Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần hạt đến đặc tính hóa lỏng của cát phân bố ở khu vực nội thành hà nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN THÀNH DƢƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA THÀNH PHẦN HẠT ĐẾN ĐẶC TÍNH HĨA LỎNG CỦA CÁT PHÂN BỐ Ở KHU VỰC NỘI THÀNH HÀ NỘI Ngành: Kỹ thuật địa chất Mã số: 60520501 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Lê Trọng Thắng HÀ NỘI – 2014 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu sử dụng luận văn tác giả thực từ thí nghiệm trường Đại học Mỏ-Địa chất Các số liệu chưa công bố tác giả khác, chúng hoàn toàn trung thực khách quan Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2014 Tác giả Nguyến Thành Dƣơng MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1.Tình hình nghiên cứu giới 1.2.Tình hình nghiên cứu nước CHƢƠNG CƠ CHẾ VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ HÓA LỎNG 2.1.Khái niệm chế tượng hóa lỏng 2.1.1.Khái niệm tượng hóa lỏng 2.1.2.Cơ chế tượng hóa lỏng 10 2.2.Phương pháp đánh giá khả hóa lỏng 13 2.2.1.Giới thiệu chung 13 2.2.2.Đánh giá khả hóa lỏng dựa thí nghiệm trường 18 2.2.3.Đánh giá hóa lỏng dựa thí nghiệm phịng 25 2.3.Các yếu tố ảnh hưởng đến khả hóa lỏng cát 28 2.3.1.Đặc điểm thành phần hạt 28 2.3.2.Độ chặt tương đối cát (Dr) 31 2.3.3.Ứng suất cố kết hữu hiệu (áp lực buồng hữu hiệu) 32 2.3.4.Đặc điểm tải trọng động đất 33 2.3.5.Mực nước đất độ bão hòa 33 2.3.6.Tuổi nguồn gốc 33 CHƢƠNG 34 THÍ NGHIỆM BA TRỤC ĐỘNG TẢI TRỌNG CHU KỲ 34 3.1.Giới thiệu thí nghiệm thiết bị thí nghiệm 34 3.1.1.Giới thiệu thí nghiệm trục động 34 3.1.2.Thiết bị thí nghiệm 36 3.2.Đặc điểm tải trọng động 34 3.3.Phương pháp thí nghiệm trục động 39 3.3.1.Phương pháp chế bị mẫu 39 3.3.2.Lựa chọn thơng số thí nghiệm 45 3.3.3.Tiến hành thí nghiệm 46 CHƢƠNG 49 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM… 50 4.1.Kết thí nghiệm 49 4.2.Phân tích ảnh hưởng thành phần hạt đến khả hóa lỏng cát 54 4.2.1.Xây dựng đường bao hóa lỏng dựa kích thước hạt 55 4.2.2.Ảnh hưởng hàm lượng hạt mịn tới khả hóa lỏng cát 55 4.2.3.Ảnh hưởng hệ số bất đồng Cu 57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………………………………………………………….58 DANH MỤC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ……………………….59 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………… 60 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT amax Gia tốc lớn theo phương ngang gây động đất B Hệ số áp lực nước lỗ rỗng CSR Tỷ số ứng suất cắt chu kỳ; CRR: Tỷ số sức kháng cắt chu kỳ CSRgh Tỷ số ứng suất cắt chu kỳ giới hạn D Đường kính mẫu (mm); H: chiều cao mẫu (mm) Dr Độ chặt tương đối mẫu e Hệ số rỗng mẫu cát thí nghiệm emax Hệ số rỗng lớn nhất; emin: Hệ số rỗng nhỏ f Tần số, Hz G Modulus cắt N Số chu kỳ p Ứng suất trung bình, kPa p Độ lệch ứng suất, kPa u Áp lực nước lỗ rỗng, kPa u Độ tăng áp lực nước lỗ rỗng dư; ru Hệ số áp lực nước lỗ rỗng cyc Biến dạng cắt chu kỳ, % w Khối lượng thể tích, KN/Cm3 cyc Ứng suất cắt chu kỳ, kPa; max: Ứng suất cắt chu kỳ lớn nhất, kPa c Áp lực cố kết hữu hiệu, kPa; a: Biên độ ứng suất dọc trục, kPa 1 Áp lực buồng, kPa; 3: Áp lực ngược, kPa E0 Modun tổng