Cố kết đất là gì?
Cố kết đất (soil consolidation) là quá trình đất giảm thể tích dần theo thời gian do nước lỗ rỗng thoát ra dưới tác dụng của tải trọng, làm tăng mật độ và sức chịu tải của đất. Hiện tượng này xảy ra chủ yếu trong đất sét và đất mịn có hệ số thấm thấp. Terzaghi (1925) là người đầu tiên xây dựng lý thuyết cố kết thấm 1D (one-dimensional consolidation) làm nền tảng cho địa kỹ thuật hiện đại.
Cơ chế cố kết
Khi tải trọng đột ngột tác dụng lên đất bão hòa nước:
- Tải trọng gây áp lực nước lỗ rỗng thặng dư (excess pore water pressure) u.
- Gradient thủy lực hình thành → nước dần thoát ra khỏi lỗ rỗng.
- Ứng suất hiệu quả σ’ = σ – u tăng dần khi u giảm.
- Hạt đất xếp lại chặt hơn → thể tích đất giảm → lún cố kết.
- Khi u = 0, cố kết hoàn thành; ứng suất hiệu quả bằng tổng ứng suất tác dụng.
Lý thuyết cố kết Terzaghi 1D
Phương trình vi phân cố kết:
∂u/∂t = cv × ∂²u/∂z²
Trong đó cv là hệ số cố kết (m²/s hoặc m²/năm):
cv = k / (γw × mv)
k = hệ số thấm; mv = hệ số nén thể tích; γw = dung trọng nước.
Thông số cố kết chính
| Thông số | Ký hiệu | Đơn vị | Ý nghĩa |
|---|---|---|---|
| Hệ số cố kết | cv | m²/s, m²/năm | Tốc độ cố kết; lớn → cố kết nhanh |
| Hệ số nén | mv | m²/kN | Độ nén thể tích đơn vị ứng suất |
| Chỉ số nén | Cc | không thứ nguyên | Độ dốc đường cong e-log(σ’) |
| Chỉ số nén lại | Cs (Cr) | không thứ nguyên | Đất quá cố kết; Cs ≈ Cc/5-10 |
| Nhân tố thời gian | Tv | không thứ nguyên | Tv = cv×t/H²dr |
Lún cố kết
Độ lún cố kết cuối cùng (primary consolidation settlement):
Đất bình thường cố kết: Sc = Cc/(1+e₀) × H × log(σ’f/σ’₀)
Đất quá cố kết: tính riêng hai giai đoạn ứng suất trước và sau σ’pc.
Bấc thấm PVD đẩy nhanh cố kết
Bấc thấm PVD (Prefabricated Vertical Drain) là phương pháp kỹ thuật nền đất yếu phổ biến nhất hiện nay, rút ngắn đường thoát nước từ chiều dọc sang chiều ngang.
Nguyên lý hoạt động
PVD được cắm sâu vào tầng sét yếu theo lưới hình vuông hoặc tam giác, khoảng cách 1-2m. Nước thoát từ đất sét → PVD → lớp cát thoát nước trên mặt → ra ngoài. Đường thoát nước từ H (chiều dày tầng sét) giảm xuống còn d/4 (bán kính ảnh hưởng PVD), rút ngắn thời gian cố kết từ nhiều năm xuống vài tháng.
Thông số PVD
- Kích thước: Tiêu chuẩn 100mm × 3-4mm; vỏ lọc geotextile bọc ngoài lõi thoát nước.
- Khả năng thoát nước: qw ≥ 100 m³/năm ở áp lực ngang 300 kPa.
- Khoảng cách cắm: 1.0-2.0m theo lưới vuông hoặc tam giác; khoảng cách nhỏ → cố kết nhanh hơn nhưng chi phí cao hơn.
Gia tải trước (Preloading)
PVD thường kết hợp với đắp tải gia tải trước (surcharge loading) để tạo áp lực đẩy nước ra nhanh hơn. Kết hợp PVD + gia tải trước là giải pháp xử lý nền đất yếu tiêu chuẩn cho đường, sân bay, kho bãi.
Mức độ cố kết trung bình U
Mức độ cố kết U (%) là phần trăm lún đã xảy ra so với lún cuối cùng:
U ≈ 1 – e^(-π²Tv/4) khi Tv < 0.217 (gần đúng)
Giá trị tiêu biểu: U=50% khi Tv=0.197; U=90% khi Tv=0.848.
- Cố kết sơ cấp và thứ cấp khác nhau thế nào?
- Cố kết sơ cấp (primary) do thoát nước từ lỗ rỗng, xảy ra khi u > 0. Cố kết thứ cấp (secondary/creep) xảy ra sau khi u = 0, do biến dạng từ biến của bộ khung đất; quan trọng với đất hữu cơ, bùn.
- Tầng sét dày bao nhiêu thì cần PVD?
- Tầng sét yếu dày >3m thường cần PVD để đạt U>90% trong thời gian thi công thực tế. Tầng mỏng hơn có thể tự cố kết đủ nhanh bằng gia tải.
- Thời gian cố kết tính thế nào?
- t = Tv × H²dr / cv; với H²dr = nửa chiều dày tầng sét (khi thoát nước hai chiều). Ví dụ: cv=10⁻⁸ m²/s, Hdr=3m, đạt U=90% (Tv=0.848): t=0.848×9/10⁻⁸ ≈ 760 ngày.