TUYE
Å
N TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 457
PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG ĐỘ LÚN NGẮN HẠN VÀ LÂU DÀI NỀN
ĐẤT CÓ XÉT ĐẾN TRẠNG THÁI BAN ĐẦU
METHOD PREDICTING SHORT TERM AND LONG TERM
SETTLEMENT OF GROUND ACCOUNTING ON INITIAL STATE
PGS. TS. Bùi Trường Sơn
Trường Đại học Bách Khoa –Tp. HCM
ThS. Huỳnh Quốc Kha
Trường Cao đẳng Cần Thơ
TÓM TẮT
Việc ước lượng độ lún thường căn cứ giá trị ứng suất gia tăng và áp lực nước lỗ
rỗng thặng dư. Trong thực tế, trạng thái ứng suất trong nền phụ thuộc ứng suất do
tải trọng ngoài, trọng lượng bản thân, áp lực lỗ rỗng thặng dư và cột nước thủy
tĩnh. Phương pháp dự tính độ lún có xét đến trọng lượng bản thân, cột nước thủy
tĩnh kết hợp với việc hiệu chỉnh biến dạng do trọng lực được thiết lập và đề nghị.
Ưu điểm của phương pháp này thể hiện thông qua việc sử dụng các đặc trưng biến
dạng thoát nước thay cho đặc trưng biến dạng không thoát nước để đánh giá độ lún
ban đầu. Kết quả tính toán cho thấy độ lún ngắn hạn, lâu dài và theo thời gian theo
tổng độ lún lớp phân tố xấp xỉ với các kết quả theo các phương pháp đã có. Kết quả
nghiên cứu có thể được sử dụng để dự tính độ lún nền đất yếu bão hòa nước theo
thời gian và bổ sung thêm các phương pháp dự tính độ lún.
ABSTRACT
Settlement prediction usually is based on value of increased stress and excess pore
water pressure. In fact, stress state in ground depends on external load, self
weight, excess pore pressure and static water pressure. Method of settlement
prediction accounting on self weight, static water pressure compining with
correction of gravity is established and suggested. The advantage of this method is
expressed through the use of typical drained instead undrained deformation
characteristic for evaluating initial settlement. Calculation results show that short-
term, long-term settlement and settlement at different moments according to
summation of settlement of element layers are approximate to the results of existed
method. The study results can be used to predict settlement of saturated soft
ground at different moments and add to methods to predict settlement.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Đối với các kết quả nghiên cứu, độ lún của nền đất thường được trình bày nhiều
hơn trong các tài liệu cơ bản [1], [2]. Ở đây, mô hình sử dụng có dạng cột đất và ứng
suất gây lún là ứng suất gia tăng theo phương đứng. Nếu sử dụng giá trị module tổng
biến dạng Eo và căn cứ lý thuyết đàn hồi, cột đất được xem như nở hông một phần. Tuy
nhiên, các công thức dự tính độ lún lại loại trừ hiện tượng chuyển vị ngang trong nền
TUYE
Å
N TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016
458 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM
khi lược bỏ hệ số xét biến dạng ngang β nên độ lún ước lượng chỉ do biến dạng thể tích.
Trong các trường hợp khác, việc sử dụng đường cong nén lún (e-p) để xác định giá trị
hệ số rỗng tương ứng với ứng suất nén, sử dụng hệ số nén tương đối ao (mv) hay các giá
trị chỉ số nén Cc, nở Cs và kể cả phương pháp lớp tương đương thì việc tính toán chấp
nhận sơ đồ một chiều, tức là cột đất có bề rộng vô cùng lớn hay chuyển vị ngang dọc
theo biên ứng suất tác dụng không xảy ra. Kết quả tính toán theo sơ đồ bài toán một
chiều có thể chấp nhận được khi diện gia tải rộng so với bề dày lớp chịu nén và phù hợp
khi đánh giá độ lún ổn định tại tâm diện gia tải. Trong trường hợp này, mô hình cột đất
được xem giới hạn chuyển vị theo phương ngang và ứng xử như mẫu đất trong hộp nén
không nở hông.
Ngoài độ lún được tính toán từ nhiều phương pháp, chuyển vị tại các vị trí trong
nền đất dưới công trình chỉ được ghi nhận bằng hàng loạt quan trắc thực tế và được sử
dụng để phân tích. Các kết quả quan trắc và tính toán đều cho thấy nền đất yếu dưới
công trình đắp chuyển vị ngang đáng kể và điều này gây độ lún bổ sung. Kể từ bề mặt,
chuyển vị ngang tăng dần đến giá trị cực đại và giảm dần theo độ sâu. Chuyển vị ngang
đạt giá trị lớn nhất tại chân mái taluy và tắt dần khi càng xa mái taluy công trình [3], [4],
[5]. Hơn nữa, việc đánh giá độ lún có xét chuyển vị ngang cho thấy sự phân bố độ lún
của nền đất yếu dưới công trình đắp phù hợp với kết quả quan trắc. Tuy vậy, đối với
móng cứng, độ lún tại tâm móng có thể nhỏ và phù hợp với kết quả tính toán chỉ xét đến
biến dạng thể tích do độ lún tại mép móng nhỏ hơn nhiều nên được phân bố lại do độ
cứng của móng.
