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

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 c

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

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

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

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

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”

Chương 1 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu

động học đất nền 1.1 Khỏi niệm và nội dung nghiờn cứu động học đất nền

Vấn đề động học đất nền (Soil dynamics) là một phần của cơ học đất (Soil mechanics), nghiờn cứu ứng xử của đất với tải trọng động Nội dung nghiờn cứu động học đất nền cú thể được chia thành 3 nhúm: 1) Nghiờn cứu ảnh hưởng của tải trọng động đến biến đổi cỏc tớnh chất cơ lý của đất; 2) Nghiờn cứu độ bền và biến dạng của đất dưới tỏc dụng của tải trọng động; 3) Nghiờn cứu mụ hỡnh ứng xử nền đất với tải trọng động

1.2 Tỡnh hỡnh nghiờn cứu trờn thế giới

Cỏc nghiờn cứu về biến đổi tớnh chất cơ lý của đất khi chịu tải trọng

động bao gồm: nghiờn cứu sự biến đổi của lực dớnh kết, gúc ma sỏt trong

(Porovski, 1934); biến đổi hệ số rỗng và hệ số thấm (Barkan, 1962); biến đổi vi cấu trỳc và hiện tượng xỳc biến (Sukina, 1985); biến đổi của độ bền khụng thoỏt nước theo đặc điểm tải trọng động (Cadagrander, Seed, Onxon, )

Cỏc nghiờn cứu về húa lỏng của cỏt bao gồm: nghiờn cứu quan hệ giữa

độ lệch ứng suất động gõy húa lỏng với thời gian tỏc dụng (Seed và Lee, 1965); nghiờn cứu quy luật húa lỏng của cỏt bằng thực nghiệm và cỏc yếu tố ảnh hưởng (Seed và Idriss, 1971; Noorany và Uzdavines, 1989; Shamsher Prakash

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

về hỡnh thức húa lỏng của cỏt ở độ chặt khỏc nhau và đưa ra cỏc sơ đồ tải trọng động để xỏc định điểm húa lỏng (Ishihara, 1985); nghiờn cứu húa lỏng bằng phương phỏp điều khiển biến dạng (Sitharam, Ravishankar, Jayan Vinod, 2008); nghiờn cứu xõy dựng cỏc quan hệ tương quan giữa khả năng húa lỏng của cỏt với kết quả thớ nghiệm hiện trường (Seed và Alba, 1986; Ronald và Kenneth, 1999; Idriss và Bowlanger, 2004)

Cỏc nghiờn cứu về độ bền động của đất dớnh bao gồm: xỏc định điểm phỏ

hủy động ở mức biến dạng bằng phỏ hủy tĩnh (Kokusho và những người khỏc, 1971); nghiờn cứu độ bền động của đất dớnh ở độ lệch ứng suất gần với độ lệch ứng suất gõy phỏ hủy tĩnh (Ishihara, Nagao, và Mano, 1983; Ishihara và Kasuda, 1984); nghiờn cứu quy luật độ bền động bằng mụ hỡnh Kenvin – Voit điều chỉnh (Geniev, 1997).

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

thuyết dựa trờn mụ hỡnh Kelvin – Voit (Barkan; Arnold Verruijt; Kenji Ishihara; Shamsher Prakash, ); nghiờn cứu cỏc 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 tớnh và phi tuyến (Ishihara, 1984; Vucetic, 1994; ); nghiờn cứu quy luật biến đổi cỏc đặc trưng biến dạng động (Ishihara, 1984; Vucetic, 1994; Bratosin, 2002, ); nghiờn cứu cỏc yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng biến dạng động (Alarcon, Guzman (1989); Darendeli, 2001; ); nghiờn cứu ảnh hưởng của mẫu (Kumar và Clayton, 2007); xõy

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

cứu về mụ hỡnh ứng xử nền đất chưa sử dụng cỏc chỉ tiờu động học trực tiếp của đất nền;