biến dạng, kG/cm2 R0 Sức chịu tải quy ước, kG/cm2 Nspt Giá trị xuyên tiêu chuẩn N60 Giá trị xuyên tiêu chuẩn ứng với 60% lượng búa v Ứng suất tổng (kPa)  v' Ứng suất có hiệu (kPa) DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1.Hóa lỏng xảy trận động đất Niigata, Nhật Bản (1964) Alaska, Mỹ (1964) 10 Hình 2.2 Mơ hình hạt đất bị xếp chặt lại chịu tác dụng tải trọng động 10 Hình 2.3 Sự tăng biến dạng áp lực nước lỗ rỗng đất bị hóa lỏng 11 Hình 2.4 Mơ hình biến đổi áp lực nước lỗ rỗng đất 11 Hình 2.5 Ứng suất tác dụng vào phân tố đất 12 Hình 2.6 Mơ hình khối đất để xác định thông số CSR 14 Hình 2.7 Sự biến đổi hệ số giảm ứng suất cắt theo độ sâu cường độ động đất (Idriss, 1999) 15 Hình 2.8 Mơ hình quy đổi sóng địa chấn 16 Hình 2.9 Quan hệ tỷ áp lực nước lỗ rỗng biến dạng cắt chu kỳ sau 10 chu kỳ (Dobry nnk, 1982) 17 Hình 2.10 Số chu kỳ hóa lỏng quy đổi tương ứng với cấp động đất 18 Hình 2.11 Tương quan tỷ số ứng suất cắt chu kỳ CSRgh với giá trị N hiệu chỉnh (Seed Alba, 1986) 19 Hình 2.12 Liên hệ CSRgh kết thí nghiệm xuyên (qn/pa) 21 Hình 2.13 Tương quan Vs N60 22 Hình 2.14 Tương quan Vs qc 23 Hình 2.15a Quan hệ tỷ ứng suất cắt chu kỳ CSRgh Vs 23 Hình 2.15b Quan hệ CSRgh Vs 24 Hình 2.15c Quan hệ CSRgh Vs theo cấp động đất khác 24 Hình 2.16 Xác định tỷ ứng suất cắt chu kỳ giới hạn CSRgh theo KD 25 Hình 2.17 Sơ đồ ngun lý thí nghiệm CyDSS 27 Hình 2.18 Sơ đồ đơn giản thí nghiệm cắt xoắn 27 Hình 2.19 Đường bao giới hạn thành phần hạt xảy hóa lỏng khơng xảy hóa lỏng (Tsuchida, 1970) 29 Hình 2.20 Quan hệ ứng suất biến dạng mẫu cát với hàm lượng mica khác 30 Hình 2.21 Quan hệ áp lực nước lỗ rỗng biến dạng trục mẫu cát với hàm lượng mica khác 30 Hình 2.22 Quan hệ ứng suất biến dạng cát chặt xốp 31 Hình 2.23 Ảnh hưởng áp lực cố kết hữu hiệu tới khả hóa lỏng cát 32 Hình 3.1 Trạng thái ứng suất biến dạng phân tố đất chịu tác dụng sóng cắt theo phương thẳng đứng thời điểm khác 34 Hình 3.2 Các ứng suất tác dụng vào phân tố đất thí nghiệm nén trục động 36 Hình 3.3 Hệ thống thiết bị trục động Tritech 50kN 38 Hình 3.4 Ảnh mẫu cát hệ tầng Thái Bình kính hiển vi (8x) 51 Hình 3.5 Hình ảnh soi mẫu lát mỏng cát hệ tầng Thái Bình 51 Hình 3.6 Ảnh mẫu cát hệ tầng Vĩnh Phúc kính hiển vi (8x) 51 Hình 3.7 Hình ảnh soi mẫu cát lát mỏng cát hệ tầng Vĩnh Phúc 51 Hình 3.8 Phương pháp rót khơ 43 Hình 3.9 Phương pháp trầm tích nước 44 Hình 3.10 Phương pháp đầm ẩm 45 Hình 3.11 Chế bị mẫu theo phương pháp rót cát khơ 47 Hình 4.1 Biểu đồ % tích lũy thành phần hạt mẫu thí nghiệm 50 Hình 4.2 Hình ảnh soi kính hiển vi số mẫu cát 50 Hình 4.3 Hình ảnh soi lát mỏng số mẫu cát 50 Hình 4.4 Biểu đồ quan hệ hệ số áp lực nước lỗ rỗng ứng suất cắt theo chu kỳ mẫu C5 50 Hình 4.5 Biểu đồ quan hệ ứng suất cắt biến dạng cắt (mẫu C5) 50 Hình 4.6 Hình ảnh mẫu trước sau thí nghiệm (bị hóa lỏng) 53 Hình 4.7 Kết thí nghiệm thể mẫu khơng bị hóa lỏng (mẫu C4) 54 Hình 4.8 Đường bao hóa lỏng cát điều kiện thí nghiệm f=2Hz, biên độ ứng suất cắt  a =50kPa 55 Hình 4.9 Biểu đồ quan hệ hàm lượng hạt mịn số chu kỳ gây hóa lỏng 56 Hình 4.10 Mối quan hệ hệ số bất đồng Cu số chu kỳ hóa lỏng 57 Hình 4.11 Kết thí nghiệm mẫu C3 60 Hình 