TÍNH TOÁN CỐ KẾT CỦA NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐẮP CÓ XÉT ĐẾN SỰ THAY ĐỔI CỦA HỆ SỐ NÉN LÚN VÀ HỆ SỐ THẤM
1. Tính cấp thiết của đề tài
Lý thuyết cố kết thấm một chiều của Terzaghi (Terzaghi’s 1D consolidation theory) được dùng phổ biến để tính toán độ cố kết của đất yếu. Để đơn giản trong tính toán, nhiều giả thuyết đã được sử dụng. Trong đó giả thuyết hệ số cố kết thấm Cv là hằng số trong suốt quá trình cố kết là một trong những hạn chế tính toán của lý thuyết Terzaghi. Thực tế trong quá trình cố kết hệ số thấm k và hệ số nén lún mv của nền đất thay đổi theo không gian và thời gian, kết quả dẫn đến hệ số cố kết thấm cũng thay đổi theo. Mặt khác, độ cố kết của đất yếu khi tính toán phụ thuộc nhiều vào hệ số cố kết Cv nhưng hệ số cố kết Cv lại được xác định gần đúng thông qua thí nghiệm nén cố kết. Điều này có thể dẫn đến kết quả tính toán chưa hoàn toàn phù hợp với thực tế. Để giải quyết vấn đề này đề tài này sẽ nghiên cứu tính toán cố kết của nền đất sét có xét đến sự thay đổi của hệ số nén lún và hệ số thấm.
2. Mục tiêu nghiên cứu
– Nghiên cứu về lý thuyết cố kết thấm phi tuyến có xét đến sự thay đổi của hệ số thấm và hệ số nén lún theo thời gian.
– Nghiên cứu sự thay đổi của hệ số cố kết Cv theo không gian và thời gian.
– So sánh kết quả tính toán cố kết của lý thuyết cố kết phi tuyến với lý thuyết tính toán đang áp dụng hiện này và với lý thuyết tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
Nghiên cứu cố kết của nền đất yếu dưới tác dụng của tải trọng đắp.
Phạm vi nghiên cứu:
– Lớp đất sét yếu đồng nhất, bão hòa nước ở trạng thái cố kết thường.
– Cố kết hai chiều theo phương thẳng đứng.
– Tải trọng phân bố đều kín khắp trên bề mặt.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp so sánh thực nghiệm.
5. Bố cục đề tài
Bố cục luận văn gồm phần mở đầu, kết luận và 4 chương:
– Phần mở đầu: trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu của đề tài; nội dung, phạm vi nghiên cứu và phương pháp tiếp cận.
– Chương 1: Trình bày lý thuyết cố kết thấm một chiều Terzaghi trong trường hợp thoát nước một chiều theo phương thẳng đứng; thí nghiệm nén cố kết và các phương pháp xác định các đặc trưng biến dạng và phương pháp dự báo độ lún theo thời gian của nền đất yếu.
– Chương 2: Nghiên cứu hiện tượng cố kết thấm trong trường hợp thoát nước một chiều thẳng đứng có xét đến sự thay đổi hệ số nén lún và hệ số thấm theo thời gian; áp dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải phương trình vi phân cố kết thấm phi tuyến từ đó có thể xác định các đặc trưng cố kết của nền đất yếu dưới tác dụng của tải trọng đắp.
– Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của các hệ số đặc trưng của bài toán cố kết phi tuyến (cn và ) đến hệ số cố kết Cv và độ cố kết trung bình; xây dựng thuật toán tính toán các đặc trưng cố kết của nền đất yếu có xét đến sự thay đổi của hệ số nén lún và hệ số thấm theo thời gian; áp dụng phân tích ảnh hưởng của các hệ số phi tuyến đến sự thay đổi của hệ số cố kết Cv
– Chương 4: Trình bày các kết quả nghiên cứu ứng dụng trong tính toán kiểm tra quá trình lún cố kết nền đất yếu thuộc dự án đường nối Nguyễn Tất Thành – Khu đô thị Thủy Tú (đoạn từ km1+250 đến km1+370); so sánh, đánh giá kết quả tính toán đạt được theo phương pháp lý thuyết với kết quả theo phần phần mềm Plaxis và kết quả quan trắc thực tế.
– Kết luận và kiến nghị: Tổng kết, đưa ra các kết luận kiến nghị từ các kết quả nghiên cứu và hướng phát triển của luận văn.
