Nghiên cứu và thí nghiệm xác định các đặc trưng động của đất phục vụ cho việc thiết kế các công trình chịu tải động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
**************************

LÊ TRỌNG NGHĨA

ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU VÀ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC
ĐẶC TRƯNG ĐỘNG CỦA ĐẤT PHỤC VỤ CHO VIỆC
THIẾT KẾ CÁC CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI ĐỘNG

CHUYÊN NGÀNH

: CÔNG TRÌNH TRÊN ĐẤT YẾU

MÃ SỐ NGÀNH

: 31.10.02

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2003


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1:

TS. CHÂU NGỌC ẨN

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2:

ThS. VÕ PHÁN

Cán bộ chấm nhận xét 1:

GS.TSKH LÊ BÁ LƯƠNG

Cán bộ chấm nhận xét 2:

GS.TSKH NGUYỄN VĂN THƠ

Luận Văn Thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 06 tháng 09 năm 2003


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập -Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN: LÊ TRỌNG NGHĨA

PHÁI: NAM

NGÀY THÁNG NĂM SINH: 28 – 02 – 1979

NƠI SINH: TIỀN GIANG

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG TRÌNH TRÊN ĐẤT YẾU

MÃ SỐ: 31.10.02

I/- TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU VÀ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG ĐỘNG CỦA ĐẤT
PHỤC VỤ CHO VIỆC THIẾT KẾ CÁC CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI ĐỘNG
II/- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. NHIỆM VỤ:

Nghiên cứu và thí nghiệm xác định các đặc trưng động của đất phục vụ cho việc thiết kế
các công trình chịu tải động.
2. NỘI DUNG:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Tác nhân gây động và ứng xử động của đất
PHẦN II: NGHIÊN CỨU ĐI SÂU VÀ PHÁT TRIỂN
Chương 3: Nghiên cứu các thí nghiệm xác định các thông số động
Chương 4: Thí nghiệm xác định các thông số động của đất trong điều kiện Việt Nam
PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Chương 5: Kết luận và kiến nghị
III/- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

:

20/01/2003

IV/- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ

:

06/09/2003

V/- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

:

TS. CHÂU NGỌC ẨN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM NGÀNH

BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH

TS. CHÂU NGỌC ẨN

GS.TSKH LÊ BÁ LƯƠNG

Th .S VÕ PHÁN

Nội dung và đề cương Luận văn Thạc só đã được Hội đồng Chuyên ngành thông qua.
Ngày tháng năm 2003
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

KHOA QUẢN LÝ NGÀNH

LỜI CẢM ƠN
Hơn 2 năm trôi qua, là khoảng thời gian đủ dài mà em đã theo học
cao học ngành Công trình trên đất yếu tại Trường Đại học Bách Khoa thành
phố Hồ Chí Minh. Hôm nay, em đã kết thúc tất cả các môn và hoàn thành
Luân văn Thạc só này là phần lớn nhờ sự giảng dạy và hướng dẫn nhiệt tình
và đầy lương tâm trách nhiệm của các Thầy Cô phụ trách môn học của
Ngành. Cuối cùng em đã hoàn thành Luận văn Thạc só với đề tài: Nghiên
cứu và Thí nghiệm xác định các đặc trưng động của đất phục vụ cho việc thiết
kế các công trình chịu tải động. Luận văn này sự tổng kết các kiến thức đã
học và sự nổ lực của bản thân trong việc nghiên cứu một đề tài khoa tương
đối mới đồng thời cũng là nền tảng để em em nghiên cứu tiếp sau này.
Với tấm lòng một Kỹ sư và Học viên cao học sắp thành Thạc só, em xin được
gởi lời nói của mình:
 Sự kính trọng, và cảm ơn sâu sắc đến Thầy CHÂU NGỌC ẨN và Thầy VÕ
PHÁN đã hướng em làm đề tài trong suốt 7 tháng qua. Sự hướng dẫn
nhiệt tình và rất chuẩn mực của hai Thầy đã mởû ra và tạo cho em hướng
đi mới trong việc tìm tòi và nghiên cứu một vấn đề khoa học. Không chỉ
thế, hai Thầy còn không ngừng dẫn dắt em trong công tác chuyên môn ở
Trường.
 Sự kính trọng và biết ơn cao cả đến Thầy LÊ BÁ LƯƠNG, chủ nhiêm
ngành Công trình trên đất yếu, dã truyền đạt hết kiến thức của người
cho chúng em trong tất cả các môn học Thầy phụ trách. Đồng thời cảm
ơn Thầy đã tham gia chấm phản biện cho em Luận văn Thạc só này.

Sự kính trọng và biết ơn cao cả đến Thầy NGUYỄN VĂN THƠ đã nhiệt
tình truyền đạt cho chúng em kiến thức của người trong các môn học
Thầy phụ trách. Đồng thời cảm ơn Thầy đã tham gia chấm phản biện
cho em Luận văn Thạc só này.
 Cảm ơn Bộ môn Địa cơ Nền-Móng, quý Thầy Cô và các bạn đồng nghiệp
trong Bộ môn cũng như trong Khoa Kỹ thuật Xây dựng đã tạo mọi điều

kiện để em hoàn thành tốt Luận văn Thạc só này.
 Cảm ơn Phòng Đào tạo sau Đại học và Trường Đại học Bách Khoa đã tạo
mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn tất khoá học này.
 Và cuối cùng niềm động viên tinh thần lớn nhất để tôi hoàn thành tốt
Luận văn Thạc só này là gia đình, đặc biệt là Ba Mẹ , đã không ngại khó
khăn nuôi dưỡng và luôn hy vọng kết quả thành tích học tập ở tôi. Con
xin chân thành cảm ơn Ba Mẹ, gia đình đã giúp đở con hoàn thành khóa
học, và Luận văn Thạc só này là món quà cao q nhất mà con xin tặng
cho gia đình.
Với khả năng và sự hiểu biết của tôi hiện tại chắc chắn sẽ không tránh
được những sai lầm nhất định xin quý Thầy và độc giả bỏ qua và chỉ dẫn
cho tôi trong việc hoàn thiện hơn nữa vốn kiến thức của mình.
Trân trọng kính chào!
Lê Trọng Nghóa


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
TÊN ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU VÀ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG ĐỘNG CỦA
ĐẤT PHỤC VỤ CHO VIỆC THIẾT KẾ CÁC CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI ĐỘNG

TÓM TẮT
Trong điều kiện Việt Nam hiện nay, việc tính toán các công trình
xét đến tính chịu tải động của đất nền bên dưới là rất ít. Nó chỉ được
quan tâm chỉ ở các công trình mang tính quan trọng như nhà máy năng
lượng hạt nhân, nhà máy điện,…một phần là do các thiết bị thí nghiệm
để xác định các thông số động còn chưa phổ biến, và các đề tài nghiên
cứu về đất chịu tải động còn ít. Do đó mục đích của đề tài là đi vào
nghiên cứu xác định các thông số cần thiết để tính toán nền chịu các tải
động.

Phần đầu của Luận văn sẽ đi vào nghiên cứu tìm hiểu về việc lan
truyền động trong đất vớiø các thông số động và các thí nghiệm mà hiện
nay trên thế giới đang dùng để xác định các thông số này. Phần này chỉ
mang tính tìm hiểu lý thuyết là chính.
Phần tiếp theo sẽ đi vào thí nghiệm xác định các thông số động
có thể được bằng các thiết bị thí nghiệm trong phòng. Thiết bị thí
nghiệm cụ thể là máy cắt trực tiếp và máy nén 3 trục và các thông số
thí nghiệm được chủ yếu là E và G. Mẫu đất dùng làm thí nghiệm trong
đề tài là đất cát và đất sét yếu ở thành phố Hồ Chí Minh.
Trong phần kết luận của luận văn sẽ đưa ra các nhận xét về việc
lựa chọn thí nghiệm động và phân tích các thông số thu được từ các thí
nghiệm. Ngoài ra tác giả cũng đưa ra các mặt hạn chế của các thí
nghiệm và hướng nghiên cứu tiếp. Đề tài chỉ mang tính chất lý thuyết và
các thí nghiệm chỉ mang tính chất nền tảng cho việc nghiên cứu tiếp sau
này.


SUMMARY OF THESIS
THEME OF THESIS
STUDY AND DETERMINE THE COEFFICIENTS OF SOIL DYNAMIC
TO APPLY FOR COMPUTING THE WORKS UNDER DYNAMIC LOADING

ABSTRACT
In Vietnam condition, it is unusual to consider to capacity of soil
under dynamic loading on calculating the works. It is only concern on
nuclear power or electricity power constructions because of no popular of
dynamic soil test equipments and the scarce in the field of soil dynamic
research. Therefore, the main purpose of thesis is study and determines
the coefficients of soil dynamic to apply for computing the works under
dynamic loading.

In the first part of the thesis, it is the research of properties of
stress wave through the soil medium and the tests is used to determine
these properties.
In the next part of the thesis, the ordinary laboratory tests are
used to determine the coefficients of soil dynamic. That tests include
direct shear test and triaxial test and the determined coefficients of soil
dynamic is only E and G. The tested soil specimens are loose sand and
silt clay in Ho Chi Minh City.
Conclusion of the thesis, the coefficients of soil dynamic results of
the above tests are analyzed and made comments. Beside that, author
has analyzed limit concern of the tests and proposed continuous research
forward. It is only the thesis reference and foundation for the next
research.


MỤC LỤC
PHẦN-I TỔNG QUAN ................................................................................1
CHƯƠNG-1 TỔNG QUAN .......................................................................1
1.1- ĐỘNG TRONG ĐẤT NỀN ...............................................................1
1.2- KHẢO SÁT ỨNG XỬ CỦA ĐẤT DƯỚI TẢI TUẦN HOÀN BẰNG CÁC
THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG ..............................................................3
CHƯƠNG-2 TÁC NHÂN GÂY ĐỘNG VÀ ỨNG XỬ ĐỘNG CỦA ĐẤT .......20
2.1- TÁC NHÂN GÂY ĐỘNG.............................................................. 20
2.2- ỨNG XỬ ĐỘNG CỦA ĐẤT NỀN .................................................... 33
PHẦN-II NGHIÊN CỨU ĐI SÂU VÀ PHÁT TRIỂN .....................................48
CHƯƠNG-3 NGHIÊN CỨU CÁC THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ
ĐỘNG
.......................................................................................... 48
3.1- CÁC THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG ..............................................48
3.2- THÍ NGHIỆM NGOÀI HIỆN TRƯỜNG ............................................64

3.3- SỰ TƯƠNG QUAN CỦA MUN CHỐNG CẮT VÀ TỶ SỐ GIẢM
CHẤN VỚI CÁC THÔNG SỐ KHÁC .................................................... 82
CHƯƠNG-4 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG CỦA ĐẤT TRONG ĐIỀU
KIỆN VIỆT NAM .................................................................................. 92
4.1- CÁC ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA ĐẤT THÍ NGHIỆM ....................... 92
4.2- THÍ NGHIỆM CẮT TRỰC TIẾP ..................................................... 93
4.3- THÍ NGHIỆM BA TRỤC ............................................................... 95
PHẦN-III KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................... 96
CHƯƠNG-5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................ 96
5.1- KẾT LUẬN ................................................................................. 96
5.2- KIẾN NGHỊ ................................................................................ 98


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1/-BRAJA.M.DAS.
Company

Priciples

of

soil

dynamics.PWS-KENT

Puplishing

2/-G.N.PANDE AND O.C.ZIENKIWICZ. Soil mechanis transient and cyclic
loads and constitutive relation and numerical treatment.JOHN WILEY &
SONS

3/-KAMESWARA
RAO.Vibrationanalysis
WHEELER PUBLISHING

and

foudation

dynamics.

4/-Proceedings of Dynamics of soils and earth-quake engineering VII.
5/-The US Deparment of Defense Hand-book.Soil dynamics and special
design aspects
6/-WILLIAM.T.THOMSON.Theory of vibration with applications.Prentice Hall international company editions


TÓM TẮT LÝ LỊCH HỌC VIÊN
Họ và tên

: LÊ TRỌNG NGHĨA

Sinh ngày

: 28-2-1979 TẠI TIỀN GIANG

Địa chỉ liên lạc

: BỘ MÔN ĐỊA CƠ NỀN MÓNG

Số điện thoại

: 088636822
QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

1996-2001: HỌC TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HỒ CHÍ MINH –
KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG – CHUYÊN NGÀNH XÂY DỰNG DÂN DỤNG
VÀ CÔNG NGHIỆP

2001-2003: HỌC VIÊN CAO HỌC TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
TP. HỒ CHÍ MINH

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC
Từ 2001 đến nay: CÔNG TÁC VÀ HỌC TẬP TẠI TRƯỜNG ĐH BÁCH
KHOA TP.HỒ CHÍ MINH.


