Some opinions on the value of pre-consolidation pressure in practice
Tóm tắt
Giá trị áp lực cố kết trước là một giá trị có vai trò quan trọng để đánh giá trạng thái của nền đất loại sét, lựa chọn các thông số tính toán của đất nền, đặc biệt trong việc dự tính độ lún của nền đất. Thông qua việc tham gia xem xét một số công trình xây dựng trên nền đất yếu, các tác giả nhận thấy một số bất cập trong việc thể hiện giá trị này trong các báo cáo khảo sát dẫn đến những sự bất hợp lý trong dự tính độ lún. Vì vậy thông qua báo cáo này các tác giả đưa ra một số ý kiến để trao đổi về quan niệm về việc thể hiện số liệu như đầu vào và việc sử dụng trong việc thiết kế. Rất mong có những ý kiến đóng góp.
Abstract
The value of pre-consolidation pressure is an important value for assessing the state of clay soil as well as considering the calculation parameters of the ground, especially in estimating the settlement. Through participating in the review of a number of construction works on soft ground, the authors found some inadequacies in expressing this value in the soil investigation reports, leading to inconsistencies in the design data. Therefore, through this report, the authors give some ideas to exchange about the concept of data representation as input and use in the design. Looking forward to your comments.. Looking forward to your comments.
Từ khóa: Đất sét (clay soil); Thí nghiệm néncố kết (Oedometer test), Áp lực cố kết trước (Pre-consolidation pressure), Tỷ lệ quá cố kết (Over Consolidation Ratio).
Mở đầu
Áp lực cố kết trước là giá trị ứng suất hiệu quả lớn nhất theo phương thẳng đứng của một nền đất cụ thể đã phải chịu đựng trong quá khứ, nó được ký hiệu là σc’. Định nghĩa này được Casagrande, A. (1936) đưa ra, đồng thời ông đã đưa ra phương pháp xác định giá trị áp lực cố kết trước dựa trên cơ sở đường quan hệ hệ số rỗng (e) và ứng suất hữu hiệu tác dụng thể hiện trên thang logarit (σvz) (hình 1) bằng thí nghiệm nén cố kết (Oedometer test) cho mẫu đất.
Dựa vào dạng biểu đồ kết quả thí nghiệm và giá trị ứng suất bản thân tương ứng với độ sâu lấy mẫu, người ta có thể xác định được lịch sử trạng thái chịu tải của đất nền.
Như vậy giá trị σ’c từ thí nghiệm chỉ là một chỉ số cần lưu ý của biểu đồ thí nghiệm, nó chỉ có ý nghĩa khi được so sánh với giá trị áp lực bản thân (σ’o) của độ sâu lấy mẫu thí nghiệm mà không là một đặc trưng của một lớp đất.
Từ kết quả thí nghiệm có thể có thể nhận thấy rằng có 3 trường hợp có thể xảy ra:
Để đánh giá trạng thái của đất, trong Cơ học đất người ta đưa ra khái niệm tỷ số quá cố kết OCR trên cơ sở so sánh áp lực bản thân theo độ sâu lấy mẫu thí nghiệm và giá trị áp lực cố kết trước. Khái niệm này cũng được Casagrande A. (1936) đưa ra. Tỷ số quá cố kết, OCR được viết:
trong đó:
σ’o là giá trị áp lực hữu hiệu bản thân của đất;
σ’c là giá trị áp lực cố kết trước của đất;
theo phương pháp Casagrande.
Ý nghĩa của OCR được hiểu như sau:
- Khi OCR< 1 có nghĩa là đất chưa cố kết, có nghĩa là bản thân đất tự biến dạng ngay khi không có tải trọng tác dụng.
- Khi OCR = 1 nền đất được gọi là cố kết bình thường, theo ý nghĩa cơ học có thể hiểu là khi không có tải trọng tác dụng thì bản thân nền đất không bị biến dạng.
- Khi OCR> 1, nền gọi là quá cố kết có nghĩa là khi có tải trọng tác dụng mà giá trị này có kể đến áp lực bản thân của đất vẫn nhỏ hơn giá trị σ’c thì không xảy ra biến dạng (khái niệm này chỉ mang tính biểu tượng, trên thực tế nó vẫn có một giá trị biến dạng mà không có nhiều ý nghĩa).
- Khái niệm OCR được sử dụng rất nhiều trong việc ước tính các thông số thiết kế của nền sét. Trong bài báo này chỉ đề cập đến việc sử dụng cho việc dự tính độ lún của nền đất, đặc biệt đối với loại nền đất yếu cần được xử lý.
