Một số tương quan giữa chỉ tiêu cơ học động và tĩnh của đất nền Hà Nội

Nội dung text: Một số tương quan giữa chỉ tiêu cơ học động và tĩnh của đất nền Hà Nội

1. T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 45, 01-2014, tr.32-37 MỘT SỐ TƯƠNG QUAN GIỮA CHỈ TIÊU CƠ HỌC ĐỘNG VÀ TĨNH CỦA ĐẤT NỀN HÀ NỘI LÊ TRỌNG THẮNG, NGUYỄN VĂN PHÓNG Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Chỉ tiêu cơ học động là những thông tin quan trọng cần thiết cho tính toán các công trình có tải trọng động, nhưng việc xác định trực tiếp các chỉ tiêu này ở nước ta đang gặp khó khăn do hạn chế về thiết bị và giá thành. Bài báo giới thiệu quan hệ tương quan giữa mô đun biến dạng động Ed, ứng suất động giới hạn gh nhận được từ thí nghiệm ba trục động với giá trị xuyên tiêu chuẩn N30, lực dính kết c và hệ số nén lún a, đồng thời đưa ra những nhận xét và kiến nghị cho thiết kế và nghiên cứu động học nền đất tiếp theo. 1. Mở đầu đất nền Hà Nội bằng thiết bị ba trục động đã có Khi thiết kế nhà cao tầng chống động đất để xây dựng một số quan hệ tương quan với độ hoặc các công trình có tải trọng động khác, các tin cậy chấp nhận được, nhằm bổ sung hoàn chỉ tiêu về tính chất cơ học động của đất nền là thiện thông tin địa chất công trình khu vực. những thông tin rất quan trọng. Tuy nhiên, hiện 2. Cơ sở số liệu nay các thiết bị thí nghiệm xác định tính chất cơ Bản chất của đất là không đồng nhất và tính học động của đất ở nước ta đang rất hạn chế về chất của đất thay đổi tùy theo điều kiện thí số lượng, giá thành lại cao. Trong khi đó, các nghiệm, trong đó tính chất cơ học phụ thuộc lớn thông tin về tính chất cơ lý của đất có thể dễ vào mức độ biến dạng của đất. Vì vậy, để xây dàng được xác định bằng các thiết bị thí nghiệm dựng quan hệ giữa đặc trưng cơ học động với trong phòng và ngoài trời đang rất phổ biến. Vì các kết quả thí nghiệm trong phòng và ngoài vậy, để phát huy hiệu quả của các kết quả nghiên trời, các cặp số liệu được lựa chọn như sau: là cứu về tính chất cơ học động đã có, đồng thời bổ số liệu tổng hợp đặc trưng, đại diện cho một vị sung hoàn thiện thông tin về đất nền thì cần thiết trí nghiên cứu trong cùng lớp đất; điều kiện thí phải xây dựng các tương quan thực nghiệm. nghiệm về ứng suất và biến dạng tương tự nhau. Các chỉ tiêu cơ học động là một hàm của Khối lượng thí nghiệm ba trục động và vị nhiều biến số [3], bao gồm: 1) thành phần, trạng trí mẫu được đưa ra trong bảng 1. Từ các kết thái, điều kiện tồn tại của đất; 2) Biên độ, tần số, quả thí nghiệm ba trục động (CyTT) ở các điều thời gian tác dụng của tải trọng động, điều kiện kiện thí nghiệm khác nhau, xác định được các thí nghiệm; 3) Phương pháp xác định. Để xây chỉ tiêu ứng suất động giới hạn (gh, theo [2]), dựng các hàm tương quan thực nghiệm xác định mô đun biến dạng động (Ed, theo [1]) đặc trưng các