English
Tiếng Việt
Các xuất bản
Tính chất cố kết động của đất loại sét bão hòa nước
(Dynamic consolidation properties of saturated cohesive soils)
Bộ môn Địa chất công trình – Địa chất thủy văn, Đại học Khoa học Huế. E-mail: doquangthien1969l@gmail.com
2 Nguyễn Thị Ngọc Yến
Bộ môn Kỹ thuật xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa Đà Nan, Việt Nam. E-mail: ngocyendc@gmail.com
ABSTRACT: Prooperties of saturated cohesive soils are complicated when they bearthe pressures of cyclic loading as the movements of vehicles, groundwater pumping, pump and discharge oil storage tanks,.. Therefore, the main purpose of the article is being using Separate – Type – Consolidometer (STC) to experiment for cohesive clay sample in cyclic consolidation condition. From monitoring results of characteristic of consolidation, implement comparing with calculated values from EVP model (elasto – visco – plastic model, visco – plastic structure model for one direction deformation of Yin and Graham, 1996), from there estimate the application ability of EVP model to calculate, predict settlement for cyclic loading condition. From research results the authors had following remarks:
- Creep phenomenon influences to pore water presure during loading and rejection processing not only the primary consolidation stage but also the secondary colsolidation stage. For the saturated clay , primaty consolidation time in cyclic loading condition is longer than static load.
- The EVP model is not clearly indicate influence of creep phenomenon to pore water presure under the pressures of cyclic loading condition in secondary consolidation stage. Due to the number of loading cycles which have critical effect to all parameters of EVP model so that need to adjust some these parameters to could use more effectively for researching the cyclic consolidation properties of clay.
Trong nhiều thập niên qua, có rất nhiều nghiên cứu về ứng xử của đất nền trong điều kiện tải trọng động, phần lớn các công trình đều quan tâm đến tính chất cắt không thoát nước, một tính chất quan trọng trong đánh giá ổn định của nền đường trên đất yếu (Berre, T. & Iversen, K., 1972; Fujiwara, H., Yamanouchi, T., Yasuhara, K. & Ue, S, 1985; Fujiwara, H., Ue, S., & Yasuhara, K., 1987; Gibson, R, E., Schiffman, R. L. and Cargill, K. W., 1981; Hanzana, H., 1979; Mesri,G., 1973; Mesri,G. and Goldlewski, P.M., 1977), một số nghiên cứu về từ biến thoát nước (Drained Creep) dưới tác dụng của tải trọng động có thể kể đến như: Aboshi, H, 1973…; Aboshi, H., H. Matsuda, 1983; Baek, J., Matsuda, H., Ishikura, R., Baek, W., Yamada K, 2012: Fujiwara & nnk, 1985, 1987 cho rằng tính chất nén lún của đất loại sét trong điều kiện tải trọng động cao hơn so với tải trọng tĩnh có thể là do ảnh hưởng của giai đoạn nén thứ cấp, cùng với sự thay đổi bên trong cấu trúc hạt đất. Từ đó, ông khẳng định rằng nguyên nhân gây lún của nền đất dưới tác dụng của tải trọng động là do độ lớn của tải trọng, chu kỳ gia tải, tỉ lệ tăng tải và số chu kỳ tác dụng. Vì vậy, Ông khuyến cáo trong tính toán lún gây ra bởi tải trọng động cần phải xem xét cẩn trọng các yếu tố nêu trên (Fujiwara, H., Yamanouchi, T., Yasuhara, K. & Ue, S, 1985; Fujiwara, H., Ue, S., & Yasuhara, K., 1987): Matsuda, Shimizu và nnk, 1990) đã sử dụng thiết bị STC để làm rõ tính chất cố kết động của đất loại sét bão hòa ở Ariake (Nhật Bản) trên cơ sở so sánh các đường cong cố kết ở hai điều kiện tải trọng (động và tĩnh) với kết quả như sau: độ lún gây ra bởi tải trọng tĩnh lớn hơn độ lún gây ra do tải trọng tuần hoàn trong giai đoạn cố kết sơ cấp, nhưng về sau độ lún gây ra bởi tải trọng tuần hoàn lại chiếm ưu thế (Hình 1). Ngoài ra, ông đã tìm ra sự phân bố của độ biến dạng không đồng nhất theo hướng thoát nước, ngay cả khi số lượng chu kỳ tăng lên đáng kể và sự phân bố của áp lực nước lỗ rỗng có ảnh hưởng không nhỏ bởi số lượng chu kỳ tải trọng (Matsuda, H., Shimizu, Y., 1990).
Để chuẩn bị cho công tác chế bị mẫu, mẫu đất được cho qua rây có đường kính 420µm để loại bỏ những mảnh vỏ sò. Sau đó, mẫu được loại bỏ khí trong một ống chân không với áp lực hút -98kPa. Máy nén không nở hông có kích thước lớn được sử dụng cho công đoạn chế bị mẫu, trong đó buồng nén có đường kính 28.95cm và chiều cao 35cm. Tương ứng với kích thước của máy nén, hệ tải trọng được áp dụng gồm: 4.2kPa – 9.8kPa – 19.6kPa – 49kPa.
Thiết bị STC gồm 5 hộp nén với kích thước chuẩn, các hộp nén được mắc nối tiếp nhau bởi các ống dẫn nhỏ và các van (Hình 3). Mẫu đất có chiều cao 100mm được chia thành năm phụ mẫu có chiều cao 20mm. Tùy vào điều kiện thí nghiệm mà các van có thể đóng mở khác nhau để tạo thành mẫu có chiều cao tổng. Các phụ mẫu có cùng điều kiện thoát nước và điều kiện ứng suất. Ngoài ra, thiết bị STC có thể quan trắc dễ dàng độ lún cũng như áp lực nước lỗ rỗng của mỗi phụ mẫu.
Thông thường, khi tiến hành thí nghiệm với hộp nén có kích thước lớn, áp lực nước lỗ rỗng được quan trắc thông qua một ống nhỏ với đáy của viên đá thấm nên kết quả quan trắc có độ tin cậy không cao. Đặc biệt, khi chiều dài đường thấm lớn, ma sát thành có ảnh hưởng đáng kể đến độ giảm ứng suất của mẫu. Bên cạnh đó, không thể quan trắc biến dạng của mỗi lớp đất có chiều cao 20mm vì việc cài đặt các đầu đo cảm biến trong mẫu lớn rất khó khăn. Trong khi đó, việc sử dụng thiết bị STC hoàn toàn có thể khắc phục được các nhược điểm nêu trên. Với thiết bị này, sau khi thiết lập hệ thống van liên kết 5 hộp nén thành một hệ thống nhất thì áp lực nước lỗ rỗng của mỗi lớp có thể thông nhau và có thể xem nó như là một mẫu. Áp lực khí tác dụng lên mẫu thông qua đỉnh chụp (top cap). Ngoài ra, việc đưa mẫu vào hộp nén phải thực hiện trong bể chứa nước để hạn chế sự xuất hiện của bọt khí trên bề mặt của dao vòng. Các ống dẫn nhỏ được sử dụng để tạo cho hộp nén một hệ kín trước khi lắp ráp vào hệ thống thí nghiệm nén.
3.1. Kết quả nghiên cứu
Kết quả thí nghiệm được nhóm nghiên cứu thể hiện chi tiết trên các biểu đồ từ hình 5 đến hình 15. Từ hình 5 có thể thấy rõ sự khác nhau về biến dạng của mẫu đất trong điều kiện tải trọng tĩnh và tải trọng tuần hoàn. Trong đó, độ biến dạng quan trắc trong điều kiện tải trọng tuần hoàn nhỏ hơn so với độ biến dạng trong điều kiện tải trọng tĩnh ở giai đoạn cố kết sơ cấp và ở giai đoạn cố kết thứ cấp sự khác biệt về độ biến dạng càng rõ ràng và vượt trội hơn. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với kết quả công bố của Matsuda, Shimizu (1990) và cho thấy mức độ ảnh hưởng của từ biến đối với tính chất cố kết của mẫu bùn sét dưới tải trọng động hoàn toàn khác nhau qua mỗi chu kỳ tải trọng. Trong hình 6, 7 chỉ ra giá trị trung bình của áp lực nước lỗ rỗng (u/Ds) của phụ mẫu 1 (z/H = 0.2) và phụ mẫu 5 (z/H = 1.0) trong hai điều kiện tải trọng thí nghiệm. Đối với tải trọng tuần hoàn, các đường cong được hình thành từ việc nối các giá trị của giai đoạn gia tải đầu tiên và các giá trị cuối cùng của các giai đoạn tái gia tải tiếp theo (Hình 8). Một điều đáng chú ý là các mẫu thí nghiệm trong điều kiện tải trọng tĩnh hoàn tất quá trình cố kết sơ cấp sớm hơn so với mẫu thí nghiệm trong điều kiện tải trọng tuần hoàn.
