Nghiên cứu độ lún của đất loại sét bão hòa nước chịu cắt trượt động chu kỳ đơn phương và đa phương trong điều kiện không thoát nước

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, TRƯỜNG ðH KHOA HỌC HUẾ<br /> <br /> TẬP 1, SỐ 1 (2014)<br /> <br /> NGHIÊN CỨU ðỘ LÚN CỦA ðẤT LOẠI SÉT BÃO HÒA NƯỚC CHỊU CẮT<br /> TRƯỢT ðỘNG CHU KỲ ðƠN PHƯƠNG VÀ ðA PHƯƠNG<br /> TRONG ðIỀU KIỆN KHÔNG THOÁT NƯỚC<br /> Trần Thanh Nhàn1*, Phạm Công Nhật2<br /> 1<br /> Khoa ðịa lý – ðịa chất, Trường ðại học Khoa học Huế<br /> 2<br /> Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Công trình Giao thông 5<br /> * Email: nhan_hueuni@yahoo.com<br /> TÓM TẮT<br /> Trong bài báo này, ñất sét kaolin bão hòa cố kết bình thường ñược thí nghiệm cắt trượt<br /> ñộng chu kỳ ñơn phương và ña phương không thoát nước với ñộ biến dạng và phương cắt<br /> trượt khác nhau. Kết quả thí nghiệm cho thấy ñộ biến dạng trượt, phương cắt trượt và ñộ<br /> lệch pha có ảnh hưởng rất lớn ñến tính chất áp lực nước lỗ rỗng và ñặc tính nén lún của<br /> ñất. Trong khi ñó ảnh hưởng của áp lực cố kết, trong giới hạn từ 49 kPa ñến 98 kPa, lên<br /> các tính chất này là không ñáng kể, ñồng thời ñặc tính cố kết của mẫu ñất không phụ<br /> thuộc vào lịch sử chịu tải trọng ñộng. Hệ số áp lực nước lỗ rỗng và ñộ lún của ñất sét<br /> kaolin trong ñiều kiện ñơn phương và ña phương bằng nhau nếu ñộ biến dạng của thí<br /> nghiệm ñơn phương gấp hai lần thí nghiệm ña phương. Phương pháp tính lún truyền<br /> thống có thể kết hợp với các chỉ số nén ép CdynU và CdynM ñể dự báo ñộ lún cho nền ñất<br /> loại sét bão hòa chịu cắt trượt ñộng ñơn phương và ña phương không thoát nước.<br /> Từ khóa: Cắt trượt ñơn giản chu kỳ, ñất loại sét, ñộ lún, không thoát nước<br /> <br /> 1. GIỚI THIỆU<br /> Tác dụng của tải trọng ñộng chu kỳ lên nền ñất bão hòa nước sẽ dẫn ñến sự hình<br /> thành áp lực nước lỗ rỗng. Trong trường hợp thời gian gia tải ngắn như thời gian xảy ra<br /> một trận ñộng ñất (trung bình khoảng 20 ∼ 30 giây) hoặc lớp ñất chịu tải là ñất loại sét<br /> có tính thấm nước kém thì tác ñộng của tải trọng ñộng ñược xem là trong ñiều kiện<br /> không thoát nước và trong ñiều kiện này, áp lực nước lỗ rỗng sẽ tích lũy và tăng lên<br /> cùng với quá trình gia tải. Sau khi kết thúc gia tải, nước lỗ rỗng trong ñất thoát ra ngoài<br /> và áp lực nước lỗ rỗng giảm dần theo thời gian gây ra quá trình tái nén ép<br /> (recompression) trong ñất mà trong thực tế người ta thường gọi là quá trình nén lún<br /> thẳng ñứng. ðộ lún sau cắt trượt (post-cyclic settlement) hay ñộ lún sau ñộng ñất<br /> (post-earthquake settlement) của nền ñất ñã ñược nghiên cứu và quan trắc sau nhiều trận<br /> ñộng ñất như ñộng ñất Hyogo-ken Nanbu năm 1995 (Hình 1) hoặc ñộng ñất Niigata<br /> năm 1964 tại Nhật Bản. Các nghiên cứu gần ñây cho thấy, sau siêu ñộng ñất Tohoku<br /> Pacific năm 2011, ñộ lún của nền ñất tại một số khu vực miền ðông Bắc Nhật Bản lên<br /> ñến 60 cm gây lún và nghiêng nhiều công trình xây dựng [1]. Ngoài ra, nhiều nghiên<br /> cứu khẳng ñịnh