Trạng thái ứng suất biến dạng của nền đất xung quanh hố đào sâu

Bài viết phân tích sự sai khác về trạng thái ứng suất biến dạng của đất nền xung quanh hố đào sâu với đất nền dưới móng công trình để cho thấy sự cần thiết có các thí nghiệm nén ba trục giảm ứng suất ngang.

TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐẤT XUNG QUANH HỐ ĐÀO SÂU TRẦN THƢƠNG BÌNH* Stress- deformation status of soil around deep excavation Stress-deformation status of soil massive is very complicated and depends so much on action feature of load The paper deals with the difference in stress-deformation status of soil in the case of loading vertical and of decreasing horizontal load such as deep excavation problem In the conclusion the paper confirms the needfullness of triaxial test using confining pressure decreasing for determining the behave of soil around deep excavation Key words: Trixial, excavation ĐẶT VẤN ĐỀ * Trạng thái ứng suất biến dạng đất phức tạp phụ thuộc vào đặc điểm tác động tải trọng cơng trình Dưới tải trọng tác động thẳng đứng giới hạn định, đất tăng bền, đồng thời tăng độ tin cậy ổn định cơng trình thiết kế Trong số trường hợp khác, ví dụ, thi cơng hố đào sâu, hình ảnh trạng thái ứng suất biến dạng đất lại hoàn toàn khác Trong trường hợp này, đất bị giảm tải tác động theo phương ngang không tạo nén chặt tăng bền Nhận thức đặc biệt quan trọng đối việc mơ hình hóa điều kiện làm việc đất thí nghiệm phòng xác định thơng số tính tốn móng Hiện nay, thí nghiệm nén ba trục theo sơ đồ gia tải đứng thường áp dụng cho tất trường hợp, kể thí nghiệm phục vụ tính tốn thiết kế thi công hố đào sâu với đất xung quanh chúng bị giảm ứng suất ngang đó, dẫn đến kết tính tốn dự báo ứng xử đất khác nhiều với thực tế đo đạc Bài phân tích sai khác trạng thái ứng suất biến dạng đất xung quanh * Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội K10 Nguyễn Trãi, Hà Đông, Hà Nội DĐ: 0913537260 Email:binhviht@gmail.com ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 hố đào sâu với đất móng cơng trình thấy cần thiết có thí nghiệm nén ba trục giảm ứng suất ngang SỰ BIẾN ĐỔI CỦ TR NG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN D NG THEO HƢỚNG TÁC ĐỘNG CỦ TẢI TRỌNG a) Đối với tải trọng phụ thêm tác động thẳng đứng Từ năm 1934 Frohlich đưa biểu thức tổng quát xác định phân bố ứng suất môi trường đất tải trọng đứng tập trung phụ thuộc vào hệ số biến dạng ngang  1 (  1) dP r   (cos )   2 r Ở đây, r ứng suất khối đất tác động tải trọng thẳng đứng P điểm xác định khoảng cách r góc nghiêng β Trong bán không gian vô hạn đồng đẳng hướng, xét trạng thái ứng suất trước với sau chất tải đứng phân tố đất độ sâu h đới ảnh hưởng tải trọng cơng trình, nhận thấy biến đổi sau: -Trước chất tải đứng có thành phần ứng suất Thành phần thẳng đứng zt = h Thành phần ứng suất nằm ngang x= z Trong đó, z> x nên có ứng suất lệch =z-x - Sau chất tải đứng, giá trị tăng ứng suất thẳng đứng xác định = a.P Trong đó, a hệ số phụ thuộc vào diện chịu tải, tọa độ phân tố đặc điểm tải trọng Đồng thời, tăng  xảy biến dạng thẳng đứng ez phân tố với giá trị sau: ez= /E ex= ez Do đó, trạng thái ứng suất phân tố thay đổi sau: Thành phần ứng suất thẳng đứng zs = zt +  = h + a.P Thành phần ứng suất nằm ngang x= z + E ez Trong đó, - hệ số biến dạng ngang zt , zs - ứng suất thẳng đứng trước sau tăng tải x ứng suất ngang  hệ số áp lực ngang So sánh trước