3.2. Dự báo lún của mô hình EVP trong điều kiện tải trọng tĩnh
Các thông số của mô hình EVP được xác định thông qua thí nghiệm nén truyền thống. Trong hình 9 thể hiện sự thay đổi của độ biến dạng dưới tác động của trọng tĩnh và dễ dàng thấy rằng việc dự báo lún từ mô hình EVP phù hợp với kết quả quan trắc từ thí nghiệm STC, đặc biệt là trong giai đoạn cố kết sơ cấp. Sự chênh lệch đường cong nén lún ở giai đoạn cố kết sơ cấp có thể liên quan đến việc giả định hệ số thấm hoặc các thông số y, l, k không đổi trong công thức tính toán của mô hình EVP. Trong mô hình EVP có thể chỉ ra sự khác nhau về độ biến dạng giữa các phụ mẫu, tức là có thể biểu diễn sự ảnh hưởng của khoảng cách đến biên thoát nước lên tính chất cố kết của mỗi phụ mẫu. Tuy nhiên, ở giai đoạn cố kết thứ cấp, mô hình EVP không thể hiện được những ảnh hưởng này. Có thể thấy rõ trong hình 10, các đường cong nén lún tính toán hồi quy tại một điểm và các giá trị biến dạng tăng theo thời gian. Điều này có thể do mô hình EVP hổ trợ cho học thuyết B và đã được đề cập trong học thuyết C của Aboshi (1973). Với bộ thông số này, mô hình EVP cũng có thể dự báo được sự thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng và tỉ lệ biến dạng trong điều kiện tải trọng tĩnh.
Từ những nghiên cứu thực nghiệm và luận giải ở trên có thể đi đến các kết luận sau:
- Tính chất cố kết của đất loại sét yếu trong điều kiện tải trọng tuần hoàn và tải trọng tĩnh là hoàn toàn khác nhau do ảnh hưởng của hiện tượng từ biến.
- Độ biến dạng do tải trọng tĩnh có giá trị lớn hơn độ biến dạng từ tải trọng tuần hoàn trong giai đoạn cố kết sơ cấp, nhưng đến giai đoạn cố kết thứ cấp các giá trị biến dạng tuần hoàn lại chiếm ưu thế hơn.
- Do ảnh hưởng của từ biến, thời gian hoàn thành quá trình cố kết động trong giai đoạn cố kết thứ cấp trể hơn so với quá trình cố kết tĩnh.
- Cần hiệu chỉnh hợp lý các thông số cố kết (y, l, k) của mô hình EVP để ứng dụng dự báo lún đạt độ tin cậy cao.
Aboshi, H (1973). An experimental investigation on the similitude in the consolidation of a soft clay, including the secondary creep settlement, Proc.8th ICSMFE, Moscow, 4(3), p.88.
Aboshi, H., H. Matsuda (1983) A study on precompression technique by Separate-Type- Consolidometer. Jour. Geotech Eng. JSCE No.340, p. 139-144.
Baek, J., Matsuda, H., Ishikura, R., Baek, W., Yamada K (2012) A study on one-dimensional consolidation of saturated clay based on the relationship between effective stress relaxation and creep strain. Jour. Geotech Eng.JSCE Vol.68, No.2, p. 400-409.
Berre, T. & Iversen, K. (1972). Oedometer tests with different specimen heights on a clay exhibiting large secondary compression. Geotechnique, Vol. 22, No. 1, p. 53-70.
Fujiwara, H., Yamanouchi, T., Yasuhara, K. & Ue, S (1985). Consolidation of alluvial clay under repeated loading. Soil and Foundation, Vol.25, No.3, p. 19-30.
Fujiwara, H., Ue, S., & Yasuhara, K. (1987) Secondary compression of clay under repeated loading. Soils and Foundation, Vol.27, No.2, p. 21-30.
Gibson, R, E., Schiffman, R. L. and Cargill, K. W. (1981). The theory of one dimensional consolidation of saturated clays, Ⅱ Finite nonlinear consolidation of thick homogenous layers., Can. Geotech. J., 18, 280-293.
Hanzana, H. (1979). Undrained strength characteristic of an alluvial marine clay in the Tokyo Bay. Soils and Foundations 19, No.4, p. 69-84.
Matsuda, H., Shimizu, Y. (1990) Study on the consolidation mechanism of clays under cyclic loading by using the Separate-Type-Consolidometer. Jour. Geotech Eng. JSCE Vol 41, No.1, p. 41-47.
Mesri,G.(1973): Coefficient of Secondary Compression., J. Soil Mech. Fdn Engng Div., Proc. Am. Soc. Civ, Engrs Vol.99, SM1, p.123-137.
Mesri,G. and Goldlewski, P.M. (1977):Time and stress compressibility interrelationship., J.Geotech. Engng Div. Am. Soc. Civ. Engrs Vol.103, GT5, p.417-430.
GHI CHÚ: Bản đầy đủ vui lòng liên hệ tác giả qua email ở đầu bài viết.
Bài viết liên quan