6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu
CHƯƠNG 1
LÝ THUYẾT CỐ KẾT THẤM TERZAGHI TRONG TRƯỜNG HỢP THOÁT NƯỚC MỘT CHIỀU THEO PHƯƠNG THẲNG ĐỨNG
LÝ THUYẾT CỐ KẾT THẤM MỘT CHIỀU CỦA TERZAGHI
Mô hình cố kết và các giả thiết của lý thuyết cố kết Terzaghi
Mô hình cố kết của Terzaghi
Terzaghi sử dụng một xy-lanh chứa đầy nước và một lò xo đỡ một pit-tông có van xả như hình 1.1.
Hình 1.1. Mô hình cố kết Terzaghi
Lò xo đặc trưng cho khung hạt đất. Nước trong xy-lanh tượng trưng cho nước trong lỗ rỗng. Kích thước van tương trưng cho hệ số thấm của đất.
Các giả thiết
Phương trình cố kết thấm của Terzaghi dựa trên các giả thuyết sau:
1. Lớp đất sét đồng nhất
2. Đất sét bão hòa hoàn toàn (S=100%)
3. Tốc độ lún của đất chỉ phụ thuộc vào tốc độ thoát nước lỗ rỗng, không phụ thuộc vào các yếu tố khác
4. Quá trình thoát nước lỗ rỗng chỉ xảy ra theo chiều đứng
5.Tuân theo định luật thấm Darcy
6. Hệ số nén lún a và hệ số thấm k của đất không thay đổi trong quá trình cố kết.
Phương trình vi phân cố kết thấm một chiều của Terzaghi
Phương trình vi phân cố kết thấm:
(1.14)
Trong đó: Cv là hệ số cố kết thấm:
(1.15)
Lời giải cho phương trình cố kết thấm một chiều Terzaghi trong trường hợp thoát nước một chiều theo phương thẳng đứng
Trường hợp ui là hằng số theo chiều sâu ui=u0, áp lực nước lỗ rỗng tại độ sâu z vào thời điểm bất kỳ:
(1.31)
Tại thời điểm xác định, độ cố kết ở độ sâu z (ký hiệu Uz) bất kỳ được xác định:
Uz=(Áp lực nước lỗ rỗng bị tiêu tán)/(Áp lực nước lỗ rỗng ban đầu)
Hay:
(1.32)
Độ cố kết trung bình (Uave) cho toàn bộ lớp đất.
THÍ NGHIỆM NÉN CỐ KẾT MỘT CHIỀU VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT NỀN
Thí nghiệm nén cố kết một chiều
Các đặc trưng biến dạng của đất nền
Hệ số nén lún của đất, av
hay (1.36)
Hệ số nén lún thể tích mv hay còn gọi là hệ số nén lún tương đối a0:
(1.37)
Tổng module biến dạng của đất, E0
(1.46)
Với: hệ số: (1.47)
Chỉ số nén lún Cc, Cs (Cr)
Chỉ số nén của đất:
(1.48)
Chỉ số nén lại của đất(chỉ số nở)
(1.49)
Xác định hệ số cố kết Cv từ số liệu thí nghiệm nén một trục
– Dựa, hệ số có kết Cv có thể được xác định dựa trên kết quả
thí nghiệm nén lún Oedometer gồm các phương pháp:
1. Phương pháp căn bậc hai của thời gian (Taylor 1942)
2. Phương pháp Logarit của thời gian (CasaGrande 1940)
3. Phương pháp độ dốc lớn nhất (Su 1958)
– Ngoài ra, có thể được xác định dựa vào tương quan thực nghiệm với các chỉ tiêu thí nghiệm trong phòng (Raju và cộng sự (1995)).
TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN CỦA NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐẮP
Khái niệm
Các loại độ lún
Độ lún tức thời
Độ lún cố kết sơ cấp
Độ lún cố kết thứ cấp
PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO ĐỘ LÚN CỐ KẾT CUỐI CÙNG TỪ KẾT QUẢ QUAN TRẮC
Đặt vấn đề
Phương pháp Asaoka
KẾT LUẬN
Lý thuyết Terzaghi được sử dụng phổ biến và khá thuận tiện trong việc dự đoán mức độ cố kết của nền đất yếu. Tuy nhiên, lý thuyết Terzaghi sử dụng nhiều giả thuyết dẫn đến kết quả tính toán chưa phù hợp với thức tế. Vì vậy, lý thuyết này áp dụng phù hợp trong các trường hợp địa tầng đơn giản với nền đất yếu mỏng, nền đất đồng nhất.
Dựa vào thí nghiệm nén cố kết có thể xác định hệ số cố kết thẳng đứng Cv theo các phương pháp kinh nghiệm và kết quả có sự khác nhau đáng kể giữa các phương pháp và so với thực nghiệm. Do đó, khi tính toán độ cố kết theo lý thuyết Terzaghi cần chú ý lựa chọn hệ số cố kết Cv thích hợp.
Trong quá trình tính toán các đặc trưng cố kết của nền đất yếu dưới tác dụng của tải trọng nền đường đắp. Phương pháp dự báo độ lún cố kết ổn định (phương pháp Asaoka) dựa vào số liệu quan trắc lún thực tế, được sử dụng để đánh giá, kiểm tra lại tính đúng đắng của những giải thiết đã sử dụng trong quá trình thiết kế và hiệu chỉnh về những dự báo về ứng xử dài hạn của nền (đặc biệt là độ lún và tốc độ lún trong quá trình thi công.
CHƯƠNG 2
CỐ KẾT THẤM PHI TUYẾN TRONG TRƯỜNG HỢP THOÁT NƯỚC MỘT CHIỀU THẲNG ĐỨNG CÓ XÉT ĐẾN SỰ THAY ĐỔI HỆ SỐ NÉN LÚN VÀ HỆ SỐ THẤM THEO THỜI GIAN
MỞ ĐẦU
Những nghiên cứu về lý thuyết cố kết thấm một chiều có xét đến những ứng xử phi tuyến của đất nền như là: Xem xét ảnh hưởng của trọng lượng bản thân đất khi lớp đất sét có chiều dày lớn, sự thay đổi của hệ số rỗng ban đầu theo chiều sâu, nền đất không đồng nhất, hệ số nén lún và hệ số thấm thay đổi trong quá trình cố kết được gọi chung là lý thuyết cố kết thấm phi tuyến.
Nghiên cứu về lý thuyết cố kết thấm phi tuyến một chiều bắt đầu khoảng 50 năm về trước [8], [11], [12], [13], [14], [18]. Davis and Raymon, (1965), là người đầu tiên đưa ra lý thuyết cố kết thấm phi tuyến cho đất sét [8].
PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CỐ KẾT CÓ XÉT ĐẾN SỰ THAY ĐỔI CỦA HỆ SỐ NÉN LÚN VÀ HỆ SỐ THẤM.
Các giả thuyết cơ bản của phương trình vi phân cố kết phi tuyến
2. Dòng thấm tuân theo định luật Darcy
3. Đất bão hòa nước và đồng nhất.
4. Tải trọng tác dụng không thay đổi
5. Hệ số thấm thay đổi trong quá trình cố kết: e=b+Cklogk.
6. Hệ số rỗng thay đổi theo ứng suất hiệu quả: e=a-Cclogσ’.
Phương trình vi phân cố kết có xét đến sự thay đổi của hệ số nén lún và hệ số thấm
Phương trình vi phân cố kết thấm phi tuyến được xây dựng dựa trên quan hệ tuyến tính giữa e –log(σ’) và e-log(k) và xét đến sự thay đổi của hệ số nén lún, hệ số thấm theo thời gian và không gian:
(2.18)
Giả sử:
(2.19)
(2.20)
Phương trình (2.18) được viết lại:
(2.21)
(2.22)
Phương trình vi phân cố kết phi tuyến (2.21) có hệ số cố kết:
(2.23)
Phương trình (3.23) chỉ ra rằng, hệ số cố kết Cv là không hằng số và nó thay đổi trong suốt quá trình cố kết khi áp lực nước lỗ rỗng thay đổi. Hệ số cố kết Cv phụ thuộc vào hệ số Cn , hệ số α và áp lực nước lỗ rỗng thặng dư.
Trong đó:
Hệ số Cn và hệ số α được gọi là các hệ số phi tuyến của đất nền:
– Hệ số Cn được xác định theo phương trình (2.20) và nó phụ thuộc vào tính nén lún và tính thấm của đất (a, b, Cc, Ck), hệ số rỗng ban đầu (e0)và trọng lượng riêng của nước (γw).
– Hệ số α được xác định từ phương trình (2.19) nó phụ thuộc vào chỉ số nén và chỉ số thấm (Cc và Ck) của đất.
LỜI GIẢI TỔNG QUÁT CHO PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CỐ KẾT THẤM BẰNG PHƯƠNG PHÁP SAI PHÂN HỮU HẠN
Phương trình vi phân cố kết thấm (2.21) là dạng phương trình vi phân phi tuyến nên việc giải trình này bằng phương pháp giải tích rất phức tạp. Trong luận văn này phương phương pháp sai phân hữu hạn (Explicit Finite Defference Method), được áp dụng để giải cho phương trình vi phân cố kết phi tuyến.