với sau chất tải, thấy hai thành phần ứng suất tăng, tăng ứng suất ngang bị động thành phần ứng suất đứng gây bị ràng buộc điều kiện biểu thức gần Kerisel Quatre’s (1968) 2ex=ev-ez Theo đó, biến đổi ex theo ez phụ thuộc vào biến dạng thể tích ev nên biến đổi x phụ thuộc vào ev Nhưng với giá trị ev khơng thể có ứng suất ngang giảm phần thể tích đất giảm thay vào phần thể tích đế móng Điều đó, cho thấy tăng tải đứng, biến dạng ngang, hệ số biến dạng ngang ứng suất ngang tăng Từ phân tích trên, liên hệ với mẫu đất buồng ba trục xem phân tố đất bán khơng gian vô hạn chịu tác dụng tải trọng công trình mẫu đất buồng ba trục chịu tác dụng dọc trục, với ứng suất ban đầu tải dọc trục xác định sơ theo điều kiện tồn bán khơng gian vơ hạn Như thế, biến đổi trạng thái ứng suất biến dạng mẫu thí nghiệm theo sơ đồ tăng tải đứng diễn tả biến đổi trạng thái ứng suất phân tố b) Đối với tải trọng tác động ngang giảm trường hợp đào hố đào Trong bán không gian vô hạn đồng đẳng hướng, xét trạng thái ứng suất trước với sau giảm tải ngang phân tố đất độ sâu h đới ảnh hưởng của hố đào lân cận với vách hố đào, nhận thấy biến đổi sau: -Trước giảm tải ngang có thành phần ứng suất Thành phần thẳng đứng zt = h Thành phần ứng suất pháp nằm ngang x= z Trong đó, z> x nên có ứng suất lệch =z-x -Sau giảm tải ngang, ứng suất thẳng đứng khơng thay đổi, ứng suất ngang giảm, giá trị nhỏ thành hố tăng dần vào khối đất Giả sử giá trị ứng suất ngang phân tố giảm giá trị x ứng suất lệch tăng giá trị tương ứng: =z-(x-x) = z- x+x Khi xẩy biến dạng thẳng đứng ez phân tố với giá trị sau: ez= /E ex= ez Do đó, trạng thái ứng suất phân tố thay đổi sau: Thành phần ứng suất thẳng đứng zs = zt = h Thành phần ứng suất nằm ngang x= z - x đó, - hệ số biến dạng ngang zt , zs - ứng suất thẳng đứng trước sau tăng tải x ứng suất ngang  hệ số áp lực ngang So sánh trước với sau chất tải thấy thành phần ứng suất đứng không đổi, ứng suất ngang giảm Trong đó, giảm ứng suất ngang chủ động gây biến dạng ngang, lúc biến dạng đứng bị động Giữa biến dạng ngang biến dạng đứng bị ràng buộc điều kiện biểu thức Kerisel Quatre’s (1968) giá trị hệ số biến dạng ngang  phụ thuộc vào biến dạng thể tích ev ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 Từ phân tích liên hệ với mẫu đất buồng ba trục xem phân tố đất bán khơng gian vô hạn chịu ảnh hưởng hố đào mẫu đất buồng ba trục chịu tác dụng giảm áp suất buồng tải trọng dọc trục không đổi, với ứng suất ban đầu tải dọc truc xác định sơ theo điều kiện tồn mẫu đất Như thế, biến đổi trạng thái ứng suất biến dạng mẫu xem biến đổi phân tố đất ảnh hưởng hố đào bán không gian vô hạn Tóm lại, vai trò bị động chủ động thành phần ứng suất biến dạng khác biệt hai dạng ứng xử, nguyên nhân dẫn đến nhiều khác biệt quan trọng mà thơng qua thí nghiệm mơ ba trục giá trị biến dạng ngang, trình biến dạng đến trạng thái giới han làm sáng tỏ BIẾN D NG NG NG VÀ HỆ SỐ BIẾN D NG NG NG Nếu gọi thể tích ban đầu mẫu hình trụ V   H R Tại thời điểm trình biến dạng, mẫu có chiều cao giảm H chiều rộng tăng R thể tích mẫu ( H   H ) ( R   R ) có:  H R  ( H   H ) ( R   R )2  Vtp  Trong đó, H- Chiều cao mẫu đất R- bán kính tiết diện mẫu đất H- biến dạng dọc mẫu đất Vtp- biến dạng thể tích tồn phần R- biến đổi đường kính mặt ngang trung bình mẫu đất ( H  H )R2  2( H  H )RR  H R2  V   R  R  R HR  V  H  H (1) Từ biểu thức (1) chia cho R với R e2  có : R  V  HR    e2  1   H   H  ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 (2) Chia tử mẫu (2) cho HR2, với V  ev  e1  H , mối quan hệ H HR ba thành phần biến dạng sau:  ev e2 = (3) 1  e1 Từ (3) thấy: - e2 e1 Đây trường hợp tăng tải ngang ứng xử đất đóng cọc hạ kết cấu tường vây không khoan đào  ev  tức phải có - e2> 0,  e1  ev   e1 suy ev< e1 Ở xảy hai trường hợp: tăng tải đứng ev> giảm tải ngang ev< Với K modul đàn hồi thể tích đất, có: P ev  với P  (  2 ) K Do P tăng trường hợp tăng tải, biến dạng thể tích mẫu làm mẫu nhỏ đi, ngược lại giảm P, biến dạng thể tích làm mẫu tăng hay mẫu nở Như vậy, trường hợp dỡ tải ngang với biến dạng ngang e2g ln có ev> 0, trường hợp chất tải đứng với biến dạng ngang e2t ln có eve2t Khi khơng có biến dạng thể tích ev=0, e1=2e2 hay = 0.5 Suy ra: ev0 e1> 2e2 tức hệ số biến dạng ngang > 0.5 Tóm lại, hệ số biến dạng ngang phân tố đất tăng tải đứng 0.5 Tuy nhiên, tính tốn dự báo dịch chuyển thành hố đào giá trị biến dạng ngang dựa bảng tra, kết thí nghiệm ba trục với đất bão hòa xác định biến dạng thể tích thể tích =0 nhau, khác nhiều nước khỏi mẫu, tất có giá trị với đất có góc ma sát lớn  0, với >0 b  ag   sin   sin  ev   2tg  (C  E ) > So sánh at với ag bt với bg a = at - ag ≥ E (tg  C ) >0 b = bt -bg≥0,  lớn a b (C  E ) theo đó, ev >   lớn Và =0 a=b=0 tg Từ diễn giải khẳng định, trình -Trường hợp giảm tải ngang ev < 0, với  > đạt đến trạng thái giới hạn sơ đồ thí nghiệm ev   2tg  (C  E ) 0 (C  E ) theo đó, ev >   tg tải trọng quy luật biến đổi giá trị thông số hệ số biên dạng ngang, biến dạng thể tích, độ bền khác Khi tính tốn thiết kế áp dụng hệ số số để chuyển đổi thơng số tốn gia tải đứng với giảm tải ngang khơng có kết tính tốn xác Cần thiết mơ hình hóa điều kiện làm việc thực tế đất để xác định thông số đầu vào phục vụ thiết kế Bài tốn thiết kế thi cơng hố đào sâu ví dụ điển hình TÀI LIỆU TH M KHẢO Hình Đồ thị quan hệ ev –ở trạng thái cân Như vậy, độ bền đất giảm tải ngang nhỏ so với tăng tải đứng giá trị lớn bị ràng buộc thông số theo mối quan hệ (C  E )   tg Hình đồ thị quan hệ biến dạng thể tích độ lệch ứng suất KẾT LUẬN Trạng thái ứng suất biến dạng đất khác phụ thuộc vào đặc trưng tác động Đào Huy Bích (1990) “Cơ học môi trường liên tục”, Nhà in trường Đại học Tổng hợp Hà Nội Đào Huy Bích (2000), “Lý thuyết đàn hồi”, Nhà xuất đại học Quốc gia Hà Nội Trần thương Bình (2005), “ Nghiên cứu biến đổi sức kháng cắt đất hệ tầng Thái Bình mơ hình thí nghiệm động” Tuyển tập khoa học tồn quốc địa chất cơng trình môi trường tr.238-242 P.Purushothama Raj (1995), “Geotechnical.Engineering”, New York R Whitlow (1997), “Cơ học đất”, NXB Giáo dục Arnold Verrujit (2005), “Soil Dynamic”, Delft University of Technology Người phản biện: PGS.TS NGUYỄN BÁ KẾ ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 ... thế, biến đổi trạng thái ứng suất biến dạng mẫu thí nghiệm theo sơ đồ tăng tải ứng diễn tả biến đổi trạng thái ứng suất phân tố b) Đối với tải trọng tác động ngang giảm trường hợp đào hố đào. .. tồn mẫu đất Như thế, biến đổi trạng thái ứng suất biến dạng mẫu xem biến đổi phân tố đất ảnh hưởng hố đào bán khơng gian vơ hạn Tóm lại, vai trò bị động chủ động thành phần ứng suất biến dạng khác... đó, trạng thái ứng suất phân tố thay đổi sau: Thành phần ứng suất thẳng ứng zs = zt = h Thành phần ứng suất nằm ngang x= z - x đó, - hệ số biến dạng ngang zt , zs - ứng suất thẳng đứng