Bài viết trình bày một giải pháp phân tích để xác định khả năng chịu lực dài hạn của móng băng có tính đến các giá trị khác nhau của hệ số áp lực đất khi nghỉ và sự giảm cố kết của đất. Kết quả là đạt được đường cong phụ thuộc khả năng chịu lực của móng dải theo thời gian, là cơ sở để kiểm soát kết quả thu được theo phương pháp phần tử hữu hạn.
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC nNgày nhận bài: 21/10/2021 nNgày sửa bài: 11/11/2021 nNgày chấp nhận đăng: 24/12/2021 Xác định sức chịu tải đất phương pháp số có xét đến tính lưu biến đất Determination of the long- term bearing capacity by analytical method taking into account rheological properties of soils > NGUYỄN HUY HIỆP1, ĐÀM HỮU HƯNG2 Viện Kỹ thuật cơng trình đặc biệt - Trường Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn Đại học xây dựng nghiên cứu quốc gia Matxcova - 26 đại lộ Yaroslavskoye- Matxcova- Liên bang Nga Email: huyhiepnguyen@lqdtu.edu.vn; hungdh1992@gmail.com TĨM TẮT: Hiện nay, việc tính tốn khả chịu lực theo tiêu chuẩn thiết kế móng nhà cơng trình 9362: 2012 Việt Nam thực dựa hình thành vùng dẻo chân móng với giả thiết hệ số áp lực đất điểm nghỉ K0 = khơng có đặc tính lưu biến đất Trên thực tế, hệ số áp lực đất trạng thái nghỉ K0 thay đổi với giá trị khác tùy thuộc vào trạng thái ứng suất ban đầu môi trường đất (đối với đất cố kết thường đất cố kết) trạng thái tới hạn phần tử đất chịu tải có liên quan đến đặc tính lưu biến đất gây thay đổi thông số cường độ theo thời gian Bài báo trình bày giải pháp phân tích để xác định khả chịu lực dài hạn móng băng có tính đến giá trị khác hệ số áp lực đất nghỉ giảm cố kết đất Kết đạt đường cong phụ thuộc khả chịu lực móng dải theo thời gian, sở để kiểm soát kết thu theo phương pháp phần tử hữu hạn Từ khóa: Sức chịu tải dài hạn; lưu biến, hệ số áp lực đất; đất cố kết thông thường; đất cố kết XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CÓ XÉT ĐẾN HỆ SỐ ÁP LỰC HÔNG 1.1 Đặt vấn đề Bài toán xác đinh sức chịu tải đất theo TCVN 9362 :2012 [1, 4, 5] xác định theo sơ đồ sau: Trên hình 1: hố móng băng có chiều rộng b=2a; chiều sâu hố móng d, tải hông q=γ.d; γ- trọng lượng riêng đất, p- ứng suất đáy móng Dựa theo lời giải Punzurevski sức chịu tải đất R xác định theo điều kiện phát triển vùng biến dạng dẻo zmax=b/4 Điều kiện biên toán hệ số áp lực hông K0=1 Trên thực tế, hệ số áp lực hơng đất nhỏ lớn 108 01.2022 ISSN 2734-9888 ABSTRACT: Nowadays, the calculation of bearing capacity according to Vietnamese specifications for design of foundations for buildings and structures 9362:2012 is carried out based on the formation of plastic zones under footings with the assumption of the coefficient of earth pressure at rest K0 =1 and the absence of rheological properties of soil In fact, the coefficient of earth pressure at rest K0 can vary with different values depending on the initial stress state of the soil medium (for normally consolidated and overconsolidated soils) and the critical state of loaded soil elements is in relevance to the rheological behaviour of soil caused by the changes of strength parameters over time The article demonstrates an analytical solution for determining the long-term bearing capacity of strip footing taking into account various values of the coefficient of