Luận văn Thạc só

PHẦN-I

GVHD: TS. CHÂU NGỌC ẨN

TỔNG QUAN
CHƯƠNG-1

TỔNG QUAN

1.1- ĐỘNG TRONG ĐẤT NỀN
Trong quá trình phát triển đất nước theo hướng công nghiệp hoá
hiện đại hoá thì các công trình xây dựng ở Việt Nam đòi hỏi phải có sự

đáp ứng cao hơn. Các nhà máy điện, nhà máy sản xuất,… với các cổ máy
hoạt động thường xuyên gây ra các dao chấn động lan truyền trong đất
nền. Đi sâu hơn nữa, xét đến các móng công trình nhà cao tầng chịu các
tải xung gió, hay các dàn khoan dầu, đê đập chịu các tác dụng động của
sóng thì các ảnh hưởng động này đều truyền xuống nền đất bên dưới
công trình.
Ứng xử của đất dưới tải trọng tónh là đề tài phức tạp đã lôi cuốn
nhiều nổ lực nghiên cứu trong suốt nhiều thập niên qua và mãi cho đến
ngày nay. Tất nhiên khó khăn của vấn đề là vì đây là vật liệu tự nhiên
hai pha. Trong những năm gần đây phản ứng của móng công trình dưới
tải trọng động gây ra bởi động đất, hay các tải trọng lặp chậm hơn gây
cho công trình biển hay các công trình ngoài khơi bởi tác động của sóng
biển. Điều đó làm tăng sự phức tạp của mối quan hệ giữa sự thiết lặp
các công thức và các luật lệ cơ bản. Hiện nay các kết quả nghiên cứu
thực nghiệm và lý thuyết tiến triển trên lónh vực này là vô cùng lớn đến
nổi mà các kỹ sư thực hành cảm thấy khó cho phép để phát triển ứng
dụng và có rất ít sự chỉ dẫn khi đưa vào thực tiển tính toán công trình.
Như vậy, trong quá trình tính toán các công trình như trên ta phải
xét đến sự thay đổi của đất trong cả quá trình chịu tải động.
Ngoài các yếu tố động trên thì động đất cũng là yếu tố gây ra sự
thay đổi khả năng chịu tải của công trình. Mối nguy hiểm của động đất
gay ra cho các công trình thì không thể lường trước được, nó có thể gây
ra sự phá hoại của công trình thông qua sự phá hoại của kết cấu nền
bên dưới làm giảm sức chịu tải của đất nền và có thể dẫn đến sự hoá
loãng của toàn bộ nền bên dùi nên chúng ta phải nghiên cứu để một
phần nào đó kiểm soát được mối đe dọa này.
Bên cạnh đó, sự hoá lỏng của đất do tải động đất hay tính tự hoá
lỏng của nó cũng gây ra sự phá hoại cho công trình
Các hình ảnh minh họa dưới đây cho thấy sự phá hoại của kết cấu
công trình do động đất và phá hoại nền bên dưới do sự hoá lỏng.

Công trình trên đất yếu K.12

1

HVTH: LÊ TRỌNG NGHĨA


Luận văn Thạc só

GVHD: TS. CHÂU NGỌC ẨN

Hình 1: Ảnh hưởng động đất làm nhà lún và nghiêng.

Hình 2: Lớp nhựa đường phía sau bờ kè bị phá hoại do sự hoá lỏng của
nền đất bên dưới ở Cảng Taichung (29/09/1999)

Công trình trên đất yếu K.12

2

HVTH: LÊ TRỌNG NGHĨA


Luận văn Thạc só

GVHD: TS. CHÂU NGỌC ẨN

1.2- KHẢO SÁT ỨNG XỬ CỦA ĐẤT DƯỚI TẢI TUẦN HOÀN BẰNG CÁC THÍ
NGHIỆM TRONG PHÒNG

Cơ học đất là một lónh vực nghiên cứu kỹ thuật, ở đó khá dễ dàng
thành lập thành 2 trường phái: Thứ nhất là những người tin rằng họ có
thể mô tả toán học cách thức đất ứng xử và thứ 2 là những người quan
sát sự ứng xử của đất. Cơ hội cho sự liên thông 2 trường phái này có thể
được nắm lấy nhưng lãnh vực gia tải tuần hoàn hình thành nên 1 phần
riêng của lãnh vực này ở đó trường phái đầu tiên hiện nay thiết lập cho
chính nó 1 vị trí thống trị.
Sự thống trị này vừa nảy sinh vì sự tương phản giữa trí tưởng tượng
phong phú của những người tìm kiếm mới cho việc xây dựng mô hình
toán học và sự khan hiếm dữ liệu thực nghiệm có chất lượng cao theo đó
các mô hình phải phù hợp. Sự tương phản này tồn tại với thí nghiệm
tónh hay đều và cả mô phỏng phản ứng của đất, kết quả của các thí
nghiệm tuần hoàn chịu chi phối rất nhiều bởi sự thay đổi thủ thuật thí
nghiệm.
Bất cứ sự xem xét nào thì kết quả việc khảo sát ứng xử của đất
trong phòng thí nghiệm dưới tải trọng tuần hoàn phải bắt đầu bằng việc
xem xét thiết bị và thủ thuật thí nghiệm được dùng để khảo sát ứng xử
này - Một lónh vực vẫn đang được nghiên cứu để có được sự hiểu biết sâu
rộng hơn.
Ý TƯỞNG MỞ ĐẦU ĐỂ THIẾT LẶP CÁC THÍ NGHIỆM
Để xác định hoàn chỉnh trạng thái ứng suất cho 1 phân tố vật liệu
môi trường liên tục (như hình 1.1a) thì 6 thành phần ứng suất cần được
chỉ rõ. Sáu thành phần ứng suất này bao gồm: 3 thành phần ứng suất
pháp và 3 thành phần ứng suất tiếp tác động trên 3 mặt đôi một vuông
góc nhau của 1 hình lập phương tách ra từ môi trường đang xét. Một
cách khác ta có thể chọn cách xoay hướng hình lập phương để không
còn ứng suất tiếp chỉ còn các ứng suất pháp – ứng suất chính - tác động
trên các mặt hình lập phương (như hình 1.1b). Ngoài ra còn 3 thông số
nữa để chỉ ra phương của hệ trục - trục ứng suất chính. Bất cứ sự thay
đổi tải trọng nào, biến dạng sẽ phát triển trong phân tố vật liệu và 6

thông số cần xác định để định ra trạng thái biến dạng. Những thông số
này là 3 biến dạng dài và 3 biến dạng trượt (như hình 1.1c) hay 3 biến
dạng chính và hướng của chúng (như hình 1.1d). Nói chung không có 1 lí
do tại sao trục chính ứng suất và trục chính biến dạng trùng nhau.
Trong các trường hợp cụ thể, trạng thái ứng suất ban đầu của phân
tố đất hay trạng thái gia số gây ra bởi ngoại tải từ phân tố trên hay dưới
có lẽ giảm đi. Đất rời hay bất cứ kết cấu nền móng nào có chiều dài lớn
hơn nhiều so với chiều rộng, thì điều kiện biến dạng phẳng tương ứng với

