Ứng xử của đất dưới tác dụng của tải trọng động
MỤC LỤC
Biến dạng thể tích không phục hồi khi nén sơ cấp
Nếu một khối đất với thể tích ban đầu vo ở ứng suất đẳng hướng ban đầu p0 chịu ứng suất đẳng hướng hiệu quả py’ , thì các phân tố đất sẽ tiến lại gần nhau hơn tăng số lượng điểm tiếp xúc và tăng diện tích tiếp xúc. Những thay đổi như thế phụ thuộc vào cường độ và tỷ lệ tải trọng và vào quá trình chịu tác dụng tải trọng trước đó của đất (lịch sử ứng suất).
Biến dạng không phục hồi do ứng suất cắt
Nhiều thớ nghiệm trong phũng và hiện trường đó được tiến hành để làm rừ trạng thái của đất dưới tác dụng của tải trọng tuần hoàn.Ứng xử của đất không chỉ phụ thuộc vào tần suất của tải trọng mà còn phụ thuộc vào cường độ của tải trọng. Bởi vỡ ở những mức độ biến dạng này cỏc hạt đất được sắp xếp lại trong quá trình tác dụng tải trọng tuần hoàn (Dobry và nnk. 1982, Ng và Dobry, 1994) điều này dẫn tới biến dạng cắt và biến dạng thể tích không phục hồi và dẫn đến sự lún của đất và gia tăng áp lực nước lỗ rỗng ở trong đất bão hòa.
Trạng thái ứng suất, biến dạng phụ thuộc vào điều kiện thoát nước của đất
Nếu tải trọng đẳng hướng, không có ứng suất cắt và đất không thoát nước (thể tích không đổi) thì không có hiện tượng biến dạng xảy ra với đất. Áp suất nước lỗ rỗng dư sẽ dẫn tới hình thành dòng thấm trong đất và theo thời gian thể tích sẽ thay đổi do sự tiêu tán của áp suất nước lỗ rỗng.
Sự hình thành áp suất nước lỗ rỗng do tải trọng động
Trái lại, nếu tải trọng tác dụng nhanh sẽ không có thời gian để nước lỗ rỗng kịp thoát ra và thể tích không thay đổi. Điều này có nghĩa áp suất nước lỗ rỗng tăng do ứng suất tăng gây ra áp suất nước lỗ rỗng dư ∆ uw. Đặc tính này của đất gọi là gia tải không thoát nước vì nước không thoát ra ngoài trong suốt quá trình gia tải.
Điểm quan trọng nhất của đặc tính gia tải không thoát nước là thể tích không thay đổi (Atkinson,.1993).
Đặc tính chảy của đất
Sự chảy là thay đổi về thể tích của đất liên quan tới quá trình đất bị biến dạng cắt hoặc sự thay đổi về áp suất nước lỗ rỗng trong đất (Vermeer,.1970). Thông thường, khi các hạt đất sắp xếp lại thì sẽ dẫn tới những thay đổi về thể tích của đất (Wood, 2004). Ở đất chặt, nếu tác dụng ứng suất cắt, vị trí tương đối của các hạt sẽ thay đổi và tổng thể tích của đất sẽ tăng.
Xu hướng giảm thể tích trong một khoảng thời gian ngắn có thể gây ra sự gia tăng lớn áp suất nước lỗ rỗng làm cho các hạt cát có thể bắt đầu nổi trong nước.
Trạng thái ứng suất và biến dạng phụ thuộc vào thời gian và tốc độ tác dụng tải trọng
Đây là mô hình đặc tính đất cơ bản nhất mà ngày nay vẫn được sử dụng trong các ứng dụng địa kỹ thuật, mô hình này dựa trên cơ sở định luật Hooke, mô phỏng đặc tính của đất là vật liệu đàn hồi tuyến tính. Quan hệ ứng suất - biến dạng của đất có thể được mô phỏng bởi một quan hệ phụ thuộc giữa ứng suất và biến dạng như công thức 2.1. Cặp hằng số này đủ để mô phỏng đặc tính của đất ở những điều kiện đặc biệt, chúng có thể thu được từ các hệ số ứng suất hiệu quả và có quan hệ không tách rời.
