Lựa chọn mô hình đất nền khi tính toán móng cọc chịu ảnh hưởng của hiện tượng hóa lỏng

KHOA H“C & C«NG NGHª<br /> <br /> <br /> Lựa chọn mô hình đất nền khi tính toán móng cọc<br /> chịu ảnh ưởng của hiện tượng hóa lỏng<br /> The choice of foundation model when calculating the pile foundation which is influenced<br /> by the liquefaction phenomena<br /> Vương Văn Thành, Hoàng Ngọc Phong<br /> <br /> <br /> Tóm tắt 1. Khái niệm hóa lỏng và ảnh hưởng của hóa lỏng tới móng cọc<br /> Bài báo đề cập các ảnh hưởng của hiện Sự hóa lỏng xuất hiện khi cấu trúc cát rời, bão hòa nước bị phá vỡ vì các tải trọng<br /> tượng hóa lỏng đến sự làm việc của đột ngột tác dụng. Vì kết cấu hạt đất bị phá vỡ, những hạt đất rời sẽ dịch chuyển để<br /> móng cọc. Cụ thể là hậu quả hóa lỏng tạo nên một trạng thái chặt hơn. Tuy nhiên, trọng một trận động đất không có đủ thời<br /> gian cho nước lỗ rỗng thoát ra ngoài và cản trở những hạt đất di chuyển gần lại nhau.<br /> khi động đất, một số phương pháp đánh<br /> Kèm theo là sự gia tăng áp lực nước, dẫn tới giảm áp lực tiếp xúc giữa các hạt đất<br /> giá khả năng hóa lỏng và cơ chế phá hủy<br /> nên các lớp đất nền sẽ bị giảm cường độ. Khi đó, nền đất có cường độ rất bé và có<br /> của cọc đơn và nhóm cọc khi hóa lỏng.<br /> thể coi như lỏng hơn là một khối nên chúng có tên là “Hóa lỏng”.<br /> Từ đó đề xuất về lựa chọn mô hình đất<br /> nền khi tính toán móng cọc chịu ảnh Khi hiện tượng hóa lỏng xảy ra sẽ làm ảnh hưởng trực tiếp tới ma sát thành cọc<br /> hưởng của hiện tượng hóa lỏng. và có thể làm gãy cọc. Điều này ta có thể thấy trong các báo cáo nghiên cứu về móng<br /> cọc trong trận động đất Niigata 1964, cụ thể:<br /> Từ khóa: Hóa lỏng, móng cọc<br /> Tòa nhà NHK 4 tầng trong trận động đất tại Niigata 1964: Xây dựng trên các cọc<br /> bê tông cốt thép, các cọc có đường kính 350 mm và dài 11-12 m (Hình 1). Sau trận<br /> Abstract động đất, 74 cọc đã được nghiên cứu và họ đã thấy rằng tất cả các cọc đã bị hư hại<br /> This paper discusses the impact of tương tự nhau. Các cọc bị hỏng tại hai vị trí, 2,5-3,5 m từ đầu trên của cọc và 2,0 đến<br /> liquefaction to the working of the pile 3,0 m từ đáy cọc như thể hiện trong hình 1. Vị trí của mực nước ngầm là 1,7 m dưới<br /> mặt đất. Từ các báo cáo điều tra đất, lớp hóa lỏng rất có thể là 11m đầu. Do đó chiều<br /> foundation. In particular, the consequences<br /> dài của cọc trong đất hóa lỏng là 9.3m.<br /> of liquefying in the earthquake, several<br /> methods of assessing liquidity and Tòa nhà NFCH trong trận động đất tại Niigata 1964: Nghiên cứu trường hợp này<br /> destruction mechanism of single pile and pile mô tả sự phá hoại của một tòa nhà bốn tầng được xây dựng trên các cọc bê tông<br /> group when liquefied. After that proposes rỗng. Các cọc có đường kính 350 mm và độ dày 75mm (Hình 2). Sau trận động đất<br /> the choice of foundation model when tòa nhà nghiêng 1 độ. Cọc chỉ kéo dài 0,5m trong lớp không hoá lỏng và có thể được<br /> giả định phía dưới khớp. Từ hình 2 ta có thể được quan sát thấy rằng mực nước là<br /> calculating the pile foundation which is<br /> 1,5 m dưới mặt đất và cọc qua 7m trong lớp đất bị hóa lỏng. Phần đầu cọc nằm trong<br /> influenced by the liquefaction phenomena.<br /> 0,5 m đất không hóa lỏng.<br /> Keywords: Liquefaction, pile foundation<br /> 2. Một số phương pháp đánh giá khả năng hóa lỏng<br /> Việc khẳng định khả năng hóa lỏng của một loại đất bao gồm ba bước công việc<br /> sau: (i) Đánh giá ứng suất cắt biến đổi do động đất gây ra ở các độ sâu khác nhau; (ii)<br /> Xác định sức kháng của môi trường với quá trình hóa lỏng ở các điểm khác nhau; (iii)<br /> So sánh giữa hai kết quả nêu trên.<br /> PGS.TS. Vương Văn Thành<br /> Khoa Xây dựng 2.1. Phương pháp đơn giản xác định chu kỳ tương đương<br /> Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Trên cơ sở một số trường hợp cụ thể, Seed và Idriss [1] đã kiến nghị một phương<br /> Email: pháp đơn giản để xác định biên độ và chu kỳ tương đương:<br /> ThS. Hoàng Ngọc Phong - Với đất nền không sâu quá 10 đến 15m thì ứng suất cắt cực đại τmax đạt được<br /> Khoa Xây dựng<br /> trong quá trình động đất ở một độ sâu h, có thể xem như hàm số của h và gia tốc cực<br /> Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội<br /> đại trên bề mặt amax và thể hiện qua biểu thức:<br /> Email: <br /> <br /> τmax =( γh / g).amax .rd (1)<br /> Trong đó:<br /> γ - là trọng lượng riêng của đất, kN/m3<br /> h - độ sâu, m; g – gia tốc trọng trường, m/s2<br /> rd - hàm số phụ thuộc (h) và biến dạng môi trường, có thể xác định theo bảng 1<br /> Bảng 1: Giá trị trung bình của hàm rd [1]<br /> h(m) 2 4 6 8 10 12 14 16<br /> rd 0,98 0,96 0,93 0,89 0,86 0,84 0,82 0,79<br /> Mặt khác để cải thiện mức độ không đồng đều của độ phản hồi, người ta có thể<br /> chấp nhận các chu kỳ tương đương có biên độ hiệu dụng bằng khoảng 65% của τmax<br /> Theo đó, ứng suất cắt tương đương sẽ là :<br /> <br /> <br /> 74 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG<br />  τ= 0,65.( γh / g).amax .rd<br /> eq<br /> (2)<br /> 2.2. Phương pháp kinh nghiệm đánh giá khả năng hóa lỏng<br /> Nguyên lý của phương pháp là thành lập tương quan giữa sức kháng,<br /> chống lại khả năng hóa lỏng của một loại đất, với một thông số đất nền,<br /> có thể xác định dễ dàng là sức kháng SPT.<br /> Giá trị của N thể hiện độ chặt Dr và áp lực cột đất hữu hiệu σ’v.<br /> M - độ lớn động đất dự báo. τeq tính theo phương pháp đơn giản.<br /> Từ hình 3 ta thấy khi đất nền có sức kháng N30 càng lớn thì càng ít<br /> xảy ra hóa lỏng; đất càng ở gần mặt đất tự nhiên(σ’v nhỏ) thì khả năng<br /> xảy ra hóa lỏng càng cao.<br /> 2.3. Phương pháp đánh giá khả năng hóa lỏng theo TCVN9386-2012[2]<br /> Đối với thí nghiệm SPT, giá trị đo được N30 phải được chuẩn hóa với<br /> ứng suất hữu hiệu biểu kiến của bản thân đất (N60) bằng 100kPa và với<br /> tỷ số của năng lượng va đập và năng lượng rơi tự do lý thuyết bằng 0,6.<br /> Với các độ sâu nhỏ hơn 3 m, các giá trị đo được N30 phải giảm đi 25%.<br /> Nguy cơ hóa lỏng có thể được bỏ qua khi α.S10 ; Hình 1: Cọc trong tòa nhà NHK<br /> Cát có hàm lượng hạt bụi lớn hơn 35% và số búa SPT sau khi được<br /> chuẩn hóa với các ảnh hưởng của áp lực bản thân đất và với tỷ số năng<br /> lượng N60>20;<br /> Cát sạch, với số búa SPT sau khi được chuẩn hóa với áp lực bản thân<br /> đất và với tỷ số năng lượng N60>30.<br /> Đánh giá nguy cơ hóa lỏng của đất<br /> Độ an toàn chống hóa lỏng FL được xác định theo tỷ số:<br /> R<br /> FL =<br /> L (3)<br /> Trong đó: FL: sức kháng hoá lỏng; L: tỷ ứng suất cắt trong quá trình<br /> động đất; R: tỷ sức kháng cắt động.<br /> - τcy ứng suất cắt cần thiết để làm hóa lỏng của đất ở hiện trường<br /> trong một số lần lặp tương ứng với biên độ của động đất tham chiếu; giá<br /> trị τcy/ σ’v0 được lấy bằng cách tra hình 4.<br /> Trong đó σ’v0 là ứng suất bản thân tại giữa lớp đất đang xét.<br /> <br /> 3. Cơ chế phá hủy của cọc khi hóa lỏng<br /> Các nghiên cứu về cơ chế phá hủy cọc khi hóa lỏng đã chỉ ra các cọc<br /> ở dưới có thể bị phá hủy với cùng một cơ chế giống nhau. Trong hình 5, Hình 2: Cọc trong tòa nhà NFCH<br /> cọc đơn chịu tải trọng dọc trục lớn từ kết cấu lớn và nằm trong đất cát<br /> bão hòa nước, có khả năng bị hóa lỏng, lớp đất này nằm trên lớp đá. Khi<br /> xảy ra động đất, ứng suất hữu hiệu trong đất cát giảm do áp lực nước lỗ<br /> rỗng tăng. Trong tình huống này, cọc đơn có thể bị gãy nếu chiều dài làm<br /> việc của cọc không đủ và cũng có thể do độ cứng của cọc bê tông cốt<br /> thép khá lớn nên không có tính linh hoạt khi chịu tác động của hóa lỏng.<br /> Ở đây, khu vực mà cọc bị gãy ở vị trí tiếp xúc giữa lớp cát và lớp đá. Điều<br /> này hợp lý với các phân tích phía trên.<br /> Trong hình 6, cọc đơn có xu hướng nghiêng khi đất bị hóa lỏng. Nó<br /> chịu tải trọng dọc trục tương đối lớn và mũi cọc được ngàm vào đá. Sau<br /> trận động đất, lớp cát sẽ di chuyển từ trái qua phải trong hình 6a, cọc đơn<br /> có thể bị gãy.<br /> Một loại phá hỏng nghiêm trọng hơn khi mà có một lớp đất không<br /> hóa lỏng nằm trên lớp đất hóa lỏng. Lớp đất không bị hóa lỏng di chuyển<br /> nhanh sang ngang, đi kèm với nó là sự hình thành màng mỏng nước tại<br /> ranh giới giữa hai lớp đất đó. Đặc biệt là khi lớp đất không bị hóa lỏng có<br /> tính thấm kém hơn lớp đất bị hóa lỏng. Cọc sẽ phải chịu tải trọng bị động<br /> lớn từ lớp đất không hóa lỏng. Trong trường hợp này, cọc còn phải chịu<br /> thêm tải trọng P-δ, do sự dịch chuyển khác nhau giữa 2 lớp đất. Mặc dù<br /> hình dạng phá hủy cuối cùng của cọc này có thể được nhìn thấy giống với Hình 3: Đánh giá nguy cơ hoá lỏng đất<br /> hình 6a. Riêng tình huống này, nguyên nhân cọc bị phá hủy là bởi uốn. nền theo SPT (Seed 1974) [1]<br /> <br /> <br /> S¬ 27 - 2017 75<br />  KHOA H“C & C«NG NGHª<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4: Quan hệ giữa các tỷ số ứng suất Hình 5: Mô hình cọc đơn bị phá hủy khi động đất [3]<br /> gây ra hóa lỏng và N60 cho cát sạch và cát<br /> bụi đối với động đất Ms =7,5 [3]<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6: Tải trọng tác dụng vào cọc đơn khi động đất [3]<br /> Hình 7: Sự phá hủy của cọc đơn khi đất bị<br /> hóa lỏng [3]<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 9: Đồ thị quan hệ giữ ε1 và σ1 trong thí nghiệm<br /> Hình 8: Đồ thị quan hệ giữ ε1 và q trong thí nghiệm<br /> nén một trục [4]<br /> CU [4]<br /> <br /> Khi cọc nằm trong nhiều lớp đất với các lớp lần lượt từ phỏng các khối kết cấu cứng trong đất.<br /> trên xuống dưới là lớp đất không hóa lỏng- lớp đất bị hóa 4.2 Mô hình Mohr-Coulomb (M-C)<br /> lỏng và cuối cùng là lớp cát chặt hoặc sét cứng không hóa<br /> Mô hình M-C là mô hình dùng để tính toán gần đúng<br /> lỏng. Mũi cọc sẽ được đặt vào lớp đất cát chặt để truyền tải<br /> các ứng xử ở giai đoạn đầu của đất. Đây là mô hình đàn<br /> dọc trục và khi đất bị hóa lỏng, cọc có thể bị trượt sâu vào lớp<br /> hồi thuần dẻo dựa trên cơ sở định luật Hook kết hợp với<br /> cát chặt. Cũng có khi cọc bị uốn do lớp đất không bị hóa lỏng<br /> tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb. Trong mô hình này, mối<br /> bên trên gây ra. Tuy nhiên, cọc có thể phải chịu đồng thời cả<br /> quan hệ giữa ứng suất và biến dạng được phân tích thành<br /> 2 sự phá hoại trên như trên hình 7.<br /> hai phần: phần đàn hồi và phần thuần dẻo. Tuy nhiên khi tải<br /> 4. Mô hình nền móng cọc khi hóa lỏng trọng tăng lên thì bắt đầu xuất hiện vùng biến dạng dẻo, ở<br /> 4.1 Mô hình đàn hồi tuyến tính đó ứng suất đạt trạng thái cân bằng giới hạn. Quan hệ giữa<br /> ứng suất và tải trọng không còn là tuyến tính nữa mà là quan<br /> Mô hình đàn hồi tuyến tính là một mô hình tuân theo định hệ phi tuyến. Trong khi đó mô hình M-C chỉ mô tả đất ở trạng<br /> luật Hook về đàn hồi tuyến tính đẳng hướng. Hạn chế của mô thái đàn hồi, kết thúc trạng thái đàn hồi thì chuyển luôn sang<br /> hình này là không mô phỏng các ứng xử của đất ở giai đoạn trạng thái phá hoại (hình 8).<br /> chảy dẻo nên mô hình thường chỉ được sử dụng chủ yếu mô<br /> (tiếp theo trang 93)<br /> <br /> <br /> 76 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG<br />