Công trình trên đất yếu K.12

3

HVTH: LÊ TRỌNG NGHĨA


Luận văn Thạc só

GVHD: TS. CHÂU NGỌC ẨN

 zz   xz   yz  0 vaø  xz   yz  0 . Ba thành phần ứng suất và biến

dạng độc lập còn lại:  zz là ứng suất chính, không phải là 1 thành phân
độc lập, nó sẽ tự biến đổi để duy trì điều kiện biến dạng phẳng và có
thể xem như phụ thuộc vào ứng suất pháp và ứng suất trượt trong mặt
phẳng trượt ( xx ,  yy ,  xy ) . Bên dưới trục đối xứng của 1 tải trọng hình
tròn đặt trên mặt đất nằm ngang phát triển về mọi phía thì điều kiện
đối xứng trục sẽ áp dụng  xy   yz   zx ,  xx   zz hay  yz   zx   xy  0,
 xx   zz .
yy

yy
yz

yz
zx

z
y

xy

xy

zz

z

zx
zz

xx

y

x

xx

x

(c)

(a)

1
2

z
y

x

1
z
3

y

(b)

1
x

1
(d)

Hình 1.1. Trạng thái US và biến dạng trong một phân tố.
Tuy nhiên, nói chung sự biến thiên đồng thời của 6 thành phần
ứng suất hay biến dạng sẽ diễn ra và bất cứ nổ lực nào nhằm mô phỏng
toán học ứng xử của khối đất chịu tải tổng quát đòi hỏi một mô hình đất

có thể nắm bắt được sự biến thiên đồng thời của 3 ứng suất chính và
góc xoay của cả 3 trục chính- và một mô hình như thế cần được xây
dựng dựa trên dữ liệu thí nghiệm có được từ điều kiện tổng quát tương
đương, có kết quả từ việc khảo sát thực nghiệm không gian ứng suất và
biến dạng 6 chiều.
Sự khảo sát như thế rất dễ mô tả toán học nhưng cũng khó hình
dung và cũng khó áp dụng trong các thí nghiệm được kiểm soát đối với
các mẫu thí nghiệm trong phòng. Hầu hết các thiết bị thí nghiệm trong
phòng có 2 hay quá lắm là 3 bậc tự do. Thật quan trọng khi đánh giá

Công trình trên đất yếu K.12

4

HVTH: LÊ TRỌNG NGHĨA


Luận văn Thạc só

GVHD: TS. CHÂU NGỌC ẨN

rằng các thiết bị khác nhau được giới hạn dịch chuyển trong các vùng
khác nhau của không gian ứng suất hay biến dạng; đất là vật liệu có
tính phi tuyến cao và phụ thuộc vào lộ trình và mặc dù có thể mô tả
trạng thái hiện hành hay những thay đổi của trạng thái trong các thiết
bị khác dưới hình thức một loạt các thông số; như ứng suất và biến dạng
chính hay các bất biến của ứng suất và biến dạng. Thì cũng chẳng có lí
do gì đặt biệt là tại sao ứng xử của phân tố đất, được khảo sát riêng
biệt, phải hoá ra đồng dạng trong khuôn khổ tham khảo chung. Cách
duy nhất là ứng xử của đất theo các lộ trình khác có thể được so sánh

bằng cách xây dựng một mô hình đất với một loạt tiên đề cơ bản và
kiểm tra mô hình này so với ứng xử quan sát được. Tuy nhiên, nói cách
khác, thật có giá trị khi có thông tin hoàn hảo về các thành phần ứng
suất và biến dạng cho một phân tố thí nghiệm để sự khác biệt trong ứng
xử có thể quan sát được trong khuôn khổ tham khảo chung.
1’

q

1’

E

C

A
D

F

D
O

B

E

C

A

F
O
B

p’

3’

(a)

p’

2’

2’3’
c e

(b)

1

c

d f

e f
1

d

a

a

b

b
O

O

v
(c)

23

2

(d)

3

Hình 1.2. Lộ trình ứng suất và lộ trình biến dạng không gian ứng suất và
không gian biến dạng.

Công trình trên đất yếu K.12

5

HVTH: LÊ TRỌNG NGHĨA

Luận văn Thạc só

GVHD: TS. CHÂU NGỌC ẨN

Rõ ràng các thí nghiệm cần được thực hiện trong một tầm tổng
quát càng nhiều các thiết bị càng tốt để không gian ứng suất và biến
dạng càng rộng càng tốt. Không gian ứng suất và biến dạng chính cung
cấp một phương tiện hữu dụng để so sánh khả năng của các thiết bị có
sẳn. Vì đây là không gian 3 chiều, nên lộ trình theo mỗi chiều có thể
được biểu diễn bằng 2 hướng nhìn vuông góc nhau như hình 1.2 (a,b,c,d),
trong mỗi trường hợp một hướng nhìn xiên xuống mặt phân chia (deviator
plane) ( 1   2   3 ) hay ( 1  2  3 ) (hình 1.2 b,d) và một hướng nhìn
vuông góc trong đó trục thuỷ tónh và một trục nữa xuất hiện trong hướng
thực (hình 1.2 a,c).
Một phân tố đất bên dưới bán không gian rộng lớn sẽ chịu nén 1
chiều theo lịch sử địa chất. Nó có thể hiện thời trong trạng thái cố kết
thường (OA và Oa) hay trạng thái quá cố kết (OAB và Oab). Trong nền đất
bên dưới một tải trọng kéo dài hay phía sau một tường chắn dài cũng
như một cách xấp xỉ dưới một dàn khoan trọng lực ngoài khơi chịu tải
trọng do sóng thì phân tố có thể chịu lưc cắt biến dạng phẳng trong điều
kiện không thoát nước - một lộ trình biến dạng trong không gian biến
dạng (ac hay bd) và có kết quả trong không gian ứng suất (AC hay BD).
Lộ trình này có thể được thỏa mãn bằng các thiết bị biến dạng phẳng
như là các thiết bị 2 trục của Hambly. Nhưng bất đồng sự liên quan giản
đơn thấy rõ, thiết bị biến dạng phẳng làm cho các trục chính ứng suất
cố định được sử dụng không thường xuyên cho các thí nghiệm tuần tự và
rõ ràng không bao giờ được dùng cho thí nghiệm tuần hoàn. Một thí
nghiệm cắt đơn thể tích không đổi lí tưởng cũng đi theo một lộ trình

tương tự trong không gian ứng suất chính nhưng 1 chiều phụ thật sự cần
thiết để cho góc xoay trục chính trong thiết bị đó có thể được thể hiện.
Một thí nghiệm nén 3 trục không thoát nước có thể chỉ đi theo các
lộ trình thẳng đứng trong mặt phẳng deviator (AE hay ae) hay (BF hay bf)
và rõ ràng là một thí nghiệm rất khác. Xét ứng xử của vật liệu so với thí
nghiệm biến dạng phẳng. Một phần tiêu biểu của tiêu chuẩn phá hoại
Mohr- Coulomb:

i
1  sin 

j 1 m sin 

( i,j = 13 )

Ở ứng suất trung bình p’ không đổi được cho thấy ở hình 1.2b. Tiêu
chuẩn này có lẽ hoặc không tương ứng cho đất, nhưng lộ trình của biến
dạng phẳng và thí nghiệm 3 trục lại thỏa đối với các phần khác nhau
của tiêu chuẩn trên. Một thiết bị 3 trục thực giống cái do Hambly đề xuất
có thể khảo sát tổng thể không gian ứng suất và biến dạng chính như
thể hiện ở hình 1.2.

