11.6.1. Môđun biến dạng động (Điều 10, Khoản 8 Thông báo)
Với phân tích phản ứng đối với động đất, phải xác định một môđun biến dạng động lực của đất để đa ra quan hệ giữa ứng suất cắt và biến vị do cắt của đất
[Chú giải]
Các phơng pháp thiết kế động đất có thể phân loại rộng rãi thành phơng pháp thiết kế tĩnh và phơng pháp thiết kế động lực. Một ví dụ về phơng pháp thiết kế tĩnh là phơng pháp hệ số động đất. Trong phơng pháp này lực động đất đợc giả
định tác động vào đất hoặc kết cấu dới dạng lực quán tính tĩnh, và nghiên cứu ổn
định từ sự cân bằng các lực. Trong phơng pháp thiết kế động lực, các yếu tố khuếch đại động lực hoặc các giá trị khuếch đại cuả gia tốc, tốc độ và biến dạng của đất hoặc kết cấu chống lại đá móng đợc tính để xem xét sự ổn định của đất hoặc kết cấu. Đối với phơng pháp phân tích phản ứng đối với động đất, cả hai cách phân tích lĩnh vực thời gian và phân tích lĩnh vực tần số đều đợc sử dụng.
Đối với cả hai loại phơng pháp, đều cần đến quan hệ giữa ứng suất cắt và biến vị do cắt của đất.
Thông thờng quan hệ giữa ứng suất cắt và biến vị cắt trong đất chịu tải trọng động lực đợc mô tả bằng một đờng cong khung và một đòng cong trễ, nh trong Hình T.11.6.1. Một đòng cong khung sẽ chứng tỏ
(1) Quan hệ giữa ứng suất cắt động lực và biến vị cắt của đất
Có nhiều mô hình để áp dụng các đờng cong ứng suất cắt và biến vị cắt của đất trong phân tích, ví dụ mô hình tuyến tính tơng đơng, mô hình song tuyến, mô hình hypecbol (mô hình Hardin- Dornevich) và mô hình Ramberg-osgood. ở các mô hình này, thờng xuyên sử dụng phơng pháp tính tuyến tính tơng đơng đối với các phân tích phản ứng động đất từ quan điểm thời gian tính toán và tính ổn định của giaỉ pháp. Phạm vi áp dụng của mô hình tuyến tính tơng đơng tuy vậy cũng lên tới một mức biến vị bằng 10-3. Khi mức biến vị quá 10-3, các kết quả phải nghiên cứu cẩn thận
(2) Lập mô hình các tính chất biến dạng trong mô hình tuyến tính tơng đơng
Để ớc đoán phản ứng của đất trong một trận động đất, phải đánh giá thích đáng và lên mô hình tính không tuyến tính của quan hệ giữa ứng suất động lực và biến vị cuả đất đối với một phạm vi rộng của biên độ biến vị cắt. Quan hệ giữa ứng suất động lực và biến vị của đất đợc biểu thị bằng hai thông số: môđun cắt và hằng số tắt dần trong mô hình tuyến tính tơng đơng. Môđun cắt G và hằng số tắt dần h đợc xác định với biên độ biến vị cắt bằng phơng trình (11.6.1) và phơng trình (11.6.2) nh đã
nêu trên Hình T.11.6.2
Hình T.11.6.3. Môđun căt, hằng số tắt dần và biên độ biến vị cắt G/γ
(11.6.1)
W h W
π 2
= ∆ (11.6.2)
trong đó
G : môđun cắt (kN/m2)
T : biên độ ứng suất cắt (kN/m2) γ : biên độ biến vị cắt
h : hằng số tắt dần
w : năng lợng biến vị (kN/m2)
∆w : năng lợng tắt dần (kN/m2) Hình T.11.6.1. Đờng cong ứng suất-
biến vị
Biến vị cắt. γ
ứng suất cắt.τ
§êng cong khung
§êng cong trÔ
Biến vị cắt. γ G là môdun cắt
h là hằng số tắt dần
ứng suất cắt.τ
Hình T.11.6.2. Môđun cắt và hằng số tắt dần
Biên độ biến vị cắt γ
( υ )
ε σ
= + 1 2 a G a