3) Những vấn đề cần quan tõm nghiờn cứu ở trong nước: cần hệ thống

đầy đủ về cơ sở lý thuyết nghiờn cứu tớnh chất cơ học động của đất nền; nghiờn cứu cỏc đặc trưng biến dạng động bằng thớ nghiệm trực tiếp và xỏc định cỏc quy luật biến đổi cỏc chỉ tiờu động học phục vụ cho thiết kế cỏc loại cụng trỡnh cú tải trọng động; nghiờn cứu đặc trưng độ bền hay húa lỏng bằng thớ nghiệm trực tiếp và xỏc định quy luật biến đổi độ bền động (xõy dựng đường bao tỷ sức khỏng động) phục vụ cho đỏnh giỏ ổn định cụng trỡnh cú tải trọng động và cụng trỡnh chịu động đất; nghiờn cứu xõy dựng cỏc mụ hỡnh ứng xử hệ nền – múng cụng trỡnh cú tải trọng động, cụng trỡnh chịu động đất trờn cỏc kiểu cấu trỳc nền (ở một khu vực), trong đú sử dụng cỏc chỉ tiờu động học đặc trưng cho đất nền, phự hợp với cường độ của tải trọng động Căn cứ mục tiờu nghiờn cứu và điều kiện thiết bị hiện cú trong nước, luận ỏn tập trung nghiờn cứu ba vấn đề đầu dựa chủ yếu trờn kết quả thực nghiệm bằng thiết bị ba trục động

Chương 2 Cơ sở lý thuyết tính chất cơ học động

của đất 2.1 Khỏi niệm, phõn loại và tớnh toỏn tải trọng động

Tải trọng mà cỏc giỏ trị đặc trưng của nú biến đổi theo thời gian F = F(t) được gọi là tải trọng động Tải trọng động cú tớnh tạm thời và được chia thành cỏc loại: tải trọng tuần hoàn, khụng tuần hoàn, điều hoà hay điều hoà tắt dần Tải trọng điều hũa được mụ tả theo quy luật hỡnh sin cũn tải trọng tuần hoàn được mụ tả thành chuỗi dao động điều hũa

Tải trọng động hay ứng suất động được tớnh toỏn theo gia tốc nền gõy ra bởi động đất hay cỏc lực địa chấn khỏc Đối với múng mỏy, tải trọng động được xỏc định theo độ lệch tõm và tần số gúc của mỏy

2.2 Tớnh chất cơ học động và mụ hỡnh nghiờn cứu

Tớnh chất cơ học động của đất là cỏc tớnh chất thể hiện khả năng ứng xử

cơ học của đất khi chịu tỏc dụng của tải trọng động, bao gồm: biến dạng động là khả năng thay đổi hỡnh dạng, thể tớch của đất khi chịu tải trọng động; độ bền động là khả năng của đất chịu (phỏt huy) ứng suất động tối đa trong khoảng thời gian nào đú mà đất khụng bị phỏ huỷ

Khi nghiờn cứu biến dạng động, người ta dựng mụ hỡnh Kelvin – Voigt và

lý thuyết dao động của hệ một bậc tự do cú cản Nghiờn cứu độ bền động, cú thể sử dụng mụ hỡnh Kelvin – Voigt điều chỉnh (phần tử đàn hồi được thay bằng phần tử dẻo) và lý thuyết Geniev

2.3 Cơ sở lý thuyết nghiờn cứu biến dạng động của đất

Lý thuyết nghiờn cứu biến dạng động dựa trờn cơ sở phõn tớch dao động của hệ một bậc tự do cú cản chịu kớch động điều hoà Theo đú, biến dạng động của đất hoàn toàn được xỏc định khi biết cỏc chỉ tiờu đặc trưng là: mụ đun động

(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

 tl ≤  ≤  tv

Tuyến tính (nén chặt) Nhỏ

Có Có Phương tiện giao thông,

móng máy, động đất nhỏ Đàn hồi-dẻo

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

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

1 cot

2





d d arc

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

1 cot





a CSR a

CSR arc

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

2.4.3 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

hưởng Cỏc phương phỏp thớ nghiệm hiện trường bao gồm: phương phỏp địa chấn khỳc xạ, phương phỏp địa chấn hố khoan, phương phỏp súng mặt ổn định, phương phỏp xuyờn đo địa chấn Ngoài ra, người ta cũn sử dụng cỏc phương phỏp xỏc định giỏn tiếp bằng cỏc liờn hệ thực nghiệm

Chương 3 Đặc điểm địa chất công trình trầm tích Đệ tứ

Khu vực Hà Nội và phƯơng pháp nghiên cứu

tính chất cơ học động của chúng 3.1 Đặc điểm địa tầng và nước dưới đất khu vực Hà Nội

3.1.1 Sơ lược địa tầng trầm tớch Đệ tứ khu vực nghiờn cứu

Cấu trỳc địa chất Đệ tứ trong phạm vi nghiờn cứu cú mặt cỏc hệ tầng theo thứ tự từ dưới lờn là Lệ Chi, Hà Nội, Vĩnh Phỳc, Hải Hưng và Thỏi Bỡnh:

- Hệ tầng Lệ Chi gồm cỏc trầm tớch sụng khụng lộ ra trờn bề mặt mà chỉ bắt gặp ở độ sõu từ 45,0  69,5m với thành phần gồm cuội sỏi, chuyển dần lờn trờn là cỏt, bột, trờn cựng là bột, sột;

- Hệ tầng Hà Nội trong phạm vi nghiờn cứu phõn bố từ 35,5m đến 69,5m với thành phần chủ yếu là cuội, sỏi, sạn và rất ớt cỏt bột;

- Hệ tầng Vĩnh Phỳc lộ ra với diện nhỏ ở Cổ Nhuế, Xuõn Đỉnh, cú thành phần là sỏi, cỏt ở dưới chuyển dần lờn là bột, sột Chiều dày biến đổi mạnh

- Hệ tầng Hải Hưng bao gồm: trầm tớch hồ- đầm lầy (lbQ 21-2hh 1) cú thành phần là bột sột, chứa tàn tớch thực vật; trầm tớch biển (mQ21-2

hh 2) cú thành phần bao gồm sột, sột bột màu xỏm xanh, xanh lơ

- Hệ tầng Thỏi Bỡnh cú cỏc thành tạo trong đờ (Q23tb 1) và ngoài đờ (Q23tb 2) Phụ hệ tầng dưới bao gồm: cỏt, bột sột màu xỏm nõu, xỏm vàng, đụi chỗ xen lẫn sột màu xỏm đen Phụ hệ tầng trờn gồm: cỏt lẫn ớt bột sột màu nõu vàng, xỏm vàng

3.1.2 Đặc điểm địa chất cụng trỡnh trầm tớch Đệ tứ trong phạm vi nghiờn cứu

Trờn cơ sở phõn tớch cỏc tài liệu về địa chất Đệ tứ và địa chất cụng trỡnh, cỏc loại đất thuộc hệ tầng Lệ Chi và Hà Nội cú thành phần chủ yếu là cuội sỏi, lại phõn bố ở độ sõu lớn nờn ớt cú ý nghĩa khi nghiờn cứu tớnh chất động học của chỳng Trong khi đú, trầm tớch thuộc cỏc hệ tầng Vĩnh Phỳc, Hải Hưng và Thỏi Bỡnh phõn bố ở độ sõu khụng lớn, cú thành phần và tớnh chất nhạy cảm với tỏc dụng của tải trọng động Vỡ vậy, chỳng là đối tượng nghiờn cứu của luận ỏn và được chia chi tiết đến kiểu thạch học đặc trưng, gồm 7 loại đất sau:

1 Trầm tớch nguồn gốc sụng (aQ2

3

tb1): Sột, sột pha màu xỏm nõu, nõu vàng trạng thỏi dẻo cứng đến nửa cưng (ký hiệu là lớp 1) Chiều sõu phõn bố mặt lớp trung bỡnh khoảng 3,0m;

2 Trầm tớch nguồn gốc sụng - hồ - đầm lầy (albQ23

tb1): Sột, sột pha màu xỏm nõu, xỏm đen, trạng thỏi dẻo chảy, lẫn ớt hữu cơ (Lớp 2) Chiều sõu phõn

bố mặt lớp khoảng 15m, sõu nhất cú thể đạt 28m;

3 Trầm tớch nguồn gốc sụng (aQ23tb1): Cỏt hạt mịn màu xỏm đen, xỏm nõu

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 (lbQ21-2

hh1): Sét, sét pha màu xám đen lẫn hữu cơ, trạng thái dẻo chảy đến chảy (Lớp 5) Chiều sâu phân bố từ một vài mét đến trên 20m

6 Trầm tích nguồn gốc sông (aQ13vp2): Sét pha màu xám vàng, xám trắng, nâu đỏ loang lổ trạng thái dẻo cứng đến nửa cứng (Lớp 6) Chiều sâu và chiều dầy của lớp biến đổi mạnh từ một vài mét đến hàng chục mét

7 Trầm tích nguồn gốc sông (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, qp 2 và qp 1 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 đặc trưng Chỉ tiêu Giả thiết và mô hình tính toán

(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;

- 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

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

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

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 G max cho từng loại đất

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