Hình 2.5 Chia lưới phần tử trong phương pháp sai phân hữu hạn
Ứng dụng công thức gia số hữu hạn của phương pháp sai phân hữu hạn vào 2 thành phần của phương trình cố kết (3.21). Phương trình vi phân cố kết thấm một chiều chiều có dạng :
(2.34)
ui-1,j; ui,j; ui+1,j là áp lực nước lỗ rỗng tại điểm i-1, i và i+1 tại thời điểm t, (j=t).
ui,j+1 là áp lực nước lỗ rỗng tại điểm i tại thời điểm t+Δt, (j+1).
Đặt : (2.35)
Công thức tính áp lực nước lỗ rỗng được rút ra từ phương trình 2.34:
(2.38)
ĐỘ LÚN CỐ KẾT TRONG TRƯỜNG HỢP THOÁT NƯỚC THẲNG ĐỨNG CÓ XÉT ĐẾN SỰ THAY ĐỔI HỆ SỐ THẤM VÀ HỆ SỐ NÉN LÚN THEO THỜI GIAN
Độ cố kết của phân tố đất ở độ sâu z tại thời điểm t
(2.40)
Trong đó:
u(t,z) áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tại thời điểm t ở độ sâu z ;
u0 áp lực nước lỗ rỗng ban đầu (t=0).
Độ cố kết trung bình cho cả lớp đất
. (2.41)
Tính toán độ lún theo thời gian
Công thức liên hệ giữa độ lún theo thời gian và độ cố kết :
. (2.42)
Trong đó :St– độ lún cố kết tại thời điểm t;
St=∞ – độ lún cố kết ổn định ;
Uave– độ cố kết trung bình tại thời điểm t.
KẾT LUẬN
Phương trình vi phân cố kết phi tuyến được thiết lập dựa trên lý thuyết cơ bản của Terzaghi và quan hệ tuyến tính giữa e-logk và e-logσ’. Phương pháp sai phân hữu hạn được áp dụng để giải phương trình vi phân, từ đó có thể xác định được độ cố kết của nền đất yếu dựa và sự tiêu tán của áp lực nước lỗ rỗng thặng dư theo thời gian.
Áp dụng lý thuyết cố kết phi tuyến vào tính toán các đặc trưng cố kết của đất nền sẽ khắc phục được hai giới hạn chính trong tính toán độ cố kết: Giới hạn của lý thuyết cố kết Terzaghi đang áp dụng hiện nay, và giới hạn về sai số trong thí nghiệm xác định hệ số cố kết Cv.
CHƯƠNG 3
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC HỆ SỐ Cn VÀ ĐẾN HỆ SỐ CỐ KẾT Cv VÀ ĐỘ CỐ KẾT TRUNG BÌNH TRONG TRƯỜNG HỢP THOÁT NƯỚC MỘT CHIỀU THEO PHƯƠNG THẲNG ĐỨNG
ĐẶT VẤN ĐỀ
TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN
XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TÍNH TOÁN ĐỘ CỐ KẾT CHO NỀN ĐẤT YẾU
Hình 3.2 Sơ đồ tính toán độ cố kết
VÍ DỤ TÍNH TOÁN
Bài toán
Áp dụng tính toán các đặc trưng cố kết cho 04 nền đất sét yếu chịu tải trọng phân bố đều trên bề mặt hình 3.3. Tương ứng với 04 lớp đất sét yếu có tính chất cơ lý và các chỉ tiêu phi tuyến khác nhau. Sự khác nhau của 04 lớp đất sét yếu được thể hiện ở hai hệ số phi tuyến: hệ số Cn và hệ số α được thể hiện ở bảng 3.1.
