BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

Nguyễn Văn Phóng

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA TRẦM TÍCH ĐỆ TỨ

PHÂN BỐ Ở KHU VỰC HÀ NỘI DƯỚI TÁC DỤNG

CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG

Ngành: Kỹ thuật Địa chất

Mã số: 62.52.05.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA CHẤT

Hà Nội - 2016

Công trình được hoàn thành tại Bộ môn Địa chất công trình

khoa Khoa học và Kỹ thuật Địa chất, Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS. Lê Trọng Thắng

Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội

Phản biện 1: TS. Nguyễn Viết Tình

Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội

Phản biện 2: PGS. TS. Đoàn Thế Tường

Viện Khoa học Công nghệ xây dựng

Phản biện 3: PGS. TS. Đỗ Minh Đức

Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp trường,

họp tại trường Đại học Mỏ - Địa chất, phường Đức Thắng, quận Bắc Từ

Liêm, thành phố Hà Nội vào hồi ….. ngày…. tháng .... năm 2016.

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc Gia, Hà Nội hoặc

Thư viện trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội.

1

Më ®Çu

1. Tính cấp thiết của đề tài

Tải trọng động thuộc loại tải trọng tạm thời và phát sinh bởi hai nguồn:

nguồn tự nhiên (động đất, sập hang động, trượt lở, . . ) và nguồn nhân tạo

(móng máy, búa máy, tầu xe, . . .). Nghiên cứu tính chất cơ học của đất dưới tác

dụng của tải trọng động (gọi tắt là “tính chất cơ học động”) rất quan trọng trong

tính toán, thiết kế nền móng công trình có tải trọng động.

Hà Nội là Thủ đô của nước ta với dân số tập trung ngày càng lớn, cùng

với sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế, hoạt động xây dựng công trình rất phát

triển và làm phát sinh đa dạng các loại tải trọng động. Mặt khác, Hà Nội nằm

trong vùng động đất cấp 7 – 8, một số nơi là cấp 9. Quy mô công trình càng lớn

thì ảnh hưởng của tải trọng động do động đất và các lực địa chấn khác cũng

tăng theo. Bởi vậy, có thể nói ảnh hưởng của tải trọng động đến công trình sẽ

ngày một gia tăng. Mặt khác, tính chất của tải trọng (tĩnh và động) giảm dần

theo chiều sâu. Trong khi đó, phủ trên bề mặt khu vực Hà Nội chủ yếu là các

loại trầm tích tuổi Holocen, Pleistocen của hệ tầng Hải Hưng, Thái Bình và

Vĩnh Phúc, là những loại đất khá nhạy cảm với tác dụng của tải trọng động. Tuy

nhiên, thông tin về tính chất cơ học động của các loại đất này hiện nay chưa đủ

đáp ứng cho công tác nghiên cứu, quy hoạch, thiết kế và thi công nền móng

công trình có tải trọng động. Do đó, đề tài “Nghiên cứu tính chất cơ học của

trầm tích Đệ tứ phân bố ở khu vực Hà Nội dưới tác dụng của tải trọng động” là

cấp thiết và có tính thời sự.

2. Mục tiêu nghiên cứu

Xác định tính chất cơ học động, gồm biến dạng động và độ bền động của

các loại đất đặc trưng trong phạm vi nghiên cứu cũng như quy luật biến đổi của

chúng, phục vụ công tác nghiên cứu, quy hoạch, thiết kế và thi công nền móng

công trình trong điều kiện chịu tác động của tải trọng động.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là tính chất cơ học động của các loại đất mềm dính

và mềm rời thuộc các hệ tầng Thái Bình, Hải Hưng, Vĩnh Phúc. Phạm vi nghiên

cứu là khu vực các quận nội thành và huyện Thanh Trì thuộc thành phố Hà Nội. 4. Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về động học đất nền;

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính chất cơ học động của đất;

- Đặc điểm địa chất công trình của trầm tích Đệ tứ khu vực Hà Nội và

phương pháp nghiên cứu tính chất cơ học động của chúng;

- Nghiên cứu tính chất cơ học động của trầm tích Đệ tứ khu vực Hà Nội.

5. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu

+ Cách tiếp cận:

- Tiếp cận hệ thống: từ thực tiễn phát hiện vấn đề; nghiên cứu tổng hợp các

mô hình lý thuyết và phương pháp nghiên cứu có thể sử dụng để giải quyết vấn

2

đề; xác định mô hình và phương pháp nghiên cứu phù hợp; tiến hành thực

nghiệm và tổng hợp kết quả, rút ra quy luật.

- Tiếp cận kế thừa tri thức, kinh nghiệm trong vấn đề nghiên cứu động học

một cách chọn lọc;

- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp chặt chẽ với thực nghiệm.

+ Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp tổng hợp và hệ thống hóa tài liệu: nghiên cứu động học đất

nền trong nước và ngoài nước nhằm phát hiện vấn đề nghiên cứu; các tài liệu

nghiên cứu địa chất, ĐCCT đã có trong khu vực để làm sáng tỏ đối tượng và

phạm vi nghiên cứu;

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu quy luật và các yếu tố ảnh

hưởng đến tính chất cơ học động;

- Phương pháp địa chất: nghiên cứu đặc điểm địa chất công trình khu vực;

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: thí nghiệm xác định các đặc trưng

cơ lý và đặc điểm tính chất cơ học động của đất trong phạm vi nghiên cứu;

- Phương pháp toán – tin: phục vụ công tác xử lý số liệu.

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Về mặt khoa học, kết quả nghiên cứu góp phần làm sáng tỏ tính chất động

học của các thành tạo đất đá nghiên cứu; tìm hiểu quy luật ứng xử của đất nền

khi chịu tác động của các lực động, nhằm phục vụ công tác quy hoạch và thiết

kế xây dựng công trình; góp phần hoàn thiện và hệ thống hóa cơ sở lý thuyết

tính chất cơ học động, bổ sung thông tin cần thiết cho nghiên cứu động học nền

đất tiếp theo trong phạm vi nghiên cứu. Đóng góp cho thực tiễn sản xuất và nghiên cứu: làm cơ sở xây dựng quy

trình, lựa chọn sơ đồ cũng như các thông số đầu vào cho thí nghiệm ba trục

động; làm cơ sở số liệu cho bài toán mô hình ứng xử nền đất với tải trọng động;

cung cấp thông tin cho công tác dự báo nguy cơ mất ổn định nền móng công

trình chịu động đất và nghiên cứu ảnh hưởng của các hoạt động gây chấn động

đến môi trường địa chất và công trình.

7. Các luận điểm bảo vệ

- Luận điểm 1: quá trình biến dạng động của các loại đất trong phạm vi

nghiên cứu được chia thành bốn giai đoạn. Mỗi giai đoạn biến dạng tương ứng

với dạng vòng lặp ứng suất và biến dạng nhất định và được đặc trưng bởi thông

số biến dạng động phụ thuộc loại đất, đặc điểm tải trọng động và điều kiện ứng

suất. Trong đó, giới hạn biến dạng tuyến tính tương đương với giới hạn biến

dạng thể tích.

- Luận điểm 2: đất loại sét trong phạm vi nghiên cứu bị phá hủy động

theo hình thức trượt dẻo. Đất cát bão hòa nước của hệ tầng Thái Bình và Vĩnh

Phúc có thể bị phá hủy động theo hình thức hóa lỏng hoặc không theo hình thức

hóa lỏng tùy thuộc tương quan giữa thành phần hạt, độ chặt của đất và các

thông số của lực động. Đường bao tỷ sức kháng động (hoặc hóa lỏng) của

3

chúng được mô tả bằng biểu thức dựa trên lý thuyết Geniev cùng với các hệ số

thực nghiệm đặc trưng cho mỗi loại đất.

8. Điểm mới của luận án

- Luận án đã xác định được các chỉ tiêu đặc trưng cho biến dạng động của

các loại đất trong phạm vi nghiên cứu dựa trên thí nghiệm trực tiếp bằng thiết bị

ba trục động, đồng thời chia biến dạng động thành bốn giai đoạn dựa theo

phương pháp đánh giá các dạng biểu đồ ứng suất, biến dạng và vòng lặp; làm

sáng tỏ sự khác biệt giữa biến dạng tĩnh và biến dạng động.

- Bằng các số liệu thực nghiệm, luận án xây dựng được biểu thức mô tả

quy luật biến đổi các đặc trưng biến dạng động của đất trong phạm vi nghiên

cứu theo mức độ biến dạng. Luận án đã chỉ ra sự tương đồng giữa giới hạn biến

dạng tuyến tính với giới hạn biến dạng thể tích, giúp định hướng cho những

nghiên cứu tiếp theo.

- Độ bền động của đất loại sét và hóa lỏng của cát mịn trong phạm vi

nghiên cứu được xác định trực tiếp bằng thiết bị ba trục động. Khái niệm hóa

lỏng được làm rõ trên cơ sở định lượng hóa các chỉ tiêu đặc trưng, từ đó đánh

giá được khả năng hóa lỏng của cát mịn theo độ chặt.

- Sử dụng cơ sở lý thuyết Geniev, luận án đã xây dựng được biểu thức kết

hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm để mô tả quy luật độ bền động, đồng thời

xác định được các hệ số thực nghiệm cho mỗi loại đất. Nhờ vậy, quy luật độ

bền động của các loại đất trong phạm vi nghiên cứu đều được mô tả một cách

đơn giản và rõ ràng bằng biểu thức toán học, giúp việc vận dụng kết quả nghiên

cứu có nhiều thuận lợi.

- Luận án đã dự báo định lượng khả năng mất ổn định của các loại đất

khu vực nghiên cứu khi chịu động đất trong điều kiện bất lợi nhất dựa trên hệ số

thực nghiệm độ bền động của mỗi loại đất.

9. Cấu trúc luận án

Nội dung luận án gồm 5 chương, 56 bảng số liệu, 99 hình vẽ và đồ thị, 9

phụ lục cùng với 14 công trình nghiên cứu đã công bố và danh mục 76 tài liệu

tham khảo. 10. Cơ sở tài liệu của luận án

Luận án được hoàn thành trên cơ sở số liệu thí nghiệm mà tác giả trực

tiếp thực hiện, cũng như các kết quả nghiên cứu của tác giả đã được công bố

trên tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất (3 bài), tuyển tập Báo cáo hội nghị

khoa học trường đại học Mỏ-Địa chất (3 bài). Nội dung luận án còn được kế

thừa từ các đề tài do tác giả làm chủ trì, bao gồm đề tài cấp cơ sở mã số T12-32

(phần nội dung xác định chỉ tiêu động học bằng thí nghiệm CPTu), đề tài cấp

bộ mã số CTB 2012-02-03 (phần nội dung xác định chỉ tiêu động học và hóa

lỏng bằng thí nghiệm ba trục động) và đề tài cấp bộ mã số B12-02-07 do PGS.

TS. Lê Trọng Thắng làm chủ trì, tác giả tham gia chính phần thí nghiệm và viết

chuyên đề. Luận án cũng là kết quả của “Dự án tăng cường năng lực cho phòng

thí nghiệm Địa kỹ thuật công trình”.

4

Chương 1. Tæng quan c¸c vÊn ®Ò nghiªn cøu

®éng häc ®Êt nÒn

1.1. Khái niệm và nội dung nghiên cứu động học đất nền

Vấn đề động học đất nền (Soil dynamics) là một phần của cơ học đất

(Soil mechanics), nghiên cứu ứng xử của đất với tải trọng động. Nội dung

nghiên cứu động học đất nền có thể được chia thành 3 nhóm: 1) Nghiên cứu

ảnh hưởng của tải trọng động đến biến đổi các tính chất cơ lý của đất; 2)

Nghiên cứu độ bền và biến dạng của đất dưới tác dụng của tải trọng động; 3)

Nghiên cứu mô hình ứng xử nền đất với tải trọng động.

1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Các nghiên cứu về biến đổi tính chất cơ lý của đất khi chịu tải trọng

động bao gồm: nghiên cứu sự biến đổi của lực dính kết, góc ma sát trong

(Porovski, 1934); biến đổi hệ số rỗng và hệ số thấm (Barkan, 1962); biến đổi vi

cấu trúc và hiện tượng xúc biến (Sukina, 1985); biến đổi của độ bền không

thoát nước theo đặc điểm tải trọng động (Cadagrander, Seed, Onxon, . . .).

Các nghiên cứu về hóa lỏng của cát bao gồm: nghiên cứu quan hệ giữa

độ lệch ứng suất động gây hóa lỏng với thời gian tác dụng (Seed và Lee, 1965);

nghiên cứu quy luật hóa lỏng của cát bằng thực nghiệm và các yếu tố ảnh

hưởng (Seed và Idriss, 1971; Noorany và Uzdavines, 1989; Shamsher Prakash

và Vijay K.puri, 2003; Sitharam, Ravishankar, Jayan Vinod, 2008); nghiên cứu

về hình thức hóa lỏng của cát ở độ chặt khác nhau và đưa ra các sơ đồ tải trọng

động để xác định điểm hóa lỏng (Ishihara, 1985); nghiên cứu hóa lỏng bằng

phương pháp điều khiển biến dạng (Sitharam, Ravishankar, Jayan Vinod,

2008); nghiên cứu xây dựng các quan hệ tương quan giữa khả năng hóa lỏng

của cát với kết quả thí nghiệm hiện trường (Seed và Alba, 1986; Ronald và

Kenneth, 1999; Idriss và Bowlanger, 2004).

Các nghiên cứu về độ bền động của đất dính bao gồm: xác định điểm phá

hủy động ở mức biến dạng bằng phá hủy tĩnh (Kokusho và những người khác,

1971); nghiên cứu độ bền động của đất dính ở độ lệch ứng suất gần với độ lệch

ứng suất gây phá hủy tĩnh (Ishihara, Nagao, và Mano, 1983; Ishihara và

Kasuda, 1984); nghiên cứu quy luật độ bền động bằng mô hình Kenvin – Voit

điều chỉnh (Geniev, 1997).

Nội dung nghiên cứu biến dạng động bao gồm: nghiên cứu cơ sở lý

thuyết dựa trên mô hình Kelvin – Voit (Barkan; Arnold Verruijt; Kenji Ishihara;

Shamsher Prakash, . . .); nghiên cứu các đặc trưng biến dạng động ở giai đoạn

đàn hồi (Hardin, Richart,1963; Stokoe, 1978; Grant và Brown, 1981; Hardin và

Black, 1968; . . .); giai đoạn tuyến tính và phi tuyến (Ishihara, 1984; Vucetic,

1994; . . .); nghiên cứu quy luật biến đổi các đặc trưng biến dạng động

(Ishihara, 1984; Vucetic, 1994; Bratosin, 2002, . . .); nghiên cứu các yếu tố ảnh

hưởng đến đặc trưng biến dạng động (Alarcon, Guzman (1989); Darendeli,

2001; . . .); nghiên cứu ảnh hưởng của mẫu (Kumar và Clayton, 2007); xây

5

dựng quan hệ thực nghiệm để xác định Gmax theo kết quả thí nghiệm SPT, CPTu

(Seed, Lee, Imai, . . .).

Nghiên cứu mô hình ứng xử nền đất với tải trọng động: nghiên cứu xây

dựng mô hình và ma trận thông số (Miura, Masuda -1995; Naggar và Novak -

1996; . . .); Nghiên cứu phương pháp giải mô hình cho hệ nền - móng dựa trên

các giả thiết nền đàn hồi, nền tuyến tính tương đương (Tamori, Kitagawa -

2001) và nền phi tuyến (Kusakabe, Yasuda -1994; Miura, Masuda -1995).

1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước

Các nghiên cứu trong nước cũng bao gồm ba hướng chính: 1) Nghiên cứu

ảnh hưởng của tải trọng động đến biến đổi các tính chất cơ lý của đất (Nguyễn

Huy Phương và Trần Thương Bình - 2006); 2) Nghiên cứu đánh giá về hoá lỏng

của cát trầm tích hệ tầng Thái Bình dựa trên các kết quả thí nghiệm SPT (Phạm

Văn Tỵ và nnk – 1990); Nghiên cứu về vấn đề cố kết động, độ bền động, hoá

lỏng của cát và đánh giá mức độ nhạy cảm với động đất của các loại nền đất ở

Hà Nội (Nguyễn Huy Phương và nnk - 2011); 3) Nghiên cứu mô hình ứng xử

nền đất với tải trọng động: Nghiên cứu phân vùng nhỏ động đất Hà Nội của

Viện Vật lý địa cầu (1990); nghiên cứu mô hình hóa hệ nền – cọc để tính toán

sự lan truyền chấn động khi hạ cọc (Phạm Huy Tú – 2003); mô hình nền – cọc

chịu tải trọng động nằm ngang (Ngô Quốc Trinh - 2014).

1.4. Nhận xét và kiến nghị

1.4.1. Nhận xét kết quả nghiên cứu trên Thế Giới

Các kết quả nghiên cứu đã cho thấy mức độ ảnh hưởng của tải trọng động

đến sự biến đổi tính chất của đất. Các nghiên cứu về hóa lỏng của cát cho thấy:

hóa lỏng thường xảy ra trong đất cát bão hòa có hàm lượng hạt bụi cao; quy luật

của hóa lỏng được biểu diễn thông đường bao tỷ sức kháng hóa lỏng. Có hai

phương pháp thường được sử dụng để nghiên cứu độ bền động của đất dính:

khảo sát quan hệ ứng suất động với biến dạng động ở ngưỡng biến dạng gần với

biến dạng phá hủy tĩnh; thí nghiệm gia tải động ở độ lệch ứng suất gần với độ

lệch ứng suất gây phá hủy tĩnh; quy luật biến đổi độ bền động có thể được biểu

diễn theo lý thuyết của Geniev. Các đặc trưng biến dạng động biến đổi theo

mức độ biến dạng và có thể được xác định bằng nhiều phương pháp thí nghiệm

khác nhau. Các nghiên cứu mô hình ứng xử nền đất với tải trọng động được sử

dụng để nghiên cứu sự lan truyền ứng suất động trong nền đất và ứng xử của hệ

nền - móng khi chịu tải trọng động.

1.4.2. Các nghiên cứu trong nước

1) Kết quả đạt được: Các nghiên cứu trong nước đã đề cập đầy đủ các vấn

đề đáng được quan tâm khi nghiên cứu động học đất nền.

2) Một số hạn chế: Chưa có tài liệu hệ thống đầy đủ về cơ sở lý thuyết

nghiên cứu tính chất cơ học động của đất nền; chưa có kết quả nghiên cứu trực

tiếp các chỉ tiêu động học của đất nền và độ bền động cũng như hóa lỏng; chưa

có nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất cơ học động; Các nghiên

6

cứu về mô hình ứng xử nền đất chưa sử dụng các chỉ tiêu động học trực tiếp của

đất nền;

3) Những vấn đề cần quan tâm nghiên cứu ở trong nước: cần hệ thống

đầy đủ về cơ sở lý thuyết nghiên cứu tính chất cơ học động của đất nền; nghiên

cứu các đặc trưng biến dạng động bằng thí nghiệm trực tiếp và xác định các quy

luật biến đổi các chỉ tiêu động học phục vụ cho thiết kế các loại công trình có

tải trọng động; nghiên cứu đặc trưng độ bền hay hóa lỏng bằng thí nghiệm trực

tiếp và xác định quy luật biến đổi độ bền động (xây dựng đường bao tỷ sức

kháng động) phục vụ cho đánh giá ổn định công trình có tải trọng động và công

trình chịu động đất; nghiên cứu xây dựng các mô hình ứng xử hệ nền – móng

công trình có tải trọng động, công trình chịu động đất trên các kiểu cấu trúc nền

(ở một khu vực), trong đó sử dụng các chỉ tiêu động học đặc trưng cho đất nền,

phù hợp với cường độ của tải trọng động. Căn cứ mục tiêu nghiên cứu và điều

kiện thiết bị hiện có trong nước, luận án tập trung nghiên cứu ba vấn đề đầu dựa

chủ yếu trên kết quả thực nghiệm bằng thiết bị ba trục động.

Chương 2. C¬ së lý thuyÕt tÝnh chÊt c¬ häc ®éng

cña ®Êt

2.1. Khái niệm, phân loại và tính toán tải trọng động

Tải trọng mà các giá trị đặc trưng của nó biến đổi theo thời gian F = F(t)

được gọi là tải trọng động. Tải trọng động có tính tạm thời và được chia thành

các loại: tải trọng tuần hoàn, không tuần hoàn, điều hoà hay điều hoà tắt dần.

Tải trọng điều hòa được mô tả theo quy luật hình sin còn tải trọng tuần hoàn

được mô tả thành chuỗi dao động điều hòa.

Tải trọng động hay ứng suất động được tính toán theo gia tốc nền gây ra

bởi động đất hay các lực địa chấn khác. Đối với móng máy, tải trọng động được

xác định theo độ lệch tâm và tần số góc của máy.

2.2. Tính chất cơ học động và mô hình nghiên cứu

Tính chất cơ học động của đất là các tính chất thể hiện khả năng ứng xử

cơ học của đất khi chịu tác dụng của tải trọng động, bao gồm: biến dạng động là

khả năng thay đổi hình dạng, thể tích của đất khi chịu tải trọng động; độ bền

động là khả năng của đất chịu (phát huy) ứng suất động tối đa trong khoảng thời

gian nào đó mà đất không bị phá huỷ.

Khi nghiên cứu biến dạng động, người ta dùng mô hình Kelvin – Voigt và

lý thuyết dao động của hệ một bậc tự do có cản. Nghiên cứu độ bền động, có

thể sử dụng mô hình Kelvin – Voigt điều chỉnh (phần tử đàn hồi được thay

bằng phần tử dẻo) và lý thuyết Geniev.

2.3. Cơ sở lý thuyết nghiên cứu biến dạng động của đất

Lý thuyết nghiên cứu biến dạng động dựa trên cơ sở phân tích dao động

của hệ một bậc tự do có cản chịu kích động điều hoà. Theo đó, biến dạng động

của đất hoàn toàn được xác định khi biết các chỉ tiêu đặc trưng là: mô đun động

7

(Gd – mô đun trượt động hay Ed – mô đun biến dạng động) và hệ số giảm chấn

(D).

Các giai đoạn biến dạng động

Theo mối quan hệ ứng suất - biến dạng, N. M. Ghexevanov chia thành ba

giai đoạn [9]: giai đoạn nén chặt; giai đoạn biến dạng dẻo; giai đoạn trượt. Khi

nghiên cứu biến dạng động, người ta chia biến dạng của đất theo mức độ biến

dạng [75]: biến dạng rất nhỏ, khi biến dạng tương đối ( nhỏ hơn giới hạn biến

dạng đàn hồi (tl); biến dạng nhỏ, khi lớn hơn tl và nhỏ hơn giới hạn biến

dạng thể tích (tv); biến dạng trung bình đến lớn: biến dạng tương đối lớn hơn

10-2

% đến vài phần trăm.

Theo đặc điểm từng giai đoạn biến dạng và mô hình cơ học có thể sử

dụng, tác giả chia biến dạng của đất thành bốn giai đoạn là biến dạng đàn hồi,

giả đàn hồi (tuyến tính), đàn hồi – dẻo (phi tuyến) và trượt (tổng hợp trong bảng

2.2).

Bảng 2.2. Các giai đoạn biến dạng động

Giai đoạn Pha biến

dạng

Mức độ

biến

dạng

Thay đổi

thể tích

Thay đổi đặc

trưng biến

dạng

Loại tải trọng

Đàn hồi

(≤ tl)

- Rất nhỏ Không Không

(Gmax, Dmin = 0)

Sóng địa chấn; Phương

tiện giao thông, . .

Giả đàn hồi

tl ≤ ≤ tv

Tuyến tính

(nén chặt)

Nhỏ Có Có Phương tiện giao thông,

móng máy, động đất nhỏ

Đàn hồi-dẻo

tv<< 0,5÷2%

Phi tuyến Trung

bình

Có Có Động đất mạnh

Dẻo Trượt Lớn Không Không

(Gmin, Dmax)

Động đất mạnh

Các yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng động

Hardlin và Drnevich [35] đã chia các yếu tố ảnh hưởng thành 3 nhóm:

ảnh hưởng rất quan trọng: áp lực địa tầng hiệu quả, hệ số rỗng, mức độ biến

dạng và độ bão hòa; ảnh hưởng ít quan trọng: áp lực tiền cố kết; và ảnh hưởng

không quan trọng: kết cấu đất, tần số, ...

2.4. Cơ sở lý thuyết nghiên cứu độ bền động

2.4.1. Các phương pháp nghiên cứu độ bền động

Phương pháp nghiên cứu độ bền động bằng thực nghiệm: theo phương

pháp này, quy luật độ bền động được mô tải bởi đường cong quan hệ giữa tỷ số

sức kháng động giới hạn với thời gian chịu tải trọng động để đạt tới trạng thái

phá hủy (td), được gọi là đường bao tỷ sức kháng động. Đường bao này được

xác định bằng thực nghiệm.

Phương pháp nghiên cứu độ bền động bằng lý thuyết Geniev: Geniev sử

dụng mô hình Kelvin - Voigt điều chỉnh (khi ứng suất vượt quá giới hạn đàn

8

hồi, biến dạng của đất chuyển sang biến dạng dẻo) để mô phỏng ứng xử của đất

khi chịu tải trọng động trong khoảng thời gian ngắn. Từ đó, ông xây dựng được

biểu thức mô tả quy luật độ bền động:

otd 1

1cot2

d

darc

f(d

Trong đó, o là hệ số phụ thuộc vào loại đất; là hệ số phụ thuộc vào

điều kiện ứng suất; d là tỷ số giữa sức kháng cắt động với sức kháng tĩnh.

Biểu thức (2.39) là cơ sở lý thuyết nghiên cứu độ bền động của đất, cho

phép giải thích và định hướng các nghiên cứu thực nghiệm. Tuy nhiên, việc áp

dụng lý thuyết này trong thực tế vẫn còn hạn chế do tính chất phức tạp của nó.

Phương pháp nghiên cứu quy luật độ bền động kết hợp lý thuyết và thực

nghiệm: để tận dụng các ưu điểm và khắc phục hạn chế của hai phương pháp

trên, tác giả đưa ra phương pháp dựa trên cơ sở lý thuyết Geniev kết hợp với

nghiên cứu thực nghiệm: biểu thức (2.39) được biến đổi theo hướng đơn giản

và sử dụng các khái niệm được dùng phổ biến hiện nay bằng cách đưa vào các

hệ số a và b, khi đó biểu thức (2.39) trở thành:

td = b.

1

1cot

a

CSR

a

CSRarc

gh

gh

= f(CSRgh) (2.43)

Trong đó: a = tan(gh), với gh là góc cắt và a được gọi là hệ số góc cắt;

b =

o

-1.2 (s), được gọi là hệ số thời gian phá hủy động.

Biểu thức (2.43) là phương trình đặc trưng mô tả đường bao tỷ sức kháng

động của đất. Phương trình này hoàn toàn được xác định khi biết các hệ số a, b.

Các hệ số này được xác định bằng thực nghiệm.

2.4.2. Đặc điểm phá hủy động

Điểm phá hủy động là một điểm trên đường bao tỷ sức kháng động, đó là

điểm có trị số ứng suất động tối đa (d) và thời gian duy trì được trị số ứng suất

đó (td) trong điều kiện ứng suất nhất định. Khi thí nghiệm độ bền động, điểm

phá hủy động được xác định dựa vào việc phân tích sự biến đổi tỷ số áp lực

nước lỗ rỗng (Ru) với đất cát bão hòa và quan hệ ứng suất – biến dạng theo thời

gian (chu kỳ gia tải) đối với đất loại sét.

2.4.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền động

Độ bền động phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: ứng suất nén có hiệu; độ

bền liên kết kiến trúc; điều kiện thoát nước; đặc điểm thành phần hạt, thành

phần khoáng vật; điều kiện ứng suất và phương pháp cắt; biên độ ứng suất cắt;

tần số và thời gian tác dụng của tải trọng động.

2.5. Các phương pháp xác định tính chất cơ học động của đất

Các phương pháp thí nghiệm trong phòng bao gồm: thí nghiệm cắt đơn

tuần hoàn, thí nghiệm ba trục động; thí nghiệm cắt xoắn, thí nghiệm cột cộng

9

hưởng. Các phương pháp thí nghiệm hiện trường bao gồm: phương pháp địa

chấn khúc xạ, phương pháp địa chấn hố khoan, phương pháp sóng mặt ổn định,

phương pháp xuyên đo địa chấn. Ngoài ra, người ta còn sử dụng các phương

pháp xác định gián tiếp bằng các liên hệ thực nghiệm.

Chương 3. §Æc ®iÓm ®Þa chÊt c«ng tr×nh trÇm tÝch §Ö tø

Khu vùc Hµ Néi vµ phƯ¬ng ph¸p nghiªn cøu

tÝnh chÊt c¬ häc ®éng cña chóng

3.1. Đặc điểm địa tầng và nước dưới đất khu vực Hà Nội

3.1.1. Sơ lược địa tầng trầm tích Đệ tứ khu vực nghiên cứu

Cấu trúc địa chất Đệ tứ trong phạm vi nghiên cứu có mặt các hệ tầng theo

thứ tự từ dưới lên là Lệ Chi, Hà Nội, Vĩnh Phúc, Hải Hưng và Thái Bình:

- Hệ tầng Lệ Chi gồm các trầm tích sông không lộ ra trên bề mặt mà chỉ

bắt gặp ở độ sâu từ 45,0 69,5m với thành phần gồm cuội sỏi, chuyển dần lên

trên là cát, bột, trên cùng là bột, sét;

- Hệ tầng Hà Nội trong phạm vi nghiên cứu phân bố từ 35,5m đến 69,5m

với thành phần chủ yếu là cuội, sỏi, sạn và rất ít cát bột;

- Hệ tầng Vĩnh Phúc lộ ra với diện nhỏ ở Cổ Nhuế, Xuân Đỉnh, có thành

phần là sỏi, cát ở dưới chuyển dần lên là bột, sét. Chiều dày biến đổi mạnh.

- Hệ tầng Hải Hưng bao gồm: trầm tích hồ- đầm lầy (lbQ 21-2

hh1) có thành

phần là bột sét, chứa tàn tích thực vật; trầm tích biển (mQ21-2

hh2) có thành phần

bao gồm sét, sét bột màu xám xanh, xanh lơ.

- Hệ tầng Thái Bình có các thành tạo trong đê (Q23tb1) và ngoài đê

(Q23tb2). Phụ hệ tầng dưới bao gồm: cát, bột sét màu xám nâu, xám vàng, đôi

chỗ xen lẫn sét màu xám đen. Phụ hệ tầng trên gồm: cát lẫn ít bột sét màu nâu

vàng, xám vàng.

3.1.2. Đặc điểm địa chất công trình trầm tích Đệ tứ trong phạm vi nghiên cứu

Trên cơ sở phân tích các tài liệu về địa chất Đệ tứ và địa chất công trình,

các loại đất thuộc hệ tầng Lệ Chi và Hà Nội có thành phần chủ yếu là cuội sỏi,

lại phân bố ở độ sâu lớn nên ít có ý nghĩa khi nghiên cứu tính chất động học của

chúng. Trong khi đó, trầm tích thuộc các hệ tầng Vĩnh Phúc, Hải Hưng và Thái

Bình phân bố ở độ sâu không lớn, có thành phần và tính chất nhạy cảm với tác

dụng của tải trọng động. Vì vậy, chúng là đối tượng nghiên cứu của luận án và

được chia chi tiết đến kiểu thạch học đặc trưng, gồm 7 loại đất sau: 1. Trầm tích nguồn gốc sông (aQ2

3tb1): Sét, sét pha màu xám nâu, nâu vàng

trạng thái dẻo cứng đến nửa cưng (ký hiệu là lớp 1). Chiều sâu phân bố mặt lớp

trung bình khoảng 3,0m;

2. Trầm tích nguồn gốc sông - hồ - đầm lầy (albQ23tb1): Sét, sét pha màu

xám nâu, xám đen, trạng thái dẻo chảy, lẫn ít hữu cơ (Lớp 2). Chiều sâu phân

bố mặt lớp khoảng 15m, sâu nhất có thể đạt 28m;

3. Trầm tích nguồn gốc sông (aQ23tb1): Cát hạt mịn màu xám đen, xám nâu

10

trạng thái chặt vừa (Lớp 3). Chiều sâu mặt lớp phổ biến từ 10m đến 20m, sâu

nhất là 34m;

4. Trầm tích nguồn gốc biển (mQ21-2

hh2): Sét màu xám xanh, trạng thái dẻo

mềm đến dẻo cứng (Lớp 4). Chiều dày của lớp nhỏ và phân bố rải rác.

5. Trầm tích nguồn gốc hồ - đầm lầy (lbQ21-2

hh1): Sét, sét pha màu xám đen

lẫn hữu cơ, trạng thái dẻo chảy đến chảy (Lớp 5). Chiều sâu phân bố từ một vài

mét đến trên 20m.

6. Trầm tích nguồn gốc sông (aQ13vp2): Sét pha màu xám vàng, xám trắng,

nâu đỏ loang lổ trạng thái dẻo cứng đến nửa cứng (Lớp 6). Chiều sâu và chiều

dầy của lớp biến đổi mạnh từ một vài mét đến hàng chục mét.

7. Trầm tích nguồn gốc sông (aQ13vp1): Cát mịn, cát vừa màu xám vàng

trạng thái chặt vừa đến chặt (Lớp 7).

3.1.3. Đặc điểm nước dưới đất: Khu vực nghiên cứu có ba tầng chứa nước là

qh, qp2 và qp1. Trong đó, mực nước tầng qh trong các vùng không chịu ảnh

hưởng của khai thác thường cách mặt đất một vài mét.

3.2. Phương pháp nghiên cứu, nội dung, khối lượng và quy trình thí

nghiệm

3.2.1. Cơ sở lựa chọn phương pháp nghiên cứu

Bảng 3.4. Các giai đoạn biến dạng động, mô hình tính toán và phương pháp

xác định phù hợp Giai đoạn biến

dạng động

Chỉ tiêu

đặc trưng

Giả thiết và mô hình

tính toán

Phương pháp xác định

phù hợp

Đàn hồi Gmax

(D =0) Nền biến dạng đàn hồi

Các phương pháp thí nghiệm

truyền sóng ở hiện trường, thí

nghiệm cắt xoắn

Giả đàn hồi

(tuyến tính) Gd, D

Nền biến dạng tuyến

tính Các thí nghiệm: cột cộng

hưởng; cắt xoắn; ba trục

động; cắt phẳng động Đàn hồi – dẻo

(phi tuyến) Gd, D

Nền biến dạng phi tuyến;

nền biến dạng tuyến tính

tương đương

Dẻo (trượt) Độ bền

động Phá hủy động

Thí nghiệm ba trục động và

cắt phẳng động

Để xác định đầy đủ đặc trưng cơ học động ở các giai đoạn biến dạng động

khác nhau cần sử dụng nhiều phương pháp nghiên cứu (bảng 3.4). Tuy nhiên,

với mục tiêu của luận án và trên cơ sở thiết bị hiện có, luận án đưa ra phương

pháp nghiên cứu đặc trưng cơ học động như sau:

- Ở giai đoạn đàn hồi, mô đun trượt đàn hồi Gmax được xác định theo kết

quả thí nghiệm SPT và hệ số rỗng dựa trên các công thức thực nghiệm (mục

2.5.3);

- Các chỉ tiêu biến dạng đặc trưng cho các giai đoạn giả đàn hồi, đàn hồi –

dẻo được xác định bằng thí nghiệm ba trục động;

11

- Ở giai đoạn dẻo (trượt), đất đã bị phá hủy nên cần xác định các chỉ tiêu

đặc trưng cho độ bền động. Các chỉ tiêu này được xác định bằng thí nghiệm ba

trục động.

3.2.2. Nội dung, khối lượng nghiên cứu

Để đảm bảo mục tiêu nghiên cứu, vị trí lấy mẫu được xác định theo diện

phân bố phổ biến của đối tượng nghiên cứu; độ sâu lấy mấu được xác định theo

độ sâu phân bố đặc trưng của đối tượng nghiên cứu. Khối lượng và nội dung

nghiên cứu cụ thể được tổng hợp trong bảng 3.5 và 3.6.

Bảng 3.5 . Tổng hợp nội dung và khối lượng nghiên cứu biến dạng động của

đất bằng thí nghiệm ba trục động

Mục đích thí nghiệm Nội dung thí nghiệm Khối lượng

1. Xác định các chỉ tiêu biến

dạng động ở các giai đoạn

biến dạng khác nhau cho

mỗi loại đất.

Mỗi loại đất được thí nghiệm ba

trục động trong cùng tần số và áp

lực buồng với biên độ tải trọng

khác nhau

66 thí nghiệm

trong tất cả

các loại đất

đặc trưng

2. Nghiên cứu ảnh hưởng

của áp lực buồng

Tần số và biên độ tải trọng được

giữ không đổi, chỉ thay đổi áp lực

buồng (3 = 0; 25; 50; 75; . . . kPa)

Thí nghiệm 4

mẫu Svp và 6

mẫu Shh

3. Nghiên cứu ảnh hưởng

của tần số

Biên độ tải trọng và áp lực buồng

được giữ không đổi, chỉ thay đổi

tần số (f = 0,5; 1; 2; 3; 5; . . . Hz)

Thí nghiệm 7

mẫu S hh và 5

mẫu Ytb

Tổng khối lượng 88

Bảng 3.6. Khối lượng thí nghiệm độ bền động trong các loại đất đặc trưng

Loại đất Nội dung nghiên cứu Khối lượng

Sét pha, xám vàng, dẻo cứng

(Lớp 1-Stb2)

Xác định điểm phá hủy động và

đường bao tỷ sức kháng động của đất

dính

7

Sét pha, xám đen, dẻo chảy

(Lớp 2-Ytb)

4

Sét, xám xanh, dẻo mềm (Lớp 4-Shh) 7

Sét pha, xám đen, dẻo chảy

(Lớp 5-Yhh3)

7

Sét pha, màu nâu đỏ loang lổ, nửa

cứng (Lớp 6-Svp)

7

Cát mịn, xám xanh (Lớp 3-Ctb)

Xác định điểm hóa lỏng và đường

bao hóa lỏng của đất rời

9

Cát mịn, xám vàng (Lớp 7-Cvp1) 5

Cát vừa, xám vàng (Lớp 7 -Cvp2) 1

12

3.2.3. Quy trình thí nghiệm xác định tính chất cơ học động bằng thiết bị ba

trục động

Thiết bị được sử dụng nghiên cứu là loại máy Tritech 100 của hãng

Controls-Group (Italia). Quy trình thí nghiệm xác định chỉ tiêu động học được

thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM – D3999 và ASTM – D5311.

Điều kiện ứng suất và tải trọng thí nghiệm được xác định phù hợp với

điều kiện thực tế của đất nền và các điều kiện địa phương. Theo đó, tần số thí

nghiệm được chọn trong khoảng f = 0,5 ÷ 10 Hz và tập trung thí nghiệm ở

khoảng tần số 1 ÷ 5Hz; Tỷ số ứng suất CSR = 0,06 ÷ 0,40.

3.3. Kết quả xác định đặc trưng cơ học động bằng liên hệ thực nghiệm

Tổng hợp kết quả tính toán được biểu diễn trong bảng 3.14.

Bảng 3.14. Kết quả xác định mô đun trượt đàn hồi Gmax cho từng loại đất

Loại

đất

Áp lực

đia tầng

hiệu quả,

(’v)

Theo kết quả thí nghiệm SPT Theo thí nghiệm

trong phòng

N30 N1(60) (Vs)

(Gmax) CSRgh

Hệ số

rỗng (eo) (Gmax)

kPa Búa m/s kPa - - kPa

Lớp 1 70 6 7,02 214,5 87890 - 0,758 76845

Lớp 2 94 4 4,04 192,2 62793 - 1,283 39884

Lớp 3 110 16 14,94 176,1 55814 0,16 - -

Lớp 4 94 6 6,06 214,5 85129 - 0,900 72155

Lớp 5 126 3 2,62 177,8 52147 - 1,512 31347

Lớp 6 150 11 8,79 252,8 127824 - 0,689 124503

Lớp 7 230 27 17,43 181,8 61118 0,19 - -

Chương 4. Nghiªn cøu biÕn d¹ng ®éng b»ng thiÕt bÞ ba

trôc ®éng

4.1. Đặc điểm biến dạng động theo giai đoạn và các biểu đồ đặc trưng

Đặc điểm biến dạng động được phản ánh bởi biểu đồ biến dạng, biểu đồ

vòng lặp, đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng và mức độ gia tăng áp lực

nước lỗ rỗng. Vì vậy, để nghiên cứu biến dạng động ở các giai đoạn khác nhau

cần phải phân tích các dạng biểu đồ này. - Theo các kết quả thí nghiệm, có ba dạng biểu đồ biến dạng tuỳ theo điều

kiện thí nghiệm: dạng 1, biên độ và trị số biến dạng ổn định; dạng 2, biên độ

biến dạng không đổi nhưng trị số biến dạng tăng dần và vượt quá 0,5%; dạng 3,

cả biên độ biến dạng và độ lớn của biến dạng đều tăng theo thời gian vượt quá

0,5% đến vài %.

- Biểu đồ vòng lặp ứng suất – biến dạng cũng có ba dạng: dạng 1, vòng

lặp cân đối, độ lệch giữa các vòng lặp rất nhỏ; dạng 2, vòng lặp không cân đối,

độ lệch giữa các vòng lặp nhỏ; dạng 3, vòng lặp mất cân đối hoàn toàn, độ lệch

giữa các vòng lặp lớn.

13

- Đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng được xây dựng dựa trên kết

quả thí nghiệm nhiều thỏi mẫu của cùng loại đất ở các cấp biên độ ứng suất

khác nhau. Dựa vào việc phân tích đường cong này và các biểu đồ thí nghiệm,

nhận thấy: trong giai đoạn tuyến tính, biểu đồ biến dạng và hình dạng vòng lặp

đều thuộc dạng 1; vượt quá giới hạn tuyến tính, biểu đồ biến dạng đều có dạng

2 và 3, còn vòng lặp chuyển dần từ dạng 2 sang dạng 3, đồng thời các chỉ tiêu

Ed và D biến đổi theo chu kỳ thí nghiệm, biểu hiện ở chỗ các đường cong ứng

suất - biến dạng theo chu kỳ tách rời nhau.

Biến đổi áp lực nước lỗ dư trong các giai đoạn biến dạng

Theo các nghiên cứu của Ishihara [44], Vucetic và Dobry [75]: áp lực

nước lỗ rỗng không tăng ở mức độ biến dạng rất nhỏ và tăng không đáng kể ở

mức độ biến dạng nhỏ (giai đoạn giả đàn hồi); khi biến dạng động vượt quá

ngưỡng biến dạng nhỏ, áp lực nước lỗ rỗng bắt đầu tăng và đạt tới giá trị lớn

nhất ở giai đoạn biến dạng trượt. Giới hạn biến dạng mà ở đó bắt đầu có sự gia

tăng áp lực nước lỗ rỗng được gọi là giới hạn biến dạng thể tích (tv): tv = (3

÷7). 10-2

% cho đất sét bão hòa và tv = (1 ÷1,2). 10-2

% cho cát bão hòa.

4.2. Đặc trưng biến dạng động của các loại đất khu vực nghiên cứu

Từ kết quả phân tích các đường cong ứng suất – biến dạng và các biểu đồ

đặc trưng, xác định được các trị số ứng suất giới hạn và các chỉ tiêu đặc trưng

cho từng giai đoạn của các loại đất khu vực nghiên cứu như bảng tổng hợp sau:

Tổng hợp từ các bảng 4.1; 4.3; 4.5; 4.7; 4.9; 4.11; 4.12 (Các chỉ tiêu đặc trưng

cho từng giai đoạn biến dạng)

Loại

đất

Giai đoạn

biến dạng

Điều kiện

thí

nghiệm

Ứng suất giới

hạn

Biến dạng

giới hạn Gd D fo

gh

(kPa)CSR a amax kPa - Hz

Lớp 1

(Stb)

Tuyến tính Bão hoà 10.0 0.13 0.018 0.040 15233 0.112 165

Tự nhiên 13.0 0.19 0.080 0.130 8222 0.181 120

Phi tuyến Bão hoà 32.0 0.41 0.500 2.400 5195 0.194 96

Tự nhiên 27.0 0.40 1.000 6.000 2257 0.223 63

Lớp 2

(Ytb)

Tuyến tính Bão hoà 9.0 0.18 0.025 0.030 6799 0.092 109

Phi tuyến Bão hoà 21.0 0.42 0.420 1.000 2769 0.182 70

Lớp 3

(Ctb)

Tuyến tính Bão hoà 15.0 0.22 0.030 0.050 18325 0.089 169

Phi tuyến Bão hoà - - - - 12545 0.128 140

Lớp 4

(Shh)

Tuyến tính Tự nhiên 15.0 0.14 0.030 0.035 8816 0.112 127

Phi tuyến Tự nhiên 27.0 0.25 0.620 0.880 2429 0.176 66

Lớp 5

(Yhh)

Tuyến tính Tự nhiên 9.0 0.13 0.036 0.055 6943 0.115 110

Phi tuyến Tự nhiên 23.0 0.46 0.980 4.070 1787 0.200 61

Lớp 6

(Svp)

Tuyến tính Tự nhiên 42.0 0.22 0.025 0.040 43736 0.101 265

Phi tuyến Tự nhiên - - - - 13177 0.141 146

Lớp 7

(Cvp)

Tuyến tính Bão hoà - - - - 26415 0.114 201

Phi tuyến Bão hoà - - - - 13701 0.12 145

14

4.3. Đặc điểm biến đổi áp lực nước lỗ rỗng khi chịu tải trọng động của các

loại đất khu vực nghiên cứu

- Trong một thí nghiệm và khi biến dạng là tuyến tính, u tăng không đáng

kể (0,1 – 1 kPa) ngay khi chịu tải động và dao động ổn định theo chu kỳ gia tải

với biên độ rất nhỏ (0,1 – 0,5 kPa). Khi biến dạng vượt quá ngưỡng biến dạng

tuyến tính, mức độ tăng u ở thời điểm ban đầu khoảng 1 – 10 kPa (tùy theo loại

đất và cường độ tải trọng) và dao động với biên độ từ 1 – 5 kPa. Sau đó, u có xu

hướng biến đổi tăng dần.

- Khi thí nghiệm ở cùng điều kiện ứng suất ban đầu trên các mẫu trong

cùng loại đất, nhưng biên độ ứng suất động khác nhau, áp lực nước lỗ rỗng tăng

theo mức độ biến dạng (hay cường độ ứng suất động). Mức độ tăng u được

đánh giá qua tỷ số áp lực nước lỗ rỗng (Ru) và phụ thuộc vào các yếu tố như

giai đoạn biến dạng, trạng thái thí nghiệm và loại đất, có thể nhận thấy: đất loại

sét trong phạm vi nghiên cứu thì Ru thường nhỏ hơn 1% ở giai đoạn tuyến tính

và tăng đến vài phần trăm ở giai đoạn phi tuyến; với đất cát, Ru = (1 ÷ 2)% ở

giai đoạn tuyến tính và tăng đến trên 10% ở giai đoạn phi tuyến.

Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy, giới hạn biến dạng tuyến tính (agh

bằng giới hạn biến dạng thể tích tv.

4.4. Một số quy luật biến đổi đặc trưng biến dạng động và các yếu tố ảnh

hưởng

Quy luật biến đổi đặc trưng biến dạng động theo mức độ biến dạng: kết

quả nghiên cứu được biểu diễn trên các hình 4.19 và 4.20.

Hình 4.19. Biến đổi hệ số giảm chấn D theo mức độ biến dạng

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.001 0.010 0.100 1.000 10.000

a (%)

D

S7

S8

S10

Y3

Đường giới hạn

Stb1

Stb2

Shh

Yhh3

15

Hình 4.20. Biến đổi mô đun biến dạng động Ed theo mức độ biến dạng

Kết quả xây dựng tương quan đã xác định được các quan hệ chặt nhất:

- Quan hệ chặt nhất giữa Ed với a là hàm mũ:

+ Đối với đất sét pha, trạng thái từ dẻo chảy đến dẻo cứng:

Ed = 3,13 a-0,56

(4.1)

+ Đối với đất sét pha, trạng thái dẻo mềm, dẻo cứng:

Ed = 3,1 a-0,57

(4.2)

+ Đối với đất yếu:

Ed = 2,01 a-0,63

(4.3)

- Quan hệ chặt nhất giữa D (%) với a là hàm mũ cơ số tự nhiên:

+ Đối với đất sét pha, trạng thái từ dẻo chảy đến dẻo cứng:

D = 20 - 11EXP(-12a) (4.4)

+ Đối với đất sét pha, trạng thái dẻo mềm, dẻo cứng:

D = 19,5 - 8EXP(-5a) (4.5)

+ Đối với đất yếu:

D = 21 - 12EXP(-5a) (4.6)

Các quan hệ này đều rất chặt. Theo áp lực buồng: Kết quả nghiên cứu đối với hai loại đất Svp và Shh cho

thấy: sự biến đổi của D theo áp lực buồng không rõ ràng, do hệ số D phụ thuộc

chủ yếu vào mức độ biến dạng; mô đun biến dạng động Ed tăng theo áp lực

buồng, mức độ gia tăng Ed theo 3 phụ thuộc vào loại đất và độ bão hoà, đất sét

pha của hệ tầng Vĩnh Phúc (Svp) có mức độ tăng Ed lớn hơn đất sét của hệ tầng

Hải Hưng (Shh).

Theo tần số: Tần số riêng của đất biến đổi trong khoảng 50Hz 250Hz,

nên với tần số tải trọng ≤ 10Hz hàm khuếch đại V(, D) ≈ 1 và ảnh hưởng của tần

số đến các đặc trưng biến dạng động không đáng kể (thí nghiệm ở xa giải cộng

hưởng). Kết quả thí nghiệm hai loại đất (Ytb, Shh) ở các khoảng tần số từ 0,5

10Hz cũng cho thấy điều đó.

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

0.001 0.010 0.100 1.000 10.000

a (%)

Ed (kPa)

S7

S8

S10

Y3

Đường giới hạn

Stb1

Stb2

Shh

Yhh3

16

4.5. Diễn giải và bàn luận kết quả nghiên cứu

Đánh giá kết quả xác định mô đun biến dạng động và so sánh với biến

dạng tĩnh: Mô đun biến dạng động của đất ở giai đoạn đàn hồi là Gmax (hay

Emax) và được xác định bằng công thức thực nghiệm (theo kết quả SPT và eo), ở

giai đoạn tuyến tính (Gd-tt và Ed-tt) và phi tuyến (Gd-pt và Ed-pt) được xác định

bằng thí nghiệm ba trục động. Đặc trưng cho biến dạng tĩnh của đất là mô đun

tổng biến dạng Eo (được xác định từ thí nghiệm nén với đất loại sét hoặc thí

nghiệm SPT với đất cát). Trong bảng 4.18 so sánh các mô đun động với nhau

và với mô đun tổng biến dạng Eo Bảng 4.18. Tương quan giữa mô đun biến dạng động với Gmax và Eo

Loại đất So sánh với Gmax So sánh với Eo

Giai đoạn tuyến tính Giai đoạn phi tuyến

Đất yếu (lớp 2, 5) Gd-tt=(0,17÷0,22)Gmax Gd-pt=(0,06÷0,07)Gmax Ed-tt=(5,6 ÷ 8,1) Eo

Đất sét-dẻo mềm

(lớp 4):

Gd-tt = 0,12Gmax Gd-pt = 0,03Gmax Ed-tt = 2,5Eo

Đất sét pha - dẻo

cứng (lớp 1)

Gd-tt = 0,10 Gmax Gd-pt = 0,03Gmax Ed-tt = 2,1Eo

Đất sét pha - nửa

cứng (lớp 6)

Gd-tt = 0,35Gmax Gd-pt = 0,10Gmax Ed-tt = 2,2Eo

Đất cát (lớp 3, 7): Gd-tt=(0,33÷0,43)Gmax Gd-pt = 0,22Gmax Ed-tt=(3,9 ÷ 4,6)Eo

Đất có Eo lớn thì Emax cũng lớn và ngược lại. Mô đun đàn hồi Emax của đất

sét pha – nửa cứng hệ tầng Vĩnh Phúc (Svp) có giá trị lớn nhất, tiếp theo lần lượt

là (Cvp) > (Ctb) > (Stb) > (Shh) > (Ytb) > (Yhh). Mô đun biến dạng động ở giai

đoạn tuyến tính (Ed-tt hoặc Gd-tt) của các loại đất theo thứ tự giảm dần là: (Svp) >

(Cvp) > (Ctb) > (Shh) > (Stb) > (Ytb) ≈ (Yhh).

Giải thích kết quả nghiên cứu:

- Tải trọng động là tải trọng tạm thời và có trị số biến đổi theo thời gian

(kéo – nén) dẫn tới nước lỗ rỗng trong đất không đủ thời gian thoát ra, kéo theo

quá trình nén chặt không kịp hoàn tất và biến dạng động nhỏ (mô đun biến dạng

lớn). Trong giai đoạn nén chặt, biến dạng tĩnh càng tăng đất càng được nén

chặt; ngược lại, biến dạng động tăng làm u tăng dẫn tới Ed giảm.

- Đất sét pha – dẻo cứng của hệ tầng Thái Bình (Stb2) ở trạng thái tự nhiên

có độ bão hòa thấp nên khả năng giảm thể tích tức thời (do thoát khí lỗ rỗng)

lớn hơn so với khi đất được bão hòa hoàn toàn (Stb1), nên Ed của đất (Stb2) <

(Stb1). Các loại đất yếu Ytb và Yhh3 có trạng thái và độ bão hòa gần như nhau nên

Ed có giá trị tương đương nhau. Tuy nhiên, Eo của đất (Yhh3) < (Ytb) là do trong

thành phần của đất Yhh3 có hàm lượng hữu cơ và hàm lượng hạt sét lớn hơn đất

Ytb.

17

- Gmax được xác định bằng các công thức thực nghiệm nên kết quả có độ

chính xác không cao; thêm vào đó, kết quả thí nghiệm ba trục chịu ảnh hưởng

của xáo động mẫu và các loại đất không ở trạng thái bão hòa hoàn toàn nên tỷ

số Gd/Gmax thấp hơn so với lý thuyết.

Phân tích đặc điểm biến dạng động của đất theo giai đoạn biến dạng:

Biến dạng động của các loại đất trong khu vực nghiên cứu được đánh giá

theo giai đoạn biến dạng dựa vào các đặc điểm: dạng biểu đồ biến dạng, dạng

vòng lặp, đường cong ứng suất - biến dạng và tỷ số áp lực nước lỗ rỗng. Đặc

điểm biến dạng động trong từng giai đoạn như sau:

- Giai đoạn đàn hồi: về mặt lý thuyết, vòng lặp ứng suất – biến dạng là một

đường thẳng, hệ số giảm chấn D bằng không; giới hạn biến dạng đàn hồi

thường được lấy bằng 10-6

hay 10-4

%;

- Giai đoạn giả đàn hồi (biến dạng tuyến tính): các biểu đồ biến dạng và

vòng lặp đều có dạng 1; biên độ biến dạng giới hạn (a)gh của đất loại sét phổ

biến thay đổi từ 0,018% đến 0,030%, của đất yếu từ 0,025 % đến 0,040%, của

cát là 0,030%, phổ biến (a)gh = (0,020 0,030)%; tỷ số áp lực nước lỗ rỗng rất

nhỏ, Ru < (1 2)%. Ở giai đoạn này, hầu hết các loại đất có biến dạng dư rất

nhỏ.

- Giai đoạn biến dạng phi tuyến: các biểu đồ biến dạng và vòng lặp có dạng

2 và 3; biên độ biến dạng giới hạn (a)gh ở giai đoạn này thay đổi từ 0,4% đến

1%, phụ thuộc vào độ bão hoà của đất, trong đó đất có mức độ bão hoà thấp thì

biến dạng lớn hơn đất bão hoà (giá trị (a)gh của đất Stb2 =1% > 0,5% của đất

Stb1); tỷ số áp lực nước lỗ rỗng Ru bắt đầu tăng đến vài phần trăm đối với đất

loại sét và Ru >10% đối với đất cát. Trong giai đoạn này, biến dạng dư lớn, độ

bão hoà càng thấp thì biến dạng dư càng lớn.

- Ở mức độ biến dạng lớn: các biểu đồ biến dạng và vòng lặp đều có dạng

3; độ dốc đường cong ứng suất - biến dạng rất lớn; Biến dạng của đất tăng liên

tục đến vài phần trăm và đất bị phá huỷ. Vì vậy, trong giai đoạn này cần nghiên

cứu độ bền động của đất.

Phân tích sự biến đổi hệ số giảm chấn D theo giai đoạn biến dạng:

Theo lý thuyết, D = 0 ở giai đoạn biến dạng đàn hồi và D = 0,637 ở giai

đoạn biến dạng dẻo. Trong các giai đoạn giả đàn hồi và đàn hồi – dẻo, D tăng

theo mức độ biến dạng động. Kết quả nghiên cứu cho thấy:

- Trong giai đoạn tuyến tính, hệ số giảm chấn D của các loại đất dao động

phổ biến trong khoảng (0,089 ÷ 0,115);

- Giai đoạn phi tuyến: hệ số giảm chấn D của đất loại sét thay đổi trong

khoảng (0,141 ÷ 0,223); D của đất cát ở mức thấp hơn, bằng (0,120 ÷ 0,128).

Nhìn chung, D phụ thuộc chủ yếu vào mức độ biến dạng động, đất có khả năng

nén chặt tức thời (phụ thuộc vào eo, độ bão hòa và thành phần) càng lớn thì D

càng lớn: các loại đất Cvp, Ctb, Svp có eo thấp nên D nhỏ; đất Yhh3 cũng có D khá

lớn (D = 0,200), do đất có hàm lượng hữu cơ lớn hơn các loại đất khác.

18

Ý nghĩa sử dụng của kết quả nghiên cứu quy luật biến đổi Ed và D đặc

trưng cho đất khu vực Hà Nội:

Kết quả xác định các chỉ tiêu biến dạng động đặc trưng cho giai đoạn giả

đàn hồi cho phép giải quyết bài toán mô hình ứng xử nền đất với tải trọng động

theo giả thiết “nền biến dạng tuyến tính tương đương”, sử dụng các chỉ tiêu đầu

vào (Ed, D) là hằng số tương ứng với mức độ biến dạng.

Kết quả xây dựng các quan hệ tương quan giữa Ed và D với biến dạng

động (các công thức từ 4.1 đến 4.6) cho phép giải bài toán mô hình ứng xử với

giả thiết nền biến dạng phi tuyến (chỉ tiêu đầu vào là hàm số). Khi đó, kết quả

nghiên cứu sẽ chính xác hơn.

Chương 5. Nghiªn cøu ®é bÒn ®éng b»ng thiÕt bÞ ba trôc

®éng

5.1. Kết quả nghiên cứu độ bền động của đất dính

Các mẫu đất được thí nghiệm với các cấp biên độ tải trọng động khác

nhau. Từ kết quả thí nghiệm, xây dựng các đồ thị quan hệ ứng suất, biến dạng,

tỷ số áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian. Dựa trên các đồ thị này, xây dựng được

các đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng theo chu kỳ và xác định được

biên độ ứng suất, cũng như tỷ số ứng suất tương ứng với các mức biến dạng

giới hạn bằng 0,5%; 1%; 2% và 5%. Từ đó xây dựng được các đường bao tỷ

sức kháng động và hệ số thực nghiệm (a và b) tương ứng với mức biến dạng

giới hạn khác nhau cho mỗi loại đất. Sau khi phân tích số liệu thí nghiệm, xác

định mức biến dạng phá hủy ban đầu (mẫu sẽ bị phá hủy nếu thời gian duy trì

ứng suất động đủ lâu) là a = 2%, biến dạng phá hủy là a = 5% (đất bị phá hủy

ở trị số ứng suất và thời gian đang xét).

Kết quả xác định hệ số thực nghiệm mô tả đường bao tỷ sức kháng động

cho các loại đất:

* Đất sét pha, xám vàng, dẻo cứng hệ tầng Thái Bình (Stb2)

- Giới hạn phá hủy ban đầu (2%): a = 0,231; b= 3,8 (s)

- Giới hạn phá hủy (5%): a = 0,258; b= 10,5 (s)

* Đất sét pha, xám đen, dẻo chảy hệ tầng Thái Bình (Ytb)

- Giới hạn phá hủy ban đầu (2%): a = 0,194; b= 1,4 (s)

- Giới hạn phá hủy (5%): a = 0,249; b= 1,9 (s)

* Đất sét hệ tầng Hải Hưng (Shh)

- Giới hạn phá hủy ban đầu (2%): a = 0,243; b= 1,6 (s)

* Đất sét pha, xám đen, dẻo chảy hệ tầng Hải Hưng (Yhh)

- Giới hạn phá hủy ban đầu (2%): a = 0,167; b= 1,5 (s)

- Giới hạn phá hủy (5%): a = 0,212; b= 2,0 (s)

* Đất sét pha, màu nâu đỏ loang lổ, nửa cứng – hệ tầng Vĩnh Phúc (Svp)

- Giới hạn biến dạng 0,5%: a = 0,636; b= 5 (s); (đã thí nghiệm với cấp

biên độ ứng suất lớn hơn 1,5 lần so với tải trọng động do động đất lớn nhất có

19

thể xảy ra trong khu vực, đất vẫn không bị phá hủy và biến dạng động lớn nhất

đạt được là 0,704%).

Ý nghĩa các hệ số thực nghiệm a, b: hệ số góc cắt a bằng với CSR tối

thiểu có thể gây ra phá hủy động (đạt đến giới hạn biến dạng phá hủy đã cho

khi thời gian tiến đến vô cùng); hệ số thời gian phá hủy động b tỷ lệ nghịch với

áp lực buồng (hệ số ) và tỷ lệ thuận với độ cản nhớt của đất (tỷ lệ nghịch với

o). Khi td = b, thì CSR = 1,74a. Như vậy, b được xem là khoảng thời gian để

biến dạng động của đất đạt tới biến dạng phá hủy ở tỷ số ứng suất CSR = 1,74a.

5.2. Kết quả nghiên cứu khả năng hóa lỏng của đất rời

Khu vực nghiên cứu có nhiều loại đất rời có tuổi, nguồn gốc khác nhau.

Trong đó, đất cát hạt mịn thuộc hệ tầng Thái Bình (Ctb) và Vĩnh Phúc (Cvp1) có

diện phân bố rộng và nhạy cảm với tác dụng của tải trọng động. Đây là loại đất

có khả năng bị hóa lỏng khi chịu tải trọng động. Vì vậy, nội dung phần này tập

trung nghiên cứu khả năng hóa lỏng của hai loại cát này.

Cát bị hóa lỏng khi Ru = 100% và xuất hiện biến đổi đột ngột của ứng

suất và biến dạng.

Các mấu cát được chế bị bằng phương pháp rót cát và đầm trong bộ dụng

cụ chế bị mẫu. Sau đó, mẫu được bão hòa bằng áp lực ngược và cố kết với cùng

áp lực buồng. Các mẫu được thí nghiệm với các cấp biên độ tải trọng động khác

nhau. Từ kết quả thí nghiệm, tiến hành xử lý kết quả thí nghiệm, xây dựng các

đồ thị quan hệ ứng suất, biến dạng, tỷ số áp lực nước lỗ rỗng theo chu kỳ gia

tải. Điểm hóa lỏng được xác định dựa trên phân tích các độ thị này.

5.2.1. Kết quả nghiên cứu hóa lỏng của đất cát mịn hệ tầng Thái Bình (Ctb)

Mẫu được thí nghiệm ở độ chặt Dr = 0,53 ± 0,2 (trạng thái chặt vừa). Kết

quả thí nghiệm cho thấy các mẫu bị hóa lỏng ở mức biến dạng tương đối bằng

(5 ÷ 8)% và biên độ biến dạng biến đổi từ (1,5÷3)%. Các hệ số thực nghiệm đặc

trưng đường bao hóa lỏng của cát Ctb là; a = 0,315; b = 10s.

5.2.2. Kết quả nghiên cứu hóa lỏng của đất cát hệ tầng Vĩnh Phúc

Cát mịn (Cvp1): Độ chặt của các mẫu được chế bị thành hai loại: 3 mẫu

Cvp1-1, Cvp1-3, Cvp1-5 ở trạng thái xốp (Dr = 0,26 ± 0,1) và 2 mẫu Cvp1-2, Cvp1-4

ở trạng thái chặt vừa (Dr = 0,35). Kết quả cho thấy: ở thời điểm hóa lỏng, biến

dạng tương đối bằng từ (4 ÷ 6)% và biên độ biến dạng biến đổi từ (3 ÷ 4)%; các

hệ số thực nghiệm đặc trưng đường bao hóa lỏng của cát Cvp1 (ở trạng thái xốp)

là a = 0,185, b= 3,5s; với đất ở trạng thái chặt vừa (Dr = 0,35), a = 0,221; b = 5s.

Cát vừa (Cvp2): được thí nghiệm với điều kiện ứng suất mô phỏng điều

kiện thực tế; độ chặt đạt được của mẫu Cvp2 là Dr = 0,802. Kết quả thí nghiệm

cho thấy: tỷ số áp lực nước lỗ rỗng lớn nhất (Rumax) đạt được là 95% ở chu kỳ

340; biến dạng của mẫu là biến dạng kéo (a <0) do áp lực nước lỗ rỗng làm cát

chặt bị nở ra; ở thời điểm Rumax thì a = -5%. Như vậy, cát vừa ở trạng thái chặt

(Dr = 0,802) của hệ tầng Vĩnh Phúc không bị phá hủy động theo hình thức hóa

lỏng

20

5.3. Diễn giải và bàn luận kết quả nghiên cứu

5.3.1. Một số quy luật biến đổi các hệ số thực nghiệm độ bền động của đất

dính

Kết quả xác định các hệ số thực nghiệm độ bền động cho thấy: a tăng

theo ngưỡng biến dạng phá hủy nhưng mức độ tăng không đáng kể từ ngưỡng

biến dạng phá hủy ban đầu đến ngưỡng biến dạng phá hủy cực hạn. Ở cùng

ngưỡng biến dạng, đất có cường độ lớn hơn có a lớn hơn và ngược lại: a (Svp) >

a (Stb) > a (Shh) > a (Y); vì hệ số a, về bản chất là hàm số tan của góc cắt giới

hạn, nên a phụ thuộc chủ yếu vào góc ma sát trong của đất: (Svp) = 21o >

(Stb) = 14o20’ > (Shh)= 10

o02’ > (Y) = (8

÷ 9)

o. Hệ số a không phụ thuộc

trực tiếp vào điều kiện ứng suất ban đầu. Hệ số b phản ánh khả năng kháng nhớt

của đất và biểu hiện ở độ trễ của biến dạng, nên b tăng theo ngưỡng biến dạng.

Ở cùng một ngưỡng biến dạng, đất có cường độ lớn hơn có b lớn hơn và ngược

lại (đất tốt có khả năng chống rão lâu hơn): b (Svp) > b (Stb) > b (Shh) > b (Y).

Quy luật này được giải thích như sau:

+ Đất có lực dính kết lớn, đồng nghĩa với sức cản nhớt lớn dẫn tới hệ số b

lớn;

+ Hệ số rỗng của các loại đất: eo (Svp) = 0,661< eo (Stb) = 0,776 < eo (Shh) =

0,945 < eo (Y) = (1,270 ÷ 1,456). Hệ số rỗng của đất càng lớn thì biến dạng tức

thời của đất càng tăng, dẫn tới biến dạng động nhanh đạt tới ngưỡng biến dạng

giới hạn (b càng nhỏ);

Hệ số b tỷ lệ nghịch (bậc nhất) với áp lực buồng (hay áp lực địa tầng).

5.3.2. Quy luật biến đổi các hệ số thực nghiệm hóa lỏng của đất rời theo độ

chặt

Ý nghĩa và quy luật biến đổi của các hệ số a, b cũng tương tư như đất

dính. Nếu xem hai loại cát Ctb và Cvp tương đồng về thành phần hạt (đều là cát

mịn) và bỏ qua yếu tố tuổi, có thể xác định được quy luật biến đổi các hệ số a, b

theo độ chặt Dr như hình 5.29. Theo đó, đất càng chặt thì a, b đều lớn. Quan hệ

tỷ lệ thuận giữa a, b với Dr gần như đường thẳng. Dựa vào biểu đồ trên hình

5.29, có thể dễ dàng xác định được các hệ số a, b cho đất cát mịn ở các độ chặt

khác nhau (trong khoảng Dr = 0,26 ÷ 0,53).

Hình 5.29. Biến đổi các hệ số a, b theo Dr

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0

2

4

6

8

10

12

0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 Độ chặt Dr

b (s) a

Hệ số b

Hệ số a

21

5.3.3. Đặc điểm phá hủy của cát ở các độ chặt khác nhau

Theo kết quả thí nghiệm cát mịn (Ctb, Cvp1) và cát vừa (Cvp2) ở các độ chặt

khác nhau (chặt, chặt vừa và xốp), có thể thấy đặc điểm phá hủy động của cát ở

các độ chặt khác nhau như sau:

- Đất cát mịn ở trạng thái xốp (Dr = 0,26): ban đầu, sự gia tăng Ru có

diễn biến chậm, biên độ ứng suất và biên độ biến dạng không có sự thay đổi

đáng kể; khi Ru bằng khoảng 60%, biên độ ứng suất bắt đầu sụt giảm và biên độ

biến dạng tăng nhanh; khi Ru bằng 100%, biên độ biến dạng đạt tới giá trị lớn

nhất bằng từ (3 ÷ 4)%. Có sự gia tăng Ed trong vài chu kỳ đầu do cát được nén

chặt lại, sau đó áp lực nước lỗ rỗng tăng làm Ed bị sụt giảm nhanh chóng đến

bằng không khi Ru = 100%. Như vậy, đất cát mịn ở trạng thái xốp bị hóa lỏng

hoàn toàn khi Ru =100%;

- Đất cát mịn ở trạng thái chặt vừa (Dr = 0,53 ± 0,2): kết quả thí nghiệm

cho thấy sự gia tăng Ru và biên độ biến dạng, đồng thời là sự suy giảm biên độ

ứng suất xảy ra ngay khi gia tải; khi Ru bằng 100%, biên độ biến dạng đạt tới

giá trị lớn nhất bằng từ (1,5÷3)%. Ở độ chặt này, Ed của đất giảm nhanh ngay

khi gia tải động và xuống tới trị số thấp nhất bằng khoảng 100kPa khi Ru =

100%. Như vậy, có thể xem đất bị hóa lỏng khi Ru = 100% (lúc này, trạng thái

của đất chỉ tương đương như đất bùn). Trạng thái hóa lỏng của mẫu còn giữ

được sau khi kết thúc thí nghiệm;

- Ở trạng thái chặt, đất cát mịn (Ctb-4, Dr =0,70) và cát vừa (Cvp2, Dr

=0,802) bị phá hủy động không theo hình thức hóa lỏng. Trong đó, biến dạng

động của cát vừa ở trạng thái chặt là biến dạng kéo (nở ra).

5.3.4. Ý nghĩa thực tế của kết quả nghiên cứu độ bền động trong tính toán ổn

định nền đất chịu tải trọng động khu vực nghiên cứu

Đường bao tỷ sức kháng động (hay hóa lỏng) có ý nghĩa đặc biệt quan

trọng trong đánh giá ổn định nền đất dưới móng công trình có tải trọng động.

Điều kiện ổn định của một điểm trong nền đất dưới tác dụng của ứng suất động

được đánh giá dựa vào đường cong này. Theo đó, điểm đang xét mất ổn định

(hay bị hóa lỏng) nếu CSR > CSRgh, nghĩa là điểm trạng thái ứng suất nằm phía

trên đường cong tỷ sức kháng động. Sử dụng kết quả nghiên cứu độ bền động

và hóa lỏng của các loại đất khu vực nghiên cứu, tác giả đã dự báo nguy cơ mất

ổn định của các loại đất nền đặc trưng trong cấu trúc nền đất khu vực Hà Nội

khi công trình chịu động đất dựa trên điều kiện bất lợi nhất như bảng 5.18.

Kết quả tính toán trong bảng 5.18 cho thấy:

- Ở những điểm trong nền đất chỉ có ứng suất bản thân, động đất chỉ gây

ra CSR = (0,06 ÷ 0,07). Trong khoảng CSR này và nhỏ hơn, biến dạng động

của tất cả các loại đất trong vùng nghiên cứu là biến dạng đàn hồi và biến dạng

tuyến tính (thuộc mức độ biến dạng nhỏ);

- Trong các điều kiện đã cho (có tải trọng công trình), các lớp cát mịn ở

độ chặt Dr ≤0,35 (lớp 3 - hệ tầng Thái Bình và lớp 7 – hệ tầng Vĩnh Phúc) đều

bị hóa lỏng, trong khi các lớp đất loại sét và cát mịn có Dr = 0,53 vẫn ổn định;

22

Bảng 5.18. Kết quả tính toán và đánh giá ổn định của các loại đất xung quanh thân

cọc khi công trình chịu động đất có agr = 0,1097

Lớp

đất

Độ

sâu

(m)

Ứng suất cắt

(kPa) Tỷ số CSR Tỷ sức kháng động

Đánh giá Tĩnh

Động

d Động Tổng

Giới hạn

ban đầu

CSRgh1

Giới hạn phá

hủy

CSRgh2

1 3 4 4 0.07 0.14 0,28 0,46 Ổn định

2 10 8 7 0.06 0.13 0,21 0,27 Ổn định

3 10 34 7 0.06 0.36 -

0,56 (Dr=0,53) Ổn định

0,28 (Dr=0,35) Hóa lỏng

0,22 (Dr=0,26) Hóa lỏng

4 5 10 5 0.07 0.20 0,25 - Ổn định

5 5 6 5 0.07 0.15 0,17 0,23 Ổn định

6 3 35 4 0.07 0.70 0,8 - Ổn định

7 12 34 8 0.06 0.32 -

0,56 (Dr=0,53) Ổn định

0,28 (Dr=0,35) Hóa lỏng

0,22 (Dr=0,26) Hóa lỏng

- Kết quả đánh giá ổn định trong bảng 5.18 là đánh giá ổn định cho điểm

ở một độ sâu và trong điều kiện đã cho. Khi các điều kiện đầu vào thay đổi thì

kết quả đánh giá ổn định sẽ khác, chẳng hạn: lớp cát mịn có Dr = 0,53 sẽ bị hóa

lỏng khi phân bố ở độ sâu 5m (CSR = 0,56 = CSRgh); ngược lại ở độ sâu 15m,

cát mịn có Dr = 0,35 không bị hóa lỏng (CSR = 0,27 < CSRgh); ở cùng độ sâu

10m, đất cát mịn có Dr >0,42 sẽ có CSRgh > CSR = 0,36 nên không bị hóa lỏng.

Trong thực tế, cọc thường được thiết kế xuyên qua nhiều lớp đất khác nhau và ở

các độ sâu khác nhau, nên việc đánh giá ổn định tổng thể của móng cọc chỉ

được thực hiện khi giải bài toán mô hình ứng xử hệ nền – cọc.

23

KÕt luËn vµ KiÕn nghÞ

Kết luận

1) Biến dạng động của các loại đất trong phạm vi nghiên cứu được chia thành

bốn giai đoạn là đàn hồi, giả đàn hồi (tuyến tính), đàn hồi – dẻo (phi tuyến)

và dẻo (trượt). Trong đó, ba giai đoạn đầu được nghiên cứu theo bài toán biến

dạng. Kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cho thấy:

- Giai đoạn đàn hồi: biến dạng động nhỏ hơn 10-4

%; mô đun trượt động ở trị

số lớn nhất (Gmax); vòng lặp ứng suất - biến dạng có diện tích bằng không (là

một đoạn thẳng), hệ số giảm chấn D bằng không;

- Giai đoạn giả đàn hồi: các biểu đồ biến dạng và vòng lặp thuộc dạng 1; biên

độ biến dạng giới hạn tuyến tính (a)gh của đất loại sét phổ biến thay đổi từ

0,018% đến 0,030%, của đất yếu từ 0,025 % đến 0,040%, của cát là 0,030%,

phổ biến (a)gh 0,020 0,030%; hệ số giảm chấn D của các loại đất dao động

phổ biến trong khoảng 0,089 ÷ 0,115;

- Giai đoạn đàn hồi – dẻo: các biểu đồ biến dạng và vòng lặp có dạng 2 và 3;

biên độ biến dạng giới hạn (a)gh ở giai đoạn này thay đổi từ 0,4% đến 1%; hệ

số giảm chấn D của đất loại sét thay đổi trong khoảng 0,141 ÷ 0,223 và D của

đất cát ở mức thấp hơn, bằng 0,120 ÷ 0,128

2) Tương quan giữa các mô đun đặc trưng cho biến dạng của các loại đất như

sau: đất yếu (hệ tầng Thái Bình và Hải Hưng) có Gd-tt = (0,17 ÷ 0,22)Gmax, Gd-

pt = (0,06 ÷ 0,07)Gmax, và Ed-tt = 5,6 ÷ 8,1 Eo; đất sét pha - dẻo cứng hệ tầng

Thái Bình có Gd-tt = 0,10 Gmax; Gd-pt = 0,03Gmax; và Ed-tt = 2,1Eo; đất sét-dẻo

mềm hệ tầng Hải Hưng có Gd-tt = 0,12Gmax, Gd-pt = 0,03Gmax, và Ed-tt = 2,5Eo;

đất sét pha - nửa cứng hệ tầng Vĩnh Phúc có Gd-tt = 0,35Gmax, Gd-pt =

0,10Gmax, và Ed-tt = 2,2Eo; đất cát mịn của hệ tầng Thái Bình và Vĩnh Phúc có

Gd-tt = (0,33 ÷ 0,43)Gmax; Gd-pt = 0,22Gmax; và Ed-tt = (3,9 ÷ 4,6)Eo. Ở cùng

mức biến dạng, mô đun biến dạng động nói chung của đất Svp > Stb > Shh >

Ytb > Yhh;

3) Đặc trưng biến dạng động của đất trong phạm vi nghiên cứu biến đổi theo

mức độ biến dạng với quy luật khá rõ: ở ngưỡng biên độ biến dạng 0,01%,

đất sét - sét pha có Ed-tt(0,01) = 40±10 Mpa (cận dưới tương ứng trạng thái dẻo

chảy, cận trên là dẻo cứng), D(0,01) = 0,1 ± 0,02; ở khoảng giới hạn biến dạng

tuyến tính (a ≈ 0,03%) thì Ed-tt(0,03) = 0,62Ed-tt(0,01); D(0,03) = 1,45D(0,01); khi đất

chuyển sang giai đoạn biến dạng trượt, Ed-tr = 0,06Ed-tt(0,01); Dtr = 2D(0,01). Kết

quả nghiên cứu này cho phép giải quyết bài toán mô hình ứng xử nền đất với

tải trọng động theo giả thiết nền biến dạng tuyến tính tương đương (chỉ tiêu

động học đầu vào là hằng số). Quy luật biến đổi đặc trưng biến dạng động

theo thành phần và trạng thái của đất được mô tả bởi các hàm tương quan

(các công thức từ 3.3 đến 3.8), cho phép giải bài toán mô hình ứng xử với giả

thiết nền biến dạng phi tuyến (chỉ tiêu đầu vào là hàm số).

4) Tỷ số áp lực nước lỗ rỗng Ru của đất loại sét nhỏ hơn 1% ở giai đoạn giả đàn

hồi và tăng đến vài phần trăm ở giai đoạn đàn hồi - dẻo; với đất cát, Ru = (1 –

24

2)% ở giai đoạn giả đàn hồi và tăng đến trên 10% ở giai đoạn đàn hồi - dẻo.

Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy giới hạn biến dạng tuyến tính (agh bằng

giới hạn biến dạng thể tích tv.

5) Mức độ gia tăng Ed theo áp lực buồng phụ thuộc vào thành phần và trạng thái

của đất: đất sét pha có khả năng tăng Ed lớn hơn đất sét; độ bão hòa của đất

càng thấp thì mức độ gia tăng Ed càng lớn. Hệ số giảm chấn D có xu hướng

giảm khi áp lực buồng tăng, nhưng không rõ ràng. Trong khoảng tần số nhỏ

hơn 10Hz, ảnh hưởng của tần số đến các chỉ tiêu đặc trưng cho biến dạng

động là không đáng kể.

6) Đặc điểm phá hủy động của các loại đất trong phạm vi nghiên cứu như sau:

- Đất sét, sét pha bị phá hủy động theo hình thức trượt dẻo với Ru cực đại

bằng (10 ÷ 20)%. Cát mịn bão hòa ở trạng thái xốp và chặt vừa bị phá hủy

động dưới hình thức hóa lỏng khi Ru = 100%. Cát mịn ở trạng thái chặt vừa

bị hóa lỏng khi biên độ biến dạng bằng từ (1,5 ÷ 3)%; ở trạng thái xốp, biên

độ biến dạng bằng (3 ÷ 4)%. Cát mịn (hệ tầng Thái Bình) và cát vừa (hệ tầng

Vĩnh Phúc) ở trạng thái chặt bị phá hủy động không theo hình thức hóa lỏng.

- Điểm phá hủy động của đất loại sét được xác định dựa vào đường cong

quan hệ ứng suất - biến dạng theo thời gian. Trong đó, điểm phá hủy ban đầu

được xác định tương ứng với mức biến dạng bằng 2% và điểm phá hủy cực

hạn tương ứng với biến dạng bằng 5%. Điểm phá hủy động của đất cát bão

hòa được xác định theo Rumax.

7) Có thể sử dụng lý thuyết Geniev kết hợp với thực nghiệm để nghiên cứu quy

luật biến đổi độ bền động (hay sức kháng động) của đất. Theo phương pháp

này, độ bền động của các loại đất nghiên cứu đều được biểu diễn bằng đường

bao tỷ sức kháng động thông qua biểu thức (2.43) với các hệ số thực nghiệm

a và b (bảng 5.8 và 5.9). Đối với đất loại sét, hệ số góc cắt a phụ thuộc tỷ lệ

thuận với góc ma sát trong của đất, hệ số thời gian phá hủy động b phụ thuộc

tỷ lệ thuận với lực dính kết; với đất cát, các hệ số a và b tăng theo độ chặt.

8) Khi có động đất với gia tốc nền lớn nhất: cát mịn bão hòa ở trạng thái xốp

đến chặt vừa thuộc hệ tầng Thái Bình, Vĩnh Phúc phân bố ở độ sâu nhỏ hơn

10 ÷ 12m có nguy cơ bị hóa lỏng cao; Cát mịn và cát vừa ở trạng thái chặt

(hệ tầng Thái Bình và Vĩnh Phúc) trong điều kiện thực tế không bị hóa lỏng.

Kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo

1) Để hoàn thiện và làm tăng độ tin cậy của thông tin động học đất nền khu vực

nghiên cứu, cần có những nghiên cứu tiếp theo về các vấn đề: xác định các

chỉ tiêu đặc trưng cho biến dạng động của đất ở các giai đoạn biến dạng bằng

tổ hợp các phương pháp thí nghiệm trực tiếp như thí nghiệm truyền sóng, thí

nghiệm cắt xoắn, thí nghiệm cắt phẳng động, thí nghiệm cột cộng hưởng;

nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần (thành phần hạt, hàm lượng hữu cơ),

trạng thái (độ bão hòa, độ chặt) đến các chỉ tiêu tính chất cơ học động một

cách đầy đủ và toàn diện; nghiên cứu đánh giá khả năng hóa lỏng của các loại

25

đất cát có thành phần hạt và độ chặt khác nhau, xác định giới hạn độ chặt mà

cát không bị hóa lỏng;

Các nghiên cứu tiếp theo có thể kế thừa kết quả nghiên cứu của luận án ở

những nội dung sau: nghiên cứu đặc trưng biến dạng động theo phương pháp

điều khiển biến dạng với biên độ biến dạng a = 0,01% ở giai đoạn giả đàn

hồi (theo giả thiết nền tuyến tính tương đương), a = 0,05; 0,1; 0,5 và 1% ở

giai đoạn đàn hồi - dẻo (theo giả thiết nền phi tuyến); nghiên cứu độ bền

động của đất loại sét theo sơ đồ thí nghiệm B với biên độ biến dạng a = 0,5;

1; 2; 5 và 10%; nghiên cứu độ bền động của đất theo sơ đồ A với các cấp tỷ

số ứng suất, cấp nhỏ nhất CSRmin = a, tỷ số ứng suất lớn nhất CSRmax = 1,74a,

với hệ số a được dự tính từ thí nghiệm độ bền tĩnh;

Dựa trên các thông tin về tính chất cơ học động của đất nền ở khu vực Hà

Nội, có thể tiến hành các nghiên cứu về mô hình ứng xử nền đất với tải trọng

động, bao gồm: nghiên cứu xác định phổ phản ứng trên mỗi kiểu cấu trúc nền

phục vụ tính toán thiết kế công trình chống động đất; nghiên cứu ứng xử hệ

nền – cọc trên mỗi kiểu cấu trúc nền; nghiên cứu đánh giá ổn định nền đất

dưới móng công trình chịu tải trọng động trên các kiểu cấu trúc nền; nghiên

cứu đánh giá phạm vi ảnh hưởng của các giải pháp thi công gây chấn động.

Danh môc c¸c c«ng tr×nh c«ng bè cña t¸c gi¶

1. Nguyễn Văn Phóng (2004), Áp dụng tổ hợp các phương pháp nghiên cứu để

xác định sức kháng cắt không thoát nước của đất yếu hệ tầng Hải Hưng

phân bố ở khu vực Hà Nội, Báo cáo hội nghị khoa học lần thứ 16 ĐH Mỏ -

Địa chất, Hà Nội, tr 37 - 43.

2. Tạ Đức Thịnh, Nguyễn Huy Phương, Nguyễn Hồng, Nguyễn Văn Phóng

(2004), Nghiên cứu đặc điểm phân bố và tính chất ĐCCT của đất yếu hệ tầng

Hải Hưng phân bố ở khu vực Hà Nội, Báo cáo hội nghị khoa học lần thứ 16

ĐH Mỏ - Địa chất, Hà Nội, tr 61 - 66.

3. Nguyễn Huy Phương, Tạ Đức Thịnh, Phạm Văn Tỵ, Nguyễn Hồng, Nguyễn

Văn Phóng (2004), Zoning of soft soil ground in Hanoi area, hội thảo Địa

kỹ thuật môi trường Việt Nam - Nhật bản VJSGE, Hà Nội, tr 49 - 52.

4. Nguyễn Huy Phương, Nguyễn Văn Phóng (2006), Quy luật phân bố và biến

đổi các đặc trưng địa chất công trình của đất yếu hệ tầng Hải Hưng phân

bố ở khu vực Hà Nội, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất, số 14, tr 46

– 50.

5. Nguyễn Văn Phóng, Tạ Đức Thịnh (2008), Xác định các đặc trưng cơ học

của đất yếu bằng thí nghiệm xuyên tĩnh có đo áp lực nước lỗ rỗng CPTu,

Tuyển tập báo cáo HNKH lần thứ 18, trường ĐH Mỏ - Địa chất, tr 75 – 82.

26

6. Tô Xuân Vu, Nguyễn Văn Phóng (2010), Khái quát đặc điểm địa chất công

trình của đất yếu phân bố ở Đồng bằng Bắc Bộ, Tạp chí Khoa học kỹ thuật

Mỏ - Địa chất, số 31/7, tr 69 – 74.

7. Nguyễn Văn Phóng, Tạ Đức Thịnh (2010), Bước đấu xác định hệ số cố kết

ngang của một số loại đất yếu phân bố phổ biến ở đồng bằng Bắc Bộ bằng

thiết bị CPTu, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất, số 31/7. tr 44 – 48.

8. Nguyễn Văn Phóng (2012), Xác định một số chỉ tiêu vật lý và động học của

đất loại sét phân bố ở đồng bằng Bắc Bộ bằng thí nghiệm xuyên tĩnh có đo

áp lực nước lỗ rỗng, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất, số 40/10, tr

37 – 43.

9. Phạm Thị Việt Nga, Nguyễn Văn Phóng (2012), Nghiên cứu sơ bộ về tính

xúc biến của đất yếu hệ tầng Hải Hưng vùng Hà Nội, Tuyển tập báo cáo

HNKH lần thứ 20, trường ĐH Mỏ - Địa chất, tr 11 – 15.

10. Nguyễn Văn Phóng, Lê Trọng Thắng (2013), Nghiên cứu đặc trưng biến

dạng động của đất loại sét hệ tầng Thái Bình phân bố ở khu vực Hà Nội

bằng thí nghiệm ba trục động, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất, số

44/10, tr 5 – 11.

11. Lê Trọng Thắng, Nguyễn Văn Phóng (2013), Bước đầu nghiên cứu thông số

động học của đất nền Hà Nội bằng thí nghiệm ba trục động, Tuyển tập báo

cáo HNKH 2013 – Viện KHCN Xây Dựng.

12. Nguyễn Văn Phóng (2014), Các loại đất yếu vùng ven biển đồng bằng Bắc

Bộ và đặc tính ĐCCT của chúng, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất,

số 46/ 4. tr 24 – 29.

13. Nguyễn Văn Phóng, Lê Trọng Thắng (2014), Nghiên cứu độ bền động của

một số loại đất yếu ở vùng ven biển Bắc Bộ bằng thí nghiệm ba trục động,

Báo cáo tại Hội nghị KH Mỏ - Địa chất.

14. Lê Trọng Thắng, Nguyễn Văn Phóng (2014), Một số tương quan giữa chỉ

tiêu cơ học động và tĩnh của đất nền Hà Nội, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ

- Địa chất, số 45/01 tr 32 – 37.