chỉ tiêu động học của đất theo một chỉ tiêu cho từng giai đoạn tuyến tính, phi tuyến (bảng nào đó, cần phải thí nghiệm với số lượng mẫu 2). Các kết quả thí nghiệm trong phòng và lớn với các điều kiện khác tương tự nhau. Ví dụ, ngoài trời bao gồm thí nghiệm cắt phẳng (DST), để xác định quan hệ giữa chỉ tiêu động học với thí nghiệm nén không nở hông (ODT) và thí thành phần của đất thì phải khống chế được các nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) được tổng hợp chỉ tiêu như độ chặt, độ ẩm, áp lực buồng, biên theo giá trị tiêu chuẩn cho mỗi lớp đất ở một địa độ, tần số tải trọng, Do đó, việc xây dựng các điểm. Trong đó, thí nghiệm DST và thí nghiệm hàm tương quan thực nghiệm có độ tin cây cao SPT được xác định là các thí nghiệm phá hủy là rất khó khăn và tốn kém, đòi hỏi phải có (tương ứng giai đoạn trượt). Với thí nghiệm những nghiên cứu chuyên với kính phí lớn. ODT (không phá hủy), chỉ tiêu đặc trưng là hệ Trong bài báo này, chúng tôi sử dụng các số nén lún (a) theo các cấp áp lực được lựa chọn kết quả nghiên cứu tính chất cơ học động của phù hợp với mức độ biến dạng động. 32
2. Bảng 1. Khối lượng thí nghiệm 3 trục động và vị trí mẫu Khối lượng Hệ Độ sâu Số hiệu mẫu và tên đất Địa điểm thí nghiệm 3 tầng (m) trục động Sét pha, xám vàng, dẻo Khu đô thị Tây Nam, S7 2-5 8 cứng đường Trung Kính 1 Sét pha, xám nâu, dẻo Khu đô thị Tây Nam, Thái S8 5-8 6 cứng đường Trung Kính Bình Sét pha, xám nâu, dẻo Nhà ở Bộ tư lệnh Thủ đô, 2 Y8 2-10 8 chảy Yên Nghĩa 3 C2 Cát mịn, xám xanh xã Liên Ninh, Thanh Trì 17 13 S3 Sét, xám xanh, dẻo cứng 80-Núi Trúc 4-6 2 4 Sét, xám xanh, xám đen, Khu đô thị Tây Nam, S10 8-10 19 dẻo mềm đường Trung Kính Y1 Minh Khai, Hoàng Mai 10-15 3 Hải 5 Sét, xám đen, dẻo chảy Hưng Y4 Minh Khai, Hoàng Mai 7-10 1 Y3 Sét pha, xém đen, dẻo Minh Khai, Hoàng Mai 4-7 7 6 Y6 chảy Minh Khai, Hoàng Mai 16-20 6 7 Y5 Bùn sét pha, xám đen Minh Khai, Hoàng Mai 11-16 3 Sét pha, xám xanh, xám 8 S2 80-Núi Trúc 9-15 3 trắng, dẻo cứng Vĩnh Sét pha, nâu gụ, nửa Khu đô thị Tây Nam, 9 S9 18-23 13 Phúc cứng đường Trung Kính Khu đô thị Tây Nam, 10 C1 Cát mịn, xám vàng 27 2 đường Trung Kính Bảng 2. Các cặp số liệu dùng cho xây dựng tương quan Giai đoạn tuyến Giai đoạn phi Lực Góc Hệ số nén lún tính tuyến dính ma sát (cm2/kG) gh1 Ed gh2 Ed c Mẫu (kPa) (kPa) (kPa) (kPa) (kPa) (độ) a0-0,5 a1-2 N30 S7 10 39606 32 13507 30 14,3 0,056 0,038 10 S8 13 21378 27 5868 24 16,5 0,063 0,039 9 Y8 9 17677 21 7200 10 8 0,110 0,044 3 C2 15 40315 - 27598 16 S10 15 22806 27 6557 20 10 0,07 0,040 8 Y1 9.5 5546 12,8 6,51 0,134 0,067 2 Y4 3296 16 12,2 0,332 0,092 3 Y3 9 25107 23 4824 13,4 9,8 0,208 0,067 4 Y6 9 29297 17 11167 12,2 6,52 0,090 0,031 5 Y5 11 3704 15,8 12,2 0,248 0,094 1 S2 10250 28,6 13,7 0,137 0,031 12 S9 42 109339 95 32942 102 21 0,014 0,012 26 C1 25 28986 33