rằng, nền ñất bị biến dạng cắt trượt ñộng ña phương với ñộ biến dạng<br /> trượt và tần số thay ñổi liên tục khi chịu tác ñộng của xung ñộng từ ñộng ñất [2]. Hình 2<br /> 95<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, TRƯỜNG ðH KHOA HỌC HUẾ<br /> <br /> TẬP 1, SỐ 1 (2014)<br /> <br /> thể hiện quỹ ñạo biến dạng cắt trượt của nền ñất tại ñộ sâu 16m theo hai hướng Bắc<br /> Nam và ðông Tây trong ñộng ñất Hyogo-ken Nanbu năm 1995 [3], dể dàng thấy rằng<br /> biến dạng của nền ñất trong ñộng ñất là biến dạng cắt trượt ñộng ña phương.<br /> 0.5<br /> <br /> ðường cong lún<br /> của nền ñất<br /> <br /> 100<br /> <br /> Strain<br /> (%)(%)<br /> Biến<br /> dạng<br /> <br /> ðộ lún (cm)<br /> <br /> 50<br /> <br /> Trận ñộng ñất<br /> Hyogo-ken Nanbu<br /> <br /> 150<br /> <br /> 200<br /> 600<br /> <br /> 0<br /> <br /> N<br /> <br /> S<br /> <br /> -0.5<br /> 800<br /> <br /> 1000<br /> Thời gian (ngày)<br /> <br /> 1200<br /> <br /> 1400<br /> <br /> Hình 1. ðộ lún nền ñất tại cảng Port Island (Nhật<br /> Bản) trước và sau ñộng ñất Hyogo-ken Nanbu năm<br /> 1995 [4].<br /> <br /> E<br /> <br /> W<br /> <br /> -0.5<br /> <br /> 0<br /> <br /> (%)<br /> BiếnStrain<br /> dạng<br /> (%)<br /> <br /> 0.5<br /> <br /> Hình 2. Quỹ ñạo của ñộ biến dạng<br /> trượt trong trận ñộng ñất Hyogo-ken<br /> Nanbu năm 1995 [3].<br /> <br /> ðộ lún và ñặc tính cố kết của ñất nền dưới tác dụng của tải trọng ñộng chu kỳ có<br /> thể chia thành hai kiểu là kiểu dẫn ñến phá hủy và kiểu không gây ra phá hủy [5]. Trong<br /> ñó, ñộ lún do ñiều kiện cắt trượt ñộng trong ñộng ñất gây ra thuộc vào kiểu thứ nhất và<br /> có thể ñược mô phỏng bằng thí nghiệm cắt trượt chu kỳ không thoát nước. Ohara và<br /> Matsuda [6] ñã nghiên cứu ảnh hưởng của ñộ biến dạng trượt (γ), số lượng chu kỳ (n) và<br /> hệ số quá cố kết (OCR) lên sự hình thành và phát triển của áp lực nước lỗ rỗng và ñặc<br /> tính nén lún sau cắt trượt bằng thiết bị cắt trượt ñộng chu kỳ ñơn phương theo mô hình<br /> ñiều khiển ñộ biến dạng (strain-controlled). Yasuhara và Andersen [7] ñã nghiên cứu<br /> ñặc tính cố kết của ñất loại sét cố kết bình thường chịu chuỗi cắt trượt ñộng chu kỳ ñơn<br /> phương không thoát nước theo mô hình ñiều khiển ứng suất (stress-controlled) xen kẻ<br /> với các giai ñoạn tái nén ép (cho thoát nước lỗ rỗng). Nhìn chung, tính chất áp lực nước<br /> lỗ rỗng và ñộ lún sau cắt trượt của ñất loại sét chịu cắt trượt ñộng cũng như phương<br /> pháp tính toán ñã ñược nghiên cứu và ñề xuất trong nhiều công trình khác nhau [2, 6].<br /> Tuy nhiên, các nghiên cứu này ñều dựa trên kết quả thí nghiệm ba trục ñộng hoặc thí<br /> nghiệm cắt trượt ñộng chu kỳ ñơn phương nên không thể phản ánh ñược ảnh hưởng của<br /> phương cắt trượt trong ñiều kiện cắt trượt ñộng ña phương. Trong khi ñó, ảnh hưởng<br /> của phương cắt trượt lên tính chất ñộng học của ñất loại cát bao gồm tính chất suy giảm<br /> ứng suất hữu hiệu và ñộ lún sau hóa lỏng ñã ñược khẳng ñịnh, nghiên cứu ñịnh lượng<br /> trong nhiều công trình và ñược áp dụng vào tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu tải trọng<br /> ñộng ở Nhật Bản từ năm 1990.