Trong cơ học đất, môđun biến dạng cắt G và biến dạng thể tích K được sử dụng nhiều hơn môđun tổng biến dạng K và hệ số Poisson v bởi chúng phân biệt giữa biến dạng do cắt nén và kéo.
Mô hình đàn hồi - thuần dẻo
Khi đó phương trình cơ bản 2.1 được xác định bởi quan hệ giữa độ gia tăng ứng suất ∆σ và gia tăng biến dạng ∆ε. Đoạn AB thể hiện quan hệ ứng suất - biến dạng tuân theo định luật Hooke trước khi ứng suất chạm tới điểm B. Nếu biến dạng của đất vượt quá giá trị ε B, tiến tới điểm C thì quan hệ ứng suất – biến dạng sẽ không còn tuyến tính nữa và ứng suất giữ nguyên giá trị không đổi σ y.
Nếu dỡ tải, đất sẽ thể hiện tính đàn hồi và quan hệ ứng suất – biến dạng sẽ như đoạn CD, song song với AB.
Mô hình hypepol Duncan – Chang
Theo thời gian mô hình vẫn được tiếp tục phát triển, mô hình này được áp dụng trong cả điều kiện thoát nước và không thoát nước. Khi dỡ tải và gia tải lại, độ cứng được giả định chỉ phụ thuộc vào ứng suất chính nhỏ nhất và không phụ thuộc vào ứng suất lệch. Mô hình Duncan-Chang có khả năng mô phỏng các đặc tính của đất như ảnh hưởng của ứng suất tới độ cứng, trạng thái dỡ tải – tải lại và phá hoại.
Mô hình này đã cải thiện hơn mô hình đàn hồi tuyến tính nhưng vẫn không có khả năng miêu tả hết các đặc tính quan trọng của đất.
Mô hình tăng bền
Trong đó Eref là mô đun đàn hồi biểu kiến tương ứng với ứng suất khí quyển pa; m: số mũ trong quan hệ ứng suất – biến dạng. Hạn chế khác của mô hình là không tương thích với những đường ứng suất có độ lệch ứng suất không đổi (σ σ1 3=const). Trong đồ thị 2.4, E50 là mô đun biến dạng cát tuyến phụ thuộc vào ứng suất nén sơ cấp được đưa ra trong phương trình sau.
Nó là mô hình tăng bền đẳng hướng nên nó không mô phỏng được các bài toán tải trọng tuần hoàn và đặc tính cản chấn cũng như đặc tính bất đẳng hướng của đất (Brinkgreve, 2002).
Mô hình tăng bền biến dạng nhỏ (HS – Small)
Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong biến dạng nhỏ được biểu diễn trong hình 2.5. Mô đun biến dạng cắt trong dỡ tải bằng với mô đun biến dạng tiếp tuyến ban đầu trong đường nén sơ cấp. Mô hình HS-Small vẫn có hạn chế đó là không kết hợp tính giảm bền của đất khi chịu tải trọng tuần hoàn, ở đó tính bền đóng một vai trò quan trọng và mô hình cũng không xét đến tính giảm bền do đặc tính chảy dẻo của đất.
Mô hình cũng chưa xét đến sự tích lũy của biến dạng dẻo thể tích và đặc tính hóa lỏng dưới tác dụng của tải trọng tuần hoàn.
Phương pháp khảo sát địa chấn
Tuy nhiên, phương pháp Vibroseis không phải là phương pháp tối ưu vì tín hiệu sóng phát vào lòng đất còn phụ thuộc vào sự tương tác giữa máy tạo chấn (bộ chấn động) với đất bên dưới nó. Gần đây, có một vài cách để giải quyết vấn đề này, nhưng cũng tạo ra những giả thuyết về đất bên dưới xe tạo chấn. Một xe tải Vibroseis được gắn máy tạo rung thủy lực như ở hình 1-2 máy thường bao gồm 3 bộ phận: khối gia tải tĩnh, khối gia tải động và bản đế.