Áp lực cố kết trước được tạo ra như thế nào
Hình 2, mô tả sự hình thành của giá trị áp lực cố kết trước trong thực tế, trong đó nền đất bị dỡ bỏ một lớp đất có chiều dày H. Với sự bóc bỏ một lớp đất có chiều dày H, áp lực bản thân của đất (σ’vz) tính theo cao độ mới sau khi bóc bỏ bị giảm đi một giá trị:
trong đó: ∆σz là giá trị áp lực bản thân của lớp đất bóc bỏ; H là chiều dày lớp bóc bỏ và γw là dung trọng tự nhiên của lớp đất bóc bỏ.
Ngoài khái niệm OCR nêu trên, trong Plaxis cũng đưa ra một khái niệm để dùng cho việc phân tích trạng thái ứng suất biến dạng của nền sét, đó là khái niệm POP. POP là chữ viết tắt của từ pre-overburden pressure và có nghĩa là “áp lực chất tải trước”. Theo Roman Melnikov et al. (2016), POP=|σ’c-σ’0 |, là một chỉ số dùng trong Plaxis và không sử dụng cho việc đánh giá phân loại đất. Trong nghiên cứu của mình Nguyễn Anh Dũng et all (2022), cũng đưa ra khái niệm này bằng ký hiệu ∆σ’c,nó là hiệu số của hai giá trị σ’c và σ’0:
Như vậy, nếu liên hệ với khái niệm OCR,thì ∆σ’c cũng có 3 trường hợp:
∆σ’c>0: đất quá cố kết tương đương với trường hợp của OCR> 1.
∆σ’c=0: đất cố kết bình thường, OCR = 0
∆σ’c<0: đất chưa cố kết OCR<0
Từ sơ đồ phân bố áp lực ở hình 2, có thể nhận thấy rằng:
Giá trị ∆σ’c sẽ là hằng số cho một nền đất không phụ thuộc vào độ sâu hay loại đất và nó là giá trị tải trọng đã có trong lịch sử tồn tại của nó. Như vậy giá trị ∆σ’c cũng là một đặc trưng của một lớp đất mà có thể đưa vào trong kết quả khảo sát thay cho giá trị σ’c.
Nếu ∆σ’c là hằng số thì đối với một nền đất giá trị OCR theo độ sâu sẽ thay đổi về độ lớn theo xu hướng giảm dần tuy nhiên trạng thái cố kết của đất nền mà nó biểu diễn không thay đổi. Cụ thể nếu OCR> 1 thì đến độ sâu ∞ nó vẫn lớn hơn 1.
Xác định và sử dụng giá trị áp lực cố kết trước.
Có nhiềutác giả đã đưa ra những phương pháp xác định áp lực cố kết trước khác nhau,như Casagrande A. (1936), Schmertmann (1955), Sällfors (1975), Tavenas et al.,(1978) Butterfield RA. (1979), Janbu N.(1989). Trong đó phương pháp Casagrande là phổ biến nhất. Hình 3 mô tả cách xác định σ’c Theo phương pháp này.
Xác định giá trị áp lực cố kết trước
Có lẽ đây là đây không phải là điều gì mới mẻ, mà là ai cũng biết. Tuy nhiên ở đây cũng nên làm rõ hơn về cách xác định giá trị này từ thí nghiệm nén cố kết. Có thể đưa ra các nhận xét sau từ cách xác định theo phương pháp Casagrande:
- Đường cong thí nghiệm được xây dựng trên cơ sở của kết quả thí nghiệm của nhiều cấp tải, là các điểm khác nhau được vẽ trên biểu đồ quan hệ e – logσ’vz.
- Thực chất biểu đồ này là các đoạn thẳng nối các kết quả thí nghiêm của các cấp tải khác nhau, tuy nhiên để dễ dàng sử dụng người ta đã thay nó bằng một đường cong.
- Như vậy kết quả xem xét từ đường cong này cũng chỉ mang tính gần đúng.
- Để bắt đầu xác định người ta phải chọn điểm a (hình 3) là điểm có bán kính cong nhỏ nhất. Rõ ràng đây cũng là một công đoạn gần đúng.
- Chính vì vậy độ tin cậy của kết quả chỉ phụ thuộc vào tay nghề của nhân viên thí nghiệm. Có lẽ không có ai khẳng định tính đúng đắn của kết quả có nghĩa là không có thể kiểm soát được sự đúng đắn của kết quả.
