Tóm tắt Luận án 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

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 CSR arc 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 2 1-2 hh1) có thành phần là bột sét, chứa tàn tích thực vật; trầm tích biển (mQ2 1-2 hh2) có thành phần bao gồm sét, sét bột màu xám xanh, xanh lơ. - Hệ tầng Thái Bình có các thành tạo trong đê (Q2 3 tb1) và ngoài đê (Q2 3 tb2). 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 3 tb1): 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 (albQ2 3 tb1): 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 (aQ2 3 tb1): 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 (mQ2 1-2 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 (lbQ2 1-2 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 (aQ1 3 vp2): 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 (aQ1 3 vp1): 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 (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. 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(-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. 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) = 21 o >  (Stb) = 14 o20’ >  (Shh)= 10 o 02’ >  (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 (agh 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.