Như vậy, lún là hiện tượng chuyển vị theo phương hướng xuống trong phạm vi
nền và phụ thuộc vào tải trọng công trình cũng như đặc trưng biến dạng của đất nền.
Tổng độ lún bao gồm hai thành phần: biến dạng thể tích và biến dạng do chuyển vị
ngang của đất trong phạm vi vùng nền.
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỀ NGHỊ ĐỂ ƯỚC LƯỢNG ĐỘ LÚN NGẮN HẠN VÀ
LÂU DÀI CÓ XÉT TRẠNG THÁI BAN ĐẦU
Thí nghiệm nén ba trục có thể được xem là hợp lý đối với môi trường đất do có
thể mô tả được trạng thái của đất nền trong điều kiện thế nằm tự nhiên kể cả mức độ cố
kết. Trong quá trình thí nghiệm, mẫu đất được áp đặt trạng thái ứng suất ban đầu theo
phương đứng và phương ngang. Khi gia tăng ứng suất nén, biến dạng ngang của mẫu
đất cùng phát triển theo mức độ biến dạng theo phương đứng. Kết quả thí nghiệm nén
mẫu còn cho phép xác định đặc trưng biến dạng theo quan hệ ứng suất biến dạng. Từ
đó, từ đặc trưng biến dạng có thể xác định được mức độ biến dạng hay giá trị độ lún
tương ứng với ứng suất tác dụng.
Theo định nghĩa: σ
E= ε
Nên độ lún: oo
σ
Δh=ε.h =S= ×h
E (1)
Ở đây: σ - ứng suất gia tăng; ε - biến dạng dọc trục; ho – bề dày lớp đất chịu nén.
TUYE
Å
N TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 459
Hình 1. Mô hình cột đất xác định độ lún và quan hệ ứng suất biến dạng.
Từ lý thuyết đàn hồi áp dụng cho bài toán phẳng, chuyển vị theo phương đứng
và phương ngang theo các thành phần ứng suất có thể biểu diễn dưới dạng [6]:
()
()
h
2
zx
z
1
v= 1-
ν
σ-ν1+νσ dz
E⎡⎤
⎣⎦
∫ (2)
()
()
x
2
xz
0
1
u= 1-
ν
σ-ν1+νσ dx
E⎡⎤
⎣⎦
∫ (3)
Ở đây: x, z – tọa độ điểm đang xét.
E, ν - module biến dạng và hệ số Poisson của vật liệu.
Trong bài toán biến dạng phẳng: σy = ν(σx+σz), giá trị ứng suất nén đẳng hướng
xác định được khi biết các thành phần ứng suất:
()
xyz
xz
σ+σ+σ1+ν
σ==σ+σ
33 (4)
Trong trường hợp này, biểu thức xác định chuyển vị đứng (2) có thể thay thế
bằng công thức sau:
h
z
z
σ-σσ
v=S= + dz
2G K
⎛⎞
⎜⎟
⎝⎠
∫ (5)
Hoặc: v1 = vs + vv
Ở đây: vs – chuyển vị đứng do biến dạng hình dạng,
h
z
s
z
σ-σ
v= dz
2G
∫
vv – chuyển vị đứng do biến dạng thể tích,
h
v
z
σ
v= dz
K
∫
ho
S
σ
z
σzg
σx
g
σ
x
TUYE
Å
N TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016
460 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM
Với: h – bề dày lớp chịu nén; K – module biến dạng thể tích:
()
E
K= 3. 1-2
ν
; G –
module biến dạng hình dạng:
()
E
G= 21+
ν
.
Các biểu thức (1) và (5) đều căn cứ mô hình cột đất và kết quả độ lún dự tính
theo hai công thức trên đều cho giá trị độ lún như nhau. Tuy nhiên, biểu thức (5) có thể
sử dụng dễ dàng hơn để đánh giá độ lún hay chuyển vị tại điểm có tọa độ bất kỳ nên phù
hợp cho việc đánh giá độ lún lệch đối với móng mềm như nền công trình đắp.
Để đánh giá độ lún ban đầu có thể sử dụng module biến dạng (Eu) xác định bằng
thí nghiệm nén ba trục theo sơ đồ không thoát nước với áp lực hông tương ứng với độ
sâu lấy mẫu (σ’3 = K0.γ’.z). Giá trị hệ số Poisson tổng thể νtot phụ thuộc độ bão hòa, tính
nén của cốt đất, trạng thái ứng suất và dao động trong phạm vi 0,452÷0,486 tùy theo độ
sâu [7]. Để xác định giá trị độ lún ổn định cần sử dụng module biến dạng Eo xác định
bằng thí nghiệm theo sơ đồ thoát nước như thí nghiệm nén cố kết thông thường hoặc
nén ba trục. Kết hợp với giá trị hệ số Poisson có thể xác định được các giá trị biến dạng
của cốt đất G và K.