4.12.Kết thí nghiệm mẫu C4 69 Hình 4.13 Kết thí nghiệm mẫu C5 70 Hình 4.14.Kết thí nghiệm mẫu C6 71 Hình 4.15 Kết thí nghiệm mẫu C7 72 Hình 4.16 Kết thí nghiệm mẫu C9 73 Hình 4.17 Kết thí nghiệm mẫu C10 74 Hình 4.18 Kết thí nghiệm mẫu C11 75 Hình 4.19 Kết thí nghiệm mẫu C15 76 Hình 4.20 Kết thí nghiệm mẫu C16 77 Hình 4.21 Kết thí nghiệm mẫu C17 70 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1.Thành phần hạt số tiêu lý lớp cát Thái Bình 41 Bảng 3.2.Thành phần hạt cố tiêu lý lớp cát Vĩnh Phúc 42 Bảng 3.3.Thành phần hạt số tiêu lý lớp cát Vĩnh Phúc 42 Bảng 3.4 Xác định biên độ ứng suất cắt chu kỳ lớn theo độ sâu 46 Bảng 4.1 Đặc điểm mẫu cát thí nghiệm 50 Bảng 4.2 Tổng hợp kết thí nghiệm 52 Bảng 4.3 Tổng hợp kết thí nghiệm mẫu có hàm lượng hạt mịn khác nhau55 Bảng 4.4 Kết thí nghiệm mẫu có hệ số bất đồng khác nhau……….57 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hóa lỏng tai biến địa chất phổ biển xảy nhiều nơi giới, tải trọng động gây động đất, móng máy, sóng biển, tàu xe hay đóng cọc… Hiện tượng gây phá hủy cơng trình làm ảnh hưởng đến hoạt động kinh tế cơng trình người Điển hình trận động đất xảy Niigata (Nhật Bản, 1964) Alaska (Mỹ, 1964) gây tượng cát bị hóa lỏng, dẫn tới nhiều cơng trình bị phá hủy Do đó, nghiên cứu vấn đề liên quan đến tượng hóa lỏng cát ngày trở lên cấp thiết việc xây dựng cơng trình Hà Nội trung tâm văn hóa, trị, kinh tế nước Hiện nay, Hà Nội có tốc độ thị hóa nhanh, cơng trình ngày xây dựng nhiều Trong đó, có nhiều cơng trình đặt đất cát hệ thống móng máy, đường sá, đê điều, móng cọc nhà cao tầng…Dưới tác dụng tải trọng động cát tiềm ẩn nhiều nguy xảy tượng hóa lỏng, dẫn tới ổn định đất gây phá hủy cơng trình Tuy nhiên, khả hóa lỏng cát phụ thuộc vào nhiều yếu tố độ chặt cát, thành phần hạt hay biên độ, tần số chấn động Hiện nay, nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến khả hóa lỏng cát Việt Nam cịn hạn chế, đặc biệt ảnh hưởng yếu tố thành phần hạt Vì vậy, việc thực đề tài:“ Nghiên cứu ảnh hưởng thành phần hạt đến đặc tính hóa lỏng cát phân bố khu vực nội thành Hà Nội” cần thiết có ý nghĩa thực tiễn Mục tiêu đề tài Làm rõ ảnh hưởng thành phần hạt đến đặc tính hóa lỏng cát phân bố khu vực nội thành Hà Nội dựa thí nghiệm trục động Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: đất cát - Phạm vi nghiên cứu: khu vực nội thành Hà Nội Nội dung nghiên cứu - Tổng quan nghiên cứu ảnh hưởng thành phần hạt đến đặc tính hóa lỏng cát Thế giới Việt Nam; - Các phương pháp đánh giá hóa lỏng yếu tố ảnh hưởng; 64 47.R.Dobry, D.J Powell, F.Y.Yokel and R.S.Ladd, Liquefaction potential of saturated sand-the stiffness method 48.Robertson, P.K., and Campanella, R.G., (1985) Liquefaction potential of sands using CPT, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol.111 (3), pp 384-403 49.Roberson, P.K.1994, Suggested terminology for liquefaction An Internal CANLEX Report 50.Shamsper Prakash Vijay K.Puri (2003), Liquefaction of silts and silt-clay mixtures 51.Soil liquefaction, Committee on Earthquake Engineering (1985), Dedham Massachusetts 52.Sheng-Huoo Ni and En-Shuo Fan, (2004),Fines content effects on liquefaction potential