Trạng thái ứng suất biến dạng của nền đất xung quanh hố đào sâu

TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐẤT<br /> XUNG QUANH HỐ ĐÀO SÂU<br /> TRẦN THƢƠNG BÌNH*<br /> <br /> Stress- deformation status of soil around deep excavation<br /> Stress-deformation status of soil massive is very complicated and depends<br /> so much on action feature of load. The paper deals with the difference in<br /> stress-deformation status of soil in the case of loading vertical and of<br /> decreasing horizontal load such as deep excavation problem. In the<br /> conclusion the paper confirms the needfullness of triaxial test using<br /> confining pressure decreasing for determining the behave of soil around<br /> deep excavation.<br /> Key words: Trixial, excavation.<br /> <br /> ĐẶT VẤN ĐỀ * hố đào sâu với đất nền dưới móng công trình để<br /> Trạng thái ứng suất biến dạng của đất nền là cho thấy sự cần thiết có các thí nghiệm nén ba<br /> phức tạp và phụ thuộc vào đặc điểm tác động trục giảm ứng suất ngang.<br /> của tải trọng công trình. Dưới tải trọng tác động 1. SỰ BIẾN ĐỔI CỦ TR NG THÁI<br /> thẳng đứng trong một giới hạn nhất định, nền ỨNG SUẤT BIẾN D NG THEO HƢỚNG<br /> đất được tăng bền, đồng thời tăng độ tin cậy của TÁC ĐỘNG CỦ TẢI TRỌNG<br /> ổn định của công trình trong thiết kế. Trong một a) Đối với tải trọng phụ thêm tác động<br /> số trường hợp khác, ví dụ, khi thi công hố đào thẳng đứng<br /> sâu, hình ảnh trạng thái ứng suất biến dạng của Từ năm 1934 Frohlich đã đưa ra biểu thức<br /> đất nền lại hoàn toàn khác. Trong trường hợp tổng quát nhất xác định sự phân bố ứng suất<br /> này, đất nền bị giảm tải tác động theo phương trong môi trường đất dưới tải trọng đứng tập<br /> ngang và không tạo ra sự nén chặt tăng bền. trung phụ thuộc vào hệ số biến dạng ngang <br /> 1<br /> Nhận thức này đặc biệt quan trọng đối việc mô (  1) dP<br /> r   (cos ) <br /> hình hóa điều kiện làm việc của đất trong các thí  2 r 2<br /> <br /> nghiệm trong phòng xác định các thông số tính Ở đây, r là ứng suất trong khối đất dưới tác<br /> toán nền và móng. Hiện nay, thí nghiệm nén ba động của tải trọng thẳng đứng P tại điểm xác<br /> trục theo sơ đồ gia tải đứng thường được áp định bằng khoảng cách r và góc nghiêng β.<br /> dụng cho tất cả các trường hợp, kể cả trong thí Trong bán không gian vô hạn đồng nhất đẳng<br /> nghiệm phục vụ tính toán thiết kế thi công hố hướng, xét trạng thái ứng suất trước với sau khi<br /> đào sâu với đất nền xung quanh chúng bị giảm chất tải đứng của một phân tố đất ở độ sâu h<br /> ứng suất ngang đó, dẫn đến các kết quả tính trong đới ảnh hưởng của tải trọng công trình, sẽ<br /> toán dự báo ứng xử của đất khác nhiều với thực nhận thấy những biến đổi như sau:<br /> tế đo đạc. Bài này phân tích sự sai khác về trạng -Trước khi chất tải đứng có các thành phần<br /> thái ứng suất biến dạng của đất nền xung quanh ứng suất<br /> Thành phần thẳng đứng zt = h<br /> * Thành phần ứng suất nằm ngang x= z<br /> Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội<br /> K10 Nguyễn Trãi, Hà Đông, Hà Nội Trong đó, z> x nên có ứng suất lệch<br /> DĐ: 0913537260 =z-x<br /> Email:binhviht@gmail.com<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 3<br />  - Sau khi chất tải đứng, giá trị tăng của ứng b) Đối với tải trọng tác động ngang giảm như<br /> suất thẳng đứng được xác định bởi = a.P. trong trường hợp đào các hố đào<br /> Trong đó, a là hệ số phụ thuộc vào diện chịu tải, Trong bán không gian vô hạn đồng nhất đẳng<br /> tọa độ của phân tố và đặc điểm của tải trọng. hướng, xét trạng thái ứng suất trước với sau khi<br /> Đồng thời, khi tăng  sẽ xảy ra biến dạng giảm tải ngang của một phân tố đất ở độ sâu h<br /> thẳng đứng ez của phân tố với giá trị như sau: trong đới ảnh hưởng của của hố đào và lân cận<br /> ez= /E và ex= ez với vách hố đào, sẽ nhận thấy những biến đổi<br /> Do đó, trạng thái ứng suất của phân tố thay như sau:<br /> đổi như sau: -Trước khi giảm tải ngang có các thành phần<br /> Thành phần ứng suất thẳng đứng zs = zt + ứng suất<br />  = h + a.P Thành phần thẳng đứng zt = h<br /> Thành phần ứng suất nằm ngang x= z + Thành phần ứng suất pháp nằm ngang x= z<br /> E. ez Trong đó, z> x nên có ứng suất lệch<br /> Trong đó, - hệ số biến dạng ngang =z-x<br /> zt , zs - ứng suất thẳng đứng trước và sau -Sau khi giảm tải ngang, ứng suất thẳng đứng<br /> khi tăng tải ở đó không thay đổi, nhưng ứng suất ngang<br /> x ứng suất ngang giảm, giá trị nhỏ nhất ở thành hố và tăng dần<br />  hệ số áp lực ngang vào trong khối đất. Giả sử giá trị ứng suất ngang<br /> So sánh trước với sau khi chất tải, có thể thấy ở phân tố giảm một giá trị x thì ứng suất<br /> cả hai thành phần ứng suất đều tăng, nhưng sự lệch sẽ tăng một giá trị tương ứng:<br /> tăng ứng suất ngang là bị động do thành phần ứng =z-(x-x) = z- x+x<br /> suất đứng gây ra và bị ràng buộc bởi điều kiện của Khi đó xẩy ra sự biến dạng thẳng đứng ez của<br /> biểu thức gần đúng Kerisel và Quatre’s (1968) phân tố với giá trị như sau:<br /> 2ex=ev-ez ez= /E và ex= ez<br /> Theo đó, sự biến đổi ex theo ez phụ thuộc vào Do đó, trạng thái ứng suất của phân tố thay<br /> biến dạng thể tích ev nên biến đổi của x phụ đổi như sau:<br /> thuộc vào ev Nhưng với bất kỳ giá trị nào của ev Thành phần ứng suất thẳng đứng zs = zt = h<br /> thì cũng không thể có ứng suất ngang giảm vì Thành phần ứng suất nằm ngang x= z<br /> phần thể tích đất giảm đi được thay thế vào - x<br /> phần thể tích đế móng. Điều đó, cho thấy khi trong đó, - hệ số biến dạng ngang<br /> tăng tải đứng, biến dạng ngang, hệ số biến dạng zt , zs - ứng suất thẳng đứng trước và sau<br /> ngang và ứng suất ngang đều tăng. khi tăng tải<br /> Từ phân tích trên, liên hệ với mẫu đất trong x ứng suất ngang<br /> buồng ba trục có thể xem phân tố đất trong bán  hệ số áp lực ngang<br /> không gian vô hạn chịu tác dụng của tải trọng So sánh trước với sau khi chất tải sẽ thấy<br /> công trình là mẫu đất trong buồng ba trục chịu thành phần ứng suất đứng không đổi, ứng suất<br /> tác dụng dọc