Công trình trên đất yếu K.12

6

HVTH: LÊ TRỌNG NGHĨA


Luận văn Thạc só

GVHD: TS. CHÂU NGỌC ẨN
1’
1’> 2’> 3’

1’> 3’> 2’
G

2’> 1’> 3’

O

3’> 1’> 2’

H
2’

3’> 2’> 1’

3’> 1’> 2’

3’

Hình 1.3. Lộ trình ứng suất chuyển từ nén sang nở.
Trong khi đất đang ứng xử giống vật liệu liên tục và chưa đến mặt
phá hoại, thì còn hữu ích hơn nếu ta hình dung các lộ trình ứng suất
trong không gian ứng suất, chứ không phải thành phần ứng suất pháp và
ứng suất trượt trên bất cứ mặt phẳng đặt biệt nào. Sự dịch chuyển từ
một trạng thái nén 3 trục sang nở 3 trục (Từ G đến H của hình 1.3) được
xem như một đường trơn tru trong không gian ứng suất và trọng lực một

số đặt trưng ứng xử của vật liệu gắn liền với việc di chuyển ngang trục
thuỷ tónh. Qua trạng thái ứng suất thuần tuý thuỷ tónh, thì việc 1' không
còn là ứng suất chính chẳng có ý nghóa: sự thay đổi và độ lớn tương đối
của các ứng suất chính diễn ra theo các lộ trình ngang qua các đường
đứt hay liền nét qua tâm (hình 1.3). Chẳng ích lợi gì khi bàn về sự đổi
hướng của các trục ứng suất chính diễn ra mỗi khi một trong số các
đường nói trên bị cắt qua. Một phân tố đất từng có lịch sử chịu nén 1
chiều (OA và oa hay OAB và Oab ở (hình 1.2), có cấu trúc dị hướng và ứng
xử dị hướng đối với sự thay đổi ứng suất hay biến dạng ngay cả khi trạng
thái ứng suất tình cờ đẳng hướng, như ở B.
Bên dưới mặt nền, một loại đất có tính dị hướng với sự dị hướng
đối xứng trục theo một trục thẳng đứng. Sự cần thiết xét sự dị hướng vào
các thí nghiệm được thực hiện trên một loại vật liệu được minh họa tốt
bởi Saada, Saada và Bianchini. Nếu trục ứng suất chính áp đặt do dụng
cụ thí nghiệm khác tương đồng với các trục dị hướng thì mẫu bị cản trở
như tự nhiên (với trục chính ứng suất và trục chính gia số biến dạng
không trùng nhau) (hình 1.4). Một thí nghiệm 3 trục trên một mẫu
nghiêng của đất dị hướng có lẽ cho chúng ta một ít dấu hiệu về sự hướng
của các đặt trưng độ bền- nếu như mẫu phá hoại trên 1 mặt phẳng riêng
biệt- nhưng lại chẳng cho ta thông tin hữu ích về ứng xử ứng suất và
biến dạng của đất trước khi phá hoại. Ngay cả một thí nghiệm 3 trục qui

Công trình trên đất yếu K.12

7

HVTH: LÊ TRỌNG NGHĨA


Luận văn Thạc só

GVHD: TS. CHÂU NGỌC ẨN

ước trên một mẫu ngang cần được cắt nghóa với sự thận trọng: Nói chung
tiết diện ngang hình tròn đầu tiên không giữ nguyên trong lúc trượt mà
lại có khuynh hướng trở thành hình Ellipes- 2 thành phần biến dạng
hướng tâm riêng biệt phải được đo đạt một cách gắt gao.

a

M

V
a
(a)

(b)

P

P
V

M

M

M
P

P

(c)

Hình 1.4. Thí nghiệm ba trục mẫu đất dị hướng.
Bên dưới bờ dốc, các trục dị hướng không thẳng dứng mà nỗ lực
thỏa mãn lộ trình gia tải đối vối các phân tố đất trong điều kiện như thế
bằng các thí nghiệm trong phòng, kiểu mẫu không mang lại thành công.
Saada và Bianchini kết luận rằng thí nghiệm đúng duy nhất trên một
mẫu vật liệu dị hướng có trục mẫu không trùng trục dị hướng chính là thí
nghiệm trên mẫu trụ rỗng (với tỉ lệ thích hợp). Trong thí nghiệm đó
moment xoắn và tải dọc trục (và nội áp suất, ngoại áp suất tương đương)
cùng được đặt vào theo cách sao trục ứng suất chính được di trình trùng
với trục dị hướng của mẫu trong suốt thí nghiệm.
Người ta ngầm giả thuyết rằng (theo hình 1.2 a và b), ứng xử của
một phân tố đất phụ thuộc vào áp suất hữu hiệu. Điều này được minh
chứng cho ứng xử của đất chịu gia tải chậm và sẽ được chứng kiến sau
đây, nó cũng đúng cho cả ứng xử của đất chịu tải tuần hoàn. Việc khảo
sát ứng xử của đất theo ứng suất tổng cũng được quan tâm chút ít,
nhưng hiểu sự biến đổi trong ứng xử thường quan sát được thì cần thiết
liên hệ đến sự thay đổi áp suất hữu hiệu.
THÍ NGHIỆM BA TRỤC
Trong thí ngiệm 3 trục, các mẫu đất hình trụ được áp chuyển vị có
điều khiển qua 1 đóa cứng và điều khiển áp suất hông qua 1 màng cao
su. Vì màng cao su này thường được đính vào 2 đầu nên sự nở ngang của
đất rất bị hạn chế tại 2 đầu và nếu không phòng ngừa thì mẫu bị biến
dạng không điều. Phân tích ảnh hưởng của sự ngăn chuyển vị 2 đầu lên
trường ứng suất trong mẫu đã được Balla, Perloft và Pomblo cùng với