evaluation for sites liquefied during Chi-Chi earthquake, 1999, 13th World conference on Earhquake Engineering Vancouver, Canada 53.Seed, H.B., Tokimatsu, K nnk (1985) Influence of SPT procedures in soil liquefaction resistance evaluations”, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol.111(12),pp 1425-1445 54.Seed, H.B., and Idriss,I.M., (1971) Simplified procedure for evaluation soil liquefaction potential Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, Vol 97(9), pp.1429-1273 55.Shen, C.K and nnk (1977) The effects of fines on Liquefaction of sands Proceeding of the Ninth International Conference on Soil Mech and Found.Eng., Tokyo, Japan, Vol 2,pp.381-385 56.Seed, H.B.,và Pyke, R.M., (1975) Analysis of the Effect of Multi-directional shaking on the Liquefaction characteristics of sands during cyclic loading, Earhquake engineering research center, Universoity of California, Berkeley 57.Seed, H.B., DeAlba, P.A.,(1986),Use of SPT and CPT tests for evaluating the liquefaction resistance of sands, ASCE Geotechnical Special Publication No 6, p.281-301 58.Seed, H.B., and Lee, K.L., (1966) Liquefaction of saturated sands during cyclic loading Journal of the Soil mechanics and foundations division, ASCE, Vol.92,SM6, pp.105-134 65 59.Seed, H.B.,(1979) Soil liquefaction and cyclic mobility evaluantion for level ground during earthquake Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol.105 pp.201-255 60.Seed, H.B., Tokimastu, K., Harder, L., and Chung, R (1985) Influence of SPT procedures in Soil Liquefaction resistance evaluation Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol.111(12), pp.1425-1445 61.Seed, H.B., and Peacock, W.H., (1971) Test procedure for measuring soil liqufaction characteristics Journal of the Soil mechanics and foundations division, ASCE, Vol.97, pp 1099-1119 62.Skempton.A.W.(1986) Standard penetration test procedures and the effects in sands of overburden pressure, relative density, practicle size, ageing and overconsolidation Geotechnique Vol.36, No.3, pp.425-447 63.Sladen,J.A., D‟Hollander, R.D., and Krahn,J (1985) The liquefaction of sands, a collapse surface approach Canadian Geotechnical Journal, pp.564-578 64.T.G Sitharam, Evaluation of liquefaction potential of soils, A workshop on Microzonation, Indian of Science 65.Tokimatsu, K., and Yoshimi, Y.,(1983) Empirical correlation of soil liquefaction based on SPT N-value and fines content Soils and Foundations, JSSMFE, Vol.23, No.4, pp.56-74 66.Tokimatsu,K., and Yoshimi,Y., (1981) Field correlation of soil liquefaction with SPT and grain size Proceeding of the International conference on recent advances in Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics, Rolla USA, Vol.1, pp.203208 67.Tronsco,J.H., and Verdugo,R., (1985) Silt content and dynamic behavior of tailing sands Proceeding Twelfth International conference on soil mech and found.Eng.,San Francisco, USA,pp.1311-1314 68.Tatsuoka, F nnk (1980) Standard penetration tests and soil liquefaction potentail evaluation Soils and Foundations, JSSMFE, Vol.20,No.4, pp.95-111 66 69.Tsuchida, H (1970) Prediction and countermeasure against the liquefaction in sand deposits Abstract of the Seminar in the Port and Harbor Research Institute (in Japanese) 70.Koester, J.P (1994).The influence of fine type and content on cyclic strength Ground failures under seismic conditions, Geotechnical special publication No.44, ASCE, pp 17-33 71.Thevanayagam, S (1999) Effect of fines and confining stress on the undrained shear strength of silty sands.