Kết quả tính toán theo biểu thức (5) cho thấy độ lún do biến dạng hình dạng
chiếm tỷ lệ khá lớn trong toàn bộ độ lún. Độ lún của nền đất ở thời điểm bất kỳ có thể
biểu diễn dưới dạng tổng lún ban đầu và độ lún phát triển theo thời gian, do đó:
S(t) = Ss(0) + Sv(0) + S’(t) (6)
Với: Ss(0) – độ lún do biến dạng hình dạng ban đầu; Sv(0) – độ lún do biến
dạng thể tích ban đầu; S’(t) – độ lún phát triển theo thời gian.
Biểu thức (5) và (6) cũng như các biểu thức sử dụng ước lượng độ lún khác đều
sử dụng thành phần ứng gia tăng. Trong thực tế, đặc điểm trạng thái ứng suất biến dạng
của nền đất phụ thuộc đáng kể vào trạng thái thái ứng suất ban đầu, tức là phụ thuộc
chiều cao cột đất tại điểm đang xét cũng như áp lực nước lỗ rỗng tại điểm đó. Từ biểu
thức (5), việc dự báo độ lún theo tổng lớp phân tố theo thời gian trên cơ sở bài toán cố
kết hai chiều có thể được thực hiện theo công thức sau:
()
)() ()
'''
izii
ii
1sk sk
σtσt-σt
St= .h+ .h
K2G
n
i=
⎡⎤
⎢⎥
⎣⎦
∑ (7)
Với: Ksk, Gsk – các đặc trưng biến dạng được xác định trong điều kiện thoát
nước theo Eo và ν; hi – bề dày lớp đất phân tố.
Trong đó, các thành phần ứng suất được xác định dưới dạng:
'
zz ww
σ=γ.z+σ(x,z,p)-u(x,z,t)-γh()z⋅ (8)
'
x0x ww
σ=γ.z.K +σ(x,z,p)-u(x,z,t)-γh()z⋅ (9)
TUYE
Å
N TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 461
Với: γ.z và γ.z.K0 – các thành phần ứng suất ban đầu (γ - dung trọng đất nền
và z – độ sâu điểm đang xét); σz(x,z,p) và σx(x,z,p) – các thành phần ứng suất gia tăng
do tải trọng ngoài; u(x,z,t) – áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ở thời điểm t; γw.hw(z)– áp
lực do cột nước thủy tĩnh.
Công thức (7) cho thấy nếu xét trọng lượng bản thân thì ngay thời điểm chưa có
tác dụng tải trọng ngoài, độ lún đã xuất hiện (ít nhất là do biến dạng thể tích do tác dụng
của trọng lực) và điều này là không hợp lý.
Do đó, xét độ lún do trọng lượng bản thân, sử dụng công thức (7) với các thành
phần ứng suất do trọng lượng bản thân có xét cột nước thủy tĩnh có thể thu nhận được
độ lún: Scorr = A. Giá trị A xác định được được xem là độ lún hiệu chỉnh. Trong quá
trình tính toán độ lún cần phải loại trừ đi giá trị A, là độ lún do trọng lượng bản thân.
Nghĩa là khi có lực hút trái đất thì nền lún một đoạn A, nên trong đánh giá độ lún cần
xét hiệu chỉnh giá trị này. Từ đó, giá trị độ lún ước lượng có thể viết dưới dạng :
S*(t) = S(t) - A (10)
3. ÁP DỤNG TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH SO SÁNH
Để phân tích đánh giá khả năng áp dụng và mức độ tin cậy của phương pháp,
chúng tôi chọn lựa tính toán ước lượng độ lún ngắn hạn và lâu dài của nền đất yếu dưới
công trình đường đắp của dự án mở rộng quốc lộ 1A đoạn từ Vĩnh Long đi Cần Thơ. Sơ
đồ bài toán thể hiện như ở hình 2. Ở đây, lớp đất yếu là bùn sét hữu cơ có bề dày trung
bình 20m, dung trọng tự nhiên γ = 16,62 kN/m3; độ bão hòa Sr = 97,6%; hệ số thấm từ
thí nghiệm nén cố kết: k = 0,631.10-7 cm/s; module tổng biến dạng theo trạng thái ứng
suất và kết quả thí nghiệm cố kết Eo = 730 KN/m2; hệ số Poisson ν = 0,3; module biến
dạng tức thời Eu = 2770 kN/m2 được lấy từ kết quả thí nghiệm nén ba trục theo sơ đồ
CU với áp lực buồng σ3 = 50kN/m2. Mực nước ngầm nằm ngang mặt đất tự nhiên.
Chiều cao trung bình nền đường 1,2 m với dung trọng trung bình 19 KN/m3.
Hình 2. Sơ đồ nền đường đắp trên đất yếu dự án mở rộng quốc lộ 1A
đoạn Vĩnh Long – Cần Thơ