Vì thế các giá trị của môđun cắt G và hằng số tắt dần h thay đổi không tuyến tính phụ thuộc vào gía trị của γ , một đờng cong G/Go ~ γ và một đờng cong h ~ γ thờng đựơc vẽ nh trong Hình T.11.6.3, trong đó Go là môđun cắt tại γ = 10-6
(3) Đo môđun cắt và hằng số tắt dần
Môđun cắt và hằng số tắt dần phải đợc xác định bằng thí nghiệm ở phòng thí nghiệm nh thí nghiệm cộng hởng hoặc ba trục tuần hoàn, hoặc bằng các thí nghiệm tại chỗ sử dụng sóng đàn hồi nh phơng pháp PSL hoặc phơng pháp lỗ khoan ngang. Có thể dùng các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm để
đo môđun cắt và hằng số tắt dần với một phạm vi rộng các biên độ biến vị cắt từ 10-6 tới 10-2 nhng phải lấy đợc các mẫu nguyên dạng ở hiện trờng. Cũng có thể dùng thí nghiệm để đánh giá sự thay
đổi của môđun biến dạng động lực do việc xây dựng các công trình. Với thí nghiệm ba trục tuần hoàn, môđun cắt đợc xác định là phơng trình (11.6.3) với hệ số Poisson
(11.6.3) trong đó
σa : biên độ ứng suất dọc trục (kN/m2) εa : biên độ biến vị dọc trục
Với ν, giá trị 0,33 thờng đợc sử dụng với điều kiện thoát nớc và dùng 0,45 với điều kiện không thoát níc
Hằng số tắt dần h đợc tính từ công thức (11.6.2) với W và ∆W có đợc từ đờng cong ứng suất-biến vị nh đã cho trong Hình T.11.6.2
Các thí nghiệm tại chỗ chỉ giới hạn để đo đạc các môđun cắt tơng ứng với mức biên độ biến vị cắt bằng 10-6.. Các thí nghiệm cha đa vào áp dụng thực tế để đo môđun cắt và hằng số tắt dần cho biên
độ biến vị cắt lớn. Nhng các thí nghiệm này có điều lợi là có thể đo các giá trị trực tiếp tại chỗ. Chúng cũng đợc dùng để hiệu chỉnh môđun cắt lấy từ các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. Hằng số đàn hồi của đất có đợc bằng các phơng trình (11.6.4) tới (11.6.6) từ dữ liệu đo vận tốc sóng đàn hồi trong việc thăm dò động đất bằng các lỗ khoan
trong đó :
Vp : vận tốc sóng dọc (m/s) Vs : vËn tèc sãng ngang (m/s) G0 : môđun cắt (kN/m2) E0 : môđun Young (kN/m2) ν : hệ số Poisson
ρ : dung trọng (t/m3)
γt : trọng lợng đơn vị ớt (kN/m3) g : gia tốc trọng trờng (m/s2)
11.6.2. Tính chất cờng độ động lực
Cờng độ đất chống lại các ngoại lực động lực phải xác định qua các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. Khi làm nh vậy, tính chất của các ngoại lực và các điều kiện của đất cần phải xác định thích đáng
tuần hoàn nhiều lần. Trong tình hình hiện nay, các ngoại lực động lực này thờng đợc chuyển đổi thành lực tĩnh trong phơng pháp hệ số động đất. Tuy nhiên, có các tình huống trong đó cần xử lý chúng nh các tải trọng động lực nh trong phân tích việc hoá lỏng hoặc trong phân tích giảm cờng độ của đất dính dới các kết cấu chịu lực sóng. Trong các trờng hợp này, cờng độ động lực của đất thờng có đợc bằng các thí nghiệm ba trục tuần hoàn. Khi tiến hành thí nghiệm ba trục tuần hoàn, phải dùng phơng pháp thí nghiệm tuần hoàn không thoát nớc đợc giải thích trong "Phơng pháp thí nghiệm đất và Chú thích" của Hội Địa Kỹ thuật Nhật Bản.
Khi áp dụng các kết quả của thí nghiệm ba trục tuần hoàn vào phân tích hoá lỏng của đất trong động đất, tham khảo "Dự đoán và xác định vấn đề hoá lỏng" trong "Sổ tay đối phó với vấn đề hoá lỏng của đất cải tạo" (bản đã sửa chữa)
[Tài liệu tham khảo]