Hình 3.3. Sơ đồ bài toán
Bảng 3.1. Các chỉ tiêu phi tuyến của các mẫu đất:
| Mẫu đất | Hệ số rỗng ban đầu e0 | Chỉ số nén lún | Chỉ số thấm | Hệ số phi tuyến | |||
| a | cc | b | Ck | Cn | | ||
| M1 | 0,98 | 1,49 | 0,30 | 3,20 | 0,37 | 3,63×10-5 | 0,19 |
| M2 | 1,00 | 1,47 | 0,32 | 5,40 | 0,62 | 6,59×10-07 | 0,48 |
| M 3 | 0,83 | 1,36 | 0,33 | 2,71 | 0,29 | 2,82×10-05 | -0,14 |
| M4 | 0,52 | 1,10 | 0,24 | 1,70 | 0,15 | 0,0001456 | -0,60 |
Đặc trưng cơ lý của nền đất yếu
Bảng 3.2. Các chỉ tiêu vật lý của 04 mẫu đất
| Mẫu đất | Tải tác dụng σt (kN/m2) | Hàm lượng hạt | Giới hạn Atterberg | Phân loại theo USCS | ||||
| Cát | Bùn | Sét | Giới hạn nhão (LL) | Độ ẩm tự nhiên (PL) | Giới hạn dẻo (SL) | |||
| M1 | 60 | 0 | 35 | 65 | 71 | 31 | 26 | CH |
| M2 | 60 | 0 | 59 | 41 | 42 | 24 | 16.5 | CL |
| M3 | 30 | 13 | 67 | 20 | 30.5 | 22 | 15.5 | CL |
| M4 | 30 | 6 | 72 | 22 | 26.5 | 20.5 | 14 | CL |
Quan hệ tuyến tính giữa e-Log(σ’) và e-Log(k) của 04 mẫu đất thể hiện trong hình 3.4 và hình 3.5.
Hình 3.4 Quan hệ giữa hệ số rỗng và ứng suất hiệu quả của 04 mẫu đất.
Hình 3.5 Quan hệ giữa hệ số rỗng và hệ số thấm của 04 mẫu đất.
Kết quả tính toán
Sự thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng thặng dư theo thời gian và không gian.
Hình 3.6. Mẫu 01 (α=0,19)
Sự thay đổi của hệ số cố kết Cv theo thời gian và không gian
Hình 3.10 Sự thay đổi hệ số cố kết Cv của mẫu 01
Hình 3.11 Sự thay đổi hệ số cố kết Cv của mẫu 02
Hình 3.12 Sự thay đổi hệ số cố kết Cv của mẫu 03
Hình 3.13 Sự thay đổi hệ số cố kết Cv của mẫu 04
Nhận xét:
Đối với mẫu 01 và mẫu 02 khi hệ số α>0 đường cong hệ số cố kết Cv có xu hướng tăng dần theo thời gian thấy rõ trên hình 3.10 và 3.11.
Đối với mẫu 03 và mẫu 04 khi hệ số α>0 đường cong hệ số cố kết Cv có xu hướng giảm dần theo thời gian thấy rõ trên hình 3.12 và 3.13.
Điều này có thể giải thích như sau khi hệ số α>0 (Cc<Ck) thì hệ số thấm của đất giảm nhanh hơn so với hệ số nén lún. Do đó, hệ số cố kết Cv có xu hướng tăng trong quá trình cố kết. Ngược lại hệ số cố kết Cv có xu hướng giảm trong quá trình cố kết khi hệ số α<0 (Cc>Ck).
Quan hệ của độ cố kết theo thời gian
SO SO SÁNH ĐỘ CỐ KẾT TRUN BÌNH TÍNH TOÁN THEO LÝ THUYẾT TERZAGHI VÀ LÝ THUYẾT CỐ KẾT PHI TUYẾN
Hình 3.19. So sánh độ cố kết trung bình của mẫu 01
Hình 3.20. So sánh độ cố kết trung bình của mẫu 02
Hình 3.21. So sánh độ cố kết trung bình của mẫu 03
Hình 3.22. So sánh độ cố kết trung bình của mẫu 04
Nhận xét
Khi α>0 độ cố kết trung bình khi tính theo lý thuyết phi tuyến lớn hơn độ cố kết trung bình dự đoán bằng lý thuyết cố kết của Terzaghi (hình 3.19 và 3.20). Vì khi α>0 hệ số cố kết Cv sẽ tăng dần theo gian tương ứng với sự gia tăng của ứng suất hiệu quả σ’ dẫn đến tốc độ cố kết xảy ra nhanh hơn.
Ngược lại khi α<0, độ cố kết trung bình khi tính theo lý thuyết phi tuyến nhỏ hơn độ cố kết trung bình dự đoán bằng lý thuyết cố kết của Terzaghi (hình 3.21 và 3.22).
KẾT LUẬN
Áp dụng tính toán cho 04 nền đất khác nhau và kết quả cho thấy rằng hệ số cố kết Cv có thể tăng hoặc giảm dần theo thời gian và không gian khi ứng suất hữu hiệu tăng trong quá trình cố kết.