<br /> Vì vậy, trong nghiên cứu này, các mẫu ñất sét kaolin cố kết bình thường ñược<br /> thí nghiệm cắt trượt ñộng chu kỳ ñơn phương và ña phương không thoát nước theo mô<br /> hình ñiều khiển ñộ biến dạng. Tính chất nén lún của ñất sau quá trình cắt trượt ñộng<br /> không thoát nước cũng như ảnh hưởng của phương cắt trượt lên tính chất này ñược<br /> 96<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, TRƯỜNG ðH KHOA HỌC HUẾ<br /> <br /> TẬP 1, SỐ 1 (2014)<br /> <br /> nghiên cứu chi tiết. ðồng thời, phương pháp tính toán ñộ lún cổ ñiển do Ohara và<br /> Matsuda [6] phát triển cho ñiều kiện cắt trượt ñộng ñơn phương sẽ ñược sử dụng và<br /> kiểm tra khả năng áp dụng vào ñiều kiện cắt trượt ñộng ña phương.<br /> 2. THÍ NGHIỆM CẮT TRƯỢT ðỘNG ðƠN PHƯƠNG VÀ ðA PHƯƠNG<br /> KHÔNG THOÁT NƯỚC<br /> 2.1. Thiết bị thí nghiệm<br /> Ảnh chụp và sơ ñồ các bộ phận của thiết bị thí nghiệm cắt trượt ñộng chu kỳ ña<br /> phương ñược thể hiện trong Hình 3. Thông qua hai phương cắt trượt vuông góc với<br /> nhau, thiết bị này cho phép tác dụng lên mẫu ñất (ñặt trong hộp cắt) nhiều kiểu tải trọng<br /> ñộng khác nhau. Hình 4 là ảnh chụp mẫu ñất cho các giai ñoạn thí nghiệm. Hộp cắt<br /> trượt là hộp cắt kiểu Kjellman, trong ñó mẫu ñất ñược bảo vệ bằng màng cao su. Bên<br /> ngoài màng cao su là 15 ñến 16 vòng nhựa xếp chồng lên nhau. Mỗi vòng có ñường<br /> kính trong là 75,4mm, dày 2mm. Bằng cách sắp xếp này, mẫu ñất không bị thay ñổi thể<br /> tích theo phương ngang nhưng vẫn chịu biến dạng cắt trượt trong quá trình thí nghiệm.<br /> Bề mặt của mỗi vòng nhựa ñược bôi trơn bằng bột Silicate Magiê nhằm giảm thiểu ma<br /> sát và ñảm bảo biến dạng cắt trượt ñồng nhất theo chiều cao của mẫu.<br /> ðường thoát<br /> nươc lỗ rỗng<br /> Mẫu ñất<br /> φ=75mm; h=20mm<br /> Hộp ño<br /> áp lực<br /> LVDT<br /> <br /> (a)<br /> <br /> (b)<br /> <br /> Bộ truyền áp lực thẳng ñứng<br /> Bộ ñiều khiển áp lực khí<br /> Bộ cảm biến áp lực nước lỗ rỗng<br /> Trục ñịnh hướng<br /> Trục mang tải<br /> Màng cao su<br /> Các vòng tròn nhựa<br /> <br /> Trục truyền tải<br /> <br /> Hình 3. Hình chụp (a) và sơ ñồ các bộ phận (b) của thiết bị thí nghiệm cắt trượt ñộng ñơn giản<br /> chu kỳ ña phương<br /> <br /> (a)<br /> <br /> (b)<br /> <br /> (c)<br /> <br /> (d)<br /> <br /> Hình 4. Ảnh chụp (a) ñất sét kaolin dạng vữa sau khi hút khí trong bình chân không, (b) mẫu<br /> ñất trong hộp cắt trước khi thí nghiệm cố kết, (c) mẫu ñất trước khi thí nghiệm cắt trượt chu kỳ<br /> không thoát nước và (d) mẫu ñất sau khi kết thúc thí nghiệm.<br /> <br /> Áp lực nước lỗ rỗng ñược truyền từ ñáy mẫu ñến bộ cảm biến áp lực bằng ống<br /> 97<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, TRƯỜNG ðH KHOA HỌC HUẾ<br /> <br /> TẬP 1, SỐ 1 (2014)<br /> <br /> dẫn có ñường kính 3mm chứa ñầy nước (ñã ñuổi hết khí). Do chiều cao của mẫu thí<br /> nghiệm tương ñối nhỏ so với ñường kính và ñộ biến dạng trượt ñồng nhất từ ñáy ñến<br /> ñỉnh mẫu nên sự phân bố của áp lực nước lỗ rỗng ñược xem là ñồng nhất trong toàn bộ<br /> thể tích mẫu [6].