earth pressure at rest and the decrease in soil cohesion As a result, a dependency curve of the bearing capacity of strip foundations on time is achieved, which is the basis of controlling the results gained by the finite element method Keywords: long-term bearing capacity, rheological properties, coefficient of earth pressure, normally-consolidated soil, overconsolidated soil Hình Sơ đồ toán xác định sức chịu tải đất dựa theo vùng biến dạng dẻo Tác giả dựa lời giải theo tài liệu [1, 4] cập nhật bổ sung, xây dựng công thức xác định sức chịu tải đất trọng trường hợp K0≠1 1.2 Xây dựng lý thuyết giải tích Xét sơ đồ tốn hình trường hợp K0≠1 *) Ứng suất trọng lượng thân đất (ở trạng thái nguyên sinh) theo phương x, y, z: (1) K0. xg yg là: khả mang tải công thức (13) tính theo phát triển vùng biến dạng dẻo Cịn phương pháp số: tính theo trạng thái cực hạn Để thu lời giải trạng thái ứng suất- biến dạng phương pháp giải tích tương đối khó khăn zg Ở trạng thái ban đất coi vật thể bán vô hạn nên ứng suất cắt ban đầu τzxg=τxzg=0 đó: (2) (d z ) zg *) Ứng suất tăng thêm đất tác dụng ứng suất đáy móng p [1]: (3) p d 2 sin2 sin2 2 2 xp p d 212 sin21sin22 2 p d xzp cos21cos22 2 zp (4) (5) *) Ứng suất tổng xác định sau: σx= σxg+ σxp σz= σzg+ σzp τxz= τxzg + τxzp *) Áp dụng điều kiện cân Mohr có: (6) (7) (8) (9) x z 4 2xz sin2 Hình Sức chịu tải đất theo giá trị K0 khác nhau, tính theo cơng thức (13) Hình Sơ đồ tốn xác định sức chịu tải đất phần mềm Plaxis 2D V 2021 x z 2c.tg Vùng biến dạng dẻo z hàm số phụ thuộc: (10) z f (1, , c, , , Ko , d ) Rút đước phương trình: x z (d z )(1 K0 ) 4 2xz sin 2c.tg (d z )(1 K ) z x (11) Biến đổi (11) phương trình sau: A( p d )2 B ( p d ) C Giải phương trình (12) nghiệm: * p1,2 d (12) B B AC 2A (13) đó: A 42 sin2 (12 )sin2 (12 )2 (14) B 2 sin 2 sin 21 ( d z )(1 K ) 2(1 ) sin (15) 2 C (d z )(1 K0 ) 2c.tg (d z )(1 K0 ) sin (16) 1.3 Thử nghiệm số Tính tốn số liệu phần mềm Mathcad xác định sức chịu tải đất z= zmax=b/4 Dữ liệu đầu vào toán sau: c=15T/m2; φ=0,262 rad; γ=1,96 T/m3; d=3m; b=4m Thông số xác định sức chịu tải đất khi: M mép móng tức α1=0 α2=arctg(b/z) Hiện nay, với trợ giúp phần máy tính, phần mềm thương mại như: Plaxis, Geostudio trợ giúp kỹ sư tính tốn tốn xác định sức chịu tải đất có kể đến hệ số áp lực hơng khác Mơ tốn phân tích trạng thái ứng suất biến dạng với đầu vào với số liệu tốn giải tích với ba trường hợp K0=0,5; 1; Điểm khác biệt lời giải giải tích phương pháp số Hình Sức chịu tải đất mơ phần mềm Plaxis theo giá trị K0 Kết hình rằng: với lời giải giải tích hệ số áp lực hơng có ảnh hưởng đến khả mang tải đất, giá trị K0 tăng sức chịu tải đất tăng Kết hình rằng: với kết mô phương pháp số phần mềm Plaxis 2D V2021 hệ số áp lực hơng tăng độ lún đất giảm, chứng minh khả chịu tải đất tăng theo hệ số áp lực hơng XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CĨ XÉT ĐẾN TÍNH LƯU BIẾN CỦA NỀN ĐẤT 2.1 Khái niệm chung lưu biến mẫu đất Tính chất lưu biến vật liệu biểu dạng: tính từ biến, tính chùng ứng suất độ bền lâu dài tác dụng lâu dài tải trọng Tính chất lưu biến đất dính khởi đầu nghiên cứu vào năm 1925 với K Terzaghi sau nhiều nhà khoa học phát triển thêm Pugiưrevxkii N.P., Gherxevanov N.M., Vialov X.X., Phlorin V.A., Tsưtovits N.A., Skempton A.W., Haefeli R., Bishop A.W., Các nghiên cứu tính chất lưu biến đất thường theo hai hướng [2, 3]: - Một nghiên cứu biến dạng cắt xuất khối đất để ISSN 2734-9888 01.2022 109 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC giải vấn đề thuộc ổn định lâu dài mái dốc, tường chắn, đập áp lực, tức vấn đề độ bền lâu - Hai nghiên cứu phát triển biến dạng thể tích khối đất theo thời gian gây trượt khung đất để giải vấn đề liên quan đến trình lún lâu dài đất tải trọng, tức trình từ biến Trong nội dung báo, tác giả trình bày phương pháp xác định lực dính kết theo thời gan, dựa vào độ bền lâu dài theo thời gian 2.2 Xác định lực dính kết mẫu đất theo thời gian dựa vào độ bền lâu dài Độ bền lâu dài vật liệu hiểu khả vật liệu chống lại phá huỷ tác dụng tải trọng tác dụng lâu dài Từ lâu quan sát thấy số cơng trình xây dựng bị phá hỏng sau thời gian dài sử dụng cho dù tải trọng tác dụng nhỏ độ bền xác định chịu tải ngắn hạn Điều xảy tác dụng tải trọng, đất chịu biến dạng từ biến tăng tiến với tốc độ tăng dần dẫn đến phá hoại (dòn dẻo) Khi thí nghiệm gia tải nhanh phá hoại vật liệu có tính từ biến, thu giá trị độ bền tức thời vật liệu Khi gia tải với tải trọng nhỏ độ bền tức thời vật liệu này, phá hoại không xảy mà phải qua khoảng thời gian định Tải trọng tác dụng nhỏ, thời gian cần thiết để phá hoại vật liệu dài tải trọng tác dụng đủ nhỏ để biến dạng từ biến tắt dần Quá trình giảm giá trị ứng suất phá hoại theo thời gian trình giảm độ bền Độ bền lâu dài vật liệu giá trị độ bền mà tác dụng lâu dài tải trọng có giá trị nhỏ chúng, vật liệu phát triển biến dạng từ biến theo dạng ổn định, tắt dần không dẫn tới phá hoại Giá trị độ bền lâu dài nhỏ độ bền xác định tức thời phụ thuộc vào thời gian xảy phá hoại Thời gian phá hoại lâu, giá trị độ bền lâu dài sai khác nhiều với độ bền tức thời ngược lại [2, 3] Đồ thị giảm độ bền vật liệu theo thời gian thu sở đường cong từ biến (Hình 5) Dựa vào họ đường cong từ biến - t (Hình 5a), xây dựng thí nghiệm mẫu đất tải trọng i (1 2 3 ), thời điểm mẫu đất bị phá hoại t1 (t1 t2 t3 ) xác định qua đường cong độ bền lâu dài thiết lập - t, đường cong biểu diễn mối quan hệ ứng suất phá hoại thời điểm phá hoại (Hình 5b) Trên đường cong độ bền lâu dài phân biệt giá trị độ bền: - Độ bền tức thời 0: giá trị độ bền lớn đường cong taị t=0, đặc trưng cho sức kháng phá hoại nhanh tức thời vật liệu; - Độ bền lâu dài (t): đặc trưng ứng suất gây phá hoại vật liệu thời điểm chịu tải bất kỳ, xác định tung độ đường cong độ bền lâu dài; - Độ bền lâu dài giới hạn : tương ứng với ứng suất, nhỏ giá trị này, biến dạng có đặc trưng tắt dần, khơng dẫn tới phá hoại thời điểm chịu tải lớn giá trị biến dạng từ biến có đặc trưng khơng tắt dần, dẫn tới phá hoại thời điểm xác định Đây tung độ tiệm cận ngang với đường cong độ bền lâu dài Lịch sử cố cơng trình nhiều lần ghi lại nhiều cơng trình bị hư hỏng xác định có nguyên nhân giảm độ bền theo thời gian khai thác sử dụng Một số ví dụ sau chứng tỏ điều này: loạt mái dốc mương đào đất sét nguồn gốc băng hà London bị ổn định trượt sau 13-54 năm khai thác Thiết kế tính tốn sở số liệu thí nghiệm phịng nén ba trục xác định độ bền đất cho hệ số ổn định trượt bờ dốc khoảng 1,18-1,35 Bằng phép tính ngược với giả thiết hệ số ổn định mái dốc bị trượt độ bền đất bị giảm giảm lực dính cịn góc ma sát giữ ngun khơng thay đổi, Henkel Đ phát thấy, thời điểm hư hỏng, lực dính giảm tới 65-35% tương ứng với 13-54 năm sử dụng Rõ ràng độ bền 110 01.2022 ISSN 2734-9888 đất bị giảm mạnh theo thời gian dẫn tới mái dốc bị ổn định Hình Đường cong từ biến (a) đường cong độ bền lâu dài (b) Theo số liệu quan trắc, phép tính ngược, Skempton xác định giá trị thành phần ứng suất pháp , ứng suất cắt hữu hiệu tác dụng mặt phẳng trượt thời điểm cố Sucle kết hợp với kết thí nghiệm phịng xác định sức kháng cắt tức thời quan trắc góc dốc mái dốc tự nhiên ổn định phân tích tính tốn giảm sức kháng cắt đất tạo mái dốc theo thời gian Kết thu được, độ bền lâu dài giới hạn giảm mạnh theo thời gian 0,35 giá trị độ bền tức thời xác định phịng thí nghiệm ( /0 = 0,35) Kasagrande A Winson S từ năm 1951 phát thấy tượng mẫu đất bị phá hoại tải trọng 80-40% (có 25%) độ bền tức thời với thời gian tới phá hoại đến 30 ngày qua ông tìm thấy nguyên nhân gây cố trượt hỏng bờ kênh dẫn nước khu vực Pannam (Mỹ) sau vài năm sử dụng tính tốn thiết kế không kể đến giảm độ bền theo thời gian Hai phương pháp thí nghiệm áp dụng phương pháp cắt trực tiếp với tác dụng đồng thời áp lực nén, cắt phương pháp nén trục nở hơng với vịng ứng biến Quy trình cụ thể sau (trong trường hợp góc ma sát đất φ=0): - Phương pháp cắt trực tiếp: với phương pháp này, cần tổ mẫu thí nghiệm, tổ gồm mẫu Đối với tổ mẫu, áp lực nén có giá trị áp lực cắt phải lựa chọn tác dụng cho mẫu bị cắt phá hoại thời gian khác Quy trình cắt lựa chọn cắt ứng biến, khơng cố kết Mẫu thí nghiệm với đường kính 63 mm, chiều cao 20 mm Cấp tải nén thẳng đứng lựa chọn là: 0,5 -1,0 -1,5 kG/cm2 Lực cắt tác dụng với tốc độ biến dạng cắt không đổi cho mẫu cắt cắt phá hoại thời gian khác [2] Hình Đường biểu diễn quan hệ lực cắt τ- thời gian, tải trọng nén thẳng đứng σ1=0,5 kG/cm2 Hình Đường biểu diễn quan hệ lực cắt τ- thời gian, tải trọng nén thẳng đứng σ2=1 kG/cm2 Hình Đường biểu diễn quan hệ lực cắt τ- thời gian, tải trọng nén thẳng đứng σ3=1,5 kG/cm2 Lực dính kết c xác định theo cơng thức sau [1, 4]: c= n n n n 1 1 τi σi2 - σi τiσi (17) n n nσi2 - σi Dựa vào cấp tải xác định độ bền lâu dài hình 6,7,8 [2]: σ1=0,5 kG/cm2; 1(t) = -0,0055lnt + 0,1349 (18) (19) σ2=1 kG/cm2; 2(t) = -0,0062lnt + 0,1424 σ3=1,5 kG/cm2; 3(t) =-0,0056lnt + 0,142 (20) Thay (18), (19) (20) vào (17) Lực dính kết c xác định theo độ bền lâu đất: c(t)= 3 3 1 1 τi (t)σi2 - σi τi(t) σi (21) 3σi2 - σi Theo kết thí nghiệm có đồ thị xác định lực kết theo thời gian với trợ giúp phần mềm Mathcad: 0.16 0.14 c(t) c( t1) 0.12 (kG/cm2) 0.1 0.08 1000 2000 3000 4000 5000 t1 t (phút) Hình Đồ thi lực dính kết theo thời gian, tính theo độ bền lâu dài đất theo phương trình (21) Trong trường hợp này, việc gia tải không chờ cố kết gia tải theo tốc độ biến dạng coi phương pháp xác định độ bền lâu phương pháp thí nghiệm “nhanh” nên coi phi khơng đổi Bằng phương pháp tương tự, thiết lập quy luật xác định góc ma sát đất thay đổi theo thời gian, có xét đến tính lưu biến đất Độ bền lâu dài nhỏ xác định theo quy luật loga: (22) ∞ /ln(tp/T) đó: β, tp, T hệ số theo kết thí nghiệm [2] Xử lý kết thí nghiệm theo cơng thức (22) (phương pháp bình phương cực tiểu) giá trị β T theo trường hợp cấp tải nén thẳng đứng: σ1=0,5 kG/cm2 , β=2,2828, T=1355,64 σ1=1 kG/cm2 , β=2,2811, T=1470,56 σ1=1,5 kG/cm2 , β=2,4168, T=1269,72 Độ bền lâu dài nhỏ theo bảng [2]: Bảng 1: Các thông số độ bền lâu (Theo phương pháp cắt trực tiếp) Độ bền lâu, , kG/cm2 Tải trọng Tổ mẫu nén, kG/cm Các giá trị Trung bình 0,0700 0,5 0,0690 0,0681 0,0701 1,0 0,0692 0,0683 0.0740 1,5 0,0732 0,0725 Từ đồ thị hình bảng 1: xác định lực dính ban đầu c0=0,14 kG/cm2 lực dính nhỏ (cuối cùng) c∞=0,066 kG/cm2 (tính theo cơng thức 21) 2.3 Chỉ dẫn mơ sức chịu tải đất phương pháp số có xét tính đến lưu biến đất Khi tính tốn sức chịu tải đất có xét tính đến lưu biến đất phương pháp số thiết lập tham số lực dính kết thời điểm lớp đất [6], q trình tính tốn sức chịu tải đất thay lớp đất tương ứng với thời lực dính kết tương ứng Tính tốn mơ số với giá trị lực dính ban đầu c0=0,14 kG/cm2 lực dính cuối c∞=0,066 kG/cm2 cho thấy kết chênh lần Do đó, tính tốn ổn định nền, đặc biệt móng gần mái dốc cần tính tốn kể đến tham số lưu biến mẫu đất KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ Hệ số áp lực hơng tính lưu biến đất có ảnh hưởng đáng kể đến sức chịu tải đất Trong nội dung báo, xây dựng công thức giải tích (13) xác định sức chịu tải đất theo hệ số áp lực hông K0 Giả thiết vùng biến dạng dẻo xảy bên mép móng: α1=0 α2=arctg(b/z) khơng hồn tồn giống với thực tế, cần nghiên cứu thêm trường hợp khác để bổ sung hồn thiện phương pháp tính Hiện có nhiều phần mềm địa kỹ thuật: Plaxis, Geostudio, Itasca Flac…được dùng để xác định sức chịu tải đất với điều kiện biên phức tạp có giá trị K0 thay đổi Để xác định sức chịu tải đất cần tiến hành thí nghiệm trường để xác định giá trị K0 Mặt khác, để phòng ngừa cố cơng trình, cần hiểu rõ q trình lưu biến đất Khi tính tốn sức chịu tải đất cần nghiên cứu độ bền lâu dài Từ kết thí nghiệm tài liệu [2], cơng thức (21) xác định lực dính kết theo thời gian lực dính kết cuối (giá trị nhỏ nhất), làm sở tính tốn ổn định cơng trình có xét đến q trình lưu biến đất Kết rằng, lực dính kết cuối mẫu đất giảm tới 47 % Cần tiến hành nghiên cứu thí nghiệm xác định tham số mẫu đất thí nghiệm nén ba trục với giá trị K0 khác nhau, từ làm sở xác định xác thời điểm xảy cố cơng trình tìm biện pháp phịng ngừa cố Lời cảm ơn: báo hoàn thành với hỗ trợ đề tài cấp Tổng cục Hậu cần mã số TCHC.2021.01 TÀI LIỆU THAM KHẢO Châu Ngọc Ẩn, 2010, Cơ học đất, NXB ĐHQG.TP HCM Đoàn Thế Tường, 2006, Báo cáo đề tài cấp Bộ Xây dựng “Nghiên cứu tính chất từ biến độ bền lâu đất ”, Mã số RD 97-16 Vialov X.X, 1978, Cơ sở lưu biến học đất, nhà xuất “высшая школа” Moxkva Xư-tô-vich, 1987, Cơ học đất, Bản dịch, Nhà xuất Nông nghiệp- Hà nội TCVN 9362:2012 Tiêu chuẩn thiết kế nhà cơng trình Manuals Plaxis 2D V 2021 ISSN 2734-9888 01.2022 111 ... chịu tải đất tăng theo hệ số áp lực hông XÁC ĐỊNH SỨC CHỊU TẢI CĨ XÉT ĐẾN TÍNH LƯU BIẾN CỦA NỀN ĐẤT 2.1 Khái niệm chung lưu biến mẫu đất Tính chất lưu biến vật liệu biểu dạng: tính từ biến, tính. .. đất Khi tính tốn sức chịu tải đất có xét tính đến lưu biến đất phương pháp số thiết lập tham số lực dính kết thời điểm lớp đất [6], q trình tính tốn sức chịu tải đất thay lớp đất tương ứng với... tham số lưu biến mẫu đất KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ Hệ số áp lực hơng tính lưu biến đất có ảnh hưởng đáng kể đến sức chịu tải đất Trong nội dung báo, xây dựng cơng thức giải tích (13) xác định sức chịu