cuõng nhö trong thôøi gian ñöa vaøo khai thaùc, söû duïng
coâng trình.
Vì vaäy, trong giai ñoaïn khaûo saùt thieát keá coâng trình, coâng taùc khaûo
saùt, phaân tích caùc ñaëc tröng bieán daïng cuûa ñaát vaø yù nghóa cuûa chuùng
laø moät trong nhöõng coâng taùc heát söùc quan troïng vaø caàn thieát. Ñieàu
naøy seõ raát coù yù nghóa trong vieäc tieát kieäm ñöôïc nhieàu chi phí xaây
döïng cuõng nhö giaûm thieåu toái ña caùc ruûi ro veà luùn, bieán daïng cuûa
coâng trình trong löông lai.
Vì söï haïn heïp veà thôøi gian, haïn cheá veà kieán thöùc chuyeân moân, ñeà
taøi khoâng traùnh khoûi nhöõng sô soùt. Chuùng toâi raát chaân thaønh nhaän
ñöôïc caùc yù kieán ñoùng goùp quyù baùu cuûa baïn ñoïc ñeå ñeà taøi coù theå hoaøn
chænh hôn.
GVHD: TS Buøi Tröôøng Sôn
Trang 1
Tieåu Luaän Ñòa Chaát Coâng Trình Naâng Cao
Caùc Ñaëc Tröng Bieán Daïng Cuûa Ñaát Vaø YÙ Nghóa
I.
KHAÙI NIEÄM CHUNG
Ñaát laø vaät lieäu khoâng lieân tuïc goàm caùc haït raén vaø caùc loã roãng
thoâng nhau. Caùc haït raén daïng haït (khoaùng ñaù) nhö: soûi, saïn, caùt vaø
moät phaàn haït boät khoâng giöõ nöôùc treân beà maët, trong khi ñoù caùc haït
daïng baûng, daïng kim (khoaùng seùt) löu giöõ nöôùc treân beà maët haït, nhôø
löïc huùt tónh ñieän, hình thaønh caùc maøng nöôùc lieân keát (voû nöôùc). Ñaát
coù theå baõo hoøa nöôùc (theå tích loã roãng chöùa ñaày nöôùc) hoaëc khoâng baõo
hoøa (ñaát ít aåm hoaëc aåm).
Caùc haït ñaát hình thaønh caùc keát caáu daïng haït (chaët hoaëc rôøi) cho
ñaát haït thoâ (soûi, saïn, caùt), daïng toå ong, daïng boâng cho ñaát haït mòn
(boät, seùt). Daïng keát caáu haït (duø rôøi) cuõng coù bieán daïng beù hôn daïng
toå ong vaø daïng boâng. Do ñoù, khung haït ñaát khi chòu taûi do troïng löôïng
baûn thaân hoaëc taûi ngoaøi seõ bò bieán daïng, ñöôïc goïi laø bieán daïng cuûa
ñaát. Bieán daïng cuûa ñaát neàn tuøy thuoäc loaïi khoaùng, loaïi haït, loaïi keát
caáu haït, lòch söû hình thaønh, lòch söû chòu taûi… thoâng qua caùc ñaëc tröng
vaät lyù nhö: ñoä roãng, tyû troïng ñaát…
Bieán daïng cuûa ñaát goàm hai thaønh phaàn:
Bieán daïng khung haït thöôøng öùng vôùi taûi nhoû vaø khi dôõ taûi
hình daïng khung haït coù theå phuïc hoài hình daïng ban ñaàu
bieán daïng ñaøn hoài.
Khung haït ñöôïc saép xeáp laïi (thay ñoåi lieân keát khung keát
caáu) laøm giaûm theå tích phaàn roãng bieán daïng deûo.
Löôïng nöôùc chöùa trong loã roãng cuûa ñaát cuõng nhö tính chaát cuûa loaïi
nöôùc trong ñaát cuõng aûnh höôûng raát lôùn leân söùc chòu taûi cuûa keát caáu
khung haït vaø ñaëc tính bieán daïng cuûa ñaát.
Tính bieán daïng cuûa ñaát hay coøn goïi laø tính neùn luùn cuûa noù, ñöôïc
xaùc ñònh baèng khaû naêng giaûm theå tích loã roãng trong moät ñôn vò theå
tích ñaát döôùi taûi troïng ngoaøi. Trong tröôøng hôïp xaùc ñònh, chính söï
giaûm theå tích loã roãng lieân quan tôùi khaû naêng laøm chaët hôn caùc haït
trong ñaát. Quaù trình naøy keùo theo söï dòch chuyeån taát yeáu cuûa caùc haït
ñaát…
GVHD: TS Buøi Tröôøng Sôn
Trang 2
Tieåu Luaän Ñòa Chaát Coâng Trình Naâng Cao
Caùc Ñaëc Tröng Bieán Daïng Cuûa Ñaát Vaø YÙ Nghóa
II.
TÍNH BIEÁN DAÏNG CUÛA ÑAÁT
Thöïc chaát tính bieán daïng cuûa ñaát laø söï giaûm theå tích loã roãng hay
söï dòch chuyeån vaø saép xeáp laïi caùc haït ñaát döôùi taùc duïng cuûa taûi troïng
ngoaøi, ñoàng thôøi chuùng trôû neân gaàn nhau hôn, chaët cheõ hôn. Do ñoù,
ñoâi khi ngöôøi ta coøn goïi bieán daïng naøy laø bieán daïng theå tích.
Thaät vaäy, ñaát caøng chaët hay caøng beàn seõ bò bieán daïng caøng ít,
ngöôïc laïi ñaát caøng yeáu vaø xoáp caøng bò bieán daïng nhieàu khi chuùng
chòu taùc duïng cuûa taûi troïng ngoaøi nhö nhau.
Ñeå döï ñoaùn tính bieán daïng do neùn chaët ñaát döôùi taùc duïng cuûa taûi
troïng ngoaøi, ngoaøi caùc trò soá öùng suaát gaây bieán daïng, caàn phaûi phaân
tích theâm moät soá chæ tieâu ñaëc tröng cho tính neùn luùn cuûa ñaát nhö:
Quan heä giöõa heä soá roãng (e) vôùi taûi troïng ngoaøi (P): e= f(P).
Heä soá neùn luùn a.
Heä soá bieán ñoåi theå tích m v .
Chæ soá neùn C c .
Chæ soá nôû C s .
Heä soá coá keát C v .
AÙp löïc tieàn coá keát p c .
Module toång bieán daïng cuûa ñaát E 0 .
Module bieán daïng khoâng thoaùt nöôùc cuûa ñaát E u .
Heä soá Poisson cuûa ñaát .
GVHD: TS Buøi Tröôøng Sôn
Trang 3
Tieåu Luaän Ñòa Chaát Coâng Trình Naâng Cao
Caùc Ñaëc Tröng Bieán Daïng Cuûa Ñaát Vaø YÙ Nghóa
PHAÂN TÍCH MOÄT SOÁ ÑAËC TRÖNG BIEÁN DAÏNG CUÛA ÑAÁT
V= Vo-Vp
Khí
Haït Ñaát
Vvp
Nöôùc
Vs
Vv= eoVs
Vs
Vo= Vs(1+eo)
P=0
Vp= Vs(1+ep)
III.
P>0
Khí
Nöôùc
Haït Ñaát
Hình 1. Sô ñoà thí nghieäm neùn coá keát baèng thieát bò neùn khoâng nôû hoâng
GVHD: TS Buøi Tröôøng Sôn
Trang 4
Tieåu Luaän Ñòa Chaát Coâng Trình Naâng Cao
Caùc Ñaëc Tröng Bieán Daïng Cuûa Ñaát Vaø YÙ Nghóa
1. Khaùi quaùt chung
Khi coù nhöõng lôùp ñaát traûi daøi chòu taùc ñoäng cuûa nhöõng taûi thaúng
ñöùng taùc ñoäng roäng khaép, lôùp ñaát bò neùn theo phöông truïc z. Ñeå moâ
phoûng traïng thaùi ñaát treân, ngöôøi ta neùn ñaát trong moät duïng cuï coù teân
laø maùy neùn khoâng nôû hoâng hoaëc maùy neùn coá keát nhö hình 1.
Thí nghieäm neùn coá keát nhaèm muïc ñích nghieân cöùu quaù trình coá keát
theo lyù thuyeát Terzaghi. Thí nghieäm xaùc ñònh ñoä luùn do quaù trình
thoaùt nöôùc loã roãng trong moät maãu ñaát döôùi taûi troïng thaúng ñöùng. Chi
tieát caùc quy ñònh vaø caùc böôùc tieán haønh cuûa thí nghieäm neùn coá keát coù
theå tham khaûo tieâu chuaån ASTM D2435.
2. Thieát bò thí nghieäm
Maãu ñaát ñöôïc laáy vaøo trong moät dao voøng baèng theùp khoâng ræ,
cöùng, coù ñöôøng kính khoaûng 70mm, chieàu cao khoaûng 20mm. Dao
voøng chöùa maãu ñaát ñöôïc ñaët trong moät hoäp neùn vôùi hai taám ñaù thaám
oáp phía treân vaø döôùi. Maãu ñaát ñöôïc baõo hoøa hoaøn toaøn trong quaù trình
thí nghieäm trong ñieàu kieän ngaäp nöôùc.
3. Chuaån bò maãu
Caét moät khuùc ñaát, trong hoäp maãu nguyeân daïng laáy ra trong hoäp
toân hoaëc nhöïa, roài duøng dao voøng neùn aán töø töø caét vaøo trong maãu.
Vöøa aán, vöøa goït xung quanh cho ñeán khi maãu ñaát loït vaøo dao voøng.
Coâng vieäc caàn thöïc hieän nheï nhaøng, caån thaän sao cho khoâng laøm xaùo
ñoäng maãu. Duøng con dao saéc caét phaúng ñaát ôû hai maët dao voøng. Dao
voøng vaø loõi ñaát ñöôïc cho vaøo hoäp neùn vaø laép ñaët vaøo vò trí trong maùy
neùn. Laép ñaët vaø hieäu chænh ñoàng hoà ño ñoä luùn veà vò trí 0.
4. Tieán haønh thí nghieäm
Khi hoäp maãu ñaõ ñöôïc laép ñaët vaøo trong vò trí, ta tieán haønh chaát taûi
baèng caùc quaû caân vaøo heä thoáng caùnh tay ñoøn öùng vôùi caáp aùp löïc ñaàu
tieân döï kieán. Hoäp cho ngaäp nöôùc, ñoàng hoà baám giaây ñöôïc khôûi ñoäng
vaø baét ñaàu ñoïc chuyeån vò luùn theo khoaûng thôøi gian cho ñeán khi oån
ñònh luùn.
Choïn caáp aùp löïc thí nghieäm
Troïng löôïng caùc quaû caân ñöôïc löïa choïn sao cho ñaït ñöôïc caùc caáp
aùp löïc taêng daàn nhö sau:
P= 0.125 – 0.5 – 1 – 2 – 4 – 8 – 16 – 32 (kg/cm2).
Choïn sô ñoà thôøi gian ño
ÖÙng vôùi moãi caáp taûi troïng, caùc soá ñoïc cuûa ñoàng hoà ño chuyeån vò
seõ ñöôïc ghi nhaän öùng vôùi caùc thôøi ñieåm nhö sau:
T= 6’’ – 15’’ – 30’’ – 45’’ – 1’ – 2’ – 4’ – 8’ – 15’ – 30’ – 1h –
2h – 3h – 5h – 8h – 24h…
GVHD: TS Buøi Tröôøng Sôn
Trang 5
Tieåu Luaän Ñòa Chaát Coâng Trình Naâng Cao
Caùc Ñaëc Tröng Bieán Daïng Cuûa Ñaát Vaø YÙ Nghóa
Ñoïc caùc soá ño tieáp tuïc cho ñeán khi maãu coá keát hoaøn toaøn döôùi moät
caáp aùp löïc, thöôøng laø 24h hay 48h. Sau ñoù gia taûi caáp taûi troïng tieáp
theo. Soá löôïng vaø giaù trò cuûa caùc caáp taûi troïng seõ phuï thuoäc vaøo loaïi
ñaát vaø phaïm vi cuûa öùng suaát döï kieán ôû hieän tröôøng. Sau khi gia taûi
ñeán caáp taûi troïng cuoái cuøng, sau khi quaù trình coá keát hoaøn toaøn ñaït
ñöôïc thì tieán haønh dôõ taûi theo moät hay vaøi giai ñoaïn.
* Moät soá thoâng soá thu nhaän ñöôïc töø thí nghieäm neùn coá keát
a. Quan heä giöõa heä soá roãng e vaø taûi troïng ngoaøi P
Khi döôùi taùc duïng cuûa taûi troïng neùn moät truïc khoâng nôû hoâng töï do
thì bieán daïng theå tích töông ñoái baèng bieán daïng doïc töông ñoái :
V h
(a.1)
V0
h0
Trong ñoù :
V 0 , h 0 : theå tích, chieàu cao ban ñaàu cuûa maãu töông öùng.
V, h : trò soá giaûm theå tích vaø chieàu cao töông öùng cuûa
maãu ñaát.
Töø phöông trình (a.1), ta coù :
V0 Vp
V
(a.2)
h h 0
h0
V0
V0
ÔÛ ñaây :
V o = V s +V v ; e 0 =
Vv
Vv= Vse0
Vs
V 0 = V s (1+e 0 )
Töông töï ta coù : V p = V s (1+e p )
Thay V 0 vaø V p vaøo (a.2), ta nhaän ñöôïc :
V (1 e 0 ) Vs (1 e p )
h h 0 s
Vs (1 e 0 )
e0 ep
S h h 0
1 e0
(a.3)
Thaät vaäy, döôùi taûi troïng neùn beân ngoaøi laø p 1 seõ cho ta heä soá roãng
cuûa ñaát sau khi neùn laø e 1 , vôùi p 2 cho ta e 2 . Töø caùc keát quaû thu ñöôïc, ta
coù ñoà thò quan heä e= f(p) nhö hình 2 sau ñaây
GVHD: TS Buøi Tröôøng Sôn
Trang 6
Tieåu Luaän Ñòa Chaát Coâng Trình Naâng Cao
Caùc Ñaëc Tröng Bieán Daïng Cuûa Ñaát Vaø YÙ Nghóa
0.80
0.75
hệ số rỗng e
0.70
0.65
0.60
0.55
0.50
0.45
0.40
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415 16171819202122 232425262728 29303132
2
Ứng suất nén (kG/cm )
Hình 2. Ñöôøng cong neùn luùn e= f(p)
b. Heä soá neùn luùn a
Ñaëc tröng neùn luùn cuûa ñaát coù theå theå hieän thoâng qua ñoä doác cuûa
ñöôøng thaúng ñi qua hai ñieåm coù giaù trò öùng suaát khaùc nhau. Ñoä doác
cuûa ñöôøng naøy chính laø heä soá neùn. Heä soá neùn a veà trò soá baèng tang
cuûa goùc nghieâng vôùi truïc ngang cuûa ñöôøng cong neùn luùn trong khoaûng
aùp löïc ñaõ cho.
e
a tg
p
e e
a 1 2
(b.1)
p 2 p1
c. Module toång bieán daïng E 0 , module khoâng thoaùt nöôùc E u , heä
soá Poisson vaø heä soá neùn töông ñoái m v (a 0 )
a
1
2 2
(c.1)
mv a0
(1
)
1 e1 E 0
1
E0
1 e1
E0
Hay :
(c.2)
a
GVHD: TS Buøi Tröôøng Sôn
Trang 7
Tieåu Luaän Ñòa Chaát Coâng Trình Naâng Cao
Caùc Ñaëc Tröng Bieán Daïng Cuûa Ñaát Vaø YÙ Nghóa
2 2
vôùi laø heä soá Poisson.
1
Nhö chuùng ta ñaõ bieát, trong moâi tröôøng ñaát hieän töôïng bieán daïng
khoâng chæ dieãn ra töùc thôøi maø coøn dieãn ra theo thôøi gian (hay coøn goïi
laø quaù trình coá keát). Do ñoù, trong phaân tích bieán daïng söû duïng module
ñaøn hoài caàn phaân bieät chuùng ôû hai traïng thaùi :
Module ñaøn hoài khoâng thoaùt nöôùc (E u ) : khi aùp duïng caàn
keát hôïp vôùi heä soá Poisson khoâng thoaùt nöôùc ( u ).
Module naøy bieåu hieän laø tyû soá giöõa öùng suaát vaø bieán
daïng cuûa ñaát, sao cho thôøi gian gia taûi töùc thì ñeå nöôùc
trong ñaát khoâng theå thoaùt ra ngoaøi, nghóa laø hieän töôïng
coá keát khoâng xaûy ra.
Module ñaøn hoài thoaùt nöôùc (E 0 ) : khi aùp duïng thoâng soá
naøy caàn keát hôïp vôùi heä soá Poisson ôû traïng thaùi thoaùt
nöôùc ().
Module naøy ñöôïc söû duïng trong phaân tích luùn cuûa neàn moùng khi
taûi troïng taùc duïng dieãn ra trong thôøi gian ñuû daøi ñeå nöôùc trong loã roãng
cuûa khoái ñaát coù theå thoaùt ra heát (nghóa laø quaù trình coá keát ñaõ hoaøn
taát).
Absi ñaõ chöùng minh bieåu thöùc quan heä giöõa hai loaïi module neâu
treân theo bieåu thöùc sau, khi ñaát ñöôïc giaû thieát laø ñaøn hoài.
Eu
E
(c.3)
0
1 u 1
ÔÛ ñaây :
1
Hình 3. Ñöôøng bieåu dieãn öùng suaát bieán daïng töông ñoái ôû caùc traïng thaùi
GVHD: TS Buøi Tröôøng Sôn
Trang 8
Tieåu Luaän Ñòa Chaát Coâng Trình Naâng Cao
Caùc Ñaëc Tröng Bieán Daïng Cuûa Ñaát Vaø YÙ Nghóa
d. Chæ soá neùn C c , chæ soá nôû C s , heä soá neùn luùn a v
Veõ laïi quan heä giöõa heä soá roãng e vaø öùng suaát neùn (hay p) treân
ñoà thò baùn logarit nhö trong hình 4.
2.20
Hệ số rỗng e
2.00
1.80
1.60
Cc
1.40
1.20
Cs
1.00
0.1
1.0
Pc
10.0
2
Ứng suất nén (kG/cm )
Hình 4. Ñöôøng cong e-logp cuûa thí nghieäm neùn coá keát
Tröôøng hôïp söû duïng bieåu ñoà e-logp, chæ soá C c ñöôïc xaùc ñònh theo
coâng thöùc :
e1 e 2
(d.1)
Cc
log p 2 log p1
C c chính laø ñoä doác cuûa ñöôøng neùn nguyeân thuûy, bao goàm caû ñaëc
tính ñaøn hoài vaø deûo cuûa ñaát neàn.
Vôùi ñaát coá keát bình thöôøng thì ñoä luùn caøng taêng khi trò soá C c caøng
lôùn. Caùc khoaûng giaù trò sau ñöôïc duøng ñeå ñaùnh giaù cho möùc ñoä neùn
luùn cuûa ñaát neàn.
C c < 0.02 Ñaát haàu nhö khoâng neùn luùn.
0.02 0.5 Ñaát neùn luùn raát maïnh.
GVHD: TS Buøi Tröôøng Sôn
Trang 9
Tieåu Luaän Ñòa Chaát Coâng Trình Naâng Cao
Caùc Ñaëc Tröng Bieán Daïng Cuûa Ñaát Vaø YÙ Nghóa
Chæ soá nôû C s (chæ soá neùn laïi) ñöôïc xaùc ñònh ôû phaàn ñöôøng cong dôõ
taûi vaø ñöôïc xaùc ñònh theo coâng thöùc :
e 2 e1
Cs
(d.2)
log p1 log p 2
Heä soá neùn a v trong tröôøng hôïp naøy ñöôïc xaùc ñònh theo coâng thöùc :
0.435C c
av
(d.3)
TB
TB : öùng suaát trung bình cuûa hai caáp taûi troïng.
Coâng thöùc tính luùn theo quan heä e-logp :
C
p
S c h log 2
1 e1
p1
Coâng thöùc tính ñoä nôû theo quan heä e-logp :
Cs
p
S
h log 2
1 e1
p1
(d.4)
(d.5)
e. Heä soá coá keát C v
Thoâng thöôøng söû duïng hai phöông phaùp ñeå xaùc ñònh heä soá C v , tuøy
theo loaïi ñaát, ñoù laø phöông phaùp Taylor vaø phöông phaùp Casagrande.
Phöông phaùp Casagrande (Hình 5.)
Töø caùc keát quaû ño bieán daïng neùn luùn cuûa maãu ñaát döôùi moãi caáp aùp
löïc ôû caùc thôøi gian khaùc nhau, veõ ñöôøng cong coá keát trong toïa ñoä bieán
daïng neùn (h) vaø logarit cuûa thôøi gian (logt, phuùt). ÔÛ phaàn ñaàu ñöôøng
cong, löïa choïn caùc ñieåm töông öùng vôùi thôøi gian t 1 (thöôøng choïn t 1 =
15’’) vaø t 2 = 4t 1 .
Goïi hieäu soá cuûa soá ñoïc chieàu cao maãu ôû thôøi ñieåm t 1 vaø 4t 1 laø s,
chieàu cao maãu luùc ñaët gia taûi (öùng vôùi möùc ñoä coá keát U= 0) laø chieàu
cao maãu ôû thôøi ñieåm t 1 coäng vôùi s.
Giao ñieåm giöõa tieáp tuyeán cuûa ñöôøng cong taïi ñieåm uoán vaø ñöôøng
tieáp tuyeán ôû phaàn cuoái cuûa ñöôøng cong ñöôïc xem laø ñieåm U 100 (öùng
vôùi möùc ñoä coá keát U= 100%). Ñöôøng trung bình cuûa U 0 vaø U 100 chính
laø ñöôøng U 50 caét ñöôøng cong thí nghieäm taïi ñieåm t 50 .
Heä soá coá keát C v ñöôïc xaùc ñònh theo coâng thöùc :
2
0.197 H 50
(e.1)
Cv
t 50
GVHD: TS Buøi Tröôøng Sôn
Trang 10
Tieåu Luaän Ñòa Chaát Coâng Trình Naâng Cao
Caùc Ñaëc Tröng Bieán Daïng Cuûa Ñaát Vaø YÙ Nghóa
Hình 5. Bieåu ñoà thí nghieäm coá keát thaám theo phöông phaùp Casagrande
Phöông phaùp Taylor (Hình 6.)
Töø caùc keát quaû ño bieán daïng neùn luùn cuûa maãu ñaát döôùi moãi caáp aùp
löïc ôû caùc thôøi gian khaùc nhau, veõ ñöôøng cong coá keát trong toïa ñoä bieán
daïng neùn (h) vaø caên soá baäc hai cuûa thôøi gian ( t , phuùt).
Veõ ñöôøng thaúng phuø hôïp vôùi nhöøng ñieåm ban ñaàu cuûa ñöôøng cong
(thöôøng trong khoaûng 50% löôïng neùn ñaàu tieân) vaø keùo daøi ñoaïn thaúng
leân phía treân, ñöôøng naøy caét truïc tung (t= 0) taïi ñieåm U 0 (öùng vôùi möùc
ñoä coá keát U= 0). Töø ñieåm U 0 veõ ñöôøng thaúng thöù hai coù hoaønh ñoä moïi
ñieåm baèng 1.15 hoaønh ñoä cuûa caùc ñieåm töông öùng treân ñöôøng thaúng
thöù nhaát. Giao ñieåm giöõa ñöôøng naøy vaø ñöôøng cong thí nghieäm laø
ñieåm U 90 (öùng vôùi möùc ñoä coá keát U= 90%). Töø ñieåm naøy xaùc ñònh giaù
trò thôøi gian t 90 .
Heä soá coá keát C v ñöôïc xaùc ñònh theo coâng thöùc :
2
0.848H 90
(e.2)
Cv
t 90
GVHD: TS Buøi Tröôøng Sôn
Trang 11
Tieåu Luaän Ñòa Chaát Coâng Trình Naâng Cao
Caùc Ñaëc Tröng Bieán Daïng Cuûa Ñaát Vaø YÙ Nghóa
Hình 6. Bieåu ñoà thí nghieäm coá keát thaám theo phöông phaùp Taylor
f. AÙp löïc tieàn coá keát p c
Ñaây laø aùp löïc toái ña maø lôùp ñaát ñaõ bò coá keát trong quaù trình lòch söû
hình thaønh. Thoâng thöôøng, keát quaû thí nghieäm theå hieän treân ñöôøng
cong e-logp aùp löïc ñöôïc phaân thaønh hai nhaùnh khaùc bieät. Aùp löïc tieàn
coá keát p c ( c ) ñöôïc xaùc ñònh treân bieåu ñoà ñöôøng cong hình 7.
Giaù trò aùp löïc tieàn coá keát p c coù theå ñaùnh giaù möùc ñoä coá keát cuûa ñaát
neàn, ôû ñoä saâu ñang xeùt, thoâng qua vieäc so saùnh vôùi aùp löïc coät ñaát taïi
ñoù 0 .
Tyû soá tieàn coá keát OCR ñöôïc ñònh nghóa baèng tyû soá giöõa öùng suaát
tieàn coá keát p c vaø öùng suaát höõu hieäu do troïng löôïng baûn thaân cuûa caùc
lôùp ñaát beân treân taùc ñoäng taïi ñieåm laáy maãu.
p
(f.1)
OCR c,
p
OCR= 1: ñaát coá keát thöôøng.
OCR >1: ñaát coá keát tröôùc.
OCR <1: ñaát keùm coá keát hoaëc chöa ñaït ñuû quaù trình coá keát
do troïng löôïng baûn thaân caùc lôùp beân treân.
GVHD: TS Buøi Tröôøng Sôn
Trang 12
Tieåu Luaän Ñòa Chaát Coâng Trình Naâng Cao
Caùc Ñaëc Tröng Bieán Daïng Cuûa Ñaát Vaø YÙ Nghóa
A
Hình 7. Ñöôøng cong e-logp cuûa thí nghieäm neùn coá keát
Xaùc ñònh öùng suaát tieàn coá keát p c baèng phöông phaùp Casagrade
Choïn ñieåm A coù baùn kính chính beù nhaát treân ñöôøng cong coá
keát e-logp.
Veõ ñöôøng tieáp tuyeán taïi A vôùi ñöôøng cong e=logp.
Veõ ñöôøng song song vôùi truïc hoaønh taïi A.
Veõ ñöôøng phaân giaùc cuûa goùc hôïp bôûi hai ñöôøng treân.
Keùo daøi phaàn tuyeán tính cuûa ñöôøng neùn nguyeân thuûy, giao
ñieåm cuûa ñöôøng naøy vaø ñöôøng phaân giaùc ta seõ ñöôïc ñieåm
öùng vôùi öùng suaát tieàn coá keát p c .
Nhö vaäy, ñaát coù moät lòch söû veà quaù trình chòu aùp löïc vaø nhöõng bieán
ñoåi maø ñaát phaûi chòu trong moät thôøi gian raát daøi vaø nhöõng thay ñoåi
naøy ñöôïc löu tröõ trong caáu truùc cuûa ñaát.
GVHD: TS Buøi Tröôøng Sôn
Trang 13
Tieåu Luaän Ñòa Chaát Coâng Trình Naâng Cao
Caùc Ñaëc Tröng Bieán Daïng Cuûa Ñaát Vaø YÙ Nghóa
Caùc nguoàn goác cuûa tieàn coá keát coù theå lieät keâ trong baûng sau
Cô cheá cuûa tieàn coá keát
Nhöõng bieán ñoåi toång öùng suaát do:
Giaûm aùp löïc do troïng löôïng baûn thaân caùc
lôùp ñaát beân treân.
Nhöõng kieán truùc xöa.
Tan baêng.
Nhöõng bieán ñoåi öùng suaát nöôùc loã roãng do:
Söï thay ñoåi möïc nöôùc ngaàm.
AÙp löïc lôùp nöôùc artesi.
Söï bôm nöôùc ngaàm ôû ñoä saâu hoaëc söï chaûy
vaøo caùc ñöôøng haàm saâu.
Söï giaûm ñoä aåm do haïn haùn treân maët ñaát.
Söï giaûm ñoä aåm do thaûo moäc treân maët ñaát.
Nhöõng bieán ñoåi caáu truùc cuûa ñaát do: söï neùn thöù
caáp (söï laõo hoùa).
Nhöõng bieán ñoåi cuûa moâi tröôøng nhö söï thay ñoåi
ñoä pH, söï thay ñoåi nhieät ñoä hoaëc söï tích tuï muoái
töï nhieân.
Nhöõng söï bieán ñoåi hoùa hoïc do phong hoùa, do
löôïng möa, do söï ciment hoùa töï nhieân vaø do söï
trao ñoåi ion töï nhieân.
Nhöõng thay ñoåi do tyû soá bieán daïng vôùi taûi troïng.
GVHD: TS Buøi Tröôøng Sôn
Taùc giaû coâng boá
Casagrande
Kenny (1964)
Raju (1956), Leonard vaø
Rimiah (1959), Leonard
vaø Altschaeffl (1954),
Bjerrum (1967, 1972)
Lambe (1958)
Bjerrum (1967)
Lowe (1974)
Trang 14
Tieåu Luaän Ñòa Chaát Coâng Trình Naâng Cao
Caùc Ñaëc Tröng Bieán Daïng Cuûa Ñaát Vaø YÙ Nghóa
g. Tính toaùn coá keát theo thôøi gian
Hình 8. Bieán thieân aùp löïc nöôùc loã roãng theo thôøi gian vaø theo
chieàu saâu trong quaù trình coá keát
Lyù thuyeát Terzaghi cho pheùp xaùc ñònh thôøi gian coá keát treân cô sôû
moät soá giaû thieát. Vôùi aùp löïc nöôùc loã roãng bieán ñoåi theo thôøi gian t vaø
chieàu saâu z, tính theo phöông trình tích phaân do Terzaghi thaønh laäp.
Moät lôùp ñaát dính ñöôïc xem laø ñoàng nhaát, coù chieàu saâu voâ haïn,
chòu taûi troïng ñoàng ñeàu treân toaøn beà maët chòu neùn:
u
2u
Cv. 2
(g.1)
t
z
Trong ñoù:
u – bieán ñoåi aùp löïc nöôùc loã roãng (=u).
C v – heä soá coá keát (cm/s2), lieân quan ñeán heä soá neùn a v , heä soá
thaám k, dung troïng nöôùc w vaø heä soá roãng nhö sau:
k (1 e)
Cv
(g.2)
wa v
Lôøi giaûi cuûa phöông trình trong caùc tröôøng hôïp ñôn giaûn nhaát, vôùi
caùc ñieàu kieän giôùi haïn sau:
u= 0 taïi baát kyø thôøi ñieåm t, taïi vò trí lôùp thoaùt nöôùc.
u
0 taïi baát kyø thôøi ñieåm t, taïi vò trí lôùp caùch nöôùc.
z
u= cho tröôøng hôïp t= 0, taïi baát kyø ñoä saâu z naøo.
u= 0 cho tröôøng hôïp t, taïi baát kyø ñoä saâu z naøo.
Töø ñoù daãn ñeán U= f(T v ) trong ñoù U laø ñoä coá keát ôû thôøi gian t.
S(ABDCMA)
U
(g.3)
S(ABDC)
GVHD: TS Buøi Tröôøng Sôn
Trang 15
Tieåu Luaän Ñòa Chaát Coâng Trình Naâng Cao
Caùc Ñaëc Tröng Bieán Daïng Cuûa Ñaát Vaø YÙ Nghóa
Neáu heä soá neùn luùn a v khoâng ñoåi trong phaïm vi beà daøy lôùp phaân
tích thì ñoä coá keát ñöôïc theå hieän qua coâng thöùc:
S( t )
U
(g.4)
S( t )
Trong ñoù:
S(t): ñoä luùn ôû thôøi gian t.
S(t): ñoä luùn ôû thôøi gian voâ cuøng.
T v laø yeáu toá thôøi gian khoâng thöù nguyeân, lieân quan ñeán thôøi gian t,
beà daøy lôùp ñaát H vaø heä soá coá keát C v thoâng qua coâng thöùc:
C .t
Tv v 2
(g.5)
H
Coâng thöùc treân laáy beà daøy H cho tröôøng hôïp ñaát neàn thoaùt nöôùc
moät chieàu vaø 1/2H cho tröôøng hôïp ñaát neàn thoaùt nöôùc hai chieàu.
Söû duïng yeáu toá thôøi gian T v , vôùi phöông phaùp tính toaùn gaàn ñuùng,
ta coù theå xaùc ñònh ñöôïc ñoä coá keát U vôùi caùc tröôøng hôïp sau:
Vôùi T v 0.213 U(T v )= 2
Tv
(g.6)
8 4 T
Vôùi T v > 0.213 U(T v )= 1 2 e
(g.7)
Töø ñoù ta xaùc ñònh ñöôïc thôøi gian coá keát caàn thieát tuøy theo ñoä coá
keát theo coâng thöùc:
Tv H 2
(g.8)
t
Cv
2
v
h. Ñoä luùn do neùn thöù caáp cuûa neàn ñaát
Chuùng ta ñaõ phaân tích caùc phöông phaùp tính ñoä luùn töùc thôøi vaø ñoä
luùn coá keát.
Ñoä luùn töùc thôøi döïa treân lyù thuyeát ñaøn hoài.
Ñoä luùn do hieän töôïng coá keát sô caáp döïa treân lyù thuyeát
phaân taùn aùp löïc nöôùc loã roãng thaëng dö töø taûi troïng coâng
trình taùc ñoäng vaøo neàn ñaát seùt baõo hoøa nöôùc.
Ñoä luùn thöù ba laø do bieán daïng thöù caáp cuûa ñaát neàn, sau quaù trình
phaân taùn nöôùc loã roãng thaëng dö hoaøn toaøn (coá keát sô caáp), döôùi moät
öùng suaát höõu hieäu khoâng ñoåi. Thaønh phaàn naøy thöôøng ñöôïc goïi laø ñoä
luùn do hieän töôïng neùn thöù caáp, ñöôïc kyù hieäu laø S s .
GVHD: TS Buøi Tröôøng Sôn
Trang 16
Tieåu Luaän Ñòa Chaát Coâng Trình Naâng Cao
Caùc Ñaëc Tröng Bieán Daïng Cuûa Ñaát Vaø YÙ Nghóa
e
Coá keát sô caáp
U100
ep
Neùn thöù caáp
t100
logt
Hình 9. Ñoà thò xaùc ñònh heä soá C
ÔÛ caáp taûi p 1 = bt (ôû giöõa lôùp ñaát ñang tính luùn) ñeán p 2 = p 1 + p=
p 1 + z ( z : öùng suaát do taûi ngoaøi gaây ra ôû giöõa lôùp ñaát ñang tính luùn).
Ñoä luùn do hieän töôïng neùn thöù caáp döïa vaøo ñoaïn tuyeán tính beân
döôùi cuûa ñöôøng cong e-logt, ôû caáp taûi töø p 1 ñeán p 2 cuûa thí nghieäm neùn
coá keát maãu ñaát. Coâng thöùc tính ñoä luùn naøy coù daïng:
C
SS H 0 ( log t )
(h.1)
1 ep
Trong ñoù:
e p : heä soá roãng töông öùng vôùi ñieåm ñaàu cuûa ñoaïn tuyeán tính
döôùi cuûa ñöôøng cong e-logt, suy ra töø ñöôøng e-logt.
C : chæ soá neùn thöù caáp ñöôïc ñònh nghóa bôûi phaàn neùn thöù
caáp cuûa ñöôøng cong e-logt nhö sau:
e
C
(h.2)
log t
GVHD: TS Buøi Tröôøng Sôn
Trang 17
Tieåu Luaän Ñòa Chaát Coâng Trình Naâng Cao
Caùc Ñaëc Tröng Bieán Daïng Cuûa Ñaát Vaø YÙ Nghóa
IV.
BAÛN CHAÁT HIEÄN TÖÔÏNG LUÙN COÁ KEÁT – NHÖÕNG ÑIEÅM
CAÀN LÖU YÙ
Khi coù moät lôùp ñaát ñaép naèm treân moät neàn ñaát yeáu thì ñoä luùn xaûy ra
bôûi nhieàu nguyeân nhaân, möùc ñoä quan trong cuûa noù phuï thuoäc vaøo
töøng vò trí ñang xeùt.
1. Taïi vò trí (1) cuûa hình 10, naèm döôùi tim ñöôøng, coù ñoä saâu nhoû so
vôùi chieàu roäng ñaát ñaép (ví duï B= 60m, cho ñöôøng cao toác). Tröôøng
hôïp naøy coù theå quan nieäm ñaây laø lôùp moûng, naèm ngang, chòu taùc duïng
moät aùp löïc ñoàng ñeàu treân beà maët.
Hình 10. ÖÙng suaát ñöùng vaø ngang, theo vò trí so vôùi truïc cuûa khoái ñaát ñaép
Vôùi caùc ñieàu kieän neâu treân, ta coù:
ÖÙng suaát ñöùng vaø ngang laø öùng suaát chính.
Bieán daïng ngang khoâng ñaùng keå vaø ñöôïc xem baèng khoâng.
Khoâng coù öùng suaát caét treân caùc beà maët ñöùng vaø ngang.
Khi ñoù ñoä chuyeån vò ñöùng (ñoä luùn) tuaân theo nguyeân taéc giaûm theå
tích cuûa ñaát. Ñaây laø moái quan heä öùng suaát – bieán daïng phuø hôïp theo
nguyeân lyù cuûa thí nghieäm neùn moät truïc vaø lyù thuyeát coá keát Terzaghi.
2. Taïi vò trí (2) cuûa hình 10 thì öùng suaát hoaït ñoäng khaùc so vôùi
tröôøng hôïp treân.
ÖÙng suaát ñöùng vaø ngang khoâng phaûi laø öùng suaát chính maø bò
taùc ñoäng bôûi öùng suaát caét.
Bieán daïng ngang laø ñaùng keå vaø chuyeån thaønh chuyeån dòch
xeä ngang cuûa ñaát neàn.
GVHD: TS Buøi Tröôøng Sôn
Trang 18
Tieåu Luaän Ñòa Chaát Coâng Trình Naâng Cao
Caùc Ñaëc Tröng Bieán Daïng Cuûa Ñaát Vaø YÙ Nghóa
Chuyeån vò ñöùng (ñoä luùn) trong tröôøng hôïp naøy phaûi tính ñeán aûnh
höôûng cuûa bieán daïng ngang vaø bieán daïng do öùng suaát caét gaây ra.
Trong thöïc teá, chuùng ta chæ tính toaùn ñoä luùn ôû vò trí (1) thoâng qua
thí nghieäm neùn coá keát moät truïc. Chæ trong ñieàu kieän beà roäng ñaát ñaép
ñuû lôùn, chieàu daøy cuûa ñaát neàn khoâng quaù lôùn seõ cho keát quaû phuø hôïp
thöïc teá. Cuøng moät phöông phaùp tính toaùn nhöng aùp duïng cho caùc vò trí
khaùc cuûa maët caét ngang thì sai soá tính toaùn seõ caøng lôùn khi vò trí tính
toaùn caøng caùch xa truïc tim cuûa khoái ñaát ñaép.
Ba loaïi chuyeån vò coù theå xaùc ñònh ñöôïc (trong quaù trình coá keát), coù
lieân quan ñeán ñieàu kieän bieán ñoåi theå tích (hình 11.). Ñoù laø:
Ñoä luùn töùc thì (do bieán ñoåi giaûm theå tích cuûa pha khí). Ñoä
luùn naøy töông ñoái nhoû vaø xaûy ra töùc thì.
Ñoä luùn do quaù trình coá keát (bieán ñoåi theå tích do tieâu taùn aùp
löïc nöôùc loã roãng thaëng dö). Ñaây laø ñoä luùn chuû yeáu trong
tính luùn coá keát.
Ñoä luùn do neùn thöù caáp xaûy ra khi aùp löïc höõu hieäu taùc duïng
khoâng ñoåi maø quaù trình luùn vaãn tieáp tuïc xaûy ra (luùn do töø
bieán). Tröôøng hôïp naøy raát phöùc taïp vaø chæ ñöôïc nghieân cöùu
trong caùc tröôøng hôïp ñaëc bieät.
Hình 11. Ñöôøng thí nghieäm neùn moät truïc theo thôøi gian
GVHD: TS Buøi Tröôøng Sôn
Trang 19
Tieåu Luaän Ñòa Chaát Coâng Trình Naâng Cao
Caùc Ñaëc Tröng Bieán Daïng Cuûa Ñaát Vaø YÙ Nghóa
V.
CAÙC GIAÛI PHAÙP GIA TAÊNG VAÄN TOÁC COÁ KEÁT
Khi chuùng tieán haønh ñaép ñaát treân moät neàn ñaát yeáu, coù beà daøy khaù
lôùn, vì vaäy khoâng coù khaû naêng ñaït ñeán ñoä luùn oån ñònh trong quaù trình
thi coâng (thöôøng trong khoaûng moät vaøi naêm) tröôùc khi tuyeán ñöôøng
ñöôïc ñöa vaøo khai thaùc, söû duïng.
Khi ñoù, khoâng coøn caùch naøo khaùc laø phaûi taêng vaän toác luùn coá keát
ñeå ñaït ñöôïc caùc muïc ñích sau:
Ñeå ñaït ñöôïc moät söùc khaùng caét chaáp nhaän ñöôïc cho oån ñònh
maùi doác.
Ñeå ñoä luùn toång theå ñaït ñöôïc ñoä oån ñònh cho pheùp cho haàu
heát phaàn lôùn khoái löôïng tröôùc khi ñöa vaøo khai thaùc, söû
duïng coâng trình.
Caùc giaûi phaùp thoâng duïng ñeå taêng vaän toác coá keát thöôøng ñöôïc aùp
duïng cho ñaát ñaép treân neàn ñaát yeáu nhö:
Phöông phaùp gia taûi taïm thôøi.
Phöông phaùp ñöôøng thoaùt nöôùc thaúng ñöùng.
Phöông phaùp bôm chaân khoâng, haï thaáp möïc nöôùc.
Phöông phaùp ñieän – nhieät.
Hai phöông phaùp ñaàu ñöôïc aùp duïng roäng raõi vaø coù theå keát hôïp vôùi
nhau vaø theå hieän roõ hieäu quaû kinh teá – thi coâng. Hai phöông phaùp sau,
vì tính hieäu quaû cuõng nhö yeáu toá kinh teá kyõ thuaät haïn cheá neân ít ñöôïc
söû duïng.
1. Phöông phaùp gia taûi taïm thôøi
Ñeå taêng vaän toác coá keát, neáu ta döï kieán ñaép moät lôùp ñaát ñaép coù
chieàu cao H, ta caàn söû duïng moät gia taûi taïm thôøi (Temporary
Surcharge) coù beà daøy H. Vôùi chieàu cao H cuûa ñaát ñaép vaø H+H cuûa
ñaát ñaép vaø gia taûi, ta coù theå xaùc ñònh ñöôïc caùc ñoä luùn töông öùng h 1
vaø h 2 (h 2 >h 1 ) baèng phöông phaùp tính toaùn luùn coá keát (hình 12.).
GVHD: TS Buøi Tröôøng Sôn
Trang 20
- Xem thêm -
.PDF 
27 
187 
133 