Công trình trên đất yếu K.12

8

HVTH: LÊ TRỌNG NGHĨA


Luận văn Thạc só

GVHD: TS. CHÂU NGỌC ẨN

những người khác trình bày. Nhưng người ta quan tâm đến sự khám phá
hậu quả của sự ngăn chuyển vị 2 đầu lên ứng xử của đất mẫu.
Theo thực nghiệm, Richarson và Whitman biểu hiện lộ trình ứng
suất nhanh và chậm trong trường hợp không thoát nước của mẫu sét cố
kết thường (hình 1.5 a) có đo áp lực nước ở 2 đầu mẫu. Bằng chứng là áp
lực này trong thí nghiệm nhanh nhỏ hơn nhiều so với thí nghiệm chậm.
Sự ngăn cản chuyển vị 2 đầu làm tập trung biến dạng vào trung tâm
mẫu. Vì đây là mẫu cố kết thường nên áp lực nước lổ rỗng dương tăng
lên ở tâm, và trong thí nghiệm chậm nước có thể chảy đến nơi có
Gradient áp lực thấp hơn làm tăng độ ẩm ở 2 đầu trong khi vùng tâm
mẫu lại giảm (hình 1.5 b). Một ảnh hưởng đổi nghịch được quan sát trong
thí nghiệm trên mẫu cố kết trước nặng. Trong trường hợp này áp lực
nước lổ rỗng âm có khuynh hướng gia tăng trong vùng biến dạng trung
tâm.
Carter (không xuất bản) đã thực hiện phân tích phần tử hữu hạn
mẫu 3 trục, ở đây ảnh hưởng của sự thấm hữu hạn của đất cũng được
xem xét. Dòng chảy của nước lổ rỗng ảnh hưởng đến kết quả các thí
nghiệm thoát nước thông qua tốc độ biến dạng. Thí nghiệm nhanh cho
ứng xử quan sát được tương tự với ứng xử trong thí nghiệm không thoát
nước lí tưởng. Thí nghiệm chậm ứng xử giống như mot thí nghiệm thoát

nước lí tưởng. Các phân tố khác nhau của đất trong mẫu đi theo các lộ
trình hoàn toàn khác nhau (hình 1.6a). Trong một thí nghiệm không
thoát nước, mặc dù không có sự thay đổi tổng thể về thể tích mẫu,
nhưng các phân tố riêng lẻ có thể nở hoặc nén (hình 1.6b) và lại theo
các lộ trình ứng suất khác nhau.

Thí
nghiệm
chậm

Thí
nghiệm
nhanh

Thí
nghiệm
nhanh

Thí nghiệm
chậm (85%
dữ liệu)

Hình 1.5. Biểu diễn ảnh hưởng của tốc độ cắt đến lộ trình US và sự phân
bố độ ẩm theo chiều cao mẫu.

Công trình trên đất yếu K.12

9

HVTH: LÊ TRỌNG NGHĨA

Luận văn Thạc só

GVHD: TS. CHÂU NGỌC ẨN
giản nở
Đường tới
hạn

Vùng nén

giản nở

(b)

(a)

Hình 1.6. Đường ứng suất của các điểm khác nhau trong mẫu ba trục.
Rõ ràng, để cho thí nghiệm 3 trục có chất lượng tốt thì việc đo áp
lực nước lổ rỗng và biến dạng phải được thực hiện trong vùng biến dạng
trung tâm của mẫu. Việc đo biến dạng trong vùng này cần có cả biến
dạng dọc trọc và biến dạng hướng kính: Người ta không thể giả thuyết
rằng toàn mẫu không thay đổi thể tích thì ngụ ý rằng không có sự thay
đổi thể tích trong vùng quan tâm.
Một ảnh hưởng xa hơn, có thể cho phép sự thay đổi thể tích không
đáng kể diễn ra trong các thí nghiệm 3 trục không thoát nước, chính là
sự thẩm thấu qua màng. Sự thẩm thấu qua màng này có ý nghóa đặt biệt
trong đất hạt thô- Lade và Hernandex đề xuất rằng ảnh hưởng này nhỏ
đối với cỡ hạt nhỏ hơn 0.10.2 mm. Biên độ của sự ảnh hưởng tuỳ thuộc
vào sự khác biệt giữa áp lực lổ rỗng và áp lực buồng và vì vậy tuỳ thuộc

vào ứng suất hữu hiệu hướng kính  'r . Như Sangrey đã chỉ rỏ, sự thẩm
thấu qua màng diễn ra do một sự thay đổi về áp lực lổ rỗng (do cắt) có
hướng thay đổi thể tích giống như trong một thí nghiệm thoát nước (do
cắt). Vậy thì sự thẩm thấu qua màng sẽ làm giảm áp suất lổ rỗng đo đạc
và Lade với Hernandex cũng quan sát thấy rằng sự chống lại hiện tượng
hóa lỏng không thoát nước cuối cùng có lẽ lại được đánh giá quá cao.

Sangrey phát hiện thấy một hiệu ứng tương tự với sự thẩm
thấu qua màng có thể làm phát sinh sự sai lệch áp lực lổ rỗng
trong các thí nghiệm không thoát nước trên mẫu sét với đóa cứng 2
đầu không ma sát, nguyên nhân là do các túi nước nhỏ kẹt lại giữa
màng và các đóa cứng theo các góc hướng trở vào.

Công trình trên đất yếu K.12

10

HVTH: LÊ TRỌNG NGHĨA


Luận văn Thạc só
Quỹ tích dẽo

GVHD: TS. CHÂU NGỌC ẨN
q
Quỹ tích dẽo

p

(b)

v

(c)



Hình 1.7. Ứng xử của đất có xét tính dị hướng.
Các ý tưởng phía sau việc thí nghiệm lộ trình ứng suất cho ta thấy
rằng nên cố gắng hết sức áp dụng vào các thí nghiệm trong phòng
những lộ trình tương ứng với các phân tố xem xét ngoài hiện trường. Như
chúng ta đã biết, điều này có lẽ không thể được với các thiết bị thí
nghiệm đơn giản của chúng ta đang sẵn có. Trong các trường hợp như
thế việc thí nghiệm lại đảm đương một vai trò hơi khác: không cần gắn
điều chỉnh mỗi giai đoạn của mỗi thí nghiệm bằng cách so sánh với các
lộ trình ứng suất- biến dạng hiện trường phức tạp -mà mỗi thí nghiệm
cùng cấp thông tin trên một vùng ứng xử của đất và có lẽ không có thí
nghiệm, trong thực hành, tương ứng đặc biệt dành cho các ước lượng
hiện trường. Hơn nữa, khi cố gắng làm phù hợp ứng xử của đất dưới nền
phát triển vô tận theo phương ngang, thì sự cố kết ban đầu của đất sẽ là
dị hướng. Các loại đất dị hướng ứng xử khác biệt hoàn toàn với các loại
đất đẳng hướng và sự cố kết dị hướng trong các thí nghiệm trong phòng
có tính quan trọng.
Saada đã nhấn mạnh mức độ khó khăn khi thay đổi cấu trúc cố
kết ban đầu hay hướng của hạt đất. Lewin cho thấy rằng thế dẻo dị
hướng, giảm đối với mẫu cố kết dị hướng và đề nghị rằng sự dị hướng
này rất bền bỉ ngay cả với một gia tăng liên tục cấp ứng suất. Cố kết dị
hướng nhắm vào một tỷ số ứng suất không đổi như OA (hình 1.7a) nên