trục, với ứng suất ban đầu và tải ngang giảm. Trong đó, sự giảm ứng suất ngang<br /> trong dọc trục được xác định sơ bộ theo điều là chủ động gây ra biến dạng ngang, lúc này<br /> kiện tồn tại của nó trong bán không gian vô hạn. biến dạng đứng là bị động. Giữa biến dạng<br /> Như thế, sự biến đổi trạng thái ứng suất biến ngang và biến dạng đứng bị ràng buộc bởi điều<br /> dạng của mẫu thí nghiệm theo sơ đồ tăng tải kiện của biểu thức Kerisel và Quatre’s (1968)<br /> đứng sẽ diễn tả sự biến đổi trạng thái ứng suất và giá trị của hệ số biến dạng ngang  còn phụ<br /> của phân tố trong nền. thuộc vào biến dạng thể tích ev.<br /> <br /> <br /> 4 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015<br />  Từ phân tích trên liên hệ với mẫu đất trong Chia cả tử và mẫu của (2) cho HR2, và với<br /> buồng ba trục có thể xem phân tố đất trong bán V <br /> ev  và e1  H , khi đó mối quan hệ giữa<br /> không gian vô hạn chịu ảnh hưởng của hố đào là HR 2 H<br /> mẫu đất ở trong buồng ba trục chịu tác dụng ba thành phần biến dạng sẽ như sau:<br /> giảm áp suất trong buồng trong khi tải trọng dọc 1  ev<br /> e2 = 1 (3)<br /> trục không đổi, với ứng suất ban đầu và tải trong 1  e1<br /> dọc truc được xác định sơ bộ theo điều kiện tồn Từ (3) có thể thấy:<br /> tại của mẫu đất. Như thế, sự biến đổi trạng thái<br /> 1  ev<br /> ứng suất biến dạng của mẫu xem như là sự biến - e2 e1.<br /> Tóm lại, vai trò bị động và chủ động của các Đây là trường hợp tăng tải ngang trong ứng<br /> thành phần ứng suất biến dạng là sự khác biệt xử của nền đất khi đóng cọc hoặc hạ các kết cấu<br /> cơ bản nhất giữa hai dạng ứng xử, là nguyên tường vây không khoan đào.<br /> nhân dẫn đến nhiều khác biệt quan trọng mà 1  ev<br /> - e2> 0, chỉ khi  1 tức là phải có<br /> thông qua thí nghiệm mô phỏng bằng ba trục giá 1  e1<br /> trị biến dạng ngang, quá trình biến dạng đến<br /> 1  ev  1  e1 suy ra ev< e1.<br /> trạng thái giới han sẽ được làm sáng tỏ.<br /> 2. BIẾN D NG NG NG VÀ HỆ SỐ BIẾN Ở đây xảy ra hai trường hợp: tăng tải đứng<br /> D NG NG NG ev> 0 và giảm tải ngang ev< 0.<br /> Nếu gọi thể tích ban đầu của mẫu hình trụ là Với K là modul đàn hồi thể tích của đất, có:<br /> P 1<br /> V   H .R 2 . Tại một thời điểm trong quá trình ev  với P  ( 1  2 3 )<br /> biến dạng, mẫu có chiều cao giảm H và chiều K 3<br /> rộng tăng là R khi đó thể tích mẫu sẽ là Do đó khi P tăng là trường hợp tăng tải, biến<br /> ( H   H ) ( R   R ) 2 và sẽ có: dạng thể tích của mẫu sẽ làm mẫu nhỏ đi, ngược<br /> lại khi giảm P, biến dạng thể tích làm mẫu tăng<br />  H .R 2  ( H   H ) ( R   R )2  Vtp  0<br /> hay mẫu nở ra Như vậy, trường hợp dỡ tải<br /> Trong đó, H- Chiều cao mẫu đất ngang với biến dạng ngang là e2g luôn có ev> 0,<br /> R- bán kính tiết diện mẫu đất và trường hợp chất tải đứng với biến dạng<br /> H- biến dạng dọc mẫu đất ngang là e2t luôn có eve2t<br /> R- biến đổi đường kính mặt ngang trung Khi không có biến dạng thể tích ev=0, e1=2e2<br /> bình của mẫu đất hay = 0.5. Suy ra:<br /> ( H  H )R2  2( H  