3. 3. Quan hệ tương quan giữa các chỉ tiêu cơ học động với kết quả thí nghiệm trong phòng và ngoài trời a) Quan hệ thực nghiệm xác định môđun biến dạng động động Ed Mô đun biến dạng động Ed là một chỉ tiêu phụ thuộc lớn vào mức độ biến dạng [4] (giai đoạn làm việc). Vì vậy, các quan hệ tương quan được xây dựng theo các đặc trưng đại diện cho mỗi giai đoạn làm việc của đất. - Theo kết quả thí nghiệm ngoài trời (SPT): Kết quả xây dựng tương quan giữa Ed với N30 được biểu diễn trên hình 1 và 2. Ed (kPa) 120000 100000 Ed = 3715.N 30 2 80000 R = 0.8418 60000 40000 20000 0 N30 (búa) 0 5 10 15 20 25 30 Hình 1. Quan hệ thực nghiệm giữa Ed ở giai đoạn tuyến tính với trị số SPT Ed (kPa) 40000 35000 30000 Ed = 1287.N30 R2 = 0.8288 25000 20000 15000 10000 5000 0 N30 (búa) 0 5 10 15 20 25 30 Hình 2. Quan hệ thực nghiệm giữa Ed ở giai đoạn phi tuyến với trị số SPT - Theo kết quả thí nghiệm nén 1 trục không nở hông: Do đặc trưng biến dạng động và tính nén lún của đất đều thay đổi theo mức độ biến dạng, nên các quan hệ giữa Ed ở giai đoạn tuyến tính 2 với a0-0,5 (hệ số nén lún ở cấp áp lực 0÷0,5 kG/cm ) và Ed ở giai đoạn dẻo với a1-2 (hệ số nén lún ở 34
4. cấp áp lực 1÷2 kG/cm2) được lựa chọn xây dựng tương quan để phù hợp với giai đoạn làm việc của đất. Kết quả được biểu diễn trên hình 3 và 4. b) Quan hệ thực nghiệm xác định biên độ ứng suất động giới hạn (gh) Biên độ ứng suất động giới hạn là biên độ ứng suất động lớn nhất tác dụng lên đất mà không gây phá hủy hay ảnh hưởng đến điều kiện làm việc bình thường của đất. Có hai giá trị giới hạn là ứng suất động giới hạn tuyến tính (gh1) và ứng suất động giới hạn trượt (gh2). Theo kết quả thí nghiệm SPT, các quan hệ tương quan giữa gh1, gh2 với trị số N30 được xây dựng và biểu diễn trên các hình 5, 6. Ed (kPa) 120000 100000 Ed = (1381/a0 -0,5) +9380 R2 = 0.9533 80000 60000 40000 20000 2 0 1/a0-0,5 (kG/cm ) 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 Hình 3. Quan hệ thực nghiệm giữa Ed ở giai đoạn tuyến tính với hệ số nén lún d (kPa) 35000 30000 d = 369/a 1-2 2 25000 R = 0.937 20000 15000 10000 5000 2 0 1/a1-2 (kG/cm ) 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 Hình 4. Quan hệ thực nghiệm giữa Ed ở giai đoạn phi tuyến với hệ số nén lún 35
5.  gh1 (kPa) 45 40 35  gh1 = 1.45.N 30 R2 = 0.8238 30 25 20 15 10 5 0 N30 (búa) 0 5 10 15 20 25 30 Hình 5. Quan hệ thực nghiệm giữa ứng suất động giới hạn tuyến tính (gh1) với giá trị N30  gh2 (kPa) 100 90 = 3.6.N 80  gh2 30 R 2 = 0.9456 70 60 50 40 30 20 10 N30 (búa) 0 0 5 10 15 20 25 30 Hình 6. Quan hệ thực nghiệm giữa ứng suất động giới hạn phi tuyến (gh2) với giá trị N30 Sử dụng các kết quả thí nghiệm cắt phẳng với kết quả thí nghiệm ba trục động, các biểu thức thực nghiệm xác định gh1, gh2 theo lực dính kết c được biểu diễn trên hình 7 và 8.  gh1 (kPa) 45 40 gh1 = 0,36.c + 4,36 35 R2 = 0.953 30 25 20 15 10 5 c (kPa) 0 0 20 40 60 80 100 120 Hình 7. Quan hệ thực nghiệm giữa ứng suất động giới hạn tuyến tính với lực dính kết 36