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol.125(11), 1024-1-27 72.Tatsuoka, F and nnk (1986), Some factors affecting cyclic undrained triaxial strength of sand, Soil and foundations, Vol.26, pp.99-116 73.Uyeno, C.K (1977) Liquefaction of Ottawa sand with Fines, Master thesis, University of California, Davis 74.Vaid, V.P., (1994) Liquefaction of Silty soils, Ground failures under seismic conditions, Geotechnical special publication No.44, ASCE, pp 1-16 75.Youd, T.L., and House, S.N.,(1977), Liquefaction susceptibility and geologic setting, Procedding, 6th World Conference on Earhquake Engineering, New Delhi, Vol.3, pp 2189-2194 76.Youd, T.L and Idriss, I.M (1977) NCEER Workshop Proceeding on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils, State Univ of New York at Bufalo, NY 77.Cornell University Ithaca, New York (8/1990), Manual on Estimating soil properties for foundation design 78.National Research Council (1985), Liquefaction of soils during earthquakes, National Academy Press, Washington, D.C.,240p 79.Dezfulian, H., (1982) Effects of silt content on dynamic properties of sandy soils Proceedings of the Eighth World Conference on Earthquake Engineering, San Francisco, USA, pp.63-70 80 Chapter Liquefaction 81.http://en.wikipedia.org/wiki/Peak_ground_acceleration 67 82.ASTM D5311-92 Standard Test Method for Load Controlled Cyclic Triaxial Strength of Soil 83.http://vietbao.vn/Khoa-hoc/Co-the-xay-ra-dong-dat-cap-8-o-Ha-Noi/40008027/188/ 84.Jerry A Yamamuro, Effect of depositional method on the undrained behavior and microstructure of sand with silt University of Delaware 68 PHỤ LỤC Kết thí nghiệm trục động mẫu đƣợc thể biểu đồ quan hệ hệ số áp lực nƣớc lỗ rỗng ứng suất cắt theo chu kỳ Hình 4.11 Kết thí nghiệm mẫu C3 69 Hình 4.12.Kết thí nghiệm mẫu C4 70 Hình 4.13 Kết thí nghiệm mẫu C5 71 Hình 4.14.Kết thí nghiệm mẫu C6 72 Hình 4.15 Kết thí nghiệm mẫu C7 73 Hình 4.16 Kết thí nghiệm mẫu C9 74 Hình 4.17 Kết thí nghiệm mẫu C10 75 Hình 4.18 Kết thí nghiệm mẫu C11 76 Hình 4.19 Kết thí nghiệm mẫu C15 77 Hình 4.20.Kết thí nghiệm mẫu C16 78 Hình 4.21 Kết thí nghiệm mẫu C17 ... hay ảnh hưởng của phương pháp chế bị mẫu đến khả hóa lỏng cát nhiều nhà tác giả nghiên cứu, đặc biệt ảnh hưởng thành phần hạt đến khả hóa lỏng cát Các nghiên cứu ảnh hưởng thành phần hạt đến. .. cứu: khu vực nội thành Hà Nội Nội dung nghiên cứu - Tổng quan nghiên cứu ảnh hưởng thành phần hạt đến đặc tính hóa lỏng cát Thế giới Việt Nam; - Các phương pháp đánh giá hóa lỏng yếu tố ảnh hưởng; ... rõ ảnh hưởng thành phần hạt đến đặc tính hóa lỏng cát phân bố khu vực nội thành Hà Nội dựa thí nghiệm trục động Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: đất cát - Phạm vi nghiên cứu: