Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

LỜI NÓI ĐẦU

Trong giai đoạn xây dựng và phát triển đất nước của thời kỳ kinh
tế mở, công tác xây dựng cơ bản và giao thông là một trong những
nhiệm vụ hàng đầu. Để đáp ứng được yêu cầu này, việc nghiên cứu
sử dụng đất đá làm nền và môi trường cho các công trình xây dựng
khác nhau giữ vai trò hết sức quan trọng.
Có thể nói nền móng là một trong các yếu tố quan trọng nhất đảm
bảo ổn đònh công trình xây dựng mà Đòa Kỹ Thuật là chuyên môn
quyết đònh việc lựa chọn giải pháp, tính toán thiết kế và xử lý, kiến
nghò phục vụ cho công tác thi công. Do vậy, khi mà đâu đó còn xảy ra
sự cố về lún nhà, nứt đường, trượt lở mái dốc, sập cầu … thì không
những kiến thức và kỹ năng Đòa Kỹ Thuật có vấn đề mà trách nhiệm
Đòa Kỹ Thuật cũng không thể xem nhẹ. Để hạn chế những bất cập,
chúng ta cần nhận thức rõ và đánh giá đúng vai trò Đòa Kỹ Thuật
trong công tác xây dựng, cần đào tạo, trang bò đồng bộ và thống nhất
các tiêu chuẩn – quy phạm và tài liệu kỹ thuật chuyên môn cao, sao
cho ngang tầm với khu vực và quốc tế trong tiến trình hội nhập kinh
tế quốc tế.
Trong xây dựng hiện nay, việc ước lượng độ lún và biến dạng của
nền móng công trình là vấn đề hết sức quan trọng đối với người kỹ
sư. Điều này cho phép chúng ta tính toán chính xác khối lượng công
trình, dự báo chính xác được độ lún và biến dạng của công trình trong
quá trình thi công cũng như trong thời gian đưa vào khai thác, sử dụng
công trình.
Vì vậy, trong giai đoạn khảo sát thiết kế công trình, công tác khảo
sát, phân tích các đặc trưng biến dạng của đất và ý nghóa của chúng
là một trong những công tác hết sức quan trọng và cần thiết. Điều

cấu hạt, lòch sử hình thành, lòch sử chòu tải… thông qua các đặc trưng
vật lý như: độ rỗng, tỷ trọng đất…
Biến dạng của đất gồm hai thành phần:
 Biến dạng khung hạt thường ứng với tải nhỏ và khi dỡ tải
hình dạng khung hạt có thể phục hồi hình dạng ban đầu 
biến dạng đàn hồi.
 Khung hạt được sắp xếp lại (thay đổi liên kết khung kết
cấu) làm giảm thể tích phần rỗng  biến dạng dẻo.
Lượng nước chứa trong lỗ rỗng của đất cũng như tính chất của loại
nước trong đất cũng ảnh hưởng rất lớn lên sức chòu tải của kết cấu
khung hạt và đặc tính biến dạng của đất.
Tính biến dạng của đất hay còn gọi là tính nén lún của nó, được
xác đònh bằng khả năng giảm thể tích lỗ rỗng trong một đơn vò thể
tích đất dưới tải trọng ngoài. Trong trường hợp xác đònh, chính sự
giảm thể tích lỗ rỗng liên quan tới khả năng làm chặt hơn các hạt
trong đất. Quá trình này kéo theo sự dòch chuyển tất yếu của các hạt
đất… GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 2
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

II. TÍNH BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT

 Module biến dạng không thoát nước của đất E
u
.
 Hệ số Poisson của đất .
GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 3
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

III. PHÂN TÍCH MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT

P>0
V= Vo-Vp

Thí nghiệm nén cố kết nhằm mục đích nghiên cứu quá trình cố kết
theo lý thuyết Terzaghi. Thí nghiệm xác đònh độ lún do quá trình
thoát nước lỗ rỗng trong một mẫu đất dưới tải trọng thẳng đứng. Chi
tiết các quy đònh và các bước tiến hành của thí nghiệm nén cố kết có
thể tham khảo tiêu chuẩn ASTM D2435.
2. Thiết bò thí nghiệm
Mẫu đất được lấy vào trong một dao vòng bằng thép không rỉ,
cứng, có đường kính khoảng 70mm, chiều cao khoảng 20mm. Dao
vòng chứa mẫu đất được đặt trong một hộp nén với hai tấm đá thấm
ốp phía trên và dưới. Mẫu đất được bão hòa hoàn toàn trong quá trình
thí nghiệm trong điều kiện ngập nước.
3. Chuẩn bò mẫu
Cắt một khúc đất, trong hộp mẫu nguyên dạng lấy ra trong hộp
tôn hoặc nhựa, rồi dùng dao vòng nén ấn từ từ cắt vào trong mẫu.
Vừa ấn, vừa gọt xung quanh cho đến khi mẫu đất lọt vào dao vòng.
Công việc cần thực hiện nhẹ nhàng, cẩn thận sao cho không làm xáo
động mẫu. Dùng con dao sắc cắt phẳng đất ở hai mặt dao vòng. Dao
vòng và lõi đất được cho vào hộp nén và lắp đặt vào vò trí trong máy
nén. Lắp đặt và hiệu chỉnh đồng hồ đo độ lún về vò trí 0.
4. Tiến hành thí nghiệm
Khi hộp mẫu đã được lắp đặt vào trong vò trí, ta tiến hành chất tải
bằng các quả cân vào hệ thống cánh tay đòn ứng với cấp áp lực đầu
tiên dự kiến. Hộp cho ngập nước, đồng hồ bấm giây được khởi động
và bắt đầu đọc chuyển vò lún theo khoảng thời gian cho đến khi ổn
đònh lún.
 Chọn cấp áp lực thí nghiệm
Trọng lượng các quả cân được lựa chọn sao cho đạt được các cấp
áp lực tăng dần như sau:
P= 0.125 – 0.5 – 1 – 2 – 4 – 8 – 16 – 32 (kg/cm
2

(a.1)

Trong đó :
 V
0
, h
0
: thể tích, chiều cao ban đầu của mẫu tương ứng.
 V, h : trò số giảm thể tích và chiều cao tương ứng của
mẫu đất.
Từ phương trình (a.1), ta có :
0
p0
0
0
0
V
VV
h
V
V
hh




(a.2)
Ở đây :
V
o

)
Thay V
0
và V
p
vào (a.2), ta nhận được :

)e1(V
)e1(V)e1(V
hh
0s
ps0s
0





0
p0
0
e1
ee
hhS



(a.3)
Thật vậy, dưới tải trọng nén bên ngoài là p
1

)
hệ số rỗng eb. Hệ số nén lún a
Đặc trưng nén lún của đất có thể thể hi
ện thông qua độ dốc của
đường thẳng đi qua hai điểm có giá trò ứng suất khác nhau. Độ dốc
của đường này chính là hệ số nén. Hệ số nén a về trò số bằng tang
của góc nghiêng với trục ngang của đường cong nén lún trong khoảng
áp lực đã cho.
p
e
tga



12
21
pp
ee
a



(b.1)
c. Module tổng biến dạng E
0
, module không thoát nước E
u

a
e1
E
1
0

 (c.2) Hình 2. Đường cong nén lún e= f(p)
GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 7
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

Ở đây :



1
2
1
2
với  là hệ số Poisson.
Như chúng ta đã biết, trong môi trường đất hiện tượng biến dạng
không chỉ diễn ra tức thời mà còn diễn ra theo thời gian (hay còn gọi
là quá trình cố kết). Do đó, trong phân tích biến dạng sử dụng module
đàn hồi cần phân biệt chúng ở hai trạng thái :
 Module đàn hồi không thoát nước (E
u
) : khi áp dụng cần

Hình 3. Đường biểu diễn ứng suất biến dạng tương đối ở các trạng thái
GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 8
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

d. Chỉ số nén C
c
, chỉ số nở C
s
, hệ số nén lún a
v

Vẽ lại quan hệ giữa hệ số rỗng e và ứng suất nén
 (hay p) trên
đồ thò bán logarit như trong hình 4.
1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
2.00
2.20
0.1 1.0 10.0
Ứng s uất né n


(kG/cm
2
)
Hệ số rỗng e

lún của đất nền.
 C
c
< 0.02  Đất hầu như không nén lún.
 0.02<C
c
< 0.05  Đất nén lún rất ít.
 0.05<C
c
< 0.1  Đất nén rất ít.
 0.1<C
c
< 0.2  Đất nén lún trung bình.
 0.2<C
c
< 0.3  Đất nén lún khá mạnh.
 0.3<C
c
< 0.5  Đất nén lún mạnh.
 C
c
> 0.5  Đất nén lún rất mạnh.
Hình
4
. Đường cong e-logp của thí nghiệm nén cố kết
GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 9
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

Chỉ s

1
c
p
p
logh
e1
C
S


(d.4)
Công thức tính độ nở theo quan hệ e-logp :
1
2
1
s
p
p
logh
e1
C
S


(d.5)
e. Hệ số cố kết C
v

Thông thường sử dụng hai phương pháp để xác đònh hệ số C
v

với mức độ cố kết U= 100%). Đường trung bình của U
0
và U
100
chính
là đường U
50
cắt đường cong thí nghiệm tại điểm t
50
.
Hệ số cố kết C
v
được xác đònh theo công thức :
50
2
50
v
t
H197.0
C 
(e.1)
GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 10
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa
Phương pháp Taylor (Hình 6.)
Từ các kết quả đo biến dạng nén lún của mẫu đất dưới mỗi cấp áp
lực ở các thời gian khác nhau, vẽ đường cong cố kết trong tọa độ biến


Hình 5. Biểu đồ thí nghiệm cố kết thấm theo phương pháp Casagrande
GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 11
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

f. Áp lực tiền cố kết p
c

Đây là áp lực tối đa mà lớp đất đã bò cố kết trong quá trình lòch sử
hình thành. Thông thường, kết quả thí nghiệm thể hiện trên đường
cong e-logp áp lực được phân thành hai nhánh khác biệt. p lực tiền
cố kết p
c
(
c
) được xác đònh trên biểu đồ đường cong hình 7.
Giá trò áp lực tiền cố kết p
c
có thể đánh giá mức độ cố kết của đất
nền, ở độ sâu đang xét, thông qua việc so sánh với áp lực cột đất tại


Xác đònh ứng suất tiền cố kết p
c
bằng phương pháp Casagrade
 Chọn điểm A có bán kính chính bé nhất trên đường cong cố
kết e-logp.
 Vẽ đường tiếp tuyến tại A với đường cong e=logp.
 Vẽ đường song song với trục hoành tại A.
 Vẽ đường phân giác của góc hợp bởi hai đường trên.
 Kéo dài phần tuyến tính của đường nén nguyên thủy, giao
điểm của đường này và đường phân giác ta sẽ được điểm
ứng với ứng suất tiền cố kết p
c
.
Như vậy, đất có một lòch sử về quá trình chòu áp lực và những biến
đổi mà đất phải chòu trong một thời gian rất dài và những thay đổi
này được lưu trữ trong cấu trúc của đất.
A
Những biến đổi cấu trúc của đất do: sự nén thứ
cấp (sự lão hóa).
Raju (1956), Leonard và
Rimiah (1959), Leonard
và Altschaeffl (1954),
Bjerrum (1967, 1972)
Những biến đổi của môi trường như sự thay đổi
độ pH, sự thay đổi nhiệt độ hoặc sự tích tụ muối
tự nhiên.

Lambe (1958)
Những sự biến đổi hóa học do phong hóa, do
lượng mưa, do sự ciment hóa tự nhiên và do sự
trao đổi ion tự nhiên.

Bjerrum (1967)
Những thay đổi do tỷ số biến dạng với tải trọng. Lowe (1974)
(g.1)
Trong đó:
 u – biến đổi áp lực nước lỗ rỗng (=u).
 C
v
– hệ số cố kết (cm/s
2
), liên quan đến hệ số nén a
v
, hệ số
thấm k, dung trọng nước

w
và hệ số rỗng như sau:
vw
v
a
)e1(k
C


 (g.2)
Lời giải của phương trình trong các trường hợp đơn giản nhất, với
các điều kiện giới hạn sau:
 u= 0 tại bất kỳ thời điểm t, tại vò trí lớp thoát nước.
 0
z
u



T
v
là yếu tố thời gian không thứ nguyên, liên quan đến thời gian t,
bề dày lớp đất H và hệ số cố kết C
v
thông qua công thức:
2
v
v
H
t.C
T 
(g.5)
Công thức trên lấy bề dày H cho trường hợp đất nền thoát nước
một chiều và 1/2H cho trường hợp đất nền thoát nước hai chiều.
Sử dụng yếu tố thời gian T
v
, với phương pháp tính toán gần đúng,
ta có thể xác đònh được độ cố kết U với các trường hợp sau:
 Với T
v
 0.213  U(T
v
)=

v
T
2
(g.6)
 Với T

 Độ lún tức thời dựa trên lý thuyết đàn hồi.
 Độ lún do hiện tượng cố kết sơ cấp dựa trên lý thuyết
phân tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư từ tải trọng công
trình tác động vào nền đất sét bão hòa nước.
Độ lún thứ ba là do biến dạng thứ cấp của đất nền, sau quá trình
phân tán nước lỗ rỗng thặng dư hoàn toàn (cố kết sơ cấp), dưới một
ứng suất hữu hiệu không đổi. Thành phần này thường được gọi là độ
lún do hiện tượng nén thứ cấp, được ký hiệu là S
s
.

GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 16
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

Cố kết sơ cấp
Nén thứ cấp
p
e
e
logt
U
100
100
t
S




(h.1)
Trong đó:
 e
p
: hệ số rỗng tương ứng với điểm đầu của đoạn tuyến tính
dưới của đường cong e-logt, suy ra từ đường
e-logt.
 C

: chỉ số nén thứ cấp được đònh nghóa bởi phần nén thứ
cấp của đường cong e-logt như sau:
tlog
e
C




(h.2)

2. Tại vò trí (2) của hình 10 thì ứng suất hoạt động khác so với
trường hợp trên.
 Ứng suất đứng và ngang không phải là ứng suất chính mà bò
tác động bởi ứng suất cắt.
 Biến dạng ngang là đáng kể và chuyển thành chuyển dòch
xệ ngang của đất nền.
Hình 10. Ứng suất đứng và ngang, theo vò trí so với trục của khối đất đắp

GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 18
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

Chuyển vò đứng (độ l
ún) trong trường hợp này phải tính đến ảnh
hưởng của biến dạng ngang và biến dạng do ứng suất cắt gây ra.
Trong thực tế, chúng ta chỉ tính toán độ lún ở vò trí (1) thông qua
thí nghiệm nén cố kết một trục. Chỉ trong điều kiện bề rộng đất đắp
đủ lớn, chiều dày của đất nền không quá lớn sẽ cho kết quả phù hợp
thực tế. Cùng một phương pháp tính toán nhưng áp dụng cho các vò trí
khác của mặt cắt ngang thì sai số tính toán sẽ càng lớn khi vò trí tính
toán càng cách xa trục tim của khối đất đắp.
Ba loại chuyển vò có thể xác đònh được (trong quá trình cố kết), có
liên quan đến điều kiện biến đổi thể tích (hình 11.). Đó là:
 Độ lún tức thì (do biến đổi giảm thể tích của pha khí). Độ
lún này tương đối nhỏ và xảy ra tức thì.
 Độ lún do quá trình cố kết (biến đổi thể tích do tiêu tán áp
lực nước lỗ rỗng thặng dư). Đây là độ lún chủ yếu trong
tính lún cố kết.
 Độ lún do nén thứ cấp xảy ra khi áp lực hữu hiệu tác dụng
không đổi mà quá trình lún vẫn tiếp tục xảy ra (lún do từ

Các gi
ải pháp thông dụng để tăng vận tốc cố kết thường được áp
dụng cho đất đắp trên nền đất yếu như:
 Phương pháp gia tải tạm thời.
 Phương pháp đường thoát nước thẳng đứng.
 Phương pháp bơm chân không, hạ thấp mực nước.
 Phương pháp điện – nhiệt.
Hai phương pháp đầu được áp dụng rộng rãi và có thể kết hợp với
nhau và thể hiện rõ hiệu quả kinh tế – thi công. Hai phương pháp sau,
vì tính hiệu quả cũng như yếu tố kinh tế kỹ thuật hạn chế nên ít được
sử dụng.
1. Phương pháp gia tải tạm thời
Để tăng vận tốc cố kết, nếu ta dự kiến đắp một lớp đất đắp có
chiều cao H, ta cần sử dụng một gia tải tạm thời (Temporary
Surcharge) có bề dày
H. Với chiều cao H của đất đắp và H+H của
đất đắp và gia tải, ta có thể xác đònh được các độ lún tương ứng
h
1

và
h
2
(h
2
>h
1
) bằng phương pháp tính toán lún cố kết (hình 12.).
đã đạt được, cho độ cao đất đắp H sẽ là:
U
h
h.U
1
2




Như vậy là trong cùng thời gian t dự kiến, bằng phương pháp gia
tải tạm thời, ta đã tăng độ cố kết lên (
h
2
/h
1
) lần.
Để đạt được độ cố kết thiết kế của một nền đất đắp trên một nền
đất yếu (U thường được ấn đònh khoảng 80%), ta dễ dàng lựa chọn
được chiều cao gia tải (
H) thích hợp thông qua phân tích lún cố kết
bằng phương pháp nêu trên. Hình 12. Sử dụng gia tải tạm thời để gia tăng vận tốc cố kết
GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 21
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

Trong thực

 Lớp vải đòa kỹ thuật bọc ngoài là polypropylene và
polyeste không dệt hay vật liệu giấy tổng hợp, chúng có
chức năng ngăn cách giữa lõi chất dẽo và đất xung quanh,
đồng thời là bộ phận lọc – hạn chế cát hạt mòn chui vào lõi
làm tắc nghẽn thiết bò. Lõi chất dẽo có hai chức năng quan
trọng: vừa đỡ lớp bao bọc ngoài, vừa tạo đường cho nước
thấm dọc chúng ngay cả khi áp lực ngang xung quanh lớn.
Nếu so sánh hệ số thấm nước giữa bấc thấm PVD với đất sét yếu
bão hòa nước thấy rằng, bấc thấm PVD có hệ số thấm (k=10
-4
m/s)
lớn gấp nhiều lần so với hệ số thấm của đất sét yếu (k= 10
-5
m/ngđ).
Do đó, các thiết bò PVD dưới tải trọng nén tức thời đủ lớn có thể ép
nước trong lỗ rỗng của đất sét thoát tự do ra ngoài.
3. Những thuận lợi và hạn chế của phương pháp PVD
Tổng hợp các mặt thuận lợi và hạn chế của hai phương pháp cọc
cát và bấc thấm để xử lý nền đất yếu bằng phương pháp PVD được
thể hiện trong bảng sau. Cọc cát Bấc thấm
Thiết bò sử dụng Thông dụng Đặc chủng
Mặt bằng thi công trong
điều kiện ngập nước
Dễ kê kích, có thể
khắc phục được
Mặt bằng phải phẳng,
khắc phục khó khăn


Cỡ rây Phần trăm lọt
25.0 mm 100
4.80 mm 85 – 100
2.00 mm 50 – 100
0.85 mm 25 – 90
0.42 mm 10 – 75
0.3 mm 0 – 65
0.15 mm 0 – 35
0.075 mm 0 – 30

Chiều dày của đệm cát phụ thuộc vào sức kháng cắt của nền đất
yếu. Chiều dày tối thiểu là 50 (cm).
2. Vải đòa kỹ thuật (Geotextile)
Đối với đất nền là bùn hoặc than bùn quá yếu cần sử dụng vải đòa
kỹ thuật nằm dưới đệm cát thoát nước hoặc lớp đất đắp. Vải đòa kỹ
thuật, với các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu được áp dụng nhằm các mục
đích sau:
 Làm lớp bọc cho lớp lọc thoát nước và hạn chế xáo trộn đất
nền làm ảnh hưởng đến khả năng thoát nước.
 Tăng sức kháng chống trượt.
3. Áp dụng PVD
Ta đã biết khi áp dụng đường thoát nước thẳng đứng (PVD), có
những điều cần lưu ý với hai phương pháp như sau:

GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 24
Tiểu Luận Đòa Chất Công Trình Nâng Cao
Các Đặc Trưng Biến Dạng Của Đất Và Ý Nghóa

 Với cọc cát: khi khoan tạo lỗ để làm cọc cát thường làm
GVHD: TS Bùi Trường Sơn Trang 25