Kết quả mô hình hoá đặc trưng thí nghiệm cắt mẫu đất với độ ẩm không đổi trên máy nén 3 trục bằng mô hình đàn - dẻo. TS Trịnh Minh Thụ

Kết mô hình hoá đặc trưng thí nghiệm cắt mẫu đất với độ ẩm không đổi máy nén trục mô hình đàn - dẻo TS TrÞnh Minh Thơ ĐHTL Tóm tắt: Bài báo trình bày kết tính tốn thí nghiệm cắt với độ ẩm không đổi mẫu sét pha đầm nén dung trọng khô lớn độ ẩm tốt Lý thuyết mơ hình hố kết thí nghiệm mẫu đất khơng bão hồ cắt máy nén ba trục với độ ẩm không đổi dựa lý thuyết đàn dẻo với việc kết hợp đường cong đặc trưng đất - nước Cường độ chống cắt, áp lực nước lỗ rỗng dư biến thiên thể tích q trình thí nghiệm cắt mẫu đất tính tốn từ mơ hình đàn dẻo đề xuất Thụ (2006) Kết so sánh tính tốn từ mơ hình đàn dẻo cho đất khơng bão hồ sát với kết thí nghiệm cắt mẫu đất máy nén ba trục Từ khố: Độ hút dính, mặt chảy, đường cong đặc trưng đất ­ nước, mơ hình đàn dẻo, đất khơng bão hồ, thí nghiệm nén trục với độ ẩm khơng đổi I Giới thiệu Đã có nhiều nhà nghiên cứu dùng mơ hình đàn ­ dẻo để dự đốn đặc trưng đất khơng bão hồ q trình cắt Nhiều mơ hình dự đốn đặc trưng đất khơng bão hồ kiến nghị Alonso nnk (1990), Gen Alonso (1992); Thomas He (1994); Wheeler Sivakumar (1995); Cui Delage (1996); Wheeler (1996); Bolzon nnk (1996); Rampino nnk (1999); Simoni Schrefler (2001); Tang Graham (2002); Chiu Ng (2003) Các mơ hình xây dựng dựa biến trạng thái độc lập Phương pháp xây dựng phát triển mơ hình cho đất khơng bão hồ mở rộng từ mơ hình tính cho đất trạng thái bão hoà (Alonso nnk 1990; Thomas He 1994; Wheeler Sivakumar 1995; Cui Delage 1996; Wheeler 1996; Bolzon nnk 1996; Simoni Schrefler 2001) Tuy nhiên mô hình khác chỗ sử dụng giả thiết quan hệ khác Trong chục năm qua, nhiều tác giả nghiên cứu vai trị độ hút dính hay độ bão hồ đặc tính đất khơng bão hồ Ảnh hưởng độ hút dính đến cường độ chống cắt, biến thiên thể tích áp lực nước lỗ rỗng dư 102 nhiều tác giả nghiên cứu (Bishop Donald 1961; Fredlund Morgenstern 1977; Fredlund nnk 1978; Alonso nnk 1987; Fredlund Rahardjo 1993; Wheeler Karube 1995; Graham nnk 1995; Delage Graham 1995; Wheeler 1996; Cui Delage 1996; Wheeler Sivakumar 1993; Rampino nnk 1999,Tang Graham 2002; Chiu Ng 2003) Mục tiêu báo tính tốn cường độ chống cắt, áp lực nước lỗ rỗng dư biến thiên thể tích đất khơng bão hồ thí nghiệm cắt máy nén ba trục dựa mơ hình đàn dẻo đất cho đất khơng bão hồ với việc kết hợp đường cong đặc trưng đất nước Các kết tính tốn từ mơ hình so sánh với kết thí nghiệm cắt máy nén trục II Cơ sở lý thuyết mơ hình đàn dẻo cho đất khơng bão hồ Đặc trưng đất khơng bão hồ mơ tả việc dùng thơng số trạng thái, là: ứng suất thực trung bình, p, ứng suất lệch, q, độ hút dính, s, thể tích riêng, v thể tích riêng nước, vw định nghĩa sau:    2 r  (1) p a   ua   q  a r (2) s  ua  uw (3) (4) (5) v  1 e vw   Se Trong đó: p = ứng suất thực trung bình, = ứng suất tổng dọc trục a, r buồng tương ứng, ua = áp lực khí lỗ rỗng, q = ứng suất lệch, s = độ hút dính đất, uw = áp lực nước lỗ rống, v = thể tích riêng, e = hệ số rỗng, vw = thể tích riêng nước, S = độ bão hồ Lý thuyết chi tiết mơ hình đàn dẻo đất khơng bão hồ kết hợp với đường cong đặc trưng đất nước trình bày Thụ (2006) III Chuẩn bị mẫu tiến hành thí nghiệm mẫu máy nén trục Các mẫu đất thí nghiệm đầm nén tĩnh dung trọng khô lớn 1.35 Mg / m độ ẩm tốt 22% Mẫu đất đầm nén tĩnh từ 10 lớp đất mỏng lớp dày 10mm Chiều cao đường kính mẫu tương ứng 100mm 50mm Quy trình đầm nén mẫu đất thí nghiệm trình bày Thụ (2008) Thí nghiệm cắt mẫu đất với độ ẩm khơng đổi Thí nghiệm cắt mẫu đất khơng bão hồ tiến hành máy nén trục cải tiến Thiết bị thí nghiệm nén trục cải tiến mơ tả Fredlund Rahardjo (1993) Thiết bị cho phép khống chế áp lực khí nước lỗ rỗng sử dụng kỹ thuật chuyển trục Giai đoạn bão hoà mẫu Tất mẫu đất bão hoà nhằm đưa mẫu đất đồng độ ẩm độ bão hồ Q trình bão hoà tiến hành áp lực ngược với áp lực buồng  r , áp lực nước lỗ rỗng, uw , đến hệ số áp lực nước lỗ rỗng đạt giá trị gần Mẫu đất coi bão hoà hoàn toàn hệ số áp lực nước lỗ rỗng đạt giá trị lớn 0,97 Q trình bão hồ cho mẫu đất thí nghiệm thường kéo dài khoảng ngày Quá trình cố kết tạo độ hút dính mẫu Trong q trình cố kết, mẫu đất cố kết áp lực hông thực  r  uw  Lượng nước thoát từ mẫu đất trình cố kết đo thiết bị số tự động điều khiển áp lực thể tích (digital pressure and volume controller­DPVC) Q trình cố kết coi kết thúc nước mẫu khơng q trình tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng dư kết thúc Thời gian để trình cố kết kéo dài khoảng 1giờ Khi q trình cố kết hồn thành, giai đoạn tạo độ hút dính mẫu bắt đầu tiến hành Để tạo nên độ hút dính mẫu, đường áp lực nước nối vào mũ đầu mẫu ngắt thay vào đường áp lực khí Đường áp lực nước nối với buồng nhỏ chứa nước đáy mẫu Như trình tạo độ hút dính, mẫu đất cố kết áp lực hông thực  r  ua  độ hút dính  ua  uw  Lượng nước từ mẫu q trình cân độ hút dính ghi lại thiết bị DPVC Q trình cân độ hút dính mẫu coi kết thúc lượng nước thoát khơng Thời gian cho q trình cân độ hút dính thường kéo dài khoảng đến ngày Tốc độ cắt điều kiện kết thúc q trình cắt Trong thí nghiệm cắt, dùng tốc độ gia tải dọc trục 0,009mm/phút Quá trình cắt kết thúc độ lệch ứng suất q  ( a   r ) vượt qua điểm đỉnh đạt giá trị không đổi mặt phá hoại mẫu quan sát rõ ràng hay biến dạng dọc trục lớn 20% Cắt với độ ẩm không đổi Trong sơ đồ thí nghiệm mẫu cắt điều kiện pha khí tự do, khơng cho pha nước ngồi Trường hợp này, van áp lực khí mở gữi giá 103 Muđt  s  (s) N(s) pc (kPa) ISC - 0.063 0.027 2.100 22 ISC - 50 0.057 0.024 2.090 72 ISC - 100 0.047 0.015 2.075 160 ISC - 150 0.043 0.013 2.070 210 ISC - 200 0.040 0.011 2.067 235 Bảng Bảng tổng hợp thông số trạng thái tới hạn đất từ thí nghiệm cắt với độ ẩm khơng đổi áp lực buồng áp lực hút dính khác 104 ( s ) Đ hút dính m ( s)  (s) s s (kPa) -ps (kPa) (kPa) 2.018 0.0 0.113 0.013 0.002 0.0 80 1.981 66.7 0.074 0.013 0.002 49.6 115 1.970 75.1 0.064 0.013 0.002 57.6 150 1.964 83.6 0.059 0.013 0.002 64.9 245 1.948 99.6 0.047 0.013 0.002 77.1 Ung suat lech, q (kPa) Sự so sánh kết tính tốn từ mơ hình kiến nghị kết thí nghiệm cắt mẫu trực tiếp tiến hành mẫu CW250­100 CW350­100 Trong phần mẫu ký hiệu CWx­y nghĩa là: x giá trị áp lực buồng thực trình cắt y độ hút dính ban đầu mẫu Hình trình bày so sánh đường cường độ chống cắt đất trình cắt với độ ẩm không đổi từ kết thí nghiệm kết đường tính từ lý thuyết đàn dẻo tương ứng cho mẫu CW250­100 CW350­ 100 Kết dự đốn từ mơ hình tính tốn từ lý thuyết đàn dẻo Thu, 2006 gần với kết từ thí nghiệm nén ba trục 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 Kq thi nghiem Kq tinh tu mo hinh 10 15 20 25 30 Bien dang doc truc, y (%) Hình So sánh kết tính tốn từ mơ hình lý thuyết đàn dẻo kết thí nghiệm mẫu quan hệ ứng suất lệch biến dạng dọc trục cho mẫu đất CW250­100 Ung suat lech, q (kPa) trị định van pha nước đóng lại Trong q trình cắt, áp lực khí, ua, gữi giá trị với áp lực khí giai đoạn tạo cân độ hút dính Áp lực nước lỗ rỗng uw, tăng lên hay giảm phụ thuộc vào tăng hay giảm thể tích mẫu đất q trình cắt Hay nói cách khác độ hút dính mẫu biến đổi q trình cắt Chi tiết quy trình thí nghiệm kết thí nghiệm trình bày Thu (2007) IV Kết tính tốn từ mơ hình so sánh với kết thí nghiệm Mơ hình đàn dẻo cho đất khơng bão hồ với kết hợp đường cong đặc trưng đất nước kiến nghị Thụ (2006) dùng để dự đoán cường độ chống cắt, biến thiên áp lực nước lỗ rỗng biến thiên thể tích q trình cắt điều kiện độ ẩm khơng thay đổi Việc tính tốn cường độ kháng cắt, biến thiên áp lực nước lỗ rỗng biến dạng thể tích q trình cắt với độ ẩm khơng đổi mơ hình lý thuyết đàn dẻo tiến hành bảng tính excel Các số ban đầu dùng tính tốn mơ hình đàn dẻo trình bày bảng Lý thuyết phương trình dùng để tính tốn cường độ chống cắt, biến thiên áp lực nước lỗ rỗng biến thiên thể tích trình bày Thu (2006) Sự biến thiên tham số mơ hình đàn dẻo ứng với cấp áp lực hút dính trình Thụ (2008) Bảng Bảng tổng hợp thông số ban đầu cuả mẫu đất từ kết thí nghiệm cố kết đẳng hướng máy nén trục 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 Kq thi nghiem Kq tinh tu mo hinh 10 15 20 Bien dang doc truc, y (%) 25 30 120 100 80 60 40 20 10 15 20 25 30 Bien dang doc truc, y (%) Ap luc nuoc lo rong, uw (kPa) Hình So sánh kết tính tốn từ mơ hình kết thí nghiệm thay đổi áp lực nước lỗ rỗng trình cắt mẫu đất CW250­100 máy nén trục 120 80 Bien dang the tich, v (%) Kq thi nghiem Kq tinh tu mo hinh ­5 ­10 10 15 20 25 30 Bien dang doc truc, y (%) 10 Kq thi nghiem Kq tinh tu mo hinh ­5 ­10 10 15 20 25 30 Bien dang doc truc, y (%) Hình So sánh kết tính tốn từ mơ hình kết thí nghiệm biến dạng thể tích mẫu đất CW350­100 q trình cắt máy nén trục Kq thi nghiem Kq tinh tu mo hinh 100 10 Hình So sánh kết tính tốn từ mơ hình kết thí nghiệm biến dạng thể tích mẫu đất CW250­100 trình cắt máy nén trục Kq thi nghiem Kq tinh tu mo hinh trình cắt mẫu đất điều kiện cắt với độ ẩm không đổi tương ứng cho mẫu đất CW250­100 CW350­100 Kết từ hình vẽ cho thấy phù hợp kết tính tốn kết thí nghiệm từ mẫu cắt máy nén trục Bien dang the tich, v (%) Ap luc nuoc lo rong, uw (kPa) Hình So sánh kết tính tốn từ mơ hình lý thuyết đàn dẻo kết thí nghiệm mẫu quan hệ ứng suất lệch biến dạng dọc trục cho mẫu đất CW350­100 Hình trình bày so sánh kết tính tốn kết thí nghiệm biến thiên áp lực nước lỗ rỗng trình cắt máy nén trục điều kiện độ ẩm không đổi tương ứng cho mẫu đất CW250­100 CW350­100 Kết tính tốn thay đổi áp lực nước lỗ rỗng q trình cắt sử dụng mơ hình lý thuyết đàn dẻo kiến nghị Thu (2006) phù hợp với kết đo từ thí nghiệm nén mẫu đất máy nén trục 60 40 20 0 10 15 20 25 30 Bien dang doc truc, y (%) Hình So sánh kết tính tốn từ mơ hình kết thí nghiệm thay đổi áp lực nước lỗ rỗng trình cắt mẫu đất CW350­100 máy nén trục Hình trình bày so sánh kết tính tốn từ mơ hình lý thuyết đàn dẻo kết thí nghiệm biến dạng thể tích V Kết luận ­ Các kết từ nghiên cứu cho thấy phù hợp kết tính tốn từ mơ hình lý thuyết đàn dẻo kết thí nghiệm cường độ chống cắt, biến thiên áp lực nước lỗ rống biến thiên thể tích điều kiện cắt với độ ẩm không đổi ­ Từ kết nghiên cứu cho thấy hồn tồn dùng lý thuyết đàn dẻo đất bão hoà nước để phát triển cho mơ hình tính tốn 105 cho đất khơng bão hồ ­ Mơ hình lý thuyết đàn dẻo nghiên cứu kết hợp với đường cong đặc trưng đất nước phương pháp thí nghiệm độ ẩm khơng đổi góp phần mở rộng lý thuyết học đất khơng bão hồ Đồng thời q trình tính mơ hình xét đến biến thiên góc dốc nhánh dỡ tải độ hút dính thay đổi mà mơ hình trước chưa xét tới ­ Kết hợp với thuyết Mohr­Coulomb, dùng mơ hình lý thuyết đàn dẻo để tính toán cường độ chống cắt, biến thiên áp lực nước lỗ rỗng biến thiên thể tích q trình cắt mẫu đất với độ ẩm không đổi máy nén trục References Alonso, E E., Gens, A and Josa, A 1990 A constitutive model for partially saturated soils Geotechnique, 40: 405­430 Alonso, E E., Gens, A and Hight, D.W A 1987 Special problem soils In Proceedings of the 9th European Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Dublin, Vol 3, pp.1087­1146 Bishop, A.W and Donald, LB (1961), “The Experimental Study of Partly Saturated Soil in the Triaxial Apparatus”, In Proceedings of 5th International Conference of Soil Mechanics Foundation Engineering, France, Vol 01, pp 13­21 Bolzon, G., Schrefler, B.A and Zienkiewicz, O.C 1996 Elasto­plastic soil constitutive laws generalized to partially saturated states Geotechnique 46: 279­289 Chiu, C F and Ng, C W W 2003 A state­dependent elasto­plastic model for saturated and unsaturated soils Geotechnique 53: 809­829 Cui, Y J., and Delage, P 1996 Yielding and plastic behaviour of unsaturated compacted silt Geotechnique 46 (2): 291­311 Delage, P., and Graham, J 1995 Understanding the behaviour of unsaturated soils requires reliable conceptual models State­of­art report, section 1, soil properties In Proceedings of the 1st International Conference on Unsaturated Soils, Paris Edited by E.E Alonso and P Delage A.A Balkema, Rotterdam, Vol.3, pp 1223­1256 Fredlund, D.G and Morgenstern, N.R 1977 Stress state variables for unsaturated soils Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE., 103 (GT5): 447­466 Fredlund, D.G., Morgenstern, N.R., and Widger, R.A 1978 The shear strength of unsaturated soils Canadian Geotechnical Journal 15: 313­321 Fredlund, D.G and Rahardjo, H 1993 Soil Mechanics for Unsaturated Soils John Wiley and Sons Inc., New York Graham, J., Wiebe, B., Tang, X., and Onofrei, C 1995 Strength and stiffness of unsaturated sand­bentonite “buffer” In Proceedings of the 1st International Conference on Unsaturated Soils, Paris Edited by E.E Alonso and P Delage A.A Balkema, Rotterdam, pp 89­94 Rampino, C., Macuso, C., and Vinale, F 1999 Mechanical behavior of an unsaturated dynamically compacted silty sand Italian Geotechnical Journal, 33(2): 26­39 Simoni, L and Schrefler, B.A 2001 Parameter identification for a suction­dependent plasticity model International Journal of Numerical and Analysis in Mechanics and Geomechanic, 25: 273­ 288 Tang, G.X and Graham, J 2002 A possible elasto­plastic framework for unsaturated soils with high­plasticity Canadian Geotechnical Journal, 39: 894­907 Thomas, H R and He, Y 1994 Analysis of couple heat and moisture and air transfer in a deformable unsaturated soil Geotechnique 44, (5): 677­689 106 Thụ, T.M 2006 Mơ hình đàn dẻo cho đất khơng bão hồ Tạp chí Địa kỹ thuật, số 3­2006, trang: 8­14 Thụ, T.M 2008 Nghiên cứu đặc trưng trạng thái tới hạn đất khơng bão hồ Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thuỷ lợi Môi trường số 22 tháng năm 2008, trang 93­98 Wheeler, S J 1996 Inclusion of specific water volume within an elasto­plastic model for unsaturated soil Canadian Geotechnical Journal, 33: 42­57 Wheeler, S J and Karube, D 1995 State of the art report: Constitutive modeling In Proceedings of the 1st International Conference on Unsaturated Soils, Paris, France, Vol.3, pp 1323­1356 Wheeler, S J and Sivakumar, V 1993 Development and application of a critical state model for unsaturated soil Predictive soil mechanics Thomas Telford, London Wheeler, S J and Sivakumar, V 1995 An elasto­plastic critical state framework for unsaturated soil Geotechnique, 45: 35­53 Abstract: SIMULATION OF THE CONSTANT WATER CONTENT TRIAXIAL SHEARING TESTS USING ELASTO-PLASTIC MODEL This paper presents the simulation results of the triaxial tests under the CW condition on compacted silt specimens at the maximum dry density and optimum water content The theoretical framework for simulating of the triaxial tests under the CW condition was based on the elasto­ plastic model with the incorporation of soil­water characteristic curve (SWCC) The shear strength, excess pore­water pressure and volume change during shearing under the constant water content conditions were simulated using the proposed elasto­plastic model The simulation results show the good agreement between the simulated using proposed equations and the experimental results Keywords: Matric suction, yield surface, soil-water characteristic curve, elasto-plastic model, unsaturated soil, constant water content triaxial tests 107