Tốc độ cố kết của đất yếu phụ thuộc nhiều vào hệ số cố kết Cv. Kết quả phân tích cho thấy có sự khác nhau về độ cố kết trung bình theo thời gian khi tính toán theo lý thuyết cố kết thấm phi tuyến và lý thuyết cố kết của Terzaghi.
CHƯƠNG 4
ÁP DỤNG TÍNH TOÁN KIỂM TRA NỀN ĐẤT YẾU DỰ ÁN ĐƯỜNG NỐI NGUYỄN TẤT THÀNH -KHU ĐÔ THỊ THỦY TÚ (ĐOẠN TỪ KM1+250 ĐẾN KM1+370)
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DỰ ÁN ĐƯỜNG NGUYỄN TẤT THÀNH NỐI DÀI
Công trình đường Nguyễn Tất Thành nối dài: Điểm đầu tuyến: Km0+000, tại vị trí điểm giao giữa QL1A và đường Nguyễn Tất Thành. Điểm cuối Km2+715.04, dự án Khu đô thị Quan Nam – Thủy Tú.
SỐ LIỆU ĐỊA CHẤT VÀ CÁC THÔNG SỐ TÍNH TOÁN CỦA NỀN ĐẤT YẾU
Điều kiện địa chất công trình
Nền đất yếu phân bố sâu với địa tầng khu vực như sau:
– Lớp B1: Sét pha lẫn hữu cơ, chiều dày 1,4m.
– Lớp B3: Bùn Sét pha, bão hòa nước, chiều dày 15,8m
– Lớp H1: Cát hạt nhỏ lẫn bột sét, dày 5m.
Đặc điểm địa chất thủy văn khu vực
TÍNH TOÁN DỰ BÁO ĐỘ LÚN CỐ KẾT THEO THỜI GIAN
Theo lý thuyết cố kết thấm Terzaghi
Hình 4.5. Độ lún theo thời gian tính theo lý thuyết Terzaghi
Hình 4.6. Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tiêu tán theo thời gian.
Kết quả tính toán lún theo phương pháp Phần tử hữu hạn trên phần mềm Plaxis
Hình 4.11. Sự tiêu tán của áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tại tâm lớp đất Sét yếu.
Hình 4.12 Độ lún theo thời gian tính theo phương pháp PTHH trên phần mềm Plaxis
Theo lý thuyết cố kết phi tuyến có xét đến sự thay đổi của hệ số nén lún và hệ số thấm
Hình 4.13. Diễn biến áp lực nước lỗ rỗng thặng dư theo thời gian tại các độ sâu khác nhau
Hình 4.14 Độ lún theo thời gian tính theo lý thuyết phi tuyến
TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN CỐ KẾT CUỐI CÙNG THEO PHƯƠNG PHÁP ASAOKA DỰA TRÊN SỐ LIỆU QUAN TRẮC LÚN
Số liệu quan trắc
Hình 4.16. Độ lún quan trắc bằng bàn đo lún
Phân tích độ lún cuối cùng theo phương pháp Asaoka
SO SÁNH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN
So sánh độ cố kết trung bình
Hình 4.18. So sánh độ cố kết trung bình tính toán theo lý thuyết Terzaghi và lý thuyết cố kết thấm phi tuyến
Nhận xét:
Dựa vào kết quả so sánh độ cố kết trên hình 4.10 cho ta thấy kết quả này phù hợp với kết luận trong chương 3 khi hệ số α >0, (α=0.19), (Cc<Ck), (Cc=0.3; Ck=0.37) thì độ cố kết trung bình tính toán theo lý thuyết cố kết Terzaghi là nhỏ hơn so với tính toán theo lý thuyết cố kết phi tuyến.
So sánh kết quả độ lún cố kết
Kết quả độ lún theo thời gian
Hình 4.19 So sánh độ lún theo thời gian giữa các phương pháp
Bảng 4.7. So sánh độ lún cố kết cuối cùng
| Phương pháp tính toán | ||
| Phương pháp giải tích | Phần mềm Plaxis (FEM) | Quan Trắc |
| S=0,828m | 0,81m | 0,808m |
– Dựa vào kết quả tính toán thể hiện ở bảng 4.7 ta thấy độ lún cố kết cuối cùng tính theo phương pháp giải tích (S=0,828m) lớn hơn độ lún tính theo phần mềm Plaxis (S=0,81m) và theo phương pháp Asaoka dựa vào số liệu quan trắc lún (s=0,808m).
– Dựa vào quan hệ độ lún theo thời gian trên hình 4.19 cho chúng ta thấy rằng, độ lún theo thời gian tính theo lý thuyết cố kết thấm Terzaghi xảy ra chậm hơn nhiều so với kết quả độ lún dự đoán theo lý thuyết cố kết phi tuyến có xét hệ số nén lún và hệ số thấm thay đổi và đường cong lún theo quan trắc thực tế trong khoảng thời gian (100÷1000)ngày.
– Kết quả độ lún cố kết tính toán theo lý thuyết cố kết phi tuyến có xét hệ số nén lún và hệ số thấm thay đổi phù hợp với kết quả tính toán theo phần mềm Plaxis và đường cong lún theo quan trắc thực.
Nguyên nhân dẫn đến sự sai khác về độ lún khi tính toán theo các phương pháp:
– Độ lún ổn định khi tính toán theo phương pháp giải tích xem quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là tuyến tính, trạng thái ứng suất trong nền đất được tính toán dựa trên lý thuyết của Bussiness, tức là xem nền là biến dạng tuyến tính nhưng trên thực tế đất nền không ứng xử đàn hồi.
– Kết quả tính toán độ lún theo thời gian theo lý thuyết phi tuyến có xét đến sự thay đổi của hệ số nén lún và hệ số thấm, về mặt toán học nó lôgic hơn so với lý thuyết cơ bản của Terzaghi và phù hợp với diễn biến ứng xử của đất nền khi chịu tác dụng của tải trọng chất thêm.
– Kết quả tính toán theo phần mềm địa kỹ thuật Plaxis phù hợp với kết quả quan trắc. Bởi vì độ lún được tính toán dựa trên các mô hình vật liệu tiên tiến (mô hình Soft Soil và Mohr-Coulomb), các mô hình này phân tích đầy đủ hơn trạng thái ứng xử của đất nền vừa xét biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo. Mặt khác, đất là vật liệu đặc biệt, trạng thái ứng suất tại các điểm hoàn toàn khác nhau, phương pháp phần tử hữu hạn được áp dụng để giải các bài toán sẽ cho kết quả phù hợp hơn.
So sánh áp lực nước lỗ rỗng thặng dư
Hình 4.20 So sánh áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tính toán theo các phương pháp
– Kết quả so sánh áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trên hình 4.20, chỉ ra rằng sự tiêu tán áp lực nước thặng dư của nền đất sét yếu phù hợp với diễn biến lún theo thời gian nhưng có sự khác nhau đáng kể giữa các phương pháp.
– Khi tính theo lý thuyết cố kết thấm phi tuyến và phương pháp phần mềm Plaxis thì áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán nhanh hơn so với tính toán bằng lý thuyết cố kết thấm của Terzaghi.
-Giá trị áp lực nước lỗ rỗng tính theo phần mềm Plaxis tăng dần trong quá trình thi công đắp đất tăng từ (0÷117,5)kPa tương ứng với khoảng thời gian (0÷23)ngày, sau đó giảm dần khi nước bắt đầu thoát ra. Điều này cho chúng ta thấy rằng diễn biến áp lực nước phù hợp với thức tế. Và đây chính là giới hạn của lý thuyết cố kết Terzaghi khi xem tải trọng tác dụng ban đầu là hằng số.
KẾT LUẬN
Áp dụng lý thuyết cố kết thấm phi tuyến tính toán cho công trình thực tế Đường Nguyễn Tất Thành nối dài, có chiều dày lớp đất yếu H=16m kết quả cho thấy, độ cố kết của nền đất sét yếu có xét đến sự thay đổi của hệ số nén lún và hệ số thấm, cho kết quả tính toán phù hợp với với kết quả quan trắc thực tế và kết quả phân tích bằng phần mềm Plaxis. Trong khi đó, việc tính toán theo lý thuyết cố kết Terzaghi theo tiêu chuẩn 22TCN262-2000 cho kết quả sai khác đáng kể. Kết quả này, có thể khẳng định rằng việc sử dụng lý thuyết cố kết thấm phi tuyến để tính toán độ cố kết của nền đất yếu trong trường hợp thoát nước thẳng đứng, sẽ cho kết quả phù hợp với thực tế so với lý thuyết cố kết thấm của Terzaghi.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
– Lý thuyết cố kết thấm phi tuyến có xét đến sự thay đổi của hệ số nén lún và hệ số thấm theo thời gian và không gian đã được đề cập cho đất sét yếu. Đối chiếu với nhiệm vụ, mục tiêu đăt ra, luận văn đã đạt được một số kết quả chính như sau:
– Nghiên cứu tổng quan về lý thuyết cố kết thấm phi tuyến cho trường hợp cố kết một chiều theo phương thẳng đứng có xét đến sự thay đổi của hệ số thấm và hệ số nén lún.
– Hệ số cố kết thấm Cv thay đổi theo thời gian, phụ thuộc vào hệ số thấm k và hệ số nén lún thể tích mv, kết quả từ sự thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong quá trình cố kết.
– Hai hệ số phi tuyến (Cn và α) đã được giới thiệu để mô tả đến sự thay đổi của hệ số cố kết thấm với ứng suất hiệu quả.
– Độ cố kết trung bình tính toán theo lý thuyết cố kết thấm phi tuyến có thể nhanh hơn (khi α>0) hoặc chậm hơn (khi α<0), so với độ cố kết được tính toán theo lý thuyết cố kết thấm một chiều của Terzaghi (α=0).
– Các đặc trưng cố kết của nền đất như áp lực nước lỗ rỗng, độ cố kết, hệ số cố kết có thể tính toán tại mọi độ sâu của nền đất yếu và tại các điểm thời gian khác nhau bằng việc sử dụng mô hình tính toán theo phương pháp số.
– Phương trình cố kết thấm phi tuyến có thể tính toán sự thay đổi của độ cố kết theo thời gian thực t mà không cần thông qua nhân tố thời gian Tv.
– Kết quả tính toán độ lún theo thời gian và độ cố kết của nền đất yếu, khi tính toán theo lý thuyết cố kết phi tuyến được đề nghị trong luận văn cho kết quả phù hợp so với kết quả quan trắc thực tế và mô hình tính toán dựa trên phần mềm Plaxis của công trình đường Nguyễn Tất Thành. Điều này, cho phép khẳng định phương pháp tiếp cận này có thể giải quyết hạn chế của giả thuyết tính toán trong lý thuyết cố kết thấm một chiều Terzaghi đang được áp dụng hiện nay.
KIẾN NGHỊ
Từ những kết quả nghiên cứu đạt được của luận văn tác giả đề xuất những kiến nghị như sau:
– Để dự đoán chính xác các đặc trưng cố kết của đất yếu thì cần phải sử dụng lý thuyết cố kết thấm có xét đến các đặc trưng phi tuyến của đất nền.
– Hệ số cố kết Cv ảnh hưởng rất lớn đến kết quả dự báo độ lún theo thời gian. Vì vậy, cần làm thí nghiệm xác định trực tiếp hệ số thấm của đất yếu , từ đó có thể xác định được hệ số cố kết Cv chính xác hơn.
– Đất yếu là loại vật liệu đàn hồi – dẻo nên trạng thái ứng suất biến dạng rất phức tạp. Vì vậy, cần sử dụng phương pháp số để phân tích khả ứng xử của đất yếu sẽ cho kết quả chính xác hơn.
HƯỚNG PHÁT TRIỂN NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Trong quá trình nghiên cứu đề tài còn tồn tại những hạn chế sau: Đề tài đã sử dụng các kết quả thí nghiệm về các chỉ tiêu cơ lý của đất nền của các tác giả nghiên cứu trước đó để làm ví dụ so sánh. Lý thuyết cố kết phi tuyến đã đề cập chỉ áp dụng cho trường hợp nền đất đồng nhất, ở trạng thái cố kết thường, chiều dày hữu hạn và tải trọng tác dụng không đổi theo chiều sâu. Do đó, hướng phát triển tiếp theo của đề tài:
– Nghiên cứu xác định các các hệ số phi tuyến của đất nền (Cn và α) thông qua thí nghiệm nén cố kết và thí nghiệm thấm để kiểm tra lại tính đúng đắn của lý thuyết phi tuyến đã đề cập.
– Nghiên cứu viết chương trình tính toán cố kết của nền đất yếu dưới tác dụng của tải trọng nền đường đắp, theo lý thuyết cố kết thấm phi tuyến trên cơ sở thuật toán đã trình bày.
– Nghiên cứu lý thuyết cố kết thấm phi tuyến trong trường hợp lớp đất yếu có chiều dày lớn và tải trọng đắp thay đổi theo thời gian.
– Mở rộng lý thuyết cố kết thấm phi tuyến trong trường hợp cố kết thấm ba chiều và trường hợp nền đất yếu có sử dụng các phương pháp thoát nước thẳng đứng.
E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\LUAN VAN 2014\Lua van cao hoc_Vuong
