Luận văn thạc sỹ NGHIÊN CỨU VÀ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG ĐỘNG CỦA ĐẤT PHỤC VỤ CHO VIỆC THIẾT KẾ CÁC CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI ĐỘNG

Phần đầu của Luận văn sẽ đi vào nghiên cứu tìm hiểu về việc lan truyền động trong đất với các thông số động và các thí nghiệm mà hiện nay trên thế giới đang dùng để xác định các thông số này. Phần này chỉ mang tính tìm hiểu lý thuyết là chính.Phần tiếp theo sẽ đi vào thí nghiệm xác định các thông số động có thể được bằng các thiết bị thí nghiệm trong phòng. Thiết bị thí nghiệm cụ thể là máy cắt trực tiếp và máy nén 3 trục và các thông số thí nghiệm được chủ yếu là E và G. Mẫu đất dùng làm thí nghiệm trong đề tài là đất cát và đất sét yếu ở thành phố Hồ Chí Minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2003

LỜI CẢM ƠN

Hơn 2 năm trôi qua, là khoảng thời gian đủ dài mà em đãtheo học cao học ngành Công trình trên đất yếu tại Trường Đại họcBách Khoa thành phố Hồ Chí Minh Hôm nay, em đã kết thúc tấtcả các môn và hoàn thành Luân văn Thạc sĩ này là phần lớn nhờsự giảng dạy và hướng dẫn nhiệt tình và đầy lương tâm tráchnhiệm của các Thầy Cô phụ trách môn học của Ngành Cuối cùng

em đã hoàn thành Luận văn Thạc sĩ với đề tài: Nghiên cứu và Thí

nghiệm xác định các đặc trưng động của đất phục vụ cho việc thiết kế các công trình chịu tải động Luận văn này sự tổng kết các kiến thức

đã học và sự nổ lực của bản thân trong việc nghiên cứu một đề tàikhoa tương đối mới đồng thời cũng là nền tảng để em em nghiêncứu tiếp sau này

Với tấm lòng một Kỹ sư và Học viên cao học sắp thành Thạc sĩ, emxin được gởi lời nói của mình:

 Sự kính trọng, và cảm ơn sâu sắc đến Thầy CHÂU NGỌC ẨN vàThầy VÕ PHÁN đã hướng em làm đề tài trong suốt 7 tháng qua.Sự hướng dẫn nhiệt tình và rất chuẩn mực của hai Thầy đã mởû

ra và tạo cho em hướng đi mới trong việc tìm tòi và nghiên cứumột vấn đề khoa học Không chỉ thế, hai Thầy còn không ngừngdẫn dắt em trong công tác chuyên môn ở Trường

 Sự kính trọng và biết ơn cao cả đến Thầy LÊ BÁ LƯƠNG, chủnhiêm ngành Công trình trên đất yếu, dã truyền đạt hết kiếnthức của người cho chúng em trong tất cả các môn học Thầy phụtrách Đồng thời cảm ơn Thầy đã tham gia chấm phản biện cho

em Luận văn Thạc sĩ này

 Sự kính trọng và biết ơn cao cả đến Thầy NGUYỄN VĂN THƠ đãnhiệt tình truyền đạt cho chúng em kiến thức của người trongcác môn học Thầy phụ trách Đồng thời cảm ơn Thầy đã thamgia chấm phản biện cho em Luận văn Thạc sĩ này

 Cảm ơn Bộ môn Địa cơ Nền-Móng, quý Thầy Cô và các bạn đồngnghiệp trong Bộ môn cũng như trong Khoa Kỹ thuật Xây dựng đãtạo mọi điều kiện để em hoàn thành tốt Luận văn Thạc sĩ này

 Cảm ơn Phòng Đào tạo sau Đại học và Trường Đại học BáchKhoa đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn tất khoá họcnày

 Và cuối cùng niềm động viên tinh thần lớn nhất để tôihoàn thành tốt Luận văn Thạc sĩ này là gia đình, đặc biệt là BaMẹ, đã không ngại khó khăn nuôi dưỡng và luôn hy vọng kết

quả thành tích học tập ở tôi Con xin chân thành cảm ơn BaMẹ, gia đình đã giúp đở con hoàn thành khóa học, và Luận vănThạc sĩ này là món quà cao quí nhất mà con xin tặng cho giađình.

Với khả năng và sự hiểu biết của tôi hiện tại chắc chắn sẽkhông tránh được những sai lầm nhất định xin quý Thầy và độc giảbỏ qua và chỉ dẫn cho tôi trong việc hoàn thiện hơn nữa vốn kiếnthức của mình

Trân trọng kính chào!

Lê Trọng Nghĩa

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

TÊN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU VÀ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG ĐỘNG CỦA ĐẤT PHỤC VỤ CHO VIỆC THIẾT KẾ CÁC CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI ĐỘNG

TÓM TẮT

Trong điều kiện Việt Nam hiện nay, việc tính toán các công trìnhxét đến tính chịu tải động của đất nền bên dưới là rất ít Nó chỉ đượcquan tâm chỉ ở các công trình mang tính quan trọng như nhà máy nănglượng hạt nhân, nhà máy điện,…một phần là do các thiết bị thí nghiệmđể xác định các thông số động còn chưa phổ biến, và các đề tài nghiêncứu về đất chịu tải động còn ít Do đó mục đích của đề tài là đi vàonghiên cứu xác định các thông số cần thiết để tính toán nền chịu các tảiđộng

Phần đầu của Luận văn sẽ đi vào nghiên cứu tìm hiểu về việc lantruyền động trong đất vớiø các thông số động và các thí nghiệm mà hiệnnay trên thế giới đang dùng để xác định các thông số này Phần này chỉmang tính tìm hiểu lý thuyết là chính

Phần tiếp theo sẽ đi vào thí nghiệm xác định các thông số độngcó thể được bằng các thiết bị thí nghiệm trong phòng Thiết bị thínghiệm cụ thể là máy cắt trực tiếp và máy nén 3 trục và các thông sốthí nghiệm được chủ yếu là E và G Mẫu đất dùng làm thí nghiệm trongđề tài là đất cát và đất sét yếu ở thành phố Hồ Chí Minh

Trong phần kết luận của luận văn sẽ đưa ra các nhận xét về việclựa chọn thí nghiệm động và phân tích các thông số thu được từ các thínghiệm Ngoài ra tác giả cũng đưa ra các mặt hạn chế của các thínghiệm và hướng nghiên cứu tiếp Đề tài chỉ mang tính chất lý thuyết vàcác thí nghiệm chỉ mang tính chất nền tảng cho việc nghiên cứu tiếp saunày

SUMMARY OF THESIS

THEME OF THESIS

STUDY AND DETERMINE THE COEFFICIENTS OF SOIL DYNAMIC

TO APPLY FOR COMPUTING THE WORKS UNDER DYNAMIC LOADING

ABSTRACT

In Vietnam condition, it is unusual to consider to capacity of soilunder dynamic loading on calculating the works It is only concern onnuclear power or electricity power constructions because of no popular ofdynamic soil test equipments and the scarce in the field of soil dynamicresearch Therefore, the main purpose of thesis is study and determinesthe coefficients of soil dynamic to apply for computing the works underdynamic loading

In the first part of the thesis, it is the research of properties ofstress wave through the soil medium and the tests is used to determinethese properties

In the next part of the thesis, the ordinary laboratory tests areused to determine the coefficients of soil dynamic That tests includedirect shear test and triaxial test and the determined coefficients of soildynamic is only E and G The tested soil specimens are loose sand andsilt clay in Ho Chi Minh City

Conclusion of the thesis, the coefficients of soil dynamic results ofthe above tests are analyzed and made comments Beside that, authorhas analyzed limit concern of the tests and proposed continuous researchforward It is only the thesis reference and foundation for the nextresearch

MỤC LỤC

PHẦN-I TỔNG QUAN 1

CHƯƠNG-1 TỔNG QUAN 1

1.1- ĐỘNG TRONG ĐẤT NỀN 1

1.2- KHẢO SÁT ỨNG XỬ CỦA ĐẤT DƯỚI TẢI TUẦN HOÀN BẰNG CÁC THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG 3

CHƯƠNG-2 TÁC NHÂN GÂY ĐỘNG VÀ ỨNG XỬ ĐỘNG CỦA ĐẤT 20

2.1- TÁC NHÂN GÂY ĐỘNG 20

2.2- ỨNG XỬ ĐỘNG CỦA ĐẤT NỀN 33

PHẦN-II NGHIÊN CỨU ĐI SÂU VÀ PHÁT TRIỂN 48

CHƯƠNG-3 NGHIÊN CỨU CÁC THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ ĐỘNG 48

3.1- CÁC THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG 48

3.2- THÍ NGHIỆM NGOÀI HIỆN TRƯỜNG 64

3.3- SỰ TƯƠNG QUAN CỦA MOĐUN CHỐNG CẮT VÀ TỶ SỐ GIẢM CHẤN VỚI CÁC THÔNG SỐ KHÁC 82

CHƯƠNG-4 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG CỦA ĐẤT TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM 92

4.1- CÁC ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA ĐẤT THÍ NGHIỆM 92

4.2- THÍ NGHIỆM CẮT TRỰC TIẾP 93

4.3- THÍ NGHIỆM BA TRỤC 95

PHẦN-III KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96

CHƯƠNG-5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96

5.1- KẾT LUẬN 96

5.2- KIẾN NGHỊ 98

CHƯƠNG-1 TÀI LIỆU THAM KHẢO

1/-BRAJA.M.DAS Priciples of soil dynamics.PWS-KENT Puplishing

Company

2/-G.N.PANDE AND O.C.ZIENKIWICZ Soil mechanis transient and cyclic

loads and constitutive relation and numerical treatment.JOHN WILEY &

SONS

3/-KAMESWARA RAO.Vibrationanalysis and foudation dynamics.

WHEELER PUBLISHING

4/-Proceedings of Dynamics of soils and earth-quake engineering VII.

5/-The US Deparment of Defense Hand-book.Soil dynamics and special

design aspects

6/WILLIAM.T.THOMSON.Theory of vibration with applications.Prentice

-Hall international company editions

1.1-TÓM TẮT LÝ LỊCH HỌC VIÊN

Họ và tên : LÊ TRỌNG NGHĨA

Sinh ngày : 28-2-1979 TẠI TIỀN GIANG

Địa chỉ liên lạc : BỘ MÔN ĐỊA CƠ NỀN MÓNG

Số điện thoại : 088636822

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

1996-2001: HỌC TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HỒ CHÍ MINH –KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG – CHUYÊN NGÀNH XÂY DỰNG DÂN DỤNGVÀ CÔNG NGHIỆP

2001-2003: HỌC VIÊN CAO HỌC TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TP HỒ CHÍ MINH

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC

Từ 2001 đến nay: CÔNG TÁC VÀ HỌC TẬP TẠI TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOATP.HỒ CHÍ MINH

PHẦN-I TỔNG QUAN

1.1- ĐỘNG TRONG ĐẤT NỀN

Trong quá trình phát triển đất nước theo hướng công nghiệp hoáhiện đại hoá thì các công trình xây dựng ở Việt Nam đòi hỏi phải có sựđáp ứng cao hơn Các nhà máy điện, nhà máy sản xuất,… với các cổ máyhoạt động thường xuyên gây ra các dao chấn động lan truyền trong đấtnền Đi sâu hơn nữa, xét đến các móng công trình nhà cao tầng chịu cáctải xung gió, hay các dàn khoan dầu, đê đập chịu các tác dụng động củasóng thì các ảnh hưởng động này đều truyền xuống nền đất bên dướicông trình

Ứng xử của đất dưới tải trọng tĩnh là đề tài phức tạp đã lôi cuốnnhiều nổ lực nghiên cứu trong suốt nhiều thập niên qua và mãi cho đếnngày nay Tất nhiên khó khăn của vấn đề là vì đây là vật liệu tự nhiênhai pha Trong những năm gần đây phản ứng của móng công trình dướitải trọng động gây ra bởi động đất, hay các tải trọng lặp chậm hơn gâycho công trình biển hay các công trình ngoài khơi bởi tác động của sóngbiển Điều đó làm tăng sự phức tạp của mối quan hệ giữa sự thiết lặpcác công thức và các luật lệ cơ bản Hiện nay các kết quả nghiên cứuthực nghiệm và lý thuyết tiến triển trên lĩnh vực này là vô cùng lớn đếnnổi mà các kỹ sư thực hành cảm thấy khó cho phép để phát triển ứngdụng và có rất ít sự chỉ dẫn khi đưa vào thực tiển tính toán công trình

Như vậy, trong quá trình tính toán các công trình như trên ta phảixét đến sự thay đổi của đất trong cả quá trình chịu tải động

Ngoài các yếu tố động trên thì động đất cũng là yếu tố gây ra sựthay đổi khả năng chịu tải của công trình Mối nguy hiểm của động đấtgay ra cho các công trình thì không thể lường trước được, nó có thể gây

ra sự phá hoại của công trình thông qua sự phá hoại của kết cấu nềnbên dưới làm giảm sức chịu tải của đất nền và có thể dẫn đến sự hoáloãng của toàn bộ nền bên duới nên chúng ta phải nghiên cứu để mộtphần nào đó kiểm soát được mối đe dọa này

Bên cạnh đó, sự hoá lỏng của đất do tải động đất hay tính tự hoálỏng của nó cũng gây ra sự phá hoại cho công trình

Các hình ảnh minh họa dưới đây cho thấy sự phá hoại của kết cấucông trình do động đất và phá hoại nền bên dưới do sự hoá lỏng

Hình 1: Ảnh hưởng động đất làm nhà lún và nghiêng.

Hình 2: Lớp nhựa đường phía sau bờ kè bị phá hoại do sự hoá lỏng của

nền đất bên dưới ở Cảng Taichung (29/09/1999)

1.2- KHẢO SÁT ỨNG XỬ CỦA ĐẤT DƯỚI TẢI TUẦN HOÀN BẰNG CÁC THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG

Cơ học đất là một lĩnh vực nghiên cứu kỹ thuật, ở đó khá dễ dàngthành lập thành 2 trường phái: Thứ nhất là những người tin rằng họ cóthể mô tả toán học cách thức đất ứng xử và thứ 2 là những người quansát sự ứng xử của đất Cơ hội cho sự liên thông 2 trường phái này có thểđược nắm lấy nhưng lãnh vực gia tải tuần hoàn hình thành nên 1 phầnriêng của lãnh vực này ở đó trường phái đầu tiên hiện nay thiết lập chochính nó 1 vị trí thống trị

Sự thống trị này vừa nảy sinh vì sự tương phản giữa trí tưởng tượngphong phú của những người tìm kiếm mới cho việc xây dựng mô hìnhtoán học và sự khan hiếm dữ liệu thực nghiệm có chất lượng cao theo đócác mô hình phải phù hợp Sự tương phản này tồn tại với thí nghiệmtĩnh hay đều và cả mô phỏng phản ứng của đất, kết quả của các thínghiệm tuần hoàn chịu chi phối rất nhiều bởi sự thay đổi thủ thuật thínghiệm

Bất cứ sự xem xét nào thì kết quả việc khảo sát ứng xử của đấttrong phòng thí nghiệm dưới tải trọng tuần hoàn phải bắt đầu bằng việcxem xét thiết bị và thủ thuật thí nghiệm được dùng để khảo sát ứng xửnày - Một lĩnh vực vẫn đang được nghiên cứu để có được sự hiểu biết sâurộng hơn

Ý TƯỞNG MỞ ĐẦU ĐỂ THIẾT LẶP CÁC THÍ NGHIỆM

Để xác định hoàn chỉnh trạng thái ứng suất cho 1 phân tố vật liệu

môi trường liên tục (như hình 1.1a) thì 6 thành phần ứng suất cần được

chỉ rõ Sáu thành phần ứng suất này bao gồm: 3 thành phần ứng suấtpháp và 3 thành phần ứng suất tiếp tác động trên 3 mặt đôi một vuônggóc nhau của 1 hình lập phương tách ra từ môi trường đang xét Mộtcách khác ta có thể chọn cách xoay hướng hình lập phương để khôngcòn ứng suất tiếp chỉ còn các ứng suất pháp – ứng suất chính - tác động

trên các mặt hình lập phương (như hình 1.1b) Ngoài ra còn 3 thông số

nữa để chỉ ra phương của hệ trục - trục ứng suất chính Bất cứ sự thayđổi tải trọng nào, biến dạng sẽ phát triển trong phân tố vật liệu và 6thông số cần xác định để định ra trạng thái biến dạng Những thông số

này là 3 biến dạng dài và 3 biến dạng trượt (như hình 1.1c) hay 3 biến dạng chính và hướng của chúng (như hình 1.1d) Nói chung không có 1 lí

do tại sao trục chính ứng suất và trục chính biến dạng trùng nhau

Trong các trường hợp cụ thể, trạng thái ứng suất ban đầu của phântố đất hay trạng thái gia số gây ra bởi ngoại tải từ phân tố trên hay dướicó lẽ giảm đi Đất rời hay bất cứ kết cấu nền móng nào có chiều dài lớnhơn nhiều so với chiều rộng, thì điều kiện biến dạng phẳng tương ứng với

0yz xz

zz   

 vàxz yz 0 Ba thành phần ứng suất và biếndạng độc lập còn lại: zz là ứng suất chính, không phải là 1 thành phânđộc lập, nó sẽ tự biến đổi để duy trì điều kiện biến dạng phẳng và cóthể xem như phụ thuộc vào ứng suất pháp và ứng suất trượt trong mặtphẳng trượt (xx,yy,xy) Bên dưới trục đối xứng của 1 tải trọng hìnhtròn đặt trên mặt đất nằm ngang phát triển về mọi phía thì điều kiệnđối xứng trục sẽ áp dụng xy yz zx, xx zz hay yz zx xy 0,

(a)

(b)

(c)

(d)

Hình 1.1 Trạng thái US và biến dạng trong một phân tố.

Tuy nhiên, nói chung sự biến thiên đồng thời của 6 thành phầnứng suất hay biến dạng sẽ diễn ra và bất cứ nổ lực nào nhằm mô phỏngtoán học ứng xử của khối đất chịu tải tổng quát đòi hỏi một mô hình đấtcó thể nắm bắt được sự biến thiên đồng thời của 3 ứng suất chính vàgóc xoay của cả 3 trục chính- và một mô hình như thế cần được xâydựng dựa trên dữ liệu thí nghiệm có được từ điều kiện tổng quát tươngđương, có kết quả từ việc khảo sát thực nghiệm không gian ứng suất vàbiến dạng 6 chiều

Sự khảo sát như thế rất dễ mô tả toán học nhưng cũng khó hìnhdung và cũng khó áp dụng trong các thí nghiệm được kiểm soát đối vớicác mẫu thí nghiệm trong phòng Hầu hết các thiết bị thí nghiệm trongphòng có 2 hay quá lắm là 3 bậc tự do Thật quan trọng khi đánh giárằng các thiết bị khác nhau được giới hạn dịch chuyển trong các vùng

khác nhau của không gian ứng suất hay biến dạng; đất là vật liệu cótính phi tuyến cao và phụ thuộc vào lộ trình và mặc dù có thể mô tảtrạng thái hiện hành hay những thay đổi của trạng thái trong các thiết

bị khác dưới hình thức một loạt các thông số; như ứng suất và biến dạngchính hay các bất biến của ứng suất và biến dạng Thì cũng chẳng có lí

do gì đặt biệt là tại sao ứng xử của phân tố đất, được khảo sát riêngbiệt, phải hoá ra đồng dạng trong khuôn khổ tham khảo chung Cáchduy nhất là ứng xử của đất theo các lộ trình khác có thể được so sánhbằng cách xây dựng một mô hình đất với một loạt tiên đề cơ bản vàkiểm tra mô hình này so với ứng xử quan sát được Tuy nhiên, nói cáchkhác, thật có giá trị khi có thông tin hoàn hảo về các thành phần ứngsuất và biến dạng cho một phân tố thí nghiệm để sự khác biệt trong ứngxử có thể quan sát được trong khuôn khổ tham khảo chung

A

OB

FD

Hình 1.2 Lộ trình ứng suất và lộ trình biến dạng không gian ứng suất và

không gian biến dạng

Rõ ràng các thí nghiệm cần được thực hiện trong một tầm tổngquát càng nhiều các thiết bị càng tốt để không gian ứng suất và biến

dạng càng rộng càng tốt Không gian ứng suất và biến dạng chính cungcấp một phương tiện hữu dụng để so sánh khả năng của các thiết bị cósẳn Vì đây là không gian 3 chiều, nên lộ trình theo mỗi chiều có thể

được biểu diễn bằng 2 hướng nhìn vuông góc nhau như hình 1.2 (a,b,c,d),

trong mỗi trường hợp một hướng nhìn xiên xuống mặt phân chia

(deviator plane) (1 2 3) hay (1 2 3 ) (hình 1.2 b,d) và một

hướng nhìn vuông góc trong đó trục thuỷ tĩnh và một trục nữa xuất hiện

trong hướng thực (hình 1.2 a,c).

Một phân tố đất bên dưới bán không gian rộng lớn sẽ chịu nén 1chiều theo lịch sử địa chất Nó có thể hiện thời trong trạng thái cố kếtthường (OA và Oa) hay trạng thái quá cố kết (OAB và Oab) Trong nền đấtbên dưới một tải trọng kéo dài hay phía sau một tường chắn dài cũngnhư một cách xấp xỉ dưới một dàn khoan trọng lực ngoài khơi chịu tảitrọng do sóng thì phân tố có thể chịu lưc cắt biến dạng phẳng trong điềukiện không thoát nước - một lộ trình biến dạng trong không gian biếndạng (ac hay bd) và có kết quả trong không gian ứng suất (AC hay BD).Lộ trình này có thể được thỏa mãn bằng các thiết bị biến dạng phẳngnhư là các thiết bị 2 trục của Hambly Nhưng bất đồng sự liên quan giảnđơn thấy rõ, thiết bị biến dạng phẳng làm cho các trục chính ứng suấtcố định được sử dụng không thường xuyên cho các thí nghiệm tuần tự vàrõ ràng không bao giờ được dùng cho thí nghiệm tuần hoàn Một thínghiệm cắt đơn thể tích không đổi lí tưởng cũng đi theo một lộ trìnhtương tự trong không gian ứng suất chính nhưng 1 chiều phụ thật sự cầnthiết để cho góc xoay trục chính trong thiết bị đó có thể được thể hiện

Một thí nghiệm nén 3 trục không thoát nước có thể chỉ đi theo cáclộ trình thẳng đứng trong mặt phẳng deviator (AE hay ae) hay (BF hay bf)và rõ ràng là một thí nghiệm rất khác Xét ứng xử của vật liệu so với thínghiệm biến dạng phẳng Một phần tiêu biểu của tiêu chuẩn phá hoạiMohr- Coulomb:

  





sin1

sin1j

i

m ( i,j =13)

Ở ứng suất trung bình p’ không đổi được cho thấy ở hình 1.2b Tiêu

chuẩn này có lẽ hoặc không tương ứng cho đất, nhưng lộ trình của biếndạng phẳng và thí nghiệm 3 trục lại thỏa đối với các phần khác nhaucủa tiêu chuẩn trên Một thiết bị 3 trục thực giống cái do Hambly đề xuấtcó thể khảo sát tổng thể không gian ứng suất và biến dạng chính như

thể hiện ở hình 1.2.

Hình 1.3 Lộ trình ứng suất chuyển từ nén sang nở.

Trong khi đất đang ứng xử giống vật liệu liên tục và chưa đến mặtphá hoại, thì còn hữu ích hơn nếu ta hình dung các lộ trình ứng suấttrong không gian ứng suất, chứ không phải thành phần ứng suất pháp vàứng suất trượt trên bất cứ mặt phẳng đặt biệt nào Sự dịch chuyển từ

một trạng thái nén 3 trục sang nở 3 trục (Từ G đến H của hình 1.3) được

xem như một đường trơn tru trong không gian ứng suất và trọng lực mộtsố đặt trưng ứng xử của vật liệu gắn liền với việc di chuyển ngang trụcthuỷ tĩnh Qua trạng thái ứng suất thuần tuý thuỷ tĩnh, thì việc '

1

 khôngcòn là ứng suất chính chẳng có ý nghĩa: sự thay đổi và độ lớn tương đốicủa các ứng suất chính diễn ra theo các lộ trình ngang qua các đường

đứt hay liền nét qua tâm (hình 1.3) Chẳng ích lợi gì khi bàn về sự đổi

hướng của các trục ứng suất chính diễn ra mỗi khi một trong số cácđường nói trên bị cắt qua Một phân tố đất từng có lịch sử chịu nén 1

chiều (OA và oa hay OAB và Oab ở (hình 1.2), có cấu trúc dị hướng và ứng

xử dị hướng đối với sự thay đổi ứng suất hay biến dạng ngay cả khi trạngthái ứng suất tình cờ đẳng hướng, như ở B

Bên dưới mặt nền, một loại đất có tính dị hướng với sự dị hướngđối xứng trục theo một trục thẳng đứng Sự cần thiết xét sự dị hướng vàocác thí nghiệm được thực hiện trên một loại vật liệu được minh họa tốtbởi Saada, Saada và Bianchini Nếu trục ứng suất chính áp đặt do dụngcụ thí nghiệm khác tương đồng với các trục dị hướng thì mẫu bị cản trởnhư tự nhiên (với trục chính ứng suất và trục chính gia số biến dạng

không trùng nhau) (hình 1.4) Một thí nghiệm 3 trục trên một mẫu

nghiêng của đất dị hướng có lẽ cho chúng ta một ít dấu hiệu về sự hướngcủa các đặt trưng độ bền- nếu như mẫu phá hoại trên 1 mặt phẳng riêngbiệt- nhưng lại chẳng cho ta thông tin hữu ích về ứng xử ứng suất vàbiến dạng của đất trước khi phá hoại Ngay cả một thí nghiệm 3 trục qui

ước trên một mẫu ngang cần được cắt nghĩa với sự thận trọng: Nói chungtiết diện ngang hình tròn đầu tiên không giữ nguyên trong lúc trượt màlại có khuynh hướng trở thành hình Ellipes- 2 thành phần biến dạnghướng tâm riêng biệt phải được đo đạt một cách gắt gao.

P M

Hình 1.4 Thí nghiệm ba trục mẫu đất dị hướng.

Bên dưới bờ dốc, các trục dị hướng không thẳng dứng mà nỗ lựcthỏa mãn lộ trình gia tải đối vối các phân tố đất trong điều kiện như thếbằng các thí nghiệm trong phòng, kiểu mẫu không mang lại thành công.Saada và Bianchini kết luận rằng thí nghiệm đúng duy nhất trên mộtmẫu vật liệu dị hướng có trục mẫu không trùng trục dị hướng chính là thínghiệm trên mẫu trụ rỗng (với tỉ lệ thích hợp) Trong thí nghiệm đómoment xoắn và tải dọc trục (và nội áp suất, ngoại áp suất tương đương)cùng được đặt vào theo cách sao trục ứng suất chính được di trình trùngvới trục dị hướng của mẫu trong suốt thí nghiệm

Người ta ngầm giả thuyết rằng (theo hình 1.2 a và b), ứng xử của

một phân tố đất phụ thuộc vào áp suất hữu hiệu Điều này được minhchứng cho ứng xử của đất chịu gia tải chậm và sẽ được chứng kiến sauđây, nó cũng đúng cho cả ứng xử của đất chịu tải tuần hoàn Việc khảosát ứng xử của đất theo ứng suất tổng cũng được quan tâm chút ít,nhưng hiểu sự biến đổi trong ứng xử thường quan sát được thì cần thiếtliên hệ đến sự thay đổi áp suất hữu hiệu

Theo thực nghiệm, Richarson và Whitman biểu hiện lộ trình ứngsuất nhanh và chậm trong trường hợp không thoát nước của mẫu sét cố

kết thường (hình 1.5 a) có đo áp lực nước ở 2 đầu mẫu Bằng chứng là áp

lực này trong thí nghiệm nhanh nhỏ hơn nhiều so với thí nghiệm chậm.Sự ngăn cản chuyển vị 2 đầu làm tập trung biến dạng vào trung tâmmẫu Vì đây là mẫu cố kết thường nên áp lực nước lổ rỗng dương tănglên ở tâm, và trong thí nghiệm chậm nước có thể chảy đến nơi cóGradient áp lực thấp hơn làm tăng độ ẩm ở 2 đầu trong khi vùng tâm

mẫu lại giảm (hình 1.5 b) Một ảnh hưởng đổi nghịch được quan sát trong

thí nghiệm trên mẫu cố kết trước nặng Trong trường hợp này áp lựcnước lổ rỗng âm có khuynh hướng gia tăng trong vùng biến dạng trungtâm

Carter (không xuất bản) đã thực hiện phân tích phần tử hữu hạnmẫu 3 trục, ở đây ảnh hưởng của sự thấm hữu hạn của đất cũng đượcxem xét Dòng chảy của nước lổ rỗng ảnh hưởng đến kết quả các thínghiệm thoát nước thông qua tốc độ biến dạng Thí nghiệm nhanh choứng xử quan sát được tương tự với ứng xử trong thí nghiệm không thoátnước lí tưởng Thí nghiệm chậm ứng xử giống như mot thí nghiệm thoátnước lí tưởng Các phân tố khác nhau của đất trong mẫu đi theo các lộ

trình hoàn toàn khác nhau (hình 1.6a) Trong một thí nghiệm không

thoát nước, mặc dù không có sự thay đổi tổng thể về thể tích mẫu,

nhưng các phân tố riêng lẻ có thể nở hoặc nén (hình 1.6b) và lại theo

các lộ trình ứng suất khác nhau

Thí nghiệm nhanh Thí

nghiệm chậm

Thí nghiệm nhanh

Thí nghiệm chậm (85% dữ liệu)

Hình 1.5 Biểu diễn ảnh hưởng của tốc độ cắt đến lộ trình US và sự phân

bố độ ẩm theo chiều cao mẫu

Hình 1.6 Đường ứng suất của các điểm khác nhau trong mẫu ba trục.

Rõ ràng, để cho thí nghiệm 3 trục có chất lượng tốt thì việc đo áplực nước lổ rỗng và biến dạng phải được thực hiện trong vùng biến dạngtrung tâm của mẫu Việc đo biến dạng trong vùng này cần có cả biếndạng dọc trọc và biến dạng hướng kính: Người ta không thể giả thuyếtrằng toàn mẫu không thay đổi thể tích thì ngụ ý rằng không có sự thayđổi thể tích trong vùng quan tâm

Một ảnh hưởng xa hơn, có thể cho phép sự thay đổi thể tích khôngđáng kể diễn ra trong các thí nghiệm 3 trục không thoát nước, chính làsự thẩm thấu qua màng Sự thẩm thấu qua màng này có ý nghĩa đặt biệttrong đất hạt thô- Lade và Hernandex đề xuất rằng ảnh hưởng này nhỏđối với cỡ hạt nhỏ hơn 0.10.2 mm Biên độ của sự ảnh hưởng tuỳ thuộcvào sự khác biệt giữa áp lực lổ rỗng và áp lực buồng và vì vậy tuỳ thuộcvào ứng suất hữu hiệu hướng kính '

r

 Như Sangrey đã chỉ rỏ, sự thẩmthấu qua màng diễn ra do một sự thay đổi về áp lực lổ rỗng (do cắt) cóhướng thay đổi thể tích giống như trong một thí nghiệm thoát nước (docắt) Vậy thì sự thẩm thấu qua màng sẽ làm giảm áp suất lổ rỗng đo đạcvà Lade với Hernandex cũng quan sát thấy rằng sự chống lại hiện tượnghóa lỏng không thoát nước cuối cùng có lẽ lại được đánh giá quá cao

Sangrey phát hiện thấy một hiệu ứng tương tự với sự thẩmthấu qua màng có thể làm phát sinh sự sai lệch áp lực lổ rỗngtrong các thí nghiệm không thoát nước trên mẫu sét với đĩa cứng 2đầu không ma sát, nguyên nhân là do các túi nước nhỏ kẹt lại giữamàng và các đĩa cứng theo các góc hướng trở vào

Hình 1.7 Ứng xử của đất có xét tính dị hướng.

Các ý tưởng phía sau việc thí nghiệm lộ trình ứng suất cho ta thấyrằng nên cố gắng hết sức áp dụng vào các thí nghiệm trong phòngnhững lộ trình tương ứng với các phân tố xem xét ngoài hiện trường Nhưchúng ta đã biết, điều này có lẽ không thể được với các thiết bị thínghiệm đơn giản của chúng ta đang sẵn có Trong các trường hợp nhưthế việc thí nghiệm lại đảm đương một vai trò hơi khác: không cần gắnđiều chỉnh mỗi giai đoạn của mỗi thí nghiệm bằng cách so sánh với cáclộ trình ứng suất- biến dạng hiện trường phức tạp -mà mỗi thí nghiệmcùng cấp thông tin trên một vùng ứng xử của đất và có lẽ không có thínghiệm, trong thực hành, tương ứng đặc biệt dành cho các ước lượnghiện trường Hơn nữa, khi cố gắng làm phù hợp ứng xử của đất dưới nềnphát triển vô tận theo phương ngang, thì sự cố kết ban đầu của đất sẽ là

dị hướng Các loại đất dị hướng ứng xử khác biệt hoàn toàn với các loạiđất đẳng hướng và sự cố kết dị hướng trong các thí nghiệm trong phòngcó tính quan trọng

Saada đã nhấn mạnh mức độ khó khăn khi thay đổi cấu trúc cốkết ban đầu hay hướng của hạt đất Lewin cho thấy rằng thế dẻo dịhướng, giảm đối với mẫu cố kết dị hướng và đề nghị rằng sự dị hướngnày rất bền bỉ ngay cả với một gia tăng liên tục cấp ứng suất Cố kết dị

hướng nhắm vào một tỷ số ứng suất không đổi như OA (hình 1.7a) nên

áp sự thay đổi ứng suất gần với đường này Tiếp cận trạng thái ứng suất

dị hướng tại A qua trạng thái ứng suất đẳng hướng tại B (hình 1.7b) không chỉ sản sinh biết dạng hoàn toàn khác nhau (hình 1.7c) cho thấy

biến dạng tính được cho các lộ trình ứng suất cố kết dị hướng dùng chosét Nefield do Nomi thực hiện, chúng được xác định bằng việc dùng môhình sét Camlay đẳng hướng, có lẽ không nhất thiết đúng theo các tínhtoán chi tiết nhưng hiển nhiên nhấn mạnh được các hiệu ứng có thể có

THÍ NGHIỆM CẮT ĐƠN

Trong một thiết bị cắt đơn mẫu đất chịu ứng suất trượt và biếndạng trượt trong điều kiện biến dạng phẳng và không phải điều kiệnbiến dạng trực tiếp theo hướng trượt Vậy thì xx zz 0 (hình 1.8) và hai

bậc tự do còn lại là yx và yy (Arthur và những người khác bàn luận vềthiết bị cắt đơn trong khi so sánh với các thiết bị thí nghiệm có thể điềuchỉnh góc xoay trục chính ứng suất và biến dạng) Kể từ khi các phântích đàn hôì của Roscoe người ta công nhận rằng điều kiện ứng suất vàbiến dạng trong mẫu cắt đơn rất không đều chính vì sự thiết vắng cácứng suất trượt bồ sung ở hai đầu của mẫu

(a)

Hình 1.8 Trạng thái biến dạng cắt đơn và sự phân phối US không đều.

Điều này ẩn chứa một sự phân phối không đều ứng suất trượt trên

mặt đỉnh và mặt đáy (hình 1.8c) Không có tuyên bố về tính chất vật liệu

hay biên độ biến dạng cần cho việc đề xuất các sự phân phối ứng suấttrên: sự thiếu vắng một phần hay hoàn toàn ứng suất trượt ở hai đầumẫu ần chứa một số biến đổi tương tự đối với ngay cả biến dạng đàn hồi

vi phân

Có hai loại thiết bị cắt đơn chủ yếu được dùng ngày nay Thứ nhất,được phát triển do các nhà khoa học tại đại học Cambridge, bọc mẫu cómặt bằng chữ nhật giữa hai biên cứng nối khớp với nhau hay liên kết

sao cho biến dạng biên cắt đơn có thể diễn ra dễ dàng (hình 1.9a) Cái

tiếp theo, do viện địa kỹ thuật Na-Uy, chứa mẫu có mặt bằng tròn, trong

một màng cao su với một dây xoắn ốc xung quanh (hình 1.9b).

Dây bó màng cao su

Hình 1.9 Thiết bị cắt đơn chu kỳ tiết diện chữ nhật và hình tròn.

Trạng thái ứng xuất trong thiết bị vuông đã được phân tích cho vậtliệu đàn hồi bởi Roscoe và Presvot và Hoeg Ducan và Dunlop đã giớithiệu một mô hình vật liệu phức tạp hơn cho phép sự phá huỷ tiến triểnvà các giá trị modun dị hướng cho đất

Lý thuyết ở Cambridge đạt được các điều kiện có sự không đều ứngsuất đã biết bằng cách đo đạc sự phân phối ứng suất trên biên với mộtdải hộp tải trọng và sử dụng các đo đạc này để tạo ra trạng thái ứngsuất trong phần trung tâm mẫu, là phần ít chịu ảnh hưởng nhất do hiệuứng hai đầu Vì ứng suất trên biên không đều, nên không thể có trườnghợp biến dạng bên trong đều theo các biến dạng trên biên Phân tíchcủa Roscoe cho thấy rằng biến dạng phân bố đều một cách đáng kể hơnứng suất, nhưng các quan sát hình chụp tia X như những cái do Wood vàBudhu đề xuất lại cho thấy rằng mẫu cát hiển nhiên không bị cản trởphát triển biến thiên độ chặt

Trạng thái ứng suất trong thiết bị được Lucks và những người khácphân tích Họ kết luận rằng 70% mẫu có điều kiện phân bố ứng suấtđều Kết luận này bị Wright, Gilbert và Saada đặt dấu hỏi cả về quanđiểm lý thuyết lẫn các thí nghiệm quang đàn hồi mà họ thực hiện để cóđược việc đo đạc trực tiếp trạng thái ứng suất bên trong: họ cho thấyrằng thiết diện tròn không thể duy trì điều kiện biến dạng phẳng và ứngsuất cắt vuông góc với mặt phẳng cắt (yz ) và sự biến thiên ứng suất cắttrong mặt phẳng cắt (xy) quá lớn để có thể bỏ qua Một giải pháp phântích do Shen và những người khác đề nghị là dùng những phân tích phầntử hữu hạn có kể đến các phần tử đất và các phần tử màn đựơc giacường, và minh hoạ hiệu ứng lên sự không đều của các điều kiện biênkhác cũng như ảnh hưởng lên các đặc trưng vật liệu Aûnh hưởng tỷ sốkhác nhau giữa chiều cao và đường kính và trị số khác nhau giữa đặctrưng vật liệu đất với đặc trưng màng gia cường cũng được xem xét Rõràng, mẫu càng dài so với chiều cao thì các đường kính càng đều hơn-nhưng vài trong số các kết quả cần được hành xử một cách thận trọng vì

các kết luận về hiện tượng phân bố không đều sau khi biến dạng đángkể chịu ảnh hưởng rất lớn gây ra do các đặc trưng vật liệu thí nghiệm.

48.5< D r <58.5%

D r <48.5%

D r >58.5%

Hình 1.10 Sự phân phối độ ẩm trong mẫu sau 25 chu kỳ cắt.

Việc kiểm tra đúng đắn thực nghiệm hiện tượng phân bố khôngđều biến dạng thể tích ở cát trong thiết bị cắt đơn hình tròn doCasagrande cung cấp Ông ta báo cáo các thí nghiệm trong đó các mẫubão hoà được đông cứng và cắt để có thể xác định được độ ẩm từng

phần (hình 1.10) Bằng chứng là việc duy trì thể tích tổng thể của mẫu

thí nghiệm cắt đơn là hằng số không thể ngăn sự phân phối lại nước lỗrỗng hay khí lỗ rỗng trong mẫu

Màng cao su Cát bão hoà Áp suất không khí Kích động

Buồng áp lực

Mẫu 2.31.10.1m Đế

Nắp

Khung biên Khối ở giữa

Hình 1.11 Cấu tạo một thí nghiệm cắt đơn lý tưởng.

Nếu những khó khăn đầu tiên trong thí nghiệm cắt đơn do ảnhhưởng của hai đầu mẫu thì sau đó có thể cải thiện bằng cách tránh khỏihai đầu mẫu Seed cho thấy một cấu hình cho một thí nghiệm cắt đơn lý

tưởng (hình 1.11a) Với một thiết bị loại này (với hai đầu không hạn chế)

và có hộp tải trọng trên các biên đỉnh, đáy, ngang thì trạng thái ứngsuất cần thiết dần dần được sinh ra Một thiết bị cắt đơn dài đượcKovacs sử dụng để thí nghiệm những mẫu sét không hạn chế chuyển vịtheo phương ngang Ông ta kết luận rằng tỷ số chiều dài so với chiều caocần ít nhất là 6 để có được kết quả tin cậy theo ứng xử trung bình quansát được Một bàn rung có thể được dùng như một thiết bị loại này: DeAlba, Seed và Chan báo cáo việc sử dụng bàn rung với mẫu cát kíchthước 2.3x1.1x0.1 m để khảo sát sức chống hoá lỏng của cát Tải trọngđược áp dụng theo một khối lượng bên trong được đặt trên đỉnh mẫu cát

(hình 1.11b) Vì vậy, lộ trình cắt thực tế được áp dụng lại phụ thuộc vào

các đặc trưng động của toàn hệ Họ cho thấy rằng cho đến khi số chu kỳgây hoá lỏng, thì các kết quả được hiệu chỉnh từ thí nghiệm bàn rung rấtphù hợp với kết quả của các thí nghiệm cắt đơn trên mẫu nhỏ Đây làmột kết quả hơi khác thường Các thí nghiệm hoá lỏng được bàn luậnsâu hơn dưới đây: rõ ràng là ứng xử hoá lỏng đặc biệt nhạy với sai sótvà một số sai sót sinh ra trong cả hai thiết bị thí nghiệm

Dự định của chúng ta là tập trung vào các thí nghiệm đơn giảntrong phòng, nhưng rõ ràng bàn rung cũng được dùng cho các khảo sátsâu hơn ứng xử của đất dưới tải trọng chu kỳ Một thiết bị giống như thế,

được Finn, Emery và Gupta (hình 1.11c) sử dụng, hoá ra lại là một thiết

bị cắt đơn: một mẫu đất cát được gia tải bởi áp suất không khí và đượcchứa trong một thùng cứng và được rung theo chương trình sẵn có Tuynhiên, thật ra để cho điều gì đó diễn ra trong mẫu này thì hiện tượngphân bố không đều phải xuất hiện trong các bài toán từ biến khá phứctạp

Việc sử dụng kết của thí nghiệm cắt đơn và nỗ lực liên hệ kết quảthí nghiệm cắt đơn với các thí nghiệm khác đòi hỏi kiến thức về tất cảcác thành phần ứng suất tác động lên mẫu đất Nói cách khác, chúng takhông những chỉ các ứng suất pháp và ứng suất tiếp trên đỉnh và đáy(yy và yx) (hình 1.12a) mà cả ứng suất pháp nằm ngang xx trong mặtphẳng biến dạng và ứng suất pháp zz vuông góc với mặt phẳng biến

dạng (hình 1.12a) Hai ứng suất pháp sau cùng này nói chung không

bằng nhau, Wood và Budhu thực hiện các đo đạc cho thấy xx tăng nhanhhơn nhiều so với zz đối với thí nghiệm cắt đơn trên mẫu cát đặt trongthiết bị chữ nhật Còn trong thiết bị tròn, việc đính màng cao su vào cácdây xoắn làm cho việc đo ứng suất ngang dễ dàng nhưng thay là một gíátrị trung bình chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố khác nữa trong quá trìnhcắt của mẫu tròn

Hình 1.12 Các thành phần đầy đủ trong mẫu cắt đơn chu kỳ.

Ứng suất ngang thay đổi ứng với việc cắt mẫu dưới các điều kiệnkhông có biến dạng trực tiếp trong các mặt phẳng ngang (xx= zz=0) Việckiểm soát ứng suất ngang xung quanh mẫu, chẳng hạn bằng cách đặtmột thiết bi cắt đơn hình tròn trong một buồng kín dưới áp suất chấtlỏng, có thể cung cấp một cấu hình thí nghiệm lý thú, nhưng nó lạikhông còn là cắt đơn nữa- và việc giữ tất cả ứng suất vuông góc với biênbằng nhau không thể tương thích với điều kiện biến dạng phẳng (zz=0)hay điều kiện biến dạng ngang bằng không (xx=0) Pyke mô tả một thiết

bị có các đĩa tròn có khớp nối cho phép ellipse ứng suất hoàn chỉnh ápvào biên của mẫu có hình dạng ban đầu tròn có cho phép biến dạng tiếtdiện ngang tròn thành một ellipse Điều này cũng cung cấp vài thông tinvề điều kiện trong các phần khác của không gian ứng suất nhưng khônggiống nhiều lắm với cắt đơn

Cuối cùng nơi mà những mẫu cát được chứa trong màng cao su nhưtrong thiết bị tròn, hai bàn rung của De Alba, Seed và Chan và được thínghiệm không thoát nước để áp lực nước lỗ rỗng có thể sinh ra, thì cáchiệu ứng thấm qua màng cần lại được xem xét

CÁC KHÓ KHĂN VỀ THÍ NGHIỆM VÀ CHUẨN BỊ MẪU

Chúng ta đã thảo luận các vấn đề liên quan đến các thiết bị thườngdùng cho các thí nghiệm tải tuần hoàn đất Aûnh hưởng quan trọng củacác vấn đề này là những mẫu đất không thể được hành xử chính xác

như từng phần tử đất riêng biệt và cách thức thực hiện cũng như việccắt nghĩa thí nghiệm cần được kể vào khi xem xét Việc phân tích mộtmẫu đất trở thành một bài toán từ biến tỉ mỉ và việc cắt nghĩa giản đơncó thể cho kết quả sai lầm Không phải trong thí nghiệm ba trục cũngkhông phải trong thí nghiệm cắt đơn, việc ngăn ngừa thoát nước ra haythay đổi thể tích của mẫu có thể bảo đảm rằng không thay đổi thể tíchhay không có sự di chuyển nước lổ rỗng trong mẫu.

Để tránh ảnh hưởng của việc tuân theo các điều kiện thí nghiệmvà ứng xử của hệ thống đo đạc nước lỗ rỗng Các ứng xử quan sát đượctrong thí nghiệm không thoát nước, thì các thí nghiệm thoát nước với thểtích không đổi thường được quan tâm hơn Thay đổi trong ứng suất tổng(ứng suất hông trong thí nghiệm ba trục và ứng suất thẳng đứng trong thínghiệm cắt đơn) đề giữ thể tich hằng số được cắt nghĩa như là sự thayđổi áp lực nước lỗ rỗng thường được thấy trong các thí nghiệm khôngthoát nước Tuy vậy, không có sự bảo đảm rằng mẫu đất trong thínghiệm cắt đơn hay trong thí nghiệm ba trục thường chọn để duy trì áplực nước lỗ rỗng đều như là ngầm hiểu

Bằng chứng từ màn hình điện tử tia X được Wood và Budhu báocáo cho thấy rằng mẫu cát chặt được thí nghiệm trong thiết bị cắt đơncó thể dần phát triển những vùng giãn nở bên trong mẫu Arthur vànhững người khác thảo luận rất nhiều hướng có liên quan đến hướng ứngsuất chính gia số và ứng suất chính lớn nhất, theo đó vùng phá hoạihình thành trong mẫu cát

Ngay cả các hiện tượng trên không được quan sát cũng có thể làcác vùng phá hoại kiểu như thể vẫn hình thành trong mẫu cát trong hầuhết các thiết bị thí nghịêm Sự hình thành các vùng như thế lại là mộtkhó khăn rẽ nhánh (như Schofield và Wroth thảo luận trên sét cố kếttrước)- cát rất dễ khai thác bất cứ sự yếu kém tồn tại trước hay sựkhông hoàn hảo trong khung hạt Nhưng sự ứng xử được quan sát đối vớicác thí nghiệm trên mẫu cát có thể được mong đợi lá phụ thuộc vào chitiết của quá trình chuẩn bị mẫu và quá trình thì nghiệm

Gần đây có nhiều bài báo trong đó nguời ta cho thấy nhiều ảnhhưởng lớn của phương pháp chuẩn bị mẫu lên độ bền hay lên số chu kỳphát sinh hoá lỏng ở một cấp tải cho trước Thí nghiệm hoá lỏng dườngnhư là một ngành nghiên cứu lớn hiện tượng logic của sự nhạy khônghoàn hảo, vậy thí những phát hiện không gây ngạc nhiên Finn,Pickering và Brasby cho thấy tầm quan trọng trong thí nghiệm cắt đơnvới loại có thể duy trì ma sát thích hợp trên các biên ngang- việc giatăng độ nhám làm tăng sức chống hoá lỏng Đây chính là một ảnhhưởng thiết bị khá phức tạp vì biên nhám hay độ dùng của chúng- cácgân bén cao 0.5mm mõi 2mm- khó có thể bị phá huỷ để sinh ra xáođộng cục bộ trong các mẫu có kích thước hạt 0.150.6mm

Các kết quả này có thể được liên hệ ngược lại với các nghiên cứuvề sự thay đổi khung kết cấu trong các thì nghiệm cắt trên mẫu cát doOda thực hiện Oda định nghĩa khung kết cấu như là sự sắp xếp khônggian của các hạt rắn và lổ hỏng liên quan: khung kết cấu đặc biệt chiphối ứng xử của vật liệu bất cứ khi nào đều phụ thuộc vào hạt đất- làcấp phối, góc cạnh hạt và tỉ lệ-và còn phụ thuộc vào lịch sử hình thành

dỉ nhiên bao gồm cả cách hình thành nên vỉa đất Các khảo sát của Odavề khung kết cấu đòi hỏi sự bảo hoà các mẫu cát bằng nhựa Polyester đểmẫu có thể bị cắt thành các phần mỏng Mặt dù kỹ thuật này chưa thểlàm kết cấu khung không xao động, nhưng các kết luận của Oda về tínhchất nổi bật của khung kết cấu không thể có sai sót

Lịch sử ứng suất và biến dạng cũng ảnh hưởng đến ứng xử tươnglai thông qua ảnh hưởng của chúng lên kết cấu khung và điều này chắcchắn dẫn đến sự bối rối trong việc cố so sánh các kết quả từ các thiết bịthí nghiệm khác nhau Có ít lí do để giả thiết rằng lịch sử ứng suất haybiến dạng được áp đặt bởi một thí nghiệm cắt đơn lại làm nảy sinh sựthay đổi ứng suất trong khung kết cấu như lịch sử được áp đặt cho 1 thínghiệm 3 trục Chẳng ngạc nhiên gì sau đó khi Seed và Peacok tìm rarằng chẳng có cái nào trong số các tiêu chuẩn được đề xuất của họ đểliên hệ các thí nghiệm hoá lỏng bằng thiết bị cắt đơn và thiết bị 3 trục,thành công nổi bậc

Sự biến dạng động trước hay lịch sử địa chấn cũng ảnh hưởng đếnứng xử tương lai- ví dụ như sức chống hoá lỏng Sự thay đổi độ chặt cóthể bỏ qua nhưng sự sắp xếp hạt đất hay sự hao mòn lên tiếp xúc hạt cólẽ có ảnh hưởng quan trọng lên khung kết cấu đất

Nhìn qua các khó khăn liên quan đến việc chuẩn bị các mẫu cát,Finn và Bransby và Pickering kết luận rằng sức chống hoá lỏng chỉ cóthể xác định được trên các mẫu không bị xáo động Seed có 1 cái nhìnthực dụng hơn về các khó khăn chuẩn bị mẫu và giải quyết để có đượccác mối quan hệ thực nghiệm hiện trường giữa sức chống xiên và sứcchống hoá lỏng của vỉa cát

CHUYÊN BIỆT HOÁ CHO VIỆC THÍ NGHIỆM CHU KỲ

Từ những vấn đề được thảo luận cho đến nay, thật dễ dàng thiếtlập nên một sự chuyên biệt cho việc đánh giá các kết quả báo cáo củaviệc thí nghịêm theo chu kỳ (tuần hoàn) Bằng chứng là một sự xem xét

tỉ mỉ phải: nhận thức các khó khăn liên quan đến các thiết bị thínghiệm và nổ lực giải quyết các khó khăn này Rõ ràng vật liệu được thínghiệm phải được mô tả chi tiết, nguồn góc của nó và nếu có thể thì môtả thêm sự phân bố cỡ hạt Nơi độ chặt tương đối được nêu lên cho đấtrời, thì thật quan trọng là chỉ ra cách xác định độ chặt lớn nhất, nhỏnhất và giá trị hệ số rỗng Phương pháp chuẩn bị mẫu cần được mô tả

nữa- ví dụ như: Mulilis và những người khác kết luận rằng rót cát, có thểvới dao động tần số thấp, cho các mẫu rất đồng đều: Các phương phápkhác cho các mẫu rất không đều.

Phương pháp đo áp lực nước lỗ rổng và biến dạng trong vùng biếndạng của mẫu cũng được mô tả Thiết bị đo biến dạng dọc trục và biếndạng hướng kính tại trung tâm của mẫu ba trục đã được Pappin mô tả.Việc đo áp lực nước lỗ rỗng ở hai đầu của mẫu ba trục không thể hữudụng nếu thí nghiệm không được thực hiện chậm để cho sự cân bằng áplực nước lỗ rỗng diễn ra: Sangrey, Pollard và Egan ghi chú rằng không cóthí nghiệm nhanh nào mang ý nghĩa khi áp dụng vào điều kiện hiệntrường nếu như sự phân bố không đều áp lực nước lổ rỗng trong mẫu làlớn Nếu kết quả được cắt nghĩa dưới các áp suất hữu hiệu- và dường nhưhướng tiếp cận này rất hứa hẹn cho việc hiểu rõ ứng xử của đất- sau đócác thí nghiệm chậm được quan tâm hơn các thí nghiệm nhanh Dĩ nhiênđiều này lờ đi ảnh hưởng nhớt có thể có lên ứng xử vật liệu do các tốcđộ khác nhau Các thí nghiệm tuần hoàn chậm trong đó việc đo áp lựcnước lỗ rỗng có độ tin cậy cao được quan tâm hơn các thí nghiệm nhanhvà có khả năng cung cấp những manh mối cho việc mô phỏng ứng xửtuần hoàn của đất

Hầu hết đất dính cho thấy một số ảnh hưởng từ biến và chùng ứngsuất khi tiếp tục biến dạng dưới tải không đổi hay tiếp tục gia tăng áplực nước lổ rỗng khi biến dạng thể tích bị ngăn chặn Vì sự hình thànháp lực nước lổ rỗng làm thay đổi ứng suất hữu hiệu, nên nó cũng sẽ làmthay đổi ứng xử của vật liệu Thật cần thiết, theo Sangrey, Pollard vàEgan, để thực hiện các thí nghiệm từ biến và chùng ứng suất song songvới các thí nghiệm tuần hoàn để các ảnh hưởng khác nhau của thời gianvà của tải tuần hoàn được chỉ ra rõ ràng hơn

CHƯƠNG-2 TÁC NHÂN GÂY ĐỘNG VÀ ỨNG XỬ ĐỘNG CỦA

ĐẤT

2.1- TÁC NHÂN GÂY ĐỘNG

2.1.1- SÓNG ỨNG SUẤT TRONG MÔI TRƯỜNG ĐÀN HỒI VÔ HẠN

2.1.1.1- PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA SÓNG ỨNG SUẤT

TRONG MÔI TRƯỜNG ĐÀN HỒI

Xét phần tử lập phương có các cạnh là dx, dy, dz như hình vẽ Tasẽ thiết lập các phương trình chuyển động theo các phương x, y, z bằngcách tổng các hợp lực theo các phương này

Hình 2.1 Ứng suất trong phần tử đàn hồi.

Xét theo phương x:

yx

yx yx

zx

zx zx

x

x x

t

udzdydxdz

dxdy

y

dydxdz

zdz

dydx

Trong đó  là dung trọng của môi trường, u là chuyển vị dọc theo phương

x, đơn giản hóa phương trình trên ta được biểu thức sau:

2

2 zx

yx x

t

uz

2

2 zy

xy y

t

vz

2 yz

xz z

t

wy

2.1.1.2- CÁC PHƯƠNG TRÌNH SÓNG ỨNG SUẤT

1 Sóng nén

Xét phương trình (2.2) – (2.4) với xy = yx , xz = zx, ta viết lại như sau:

zy

xt

2

2

Gz

GyG

2x

uzx

uz

Gy

ux

vyGG

2x

t

u

x 2

2 2

2 2

2 2

2 2

2

z

uy

ux

uy

x

wy

x

vx

uGxt

u

(2.8)Nhưng ta có:

xzx

wy

x

vx

Vì thế:

x

Gt

2 2

2 2

zy

vx

uG

zy

x

Gz

wy

vx

u

t

2 2

2 2

2 2

2 2

2

(2.13)hay

Cuối cùng ta được:

2

vG

2

t (2.14)trong đó:

là vận tốc sóng giãn nở bao gồm sóng thứ cấp (primary wave), P- sóng

(P-wave) hay sóng nén (compression (P-wave).

E

  



12

EG

Gz

vt

2 2

zy

Gy

wt

2 2

wG

z

vy

w

t

2 2

2

(2.18)thay 2 x

z

vy

2.1.1.3- CÁC NHẬN XÉT

Dựa trên các biểu thức của vận tốc sóng nén và sóng cắt ta có thểđưa ra các nhận xét sau:

1 Có hai loại sóng truyền trong môi trường đàn hồi, tuy nhiên chúnglan truyền với vận tốc khác nhau

EG

1E

vpNgoài ra:

EG

12v

vs

p

(2.20)

Hình 2.2 Biến thiên của vp/vs theo 

Hệ số poission, 

Hình 2.2 Biểu diển vp/vs theo , từ hình vẽ này ta thấy rằng giá trị

vp/vs>1 với mọi giá trị của 

Hình 2.3 So sánh kết quả thí nghiệm và lý thuyết của

vận tốc sóng nén khung hạt

Bão hoà Kho â

Hình 2.3 (theo Hardin và Richart, 1963) thể hiện sự biến thiên lý

thuyết của vận tốc sóng nén khung cho cát khô và cát bão hoà (theo lýthuyết của Biot) của cát thạch anh Ta thấy ứng với giá trị ứng suất hông

(confining pressure) cho trước thì vận tốc sóng của cát khô và bão hoà là

không đáng kể, sự khác biệt nhỏ này có thể là do sự khác biệt về trọnglượng riêng của đất

Hình 2.4 Biến thiên của sóng US cắt theo áp lực xung quanh.

Khô Thoát nước Bão hoà

Hình 2.4 diễn tả sự biến thiên của vận tốc ứng suất cắt của cát

Ottawa ở trạng thái khô, thoát nước và bão hoà, cho thấy rằng vùng biếnthiên của vs là rất nhỏ

2.1.2- SÓNG ỨNG SUẤT TRONG MÔI TRƯỜNG BÁN KHÔNG GIAN ĐÀN HỒI VÔ HẠN

Móng tròn

Sóng Rayleigh

Thành phần đứng

Biên độ tương đối

Thành phần ngang

Sóng nén Cung cắt

Biến dạng cắt, ’

sóng này ta xét một bán không gian đàn hồi như hình 2.5 Hai hàm

chuyển vị theo phương x và z độc lập với y, vì vậy ta có:

zx

z

wy

vx

u

z y

2 2

2

2 2

2

2

zxz

xz

0yx

Thành phần chuyển vị xoay xung quanh mặt phẳng x-z cho bởi biểu thức:

2 y

zx

z

wz

Gx

Gz

xt

2 2

2

z

Gx

G2t

zt

2

z

Gz

G2t

xt

2

vG

2

t (2.26)(2)   

v

G

t (2.27)Xét một sóng hình sin lan truyền theo phương x Chọn các hàm  và như sau:

trong đó G(z) và F(z) là các hàm theo độ sâu

=chiều dài2 sóng

 

2

2z

zF)

zG)

 z  q2F z 0

"

F (2.34)và

 z s G z 0

"

G  2  (2.35)trong đó

2 p

2 2 2

v

q    (2.36)

2 s

2 2 2

v

s    (2.37)Giải các phương trình vi phân (2.34) và (2.35), ta được:

2

qz

1e A eA

z

F    (2.38)và

2

sz

1e B eB

z

G    (2.39)trong đó A1, A2, B1, và A2 là các hằng số

Từ phương trình (2.38) và (2.39) ta thấy rằng A2 = B2 =0, nếu không thìF(z) và G(z) đạt đến vô cùng khi chiều sâu tiến đến vô cùng, nhưng ở độsâu này sóng đã tắt

Khi đó phương trình (2.38) và (2.39)

qz)eeA(    

(    



 (2.43)Điều kiện biên của bài toán là tại z 0,z 0,zx 0,zy 0 Theo địnhluật Hooke, giá trị ứng suất tại biên z =0 là:

G zz

s

iGB

A

(2.45)Tương tự:

wG

G zxz

sB

1

1 (2.47)Từ hai phương trình (2.45), và (2.47) ta có:

qi

sq

G

siG

2 2

16G  s q (s  )   Gq   (2.48)Thay thế q và s, sau đó chia 2 vế của (2.48) cho G2f8, ta được:

2 2 2 2 2

2 2

2 2

2

2 2

2

2

2

22

11

s

.

Gv

waveof

hay

rv

2 2

2 2

2

2

Vv

vv

/v

r r

p p

2 2

2 2

2 2

2

2

Vv

vv

/v

r r

s s

2

2 2 p

sv

v



Tuy nhiên ta đã có ở phần đầu:

vp

s

22

2 2

2 GThay giá trị trên vào biểu thức (2.52), ta được:

21G4G2G2

G21G

221/G2

G2

Thay các biểu thức (2.50), (2.51), (2.52) vào (2.49):

22

11

2.1.2.2- CHUYỂN VỊ CỦA SÓNG RAYLEIGH

Từ hai phương trình:

zx

Hình 2.6 Biến thiên của biên độ dao động của thành phần sóng

ngang và sóng đứng của sóng Rayleigh theo chiều sâu (=0.25)

iA

qA

2

Từ hai hai phương trình trên ta nhận thấy rằng chuyển vị theo phương xphụ thuộc vào độ sâu z, thông qua đại lượng U

      s/  z

2 2 z

/ q sz

2 2

1/

s

/s/q2e

es

qs2e

s

2e

es

2e

W

Tuy nhiên:

2

2 2 2

pv

q   

2 2

2

2 2

2

11

v

vv

q

p

r p

sv

s   

2

2 2

2

2 2

2

11

v

vv

s

s

r s

Như vậy khi đã có hệ số poission thì ta sẽ xác định được V, từ đó

ta suy ra f và xác định được giá trị U và W thay đổi theo độ sâu z Hình

2.6 biểu diễn sự biến thiên của thành phần chuyển vị đứng và ngang của

sóng Rayleigh theo độ sâu ứng với =0.25

2.1.2.3- SỰ TẮT DẦN CỦA SÓNG THEO KHOẢNG CÁCH

Tạo một xung ngắn theo thời gian tại bề mặt của không gian bánđàn hồi, thân sóng sẽ lan truyền vào môi trường với đường biên của sóng

có hình bán cầu như hình 2.7 Sóng Rayleigh sẽ lan truyền ra ngoài theo

hướng bán kính dọc theo một mặt sóng hình trụ Tại một khoảng cách

nào đó từ điểm kích động chuyển vị của bề mặt sẽ giống như hình 2.8 vì sóng nén (P-wave) nhanh nhất nên nó sẽ tới trước, tiếp theo là sóng cắt

(S-wave) và cuối cùng là sóng Rayleigh Như hình 2.8, chuyển vị của mặt

đất do sự di chuyển của sóng Rayleigh lớn hơn sóng nén và sóng cắt.Biên độ của kích động sẽ giảm dần theo khoảng cách

Hình 2.7 Lan truyền của sóng chính và sóng Rayleigh.

Sóng bụng Sóng Reyleigh

Chú ý: A là điểm gây chấn động

Hình 2.8 Sự lan tỏa của sóng vào môi trường.

Chuyển động của đất Hướng sóng lan truyền

Vùng chấn động chính Vùng chấn động phụ

Sóng nén Sóng cắt Sóng RayleighSóng nén+lên

+xuống

Hình 2.8a và b cho thấy rằng chuyển vị của đất do sóng Rayleigh

bắt đầu tại vị trí 1 được liên kết từ các đường mô phỏng trong hình 2.8c

phần chuyển động là một ellip không hoàn chỉnh

Khi thân sóng lan ra ngoài dọc theo biên sóng bán hình cầu, năng lượngphân phối rộng ra diện tích và tỷ lệ nghịch với bình phương bán kính