Trong báo cáo khảo sát địa chất công trình, giá trị σ’c được lấy từ bảng tóm tắt kết quả thí nghiệm nén cố kết của một mẫu đất ở một độ sâu xác định. Trong bảng tóm tắt kết quả thí nghiệm không có giá trị của áp lực bản thân hữu hiệu σ’0 của mẫu đất. Mỗi lớp đất có 1 giá trị σ’c sau xử lý bằng phương pháp thống kê.
Sử dụng giá trị áp lực cố kết trước trong xác định độ lún
Để xác định độ lún của nền đất, cần có trạng thái cố kết của đất nền hay giá trị OCR để lựa chọn biểu thức xác định độ lún tương ứng. Đây là nhiệm vụ của kỹ sư thiết kế.
Trong thiết kế người ta coi giá trị σ’c là hằng số cho một lớp đất. Độ lún được xác định theo phương pháp phân lớp, ứng suất tác dụng là thay đổi theo độ sâu và được so sánh với giá trị σ’c để áp dụng biểu thức tính toán tương ứng. Bảng 1, là thông số tính toán để xác định độ lún của một công trình xây dựng đường cao tốc cụ thể trên nền đất yếu ở Đồng bằng sông Cửu Long.
Bảng 1. Các giá trị σ’0 và σ’c của lớp đất dày 6 m.
trong đó, hi là chiều dày tính toán; σ’0 giá trị áp lực hữu hiệu bản thân; σ’c là giá trị áp lực cố kết trước; ∆σ là áp lực gây lún.
Số liệu trong bảng 1 cho thấy, tác giả thiết kế đã coi σ’c là hằng số cho cả lớp đất. Nếu đưa khái niệm ∆σ’c vào để xem xét thì giá trị ∆σ’c ở đây không phải là hằng số (xem bảng 2).
Bảng 2. Kết quả xác định ∆σ’c=σ’c-σ’0.
Kết luận
Dựa trên cơ sở những phân tích trên tác giả bài viết này đưa ra một số kết luận và kiến nghị sau:
Giá trị ∆σ’c là không thay đổi theo độ sâu và ∆σ’c sẽ có thể được dùng để để kiểm soát kết quả thí nghiệm xác định giá trị áp lực cố kết trước của một nền đất. Có nghĩa là ở mọi độ sâu của một a tầng kết quả của ∆σ’c là tương tự như nhau với một sai số chấp nhận được.
Trạng thái cố kết của đất nền là không thay đổi theo độ sâu với giá trị OCR giảm theo độ sâu.
Trong báo cáo kết quả khảo sát địa chất công trình nên bổ sung giá trị ∆σ’c. Giá trị ∆σ’c nên được dùng để kiểm tra kết quả xác định giá trị áp lực cố kết trước của một nền đất của các mẫu đất khác nhau.
Trong thiết kế có thể thay thế σ’c=∆σ’c+σ’0 để làm thông số thiết kế.
Nguyễn Anh Dũng
VSSMGE.
E-mail: [email protected]
Ngô Vũ Tuấn Anh
Cục Giám định, Bộ Xây dựng.
E-mail: [email protected]
Tài liệu tham khảo
- Casagrande, A. (1936) The determination of the preconsolidation load and its practical significance, in Proceedings of the First International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, p. 60.
- Schmertmann, JH. Undisturbed consolidation behaviour of clay. Transaction ASCE. 1955; 120: 1201.
- Butterfield RA. Natural compression law for soils (an advance on e-log p’). Geotechnique. 1979; 24(4): 469-480.
- Tavenas F, Leroueil S, Rochelle PL, Roy M. Creep behaviour of an undisturbed lightly overconsolidated clay. Canadian Geotechnical Journal. 1978;15(3):402-423.
- Sallfors G. Preconsolidation Pressure of Soft, High- Plastic Clays. Göteborg 1975 (thesis)
- Roman Melnikov, et al. (2016) OCR and POP parameters in Plaxis-based numerical analysis of loaded over consolidated soils. 15th International scientific conference “Underground Urbanisation as a Prerequisite for Sustainable Development”. Sant Peterburg, 2015,Russia.
- Nguyễn Anh Dũng, Nguyễn Hữu Dũng, Nguyễn Thái Linh (2022) Xử lý nền đất yếu bằng phương pháp gia tải trước kết hợp với đường thoát nước thẳng đứng – Những vấn đề kỹ thuật. Nhà xuất bản Xây dựng. 2022.