<br /> 2.2. Mẫu thí nghiệm<br /> Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu này là ñất sét kaolin có một số chỉ tiêu cơ lý<br /> như sau: tỷ trọng Gs = 2,83, ñộ ẩm giới hạn chảy wL = 47,8%, ñộ ẩm giới hạn dẻo wp =<br /> 22,3% và chỉ số nén ép Cc = 0,305. ðể chuẩn bị mẫu ñất thí nghiệm, bột ñất sét kaolin<br /> khô ñược trộn với nước cất ñến ñộ ẩm 80% (dạng vữa). Sau khi giữ cho ñộ ẩm ổn ñịnh<br /> trong 1 ngày, ñất ñược hút khí trong hộp chân không khoảng 30 phút và sau ñó ñược ñổ<br /> vào màng cao su ñã ñặt sẵn trong hộp cắt (Hình 4a và 4b). Phương pháp chuẩn bị mẫu<br /> này ñã ñược mô tả và áp dụng trong nhiều công trình nghiên cứu trước ñây [4, 6].<br /> <br /> Pressure<br /> Áp lực(kPa)<br /> (kPa)<br /> <br /> Settlement<br /> (mm)<br /> ðộ<br /> lún (mm)<br /> <br /> Do ñối tượng của nghiên cứu này là ñất loại sét yếu và cố kết bình thường phân<br /> bố trong cấu trúc nền bão hòa có ñộ sâu từ 5m ñến 10m nên chúng tôi sử dụng áp lực cố<br /> kết là σv0 = 49 kPa và 98 kPa. Ngoài ra, các nghiên cứu của Ohara và Matsuda [6, 7] ñã<br /> khẳng ñịnh, trong giới hạn áp lực từ 49 kPa ñến 98 kPa, ảnh hưởng của áp lực cố kết lên<br /> ñặc tính áp lực nước lỗ rỗng và ñộ lún của ñất loại sét bão hòa chịu cắt trượt ñộng ñơn<br /> phương là không ñáng kể. Vì vậy, trong nghiên cứu này, chúng tôi thực hiện một số thí<br /> nghiệm cắt trượt ñộng ña phương cho giá trị σv0 = 98 kPa nhằm kiểm tra ảnh hưởng của<br /> áp lực cố kết lên các tính chất này trong ñiều kiện cắt trượt ñộng ña phương.<br /> 0.01<br /> 0.1 Thời<br /> 1 gian (phút)<br /> 10<br /> 100<br /> 1000<br /> 10tε<br /> 100<br /> 1000<br /> Time (min.)<br /> 1<br /> 0,01tr 3t0,1<br /> r<br /> 5050<br /> 10<br /> 10 tr 3tr<br /> tε<br /> Áp<br /> lực thẳng<br /> Vertical<br /> stress ñứng Kaolin<br /> 40<br /> 40<br /> σ' v0 = 49kPa<br /> 1111<br /> 3030<br /> <br /> 1212<br /> <br /> 2020<br /> <br /> 13<br /> 13<br /> 1414<br /> <br /> (a) 1515<br /> <br /> Porelực<br /> water<br /> pressure<br /> Áp<br /> nước<br /> lỗ rỗng<br /> <br /> ðất sét kaolin;<br /> σ’v0=49kPa<br /> <br /> 1010<br /> <br /> Kaolin<br /> <br /> ðất<br /> σ’v0=49kPa<br /> σ' =sét<br /> 49 kaolin;<br /> kPa<br /> v0<br /> <br /> 00<br /> (b) 00<br /> <br /> 4<br /> <br /> 4<br /> <br /> 8<br /> 12<br /> 8<br /> 12<br /> Elapsed<br /> (min.)<br /> Thời<br /> giantime<br /> (phút)<br /> <br /> 16<br /> 16<br /> <br /> Hình 5. (a) Tính toán thời gian kết thúc cố kết sơ cấp bằng phương pháp 3t và (b) sự suy giảm<br /> áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian trong thí nghiệm cố kết trên ñất sét kaolin trong hộp cắt<br /> <br /> Kết quả tính toán thời gian kết thúc quá trình cố kết sơ cấp bằng phương pháp 3t<br /> [8] (ñã và ñang áp dụng tại Nhật Bản) và kết quả quan trắc sự suy giảm áp lực nước lỗ<br /> rỗng của mẫu ñất trong hộp cắt trong hình 5a và 5b cho thấy quá trình cố kết sơ cấp của<br /> ñất sét kaolin sử dụng trong nghiên cứu này kết thúc sau khoảng 10 ∼ 15 phút. Sau khi<br /> kết thúc quá trình cố kết, mẫu thí nghiệm có hệ số rỗng ban ñầu e0 = 1,11 - 1,19 cho σv0<br /> = 49 kPa và 1,05 - 1,08 cho σv0 = 98 kPa với ñường kính là 75mm và chiều cao khoảng<br /> 20mm. Nhằm ñảm bảo ñộ bão hòa cho thí nghiệm trong ñiều kiện không thoát nước, các<br /> 98<br /> <br /> 20<br /> 20<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, TRƯỜNG ðH KHOA HỌC HUẾ<br /> <br /> TẬP 1, SỐ 1 (2014)<br /> <br /> mẫu ñất phải ñạt hệ số áp lực lỗ rỗng (B-value) B > 0,95 trước khi thí nghiệm cắt trượt.<br /> 2.3. Các bước thí nghiệm<br /> Sau khi kết thúc cố kết, mẫu ñất ñược thí nghiệm cắt trượt chu kỳ ñơn phương<br /> và ña phương không thoát nước theo thông số ñầu vào gồm số lượng chu kỳ (n), ñộ biến<br /> dạng (γ) và ñộ lệch pha (θ ) ñã ñược lập trình. Trong quá trình thí nghiệm, mẫu ñất ñược<br /> ñảm bảo không bị biến dạng thẳng ñứng nhằm thỏa mãn ñiều kiện bảo toàn thể tích mẫu<br /> và ñiều kiện này cho phép mô phỏng ñiều kiện không thoát nước của thí nghiệm cắt<br /> trượt ñộng.<br /> Bảng 1. Thông số của các thí nghiệm cắt trượt ñộng chu kỳ ñơn phương và ña phương.<br /> Thí nghiệm cắt trượt ñộng chu kỳ ñơn phương<br /> Tần số f<br /> Số lượng chu<br /> ðộ biến dạng trượt γ (%)(1)<br /> (Hz)<br /> kỳ n<br /> 0,5<br /> 200<br /> 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 2,0<br /> Thí nghiệm cắt trượt ñộng chu kỳ ña phương<br /> Tần số f<br /> Số lượng chu<br /> ðộ biến dạng trượt γ (%)(2)<br /> ðộ lệch pha θ ( º )<br /> (Hz)<br /> kỳ n<br /> 0,5<br /> 200<br /> 20, 45, 70, 90<br /> 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 2,0<br /> (1)<br /> Thí nghiệm ñơn phương: γ x = γ<br /> (2)<br /> Thí nghiệm ña phương: γ x = γy = γ<br /> <br /> Trong nghiên cứu này, các mẫu ñất ñược thí nghiệm cắt trượt chu kỳ ñơn<br /> phương và ña phương không thoát nước theo mô hình ñiều khiển ñộ biến dạng. Thông<br /> số của các thí nghiệm ñược thể hiện trong Bảng 1. Biên ñộ biến dạng thay ñổi từ γ =<br /> 0,1% ñến γ = 2,0%, số lượng chu kỳ là n = 200 và các thí nghiệm ña phương có ñộ lêch<br /> pha là θ = 200, 450, 700 và 900. Biến dạng cắt trượt tác dụng lên mẫu ñất có dạng hình<br /> sin với tần số f = 0,5 Hz và do ñó thời gian cho mỗi thí nghiệm là 400 giây. ðộ chính<br /> xác của việc quan trắc sự thay ñổi áp lực nước lỗ rỗng trong các thí nghiệm cắt trượt có<br /> tần số và thời gian cắt trượt này ñã ñược khẳng ñịnh và áp dụng trong các nghiên cứu<br /> trước ñây [6, 9]. Trong quá trình thí nghiệm cắt trượt, áp lực nước lỗ rỗng, ứng suất<br /> thẳng ñứng, ñộ biến dạng và ứng suất ngang theo hai phương X và Y ñược ghi lại với tốc<br /> ñộ 1 số liệu cho 0,05 giây và do ñó 40 số liệu ñược máy tính ghi lại cho mỗi chu kỳ cắt<br /> trượt nhằm ñảm bảo ñộ chính xác và chi tiết của kết quả thí nghiệm.<br /> <br /> ðơn phương<br /> <br /> ða phương (θ = 900)<br /> <br /> Hình 6. Mô hình biến dạng của mẫu ñất trong thí nghiệm (a) ñơn phương và (b) ña phương (θ<br /> = 900)<br /> <br /> 99<br /> <br />