Nghiên cứu ảnh hưởng của biên độ lực động và độ chặt đến đặc tính hóa lỏng của cát hệ tầng thái bình (aq2 3tb) phân bố ở khu vực hà nội bằng thí nghiệm 3 trục động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN VĂN HÙNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BIÊN ĐỘ LỰC
ĐỘNG VÀ ĐỘ CHẶT ĐẾN ĐẶC TÍNH HĨA LỎNG CỦA
CÁT HỆ TẦNG THÁI BÌNH (aQ23tb) PHÂN BỐ Ở KHU VỰC
HÀ NỘI BẰNG THÍ NGHIỆM BA TRỤC ĐỘNG
Ngành: Kỹ thuật địa chất
Mã số: 60520501

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS Lê Trọng Thắng

Hà Nội - 2015

HÀ NỘI - 2014


LỜI CAM ĐOAN
Các số liệu trong luận văn là kết quả thí nghiệm tác giả thực hiện mà có. Các
số liệu này chưa từng được công bố trong các bài viết của các tác giả khác. Các số
liệu có được nhờ các thiết bị thí nghiệm hiện đại cũng như tn thủ các quy trình thí
nghiệm nghiêm ngặt tại phịng thí nghiệm - LAS 928 ISO 9001-2008. Nên các số
liệu hoàn toàn tin cậy!
Hà Nội, ngày 13 tháng 4 năm 2015
Tác giả

Nguyễn Văn Hùng


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU...........................................................................................................1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG HÓA LỎNG....................4
1.1 Tình hình nghiên cứu trên Thế Giới………………………………….....4
1.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam……………………………………..17
CHƯƠNG 2 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT VÀ ĐỊA CHẤT CƠNG TRÌNH
KHU VỰC HÀ NỘI................................................................................................19
2.1 Khái qt đặc điểm trầm tích đệ tứ khu vực Hà Nội………………....19
2.1.1. Thống Pleistoxen............................................................................19
2.1.1.1. Thống Pleistoxen dưới hệ tầng Lệ Chi (a Q11lc)..........................19
2.1.1.2. Thống Pleistoxen giữa – trên, hệ tầng Hà Nội (a Q12-3 hn)..........19
2.1.1.3. Thống Pleistoxen trên, hệ tầng Vĩnh Phúc (a, am Q13 vp)...........20
2.1.2. Thống Holoxen...............................................................................20
2.1.2.1. Thống Holoxen dưới - giữa, hệ tầng Hải Hưng (lb, m, b Q21-2
hh).......................................................................................................................20
2.1.2.2. Thống Holoxen trên, hệ tầng Thái Bình (a Q23 tb).......................21
2.2. Đặc điểm địa chất cơng trình khu vực Hà Nội………………………..21
2.3. Đặc điểm địa chất thủy văn khu vực Hà Nội…………………………45
2.3.1 Tầng chứa nước lỗ hổng trong trầm tích Holoxen (qh)................45
2.3.2. Tầng chứa nước có áp Pleistoxen (qp)..........................................37
2.3.2.1. Tầng chứa nước có áp Pleistoxen trên (qp2)................................37
2.3.2.2. Tầng chứa nước có áp Pleistoxen dưới – giữa (qp1)....................38
CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
HIỆN TƯỢNG HÓA LỎNG CỦA CÁT...............................................................39
3.1 Khái niệm chung về hiện tượng hóa lỏng……………………………...39
3.2. Cơ chế hình thành hóa lỏng....................................................................42

3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hóa lỏng………………………..44
3.3.1. Cường độ động đất và thời gian xảy ra rung chấn.........................44
3.3.2. Mực nước ngầm...............................................................................45