Khối gia tải tĩnh nặng khoảng 100kN, để giữ cố định bản đế không tách rời mặt đất trong quá trình rung.
Sóng địa chấn 1. Sóng địa chấn
Các loại sóng địa chấn + Sóng dọc (P)
Đây là loại sóng làm cho các phần tử vật chất chuyển động theo một quỹ đạo hình elip trong mặt phẳng thẳng đứng song song với hướng truyền sóng. Các giải pháp phân tích cho các điều kiện tải trọng khác nhau áp dụng lên bề mặt một nửa mặt phẳng đàn hồi, đồng nhất và đẳng hướng đã được phát triển bởi nhiều nhà nghiên cứu. Tuy nhiên, rất khó để quyết định được sự lan truyền sóng, đặc biệt đối với những rung động mạnh và đất mềm bởi vì có thể xảy ra quá trình giảm chấn trong đất do có những biến dạng không phục hồi được.
Một số tác giả đã nghiên cứu và đưa ra khuyến nghị về vận tốc sóng của một số loại vật liệu, bảng dưới đây là kết quả nghiên cứu của Ortigao, 2007 dùng để tham khảo.
Mô phỏng bài toán
Mô hình
Bản đế có trục đối xứng, vì thế mà trạng thái ứng suất và biến dạng sẽ là như nhau dù ở bất kì hướng bán kính nào, do đó sử dụng mô hình đối xứng trục để mô phỏng lại bài toán như trình bày ở hình 3.1 với trục tọa độ x (hướng bán kính), y (hướng trục dọc) và θ (hướng chu vi). Trên mặt đất dọc theo hướng bán kính và theo chiều sâu bố trí các điểm thu tín hiệu cách đều 2m để ghi nhận ứng xử của đất nền. Các điểm thu tín hiệu được mô phỏng bằng các điểm dánh dấu trên mô hình bài toán các điểm trên mặt đất nằm cách đều nhau với khoảng cách 2m từ tâm chấn, các điểm theo chiều sâu bố trí ở giữa khối đất nghiên cứu cũng có khoảng cách nhau 2m.
Chọn mô hình hình học
- Cách lựa chọn tải trọng động thường nhỏ hơn: 10kPa và 20kPa để đảm bảo tấm bản đế không bị tách rời khỏi mặt đất.
C clay
Phân tích kết quả
Với mô hình tăng bền biến dạng nhỏ (HS-small), độ cứng của đất thay đổi phi tuyến với biên độ biến dạng nên theo kết quả ta thấy ban đầu điểm xét trên nền đất bị lún mạnh sau đó dao động với biên độ ổn đinh hơn theo thời gian xung quanh giá trị lún lớn nhất và có xu hướng tiếp tục lún xuống. Với mô hình tăng bền biến dạng nhỏ (HS-small), điểm ban đầu bị lún mạnh sau đó dao động ổn định hơn và có chiều hướng lún xuống sâu hơn theo thời gian, thể hiện được tính chất độ cứng của đất thay đổi phi tuyến với biên độ biến dạng tăng dần của mô hình. Khi coi độ cứng của đất là hằng số (mô hình đàn hồi tuyến tính) thì vận tốc sóng nén theo chiều sâu là không đổi, trong khi với mô hình tăng bền biến dạng nhỏ (HS-. small) thì độ cứng của đất tăng dần theo chiều sâu ( độ cứng phụ thuộc vào ứng suất) nên vận tốc sóng nén tăng dần theo chiều sâu như hình 6.
Khi mô phỏng độ cứng của đất trong mô hình đàn hồi tăng tuyến tính theo chiều sâu để đạt được giá trị độ cứng tại độ sâu 40m tương ứng với độ cứng của đất trong mô hình tăng bền biến dạng nhỏ (HS-small) thì kết quả cho thấy vận tốc sóng địa chấn ở mô hình đàn hồi thay đổi tuyến tính theo thời gian.