H )RR  H R2  V  0 nếu ev0 thì e1> 2e2 tức là hệ số biến dạng<br /> H  H ngang > 0.5<br /> Từ biểu thức (1) chia 2 về cho R và với Tóm lại, hệ số biến dạng ngang của một phân<br /> R tố đất ở trong nền khi tăng tải đứng thì 0.5. Tuy nhiên,<br />  2 V khi tính toán dự báo dịch chuyển thành hố đào<br />  HR   bằng giá trị biến dạng ngang dựa trên các bảng<br /> <br /> e2  1   (2)<br /> H   H  tra, hoặc kết quả thí nghiệm ba trục với đất bão<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 5<br /> hòa xác định biến dạng thể tích bằng thể tích =0 là như nhau, nhưng khác nhau càng nhiều<br /> nước thoát ra khỏi mẫu, tất cả đều có giá trị với đất có góc ma sát càng lớn.<br />  0, với >0<br /> ag  và b  2<br /> 1  sin  1  sin  ev   2tg  (C  E ) > 0 vì<br /> So sánh at với ag và bt với bg thì a = at - ag ≥ E (tg  C ) >0<br /> 0 và b = bt -bg≥0, khi  càng lớn thì a và b (C  E )<br /> càng lớn. Và khi =0 thì a=b=0 . theo đó, ev > 0 khi và chỉ khi  <br /> tg<br /> Từ diễn giải trên có thể khẳng định, quá trình<br /> -Trường hợp giảm tải ngang ev < 0, với  > 0<br /> đạt đến trạng thái giới hạn giữa sơ đồ thí nghiệm<br /> ev   2tg  (C  E ) 0 của tải trọng và quy luật biến đổi giá trị các<br /> (C  E ) thông số như hệ số biên dạng ngang, biến dạng<br /> theo đó, ev > 0 khi và chỉ khi  <br /> tg thể tích, độ bền cũng khác nhau. Khi tính toán<br /> thiết kế áp dụng hệ số là các hằng số để chuyển<br /> đổi giữa các thông số của bài toán gia tải đứng<br /> với giảm tải ngang sẽ không có được kết quả<br /> tính toán chính xác. Cần thiết mô hình hóa điều<br /> kiện làm việc thực tế của đất để xác định các<br /> thông số đầu vào phục vụ thiết kế. Bài toán thiết<br /> kế thi công hố đào sâu là một ví dụ điển hình.<br /> <br /> <br /> <br /> TÀI LIỆU TH M KHẢO<br /> <br /> 1. Đào Huy Bích (1990). “Cơ học môi<br /> trường liên tục”, Nhà in trường Đại học Tổng<br /> hợp Hà Nội<br /> Hình 1 Đồ thị quan hệ ev –ở trạng thái 2. Đào Huy Bích (2000), “Lý thuyết đàn hồi”,<br /> cân bằng Nhà xuất bản đại học Quốc gia Hà Nội.<br /> 3. Trần thương Bình (2005), “ Nghiên cứu<br /> Như vậy, độ bền của đất khi giảm tải ngang sự biến đổi sức kháng cắt của đất hệ tầng Thái<br /> luôn nhỏ hơn so với khi tăng tải đứng và giá trị Bình trên mô hình thí nghiệm động”. Tuyển tập<br /> lớn nhất của nó bị ràng buộc bởi các thông số khoa học toàn quốc địa chất công trình và môi<br /> theo mối quan hệ trường tr.238-242 .<br /> (C  E )<br />   4. P.Purushothama Raj (1995),<br /> tg “Geotechnical.Engineering”, New York.<br /> Hình 1 chỉ ra đồ thị quan hệ giữa biến dạng 5. R. Whitlow (1997), “Cơ học đất”, NXB<br /> thể tích và độ lệch ứng suất. Giáo dục.<br /> KẾT LUẬN 6. Arnold Verrujit (2005), “Soil Dynamic”,<br /> Trạng thái ứng suất biến dạng của nền đất là Delft University of Technology.<br /> rất khác nhau phụ thuộc vào đặc trưng tác động<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Người phản biện: PGS.TS. NGUYỄN BÁ KẾ<br /> <br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 7<br />