3.3.3. Thành phần đất................................................................................45
3.3.4. Độ chặt tương đối của đất...............................................................46
3.3.5. Nhóm thành phần hạt......................................................................46
3.3.6. Điều kiện thế nằm hoặc mơi trường trầm tích.................................47
3.3.7. Điều kiện thốt nước.......................................................................47
3.3.8. Ứng suất cố kết hữu hiệu.................................................................47
3.3.9. Hình dạng hạt..................................................................................48
3.3.10. Thời gian thành tạo và mức độ gắn kết của đất............................48
3.3.11. Lịch sử môi trường........................................................................48
3.3.12. Ứng suất phụ thêm.........................................................................48
3.4. Phương pháp đánh giá hiện tượng hóa lỏng của cát………………....48
3.4.1. Giới thiệu chung.............................................................................48
3.4.1.1. Phương pháp đánh giá khả năng hóa lỏng của cát dựa vào ứng
suất cắt động......................................................................................................49
3.4.1.2. Phương pháp dựa vào biến dạng cắt động...................................53
3.4.2. Đánh giá hóa lỏng dựa trên các thí nghiệm hiện trường.............55
3.4.2.1. Tỷ số kháng cắt chu kỳ từ thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT).....56
3.4.2.2. Tỷ số kháng cắt chu kỳ từ thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT)...............57
3.4.2.3. Tỷ số kháng cắt chu kỳ dựa trên vận tốc sóng cắt Vs...................58
3.4.2.3. Tỷ số kháng cắt chu kỳ dựa trên thí nghiệm nén hơng PMT........60
3.4.3. Dựa trên các thí nghiệm trong phịng...........................................61
3.4.3.1. Thí nghiệm ba trục động tải trọng chu kỳ....................................61
3.4.3.2. Thí nghiệm cắt xoắn.....................................................................62
3.4.3.3. Thí nghiệm cắt đơn động..............................................................63
CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BIÊN ĐỘ LỰC ĐỘNG

VÀ ĐỘ CHẶT ĐẾN KHẢ NĂNG HĨA LỎNG CỦA CÁT BẰNG THÍ
NGHIỆM BA TRỤC ĐỘNG..................................................................................64
4.1 Giới thiệu thí nghiệm ba trục động………………………………….…64
4.1.1. Thiết bị thí nghiệm..........................................................................64


4.1.2. Phương pháp thí nghiệm................................................................66
4.2 Thí nghiệm 3 trục động tải trọng chu kì………………………………69
4.2.1 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm................................................................69
4.2.1.1. Phương pháp rót khơ....................................................................69
4.2.1.2. Phương pháp đầm ẩm...................................................................69
4.2.1.3. Phương pháp trầm tích trong nước..............................................70
4.2.2 Lựa chọn các thơng số thí nghiệm..................................................71
4.2.2.1. Lựa chọn các thơng số thí nghiệm khi đánh giá ảnh hưởng của độ
chặt đến khả năng hóa lỏng của cát...................................................................72
4.2.2.2. Lựa chọn các thơng số thí nghiệm khi đánh giá ảnh hưởng của
biên độ lực động đến khả năng hóa lỏng của cát...............................................74
4.2.3 Tiến hành thí nghiệm......................................................................74
4.2.4 Đánh giá kết quả thí nghiệm...........................................................75
4.2.4.1. Ảnh hưởng của độ chặt tương đối Dr đến khả năng hóa lỏng của
cát hệ tầng Thái Bình.........................................................................................78
4.2.4.2. Ảnh hưởng của biên độ lực động đến khả năng hóa lỏng của cát
hệ tầng Thái Bình...............................................................................................80
Danh mục các phụ lục..............................................................................92


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

amax

Gia tốc nền lớn nhất theo phương ngang gây ra bởi động đất, m/s2

B

Hệ số bão hòa, %

CSR

Tỷ số ứng suất cắt chu kỳ

CRR

Tỷ số kháng cắt chu kỳ

Dr

Độ chặt tương đối của cát, %

e

Hệ số rỗng của đất

emax

Hệ số rỗng lớn nhất

emin

Hệ số rỗng nhỏ nhất

f

Tần số dao động, Hz

FC

Hàm lượng hạt mịn, %

FS

Hệ số an tồn hóa lỏng



Biến dạng cắt

G

Modulus cắt

Ip

Chỉ số dẻo, %

ML

Cấp động đất

N1’60

Số búa thí nghiệm SPT đã hiệu chỉnh

rd

Hệ số suy giảm ứng suất theo chiều sâu

ru

Hệ số áp lực nước lỗ rỗng

cyc

Ứng suất cắt chu kỳ, kPa

max

Ứng suất cắt lớn nhất, kPa

u

Áp lực nước lỗ rỗng, kPa

Vs

Vận tốc sóng cắt, cm/s

WL

Độ ẩm giới hạn chảy, %

σ’3c

Ứng suất cố kết hữu hiệu, kPa

σd

Biên độ lực động, kPa

σvo

Ứng suất tổng tại đáy phân tố, kPa


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Chỉ tiêu cơ lý lớp 9...................................................................................28
Bảng 2.2. Thành phần hạt và một số chỉ tiêu cơ lý của lớp số 18.............................34
Bảng 2.3. Thành phần hạt và một số tính chất cơ lý của lớp 19...............................35
Bảng 2.4. Thành phần hạt và một số tính chất cơ lý của lớp 21...............................36
Bảng 2.5. Thành phần hạt và một số chỉ tiêu cơ lý của lớp 22.................................36
Bảng 4.1. Thành phần hạt và các chỉ tiêu vật lý của mẫu cát thí nghiệm.................72
Bảng 4.2. Kết quả thí nghiệm ba trục động trên mẫu cát chế bị...............................76
Bảng 4.3. Kết quả thí nghiệm ba trục động nghiên cứu ảnh hưởng của độ chặt đến
khả năng hóa lỏng của cát.........................................................................................79
Bảng 4.4. Kết quả thí nghiệm ba trục động nghiên cứu ảnh hưởng của biên độ lực
động đến khả năng hóa lỏng của cát.........................................................................81


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 3.1. Động đất ở Niigata – Nhật Bản năm 1964................................................39
Hình 3.2. Ứng suất cắt động trong phân tố đất trong quá trình rung động bởi động

đất (bởi Seed, 1979)..................................................................................................43
Hình 3.3. Điều kiện giả định dùng để tính tốn tỷ số CSR trong các trận động
đất..............................................................................................................................49
Hình 3.4. Quan hệ giữa hệ số suy giảm ứng suất theo độ sâu và cấp động đất (Idriss
và Seed, 1971)...........................................................................................................51
Hình 3.5. Mơ hình quy đổi sóng địa chấn từ bản ghi sóng chấn động từ thực tế (a)
sang dao động chu kỳ tương đương (b)....................................................................52
Hình 3.6. Quan hệ giữa tỷ số áp lực nước lỗ rỗng và biến dạng cắt động (Idriss,
2004).........................................................................................................................54
Hình 3.7. Số chu kỳ ứng suất quy đổi gây hóa lỏng tương ứng với các cấp động
đất..............................................................................................................................54
Hình 3.8. Quan hệ giữa tỷ số kháng cắt chu kỳ CRR và giá trị SPT sau hiệu chuẩn
với phần trăm nhóm hạt bụi khác nhau (Seed và Alba, 1986)..................................56
Hình 3.9. Quan hệ giữa tỷ số kháng cắt chu kỳ CRR và giá trị qn/pa hàm lượng hạt
khác nhau (Seed và Alba, 1986)...............................................................................58
Hình 3.10. Biểu đồ quan hệ giữa vận tốc sóng cắt Vs và giá trị xuyên tiêu chuẩn N60
(Ronald D. Andrus, Kenneth H. Stokoe 1997).........................................................59
Hình 3.11. Biểu đồ quan hệ giữa vận tốc sóng cắt Vs và sức kháng xuyên đầu mũi
qc................................................................................................................................59
Hình 3.12. Biểu đồ quan hệ giữa vận tốc sóng cắt Vs và tỷ số ứng suất cắt CSR....60
Hình 3.13. Biểu đồ quan hệ giữa chỉ số ứng suất ngang, KD và tỷ số kháng cắt chu
kỳ CRR......................................................................................................................61
Hình 3.14. Sơ đồ thí nghiệm cắt xoắn.......................................................................63
Hình 4.1. Thiết bị thí nghiệm ba trục động tải trọng chu kỳ.....................................64
Hình 4.2. Hệ thống tạo áp.........................................................................................65
Hình 4.3. Điều kiện ứng suất tác dụng vào phân tố đất (Kramer, 1996)..................67


Hình 4.4. Các ứng suất tác dụng vào phân tố đất trong q trình thí nghiệm ba trục
động tải trọng chu kỳ (Ishihara, 1996)......................................................................68

Hình 4.3. Phương pháp rót khơ.................................................................................69
Hình 4.4. Phương pháp đầm ẩm................................................................................70
Hình 4.5. Phương pháp trầm tích trong nước............................................................71
Hình 4.6. Biểu đồ hàm lượng phần trăm tích lũy......................................................73
Hình 4.7. Quan hệ giữa hệ số áp lực nước lỗ rỗng, ứng suất cắt và số chu kỳ khi
mẫu bị hóa lỏng (mẫu C9).........................................................................................77
Hình 4.8. Quan hệ giữa hệ số áp lực nước lỗ rỗng, ứng suất căt và số chu kỳ khi
mẫu khơng bị hóa lỏng (mẫu C14)............................................................................78
Hình 4.9. Quan hệ giữa độ chặt tương đối Dr và số chu kỳ hóa lỏng của cát hệ tầng
Thái Bình...................................................................................................................80
Hình 4.10. Quan hệ giữa biên độ lực động và số chu kỳ hóa lỏng của cát hệ tầng
Thái Bình...................................................................................................................92


DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC
Phụ lục 1. Mẫu C9: σ’3c = 70kPa, f = 2Hz, σd = 40kPa, Dr = 53.9%........................92
Phụ lục 2. Mẫu C10: σ’3c = 70kPa, f = 2Hz, σd = 40kPa, Dr = 51.7%......................93
Phụ lục 3. Mẫu C11: σ’3c = 70kPa, f = 2Hz, σd = 40kPa, Dr = 56.1%......................94
Phụ lục 4. Mẫu C12: σ’3c = 70kPa, f = 2Hz, σd = 40kPa, Dr = 58.6%......................95
Phụ lục 5. Mẫu C13: σ’3c = 90kPa, f = 2Hz, σd = 40kPa, Dr = 55.9%......................96
Phụ lục 6. Mẫu C14: σ’3c = 90kPa, f = 2Hz, σd = 40kPa, Dr = 80.1%......................97
Phụ lục 7. Mẫu C15: σ’3c = 100kPa, f = 2Hz, σd = 40kPa, Dr = 65.9%....................98
Phụ lục 8. Mẫu C16: σ’3c = 110kPa, f = 2Hz, σd = 40kPa, Dr = 72.6%....................99
Phụ lục 9. Mẫu C17: σ’3c = 110kPa, f = 2Hz, σd = 40kPa, Dr = 77.3%..................100
Phụ lục 10. Mẫu C18: σ’3c = 110kPa, f = 2Hz, σd = 50kPa, Dr = 56.9%................101
Phụ lục 11. Mẫu C19: σ’3c = 110kPa, f = 2Hz, σd = 40kPa, Dr = 63.1%................102
Phụ lục 12. Mẫu C20: σ’3c = 110kPa, f = 2Hz, σd = 40kPa, Dr =60.1%.................103
Phụ lục 13. Mẫu C21: σ’3c = 110kPa, f= 2Hz, σd = 30kPa, Dr = 58.3%.................104
Phụ lục 14. Mẫu C22: σ’3c = 110kPa, f = 2Hz, σd = 25kPa, Dr = 57.3%................105
Phụ lục 15. Mẫu C23: σ’3c = 110kPa, f = 2Hz, σd = 70kPa, Dr = 57.5%................106

Phụ lục 16. Mẫu C24: σ’3c = 110kPa, f = 2Hz, σd = 35kPa, Dr = 55.3%................107
Phụ lục 17. Mẫu C26: σ’3c = 110kPa, f = 2Hz, σd = 45kPa, Dr = 58.6%................108
Phụ lục 18. Mẫu C27: σ’3c = 110kPa, f = 2Hz, σd = 55kPa, Dr = 57.8%................109
Phụ lục 19. Mẫu C28: σ’3c = 110kPa, f = 2Hz, σd = 60kPa, Dr = 53.3%................110
Phụ lục 20. Mẫu C29: σ’3c = 110kPa, f = 2Hz, σd = 65kPa, Dr = 54.6%................111


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hóa lỏng là một hiện tượng địa chất do các tải trọng động có tính chất chu kỳ
gây ra như động đất, móng máy, đóng cọc, tàu xe,…Hiện tượng này xảy ra rất phổ
biến trên thế giới hiện nay. Nó ảnh hưởng lớn đến các cơng trình xây dựng trên nền
đất cát nằm dưới mực nước ngầm. Trên thế giới đã ghi nhận nhiều thiệt hại do hiện
tượng hóa lỏng gây nên. Điển hình như trận động đất ở thành phố Chrischurch
(New Zeland, 09/2010), thành phố Kashiwazashi, tỉnh Niigata (Nhật Bản,
16/7/2007) hay ở Alaska (Mỹ, 24/06/2014),…Những trận động đất này chính là
nguyên nhân gây nên hiện tượng hóa lỏng khiến hàng chục nghìn người bị thương
vong, hàng nghìn ngơi nhà bị phá hủy.
Tại Việt Nam, hiện tượng hóa lỏng chủ yếu do hiện tượng động đất gây ra.
Theo Tiến sĩ Lê Minh Huy, Viện Vật lý địa cầu thì Việt Nam từng ghi nhận hai trận
động đất rất lớn là động đất Điện Biên (năm 1935) với cường độ 6,75 độ Richter
xảy ra trên đới đứt gãy sông Mã và trận động đất thứ hai là trận động đất Tuần Giáo
(năm 1983), với cường độ 6,8 độ Richter trên đới đứt gãy Sơn La. Cũng theo Tiến
sĩ Lê Minh Huy, từ năm 1995 trở lại đây, có vẻ ngày càng xuất hiện nhiều trận động
đất hơn, có năm tới 10 trận động đất. Vào năm 1983, khi xảy ra động đất ở Sơn La
(6,5 độ Richter) thì ở Hà Nội rung động cấp 6, đồng nghĩa với việc nhà cửa bị nứt.
Hiện nay, Hà Nội là trung tâm văn hóa, chính trị của cả nước, là nơi tập trung
những cơng trình quan trọng. Việc đó cũng đồng nghĩa với việc phải đảm bảo an

tồn cho thành phố. Nghiên cứu hiện tượng hóa lỏng của cát hệ tầng Thái Bình cho
phép dự báo tác động của động đất đến sự ổn định của các cơng trình xây dựng có
nền móng liên quan đến lớp cát hệ tầng Thái Bình ở khu vực Hà Nội. Mặt khác, nó
cũng cho phép đánh giá sự an tồn về động đất đối với các cơng trình xây dựng
được thiết kế mới. Do vậy, việc nghiên cứu đặc tính hóa lỏng của cát là yêu cầu tất
yếu để giảm thiểu các sự cố xảy ra với các cơng trình xây dựng. Tuy nhiên, các
nghiên cứu trước đó chỉ đề cập đến khả năng hóa lỏng của cát mà chưa đi sâu vào


2

đánh giá cặn kẽ những yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính hóa lỏng của nó, vì vậy với đề
tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của biên độ lực động và độ chặt đến đặc tính hóa lỏng
của cát hệ tầng Thái Bình (aQ23tb) phân bố ở khu vực Hà Nội bằng thí nghiệm ba
trục động” là rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn. Cơ sở tài liệu:
- Bản đồ và thuyết minh bản đồ địa chất, địa chất cơng trình khu vực Hà Nội;
- Tài liệu khoan khảo sát của một số cơng trình ở Hà Nội;
- Tài liệu thí nghiệm 3 trục động;
- Các bài báo, cơng trình nghiên cứu hóa lỏng ở Việt Nam và trên Thế Giới.
2. Mục tiêu của đề tài
- Làm rõ ảnh hưởng của biên độ lực động và độ chặt của cát đến đặc tính
hóa lỏng của cát thuộc hệ tầng Thái Bình phân bố ở khu vực Hà Nội bằng thí
nghiệm 3 trục động;
- Xác định mức độ ảnh hưởng, cơ chế của sự ảnh hưởng đó đến đặc tính hóa
lỏng của cát thuộc hệ tầng Thái Bình phân bố ở khu vực Hà Nội..
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: đất cát thuộc hệ tầng Thái Bình
- Phạm vi nghiên cứu: khu vực Hà Nội.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp tổng hợp phân tích số liệu;

- Phương pháp mơ phỏng lý thuyết;
- Phương pháp phân tích hệ thống;
- Phương pháp thực nghiệm: thí nghiệm trong phịng (thí nghiệm ba trục
động).
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ứng dụng kết quả nghiên cứu để đánh giá khả năng hóa lỏng của cát dựa trên
các điều kiện về bản thân cát cũng như các yếu tố tải trọng động ở khu vực Hà Nội.
- Ứng dụng kết quả để tính tốn thiết kế móng cọc, móng nơng, tường cừ,...và
những cơng trình có nền móng đặt trong đất cát hệ tầng Thái Bình ở khu vực Hà
Nội.


3

6. Cơ sở tài liệu
- Kết quả thí nghiệm nén 3 trục động được tiến hành ở Phịng thí nghiệm Địa
kỹ thuật - cơng trình LAS 928, Bộ mơn Địa chất cơng trình, Trường Đại học MỏĐịa chất;
- Tài liệu khảo sát địa chất cơng trình;
- Các bài báo, các cơng trình nghiên cứu về hóa lỏng ở Việt Nam và thế giới.
7. Cấu trúc luận văn
Luận văn bao gồm phần mở đầu và 4 chương, kết luận và các phụ lục kèm
theo được trình bày trong 121 trang với 09 bảng biểu, 26 hình vẽ, 20 phụ lục.
Sau một thời gian làm việc nghiêm túc, với sự hướng dẫn tận tình của thầy
giáo PGS.TS Lê Trọng Thắng, Trưởng Bộ mơn Địa chất cơng trình, khoa Địa chất,
trường Đại học Mỏ - Địa chất, tác giả đã hoàn thành luận văn của mình. Qua đây,
tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy, nhờ thầy mà tác giả khơng những hồn
thành được luận văn của mình mà cịn mở mang thêm những kiến thức mới. Đồng
thời tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới tập thể cán bộ, các thầy cô giáo thuộc Bộ
môn Địa chất công trình, PGS.TS Đỗ Minh Tồn, PGS.TS Nguyễn Huy Phương
TS. Tơ Xuân Vu, TS. Nguyễn Viết Tình, TS. Bùi Trường Sơn, NCS. Nguyễn Văn

Phóng, TS. Nguyễn Thị Nụ, ThS phùng Hữu Hải (trưởng phịng thí nghiệm - LAS
928 ISO 9001-2008), ThS. Bùi Văn Bình, ThS. Nguyễn Thành Dương, những
người đã giúp đỡ tác giả trong quá trình làm luận văn.


4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG HĨA LỎNG
Hóa lỏng có thể định nghĩa là sự thay đổi trạng thái của đất từ trạng thái rắn
sang trạng thái lỏng, do áp lực nước lỗ rỗng tăng lên, làm giảm áp lực hữu hiệu
trong điều kiện khơng thốt nước (Marcuson, 1978) [41]. Các hiện tượng trên đã
được công nhận trong suốt quá trình phát triển của cơ học đất (Tezaghi và Peck,
1948). Tuy nhiên nghiên cứu hóa lỏng chỉ thực sự được chú ý sau vụ động đất thảm
khốc ở Niigata, Nhật Bản và Alaska, