Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: 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

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

60
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: 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

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 Mức độ Thay đổi đặc Pha biến Thay đổi Giai đoạn biến trưng biến Loại tải trọng dạng thể tích dạng dạng Đàn hồi - Rất nhỏ Không Không Sóng địa chấn; Phương (≤ tl) (Gmax, Dmin = 0) tiện giao thông, . . Giả đàn hồi Tuyến tính Nhỏ Có Có Phương tiện giao thông, tl ≤ ≤ tv (nén chặt) móng máy, động đất nhỏ Đàn hồi-dẻo Phi tuyến Trung Có Có Động đất mạnh tv
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: 2arc cot d  1 otd  f(d   d  1 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: CSRgh arc cot 1 td = b. a = f(CSRgh) (2.43) CSRgh 1 a Trong đó: a = tan(gh), với gh là góc cắt và a được gọi là hệ số góc cắt; 1 -   b = 2. (s), được gọi là hệ số thời gian phá hủy động. o 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 21-2hh1) có thành phần là bột sét, chứa tàn tích thực vật; trầm tích biển (mQ21-2hh2) 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 (aQ23tb1): 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 (mQ21-2hh2): 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 (lbQ21-2hh1): 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 Chỉ tiêu Giả thiết và mô hình Phương pháp xác định dạng động đặc trưng tính toán phù hợp Các phương pháp thí nghiệm Gmax Đàn hồi Nền biến dạng đàn hồi truyền sóng ở hiện trường, thí (D =0) nghiệm cắt xoắn Giả đàn hồi Nền biến dạng tuyến Gd, D (tuyến tính) tính Các thí nghiệm: cột cộng Nền biến dạng phi tuyến; hưởng; cắt xoắn; ba trục Đàn hồi – dẻo Gd, D nền biến dạng tuyến tính động; cắt phẳng động (phi tuyến) tương đương Độ bền Thí nghiệm ba trục động và Dẻo (trượt) Phá hủy động động 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 Mỗi loại đất được thí nghiệm ba 66 thí nghiệm dạng động ở các giai đoạn trục động trong cùng tần số và áp trong tất cả biến dạng khác nhau cho lực buồng với biên độ tải trọng các loại đất mỗi loại đất. khác nhau đặc trưng Tần số và biên độ tải trọng được Thí nghiệm 4 2. Nghiên cứu ảnh hưởng giữ không đổi, chỉ thay đổi áp lực mẫu Svp và 6 của áp lực buồng buồng (3 = 0; 25; 50; 75; . . . kPa) mẫu Shh Biên độ tải trọng và áp lực buồng Thí nghiệm 7 3. Nghiên cứu ảnh hưởng được giữ không đổi, chỉ thay đổi mẫu S hh và 5 của tần số tần số (f = 0,5; 1; 2; 3; 5; . . . Hz) 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 7 (Lớp 1-Stb2) Sét pha, xám đen, dẻo chảy 4 (Lớp 2-Ytb) Xác định điểm phá hủy động và Sét, xám xanh, dẻo mềm (Lớp 4-Shh) đường bao tỷ sức kháng động của đất 7 Sét pha, xám đen, dẻo chảy dính 7 (Lớp 5-Yhh3) Sét pha, màu nâu đỏ loang lổ, nửa 7 cứng (Lớp 6-Svp) Cát mịn, xám xanh (Lớp 3-Ctb) 9 Xác định điểm hóa lỏng và đường 5 Cát mịn, xám vàng (Lớp 7-Cvp1) bao hóa lỏng của đất rời 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 Áp lực Theo thí nghiệm Theo kết quả thí nghiệm SPT đia tầng trong phòng Loại hiệu quả, CSRgh Hệ số đất N30 N1(60) (Vs) (Gmax) (Gmax) (’v) rỗng (eo) 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) Ứng suất giới Biến dạng Điều kiện Gd D fo Loại Giai đoạn hạn giới hạn thí đất biến dạng gh nghiệm CSR a amax kPa - Hz (kPa) Bão hoà 10.0 0.13 0.018 0.040 15233 0.112 165 Tuyến tính Lớp 1 Tự nhiên 13.0 0.19 0.080 0.130 8222 0.181 120 (Stb) Bão hoà 32.0 0.41 0.500 2.400 5195 0.194 96 Phi tuyến Tự nhiên 27.0 0.40 1.000 6.000 2257 0.223 63 Lớp 2 Tuyến tính Bão hoà 9.0 0.18 0.025 0.030 6799 0.092 109 (Ytb) Phi tuyến Bão hoà 21.0 0.42 0.420 1.000 2769 0.182 70 Lớp 3 Tuyến tính Bão hoà 15.0 0.22 0.030 0.050 18325 0.089 169 (Ctb) Phi tuyến Bão hoà - - - - 12545 0.128 140 Lớp 4 Tuyến tính Tự nhiên 15.0 0.14 0.030 0.035 8816 0.112 127 (Shh) Phi tuyến Tự nhiên 27.0 0.25 0.620 0.880 2429 0.176 66 Lớp 5 Tuyến tính Tự nhiên 9.0 0.13 0.036 0.055 6943 0.115 110 (Yhh) Phi tuyến Tự nhiên 23.0 0.46 0.980 4.070 1787 0.200 61 Lớp 6 Tuyến tính Tự nhiên 42.0 0.22 0.025 0.040 43736 0.101 265 (Svp) Phi tuyến Tự nhiên - - - - 13177 0.141 146 Lớp 7 Tuyến tính Bão hoà - - - - 26415 0.114 201 (Cvp) 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, R u = (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 (agh 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. D 0.25 0.2 0.15 0.1 Stb1S7 Stb2S8 0.05 ShhS10 Y3 Yhh3 Đường giới hạn  a (%) 0 0.001 0.010 0.100 1.000 10.000 Hình 4.19. Biến đổi hệ số giảm chấn D theo mức độ biến dạng
15 Ed (kPa) 60000 Stb1S7 Stb2S8 50000 ShhS10 Y3 Yhh3 Đường giới hạn 40000 30000 20000 10000  a (%) 0 0.001 0.010 0.100 1.000 10.000 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(-12a) (4.4) + Đối với đất sét pha, trạng thái dẻo mềm, dẻo cứng: D = 19,5 - 8EXP(-5a) (4.5) + Đối với đất yếu: D = 21 - 12EXP(-5a) (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.
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 Gd-tt = 0,12Gmax Gd-pt = 0,03Gmax Ed-tt = 2,5Eo (lớp 4): Đất sét pha - dẻo Gd-tt = 0,10 Gmax Gd-pt = 0,03Gmax Ed-tt = 2,1Eo cứng (lớp 1) Đất sét pha - nửa Gd-tt = 0,35Gmax Gd-pt = 0,10Gmax Ed-tt = 2,2Eo cứng (lớp 6) 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 (S tb1), 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