6.  gh2 (kPa) 100 90 80  gh2 = 0,87.c + 5.9 R2 = 0.959 70 60 50 40 30 20 10 c (kPa) 0 0 20 40 60 80 100 120 Hình 8. Quan hệ thực nghiệm giữa ứng suất động giới hạn trượt với lực dính kết Tổng hợp kết quả xây dựng tương quan được cho trong bảng 3. Bảng 3. Tổng hợp các quan hệ tương quan xác định tính chất cơ học động Giai đoạn làm Hệ số tương Chỉ tiêu Công thức thực nghiệm việc quan (R2) E =3715N 0.8418 E (kPa) d 30 d E = 9380+1381/a 0.9533 Tuyến tính d 0-0,5 gh1 = 1,45.N30 0.8238 gh1 (kPa) gh1 = 0,36c + 4,36 0.953 E =1287N 0.8288 E (kPa) d 30 d E = 369/a 0.937 Phi tuyến d 1-2 gh2 = 3,6.N30 0.9456 gh2 (kPa) gh2 = 0,87c + 5,9 0.959 4. Nhận xét và kết luận những nghiên cứu động học nền đất tiếp theo Độ chặt của các quan hệ tương quan đã trong khu vực. phản ánh điều kiện làm việc của đất nền. Trong đó, độ chặt của quan hệ giữa Ed với hệ số nén TÀI LIỆU THAM KHẢO lún chặt hơn so với N30, do thí nghiệm ba trục xác định Ed và thí nghiệm nén lún đều là thí nghiệm không phá hủy, còn thí nghiệm SPT là [1]. ASTM D3999 – 91 (Reapproved 2003), thí nghiệm phá hủy. Độ chặt của quan hệ giữa Standard Test Methods for the Determination of the Modulus and Damping Properties of Soils gh2 với các kết quả thí nghiệm cắt phẳng và Using the Cyclic Triaxial Apparatus. SPT chặt hơn so với gh1, do điều kiện thí [2]. ASTM D5311 – 92 (Reapproved 2004), nghiệm xác định gh2, lực dính c và N30 đều là phá hủy. Standard Test Method for Load Controlled Các công thức thực nghiệm trong bảng 3 Cyclic Triaxial Strength of Soil. đều có độ chặt cao, có thể được sử dụng để xác [3]. Department of Defense, USA (1997), Soil Dynamics and Spencial Design Aspect. định mô đun biến dạng động Ed phù hợp theo mức độ biến dạng trong tính toán sơ bộ công [4]. Eleni A. Pavlou (1999), Dynamic Analysis of Systems with Hysteretic Damping, UMI trình có tải trọng động, xác định gh1, gh2 cho đánh giá ổn định cũng như định hướng cho Campany, UK. (xem tiếp trang 44) 37
7. SUMMARY Some correlation between dynamic and static properties of soil in Hanoi area Le Trong Thang, Nguyen Van Phong, Ha Noi University of Mining and Geology Soil dynamic properties are important informations for the design of buildings, but determining such targets directly in our country are facing difficulties due to limited equipment and price. This paper introduces some correlation between the dynamic deformation modulus Ed, the extreme dynamic stress gh obtained from cyclic triaxial test with standard penetration value N30, cohesive coefficient c and compression coefficient a, simultaneously make comments and recommendations for the design and soil dynamics studies in the future. 38