Công trình trên đất yếu K.12

11

HVTH: LÊ TRỌNG NGHĨA


Luận văn Thạc só

GVHD: TS. CHÂU NGỌC ẨN

áp sự thay đổi ứng suất gần với đường này. Tiếp cận trạng thái ứng suất
dị hướng tại A qua trạng thái ứng suất đẳng hướng tại B (hình 1.7b)
không chỉ sản sinh biết dạng hoàn toàn khác nhau (hình 1.7c) cho thấy
biến dạng tính được cho các lộ trình ứng suất cố kết dị hướng dùng cho
sét Nefield do Nomi thực hiện, chúng được xác định bằng việc dùng mô
hình sét Camlay đẳng hướng, có lẽ không nhất thiết đúng theo các tính
toán chi tiết nhưng hiển nhiên nhấn mạnh được các hiệu ứng có thể có.
THÍ NGHIỆM CẮT ĐƠN
Trong một thiết bị cắt đơn mẫu đất chịu ứng suất trượt và biến
dạng trượt trong điều kiện biến dạng phẳng và không phải điều kiện
biến dạng trực tiếp theo hướng trượt. Vậy thì  xx   zz  0 (hình 1.8) và hai
bậc tự do còn lại là  yx và  yy (Arthur và những người khác bàn luận về
thiết bị cắt đơn trong khi so sánh với các thiết bị thí nghiệm có thể điều
chỉnh góc xoay trục chính ứng suất và biến dạng). Kể từ khi các phân
tích đàn hôì của Roscoe người ta công nhận rằng điều kiện ứng suất và
biến dạng trong mẫu cắt đơn rất không đều chính vì sự thiết vắng các
ứng suất trượt bồ sung ở hai đầu của mẫu.

(c)
(b)

(a)
Hình 1.8. Trạng thái biến dạng cắt đơn và sự phân phối US không đều.
Điều này ẩn chứa một sự phân phối không đều ứng suất trượt trên
mặt đỉnh và mặt đáy (hình 1.8c). Không có tuyên bố về tính chất vật liệu
hay biên độ biến dạng cần cho việc đề xuất các sự phân phối ứng suất
trên: sự thiếu vắng một phần hay hoàn toàn ứng suất trượt ở hai đầu
mẫu ần chứa một số biến đổi tương tự đối với ngay cả biến dạng đàn hồi
vi phân.
Có hai loại thiết bị cắt đơn chủ yếu được dùng ngày nay. Thứ nhất,
được phát triển do các nhà khoa học tại đại học Cambridge, bọc mẫu có
mặt bằng chữ nhật giữa hai biên cứng nối khớp với nhau hay liên kết
sao cho biến dạng biên cắt đơn có thể diễn ra dễ dàng (hình 1.9a). Cái
tiếp theo, do viện địa kỹ thuật Na-Uy, chứa mẫu có mặt bằng tròn, trong
một màng cao su với một dây xoắn ốc xung quanh (hình 1.9b).

Công trình trên đất yếu K.12

12

HVTH: LÊ TRỌNG NGHĨA


Luận văn Thạc só

(a)

GVHD: TS. CHÂU NGỌC ẨN

(b)

Dây bó màng cao su

Hình 1.9. Thiết bị cắt đơn chu kỳ tiết diện chữ nhật và hình tròn.
Trạng thái ứng xuất trong thiết bị vuông đã được phân tích cho vật
liệu đàn hồi bởi Roscoe và Presvot và Hoeg. Ducan và Dunlop đã giới
thiệu một mô hình vật liệu phức tạp hơn cho phép sự phá huỷ tiến triển
và các giá trị modun dị hướng cho đất.
Lý thuyết ở Cambridge đạt được các điều kiện có sự không đều ứng
suất đã biết bằng cách đo đạc sự phân phối ứng suất trên biên với một
dải hộp tải trọng và sử dụng các đo đạc này để tạo ra trạng thái ứng
suất trong phần trung tâm mẫu, là phần ít chịu ảnh hưởng nhất do hiệu
ứng hai đầu. Vì ứng suất trên biên không đều, nên không thể có trường
hợp biến dạng bên trong đều theo các biến dạng trên biên. Phân tích
của Roscoe cho thấy rằng biến dạng phân bố đều một cách đáng kể hơn
ứng suất, nhưng các quan sát hình chụp tia X như những cái do Wood và
Budhu đề xuất lại cho thấy rằng mẫu cát hiển nhiên không bị cản trở
phát triển biến thiên độ chặt.
Trạng thái ứng suất trong thiết bị được Lucks và những người khác
phân tích. Họ kết luận rằng 70% mẫu có điều kiện phân bố ứng suất
đều. Kết luận này bị Wright, Gilbert và Saada đặt dấu hỏi cả về quan
điểm lý thuyết lẫn các thí nghiệm quang đàn hồi mà họ thực hiện để có
được việc đo đạc trực tiếp trạng thái ứng suất bên trong: họ cho thấy
rằng thiết diện tròn không thể duy trì điều kiện biến dạng phẳng và ứng
suất cắt vuông góc với mặt phẳng cắt (yz ) và sự biến thiên ứng suất cắt
trong mặt phẳng cắt (xy) quá lớn để có thể bỏ qua. Một giải pháp phân
tích do Shen và những người khác đề nghị là dùng những phân tích phần
tử hữu hạn có kể đến các phần tử đất và các phần tử màn đựơc gia
cường, và minh hoạ hiệu ứng lên sự không đều của các điều kiện biên
khác cũng như ảnh hưởng lên các đặc trưng vật liệu. nh hưởng tỷ số
khác nhau giữa chiều cao và đường kính và trị số khác nhau giữa đặc

trưng vật liệu đất với đặc trưng màng gia cường cũng được xem xét. Rõ
ràng, mẫu càng dài so với chiều cao thì các đường kính càng đều hơnnhưng vài trong số các kết quả cần được hành xử một cách thận trọng vì

Công trình trên đất yếu K.12

13

HVTH: LÊ TRỌNG NGHĨA


Luận văn Thạc só

GVHD: TS. CHÂU NGỌC ẨN

các kết luận về hiện tượng phân bố không đều sau khi biến dạng đáng
kể chịu ảnh hưởng rất lớn gây ra do các đặc trưng vật liệu thí nghiệm.
Dr <48.5%
48.5< Dr <58.5%
Dr >58.5%

Hình 1.10. Sự phân phối độ ẩm trong mẫu sau 25 chu kỳ cắt.
Việc kiểm tra đúng đắn thực nghiệm hiện tượng phân bố không
đều biến dạng thể tích ở cát trong thiết bị cắt đơn hình tròn do
Casagrande cung cấp. Ông ta báo cáo các thí nghiệm trong đó các mẫu
bão hoà được đông cứng và cắt để có thể xác định được độ ẩm từng
phần (hình 1.10). Bằng chứng là việc duy trì thể tích tổng thể của mẫu
thí nghiệm cắt đơn là hằng số không thể ngăn sự phân phối lại nước lỗ
rỗng hay khí lỗ rỗng trong mẫu.

Nắp

Khung
biên

Buồng
áp lực

Khối ở giữa
Mẫu 2.31.10.1m
Đế

Kích động

Màng cao su
Áp suất không khí
Cát bão hoà

Hình 1.11. Cấu tạo một thí nghiệm cắt đơn lý tưởng.
Nếu những khó khăn đầu tiên trong thí nghiệm cắt đơn do ảnh
hưởng của hai đầu mẫu thì sau đó có thể cải thiện bằng cách tránh khỏi
hai đầu mẫu. Seed cho thấy một cấu hình cho một thí nghiệm cắt đơn lý

Công trình trên đất yếu K.12

14

HVTH: LÊ TRỌNG NGHĨA


Luận văn Thạc só

GVHD: TS. CHÂU NGỌC ẨN

tưởng (hình 1.11a). Với một thiết bị loại này (với hai đầu không hạn chế)
và có hộp tải trọng trên các biên đỉnh, đáy, ngang thì trạng thái ứng
suất cần thiết dần dần được sinh ra. Một thiết bị cắt đơn dài được
Kovacs sử dụng để thí nghiệm những mẫu sét không hạn chế chuyển vị
theo phương ngang. Ông ta kết luận rằng tỷ số chiều dài so với chiều cao
cần ít nhất là 6 để có được kết quả tin cậy theo ứng xử trung bình quan
sát được. Một bàn rung có thể được dùng như một thiết bị loại này: De
Alba, Seed và Chan báo cáo việc sử dụng bàn rung với mẫu cát kích
thước 2.3x1.1x0.1 m để khảo sát sức chống hoá lỏng của cát. Tải trọng
được áp dụng theo một khối lượng bên trong được đặt trên đỉnh mẫu cát
(hình 1.11b). Vì vậy, lộ trình cắt thực tế được áp dụng lại phụ thuộc vào
các đặc trưng động của toàn hệ. Họ cho thấy rằng cho đến khi số chu kỳ
gây hoá lỏng, thì các kết quả được hiệu chỉnh từ thí nghiệm bàn rung rất
phù hợp với kết quả của các thí nghiệm cắt đơn trên mẫu nhỏ. Đây là
một kết quả hơi khác thường. Các thí nghiệm hoá lỏng được bàn luận
sâu hơn dưới đây: rõ ràng là ứng xử hoá lỏng đặc biệt nhạy với sai sót
và một số sai sót sinh ra trong cả hai thiết bị thí nghiệm.
Dự định của chúng ta là tập trung vào các thí nghiệm đơn giản
trong phòng, nhưng rõ ràng bàn rung cũng được dùng cho các khảo sát
sâu hơn ứng xử của đất dưới tải trọng chu kỳ. Một thiết bị giống như thế,
được Finn, Emery và Gupta (hình 1.11c) sử dụng, hoá ra lại là một thiết
bị cắt đơn: một mẫu đất cát được gia tải bởi áp suất không khí và được
chứa trong một thùng cứng và được rung theo chương trình sẵn có. Tuy
nhiên, thật ra để cho điều gì đó diễn ra trong mẫu này thì hiện tượng
phân bố không đều phải xuất hiện trong các bài toán từ biến khá phức
tạp.
Việc sử dụng kết của thí nghiệm cắt đơn và nỗ lực liên hệ kết quả
thí nghiệm cắt đơn với các thí nghiệm khác đòi hỏi kiến thức về tất cả

các thành phần ứng suất tác động lên mẫu đất. Nói cách khác, chúng ta
không những chỉ các ứng suất pháp và ứng suất tiếp trên đỉnh và đáy
(yy và yx) (hình 1.12a) mà cả ứng suất pháp nằm ngang xx trong mặt
phẳng biến dạng và ứng suất pháp zz vuông góc với mặt phẳng biến
dạng (hình 1.12a). Hai ứng suất pháp sau cùng này nói chung không
bằng nhau, Wood và Budhu thực hiện các đo đạc cho thấy xx tăng
nhanh hơn nhiều so với zz đối với thí nghiệm cắt đơn trên mẫu cát đặt
trong thiết bị chữ nhật. Còn trong thiết bị tròn, việc đính màng cao su
vào các dây xoắn làm cho việc đo ứng suất ngang dễ dàng nhưng thay là
một gíá trị trung bình chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố khác nữa trong quá
trình cắt của mẫu tròn.

Công trình trên đất yếu K.12

15

HVTH: LÊ TRỌNG NGHĨA


Luận văn Thạc só

GVHD: TS. CHÂU NGỌC ẨN

Hình 1.12. Các thành phần đầy đủ trong mẫu cắt đơn chu kỳ.
Ứng suất ngang thay đổi ứng với việc cắt mẫu dưới các điều kiện
không có biến dạng trực tiếp trong các mặt phẳng ngang (xx= zz=0). Việc
kiểm soát ứng suất ngang xung quanh mẫu, chẳng hạn bằng cách đặt
một thiết bi cắt đơn hình tròn trong một buồng kín dưới áp suất chất
lỏng, có thể cung cấp một cấu hình thí nghiệm lý thú, nhưng nó lại
không còn là cắt đơn nữa- và việc giữ tất cả ứng suất vuông góc với biên

bằng nhau không thể tương thích với điều kiện biến dạng phẳng (zz=0)
hay điều kiện biến dạng ngang bằng không (xx=0). Pyke mô tả một thiết
bị có các đóa tròn có khớp nối cho phép ellipse ứng suất hoàn chỉnh áp
vào biên của mẫu có hình dạng ban đầu tròn có cho phép biến dạng tiết
diện ngang tròn thành một ellipse. Điều này cũng cung cấp vài thông tin
về điều kiện trong các phần khác của không gian ứng suất nhưng không
giống nhiều lắm với cắt đơn.
Cuối cùng nơi mà những mẫu cát được chứa trong màng cao su như
trong thiết bị tròn, hai bàn rung của De Alba, Seed và Chan và được thí
nghiệm không thoát nước để áp lực nước lỗ rỗng có thể sinh ra, thì các
hiệu ứng thấm qua màng cần lại được xem xét.
CÁC KHÓ KHĂN VỀ THÍ NGHIỆM VÀ CHUẨN BỊ MẪU
Chúng ta đã thảo luận các vấn đề liên quan đến các thiết bị thường dùng
cho các thí nghiệm tải tuần hoàn đất. nh hưởng quan trọng của các vấn
đề này là những mẫu đất không thể được hành xử chính xác như từng

Công trình trên đất yếu K.12

16

HVTH: LÊ TRỌNG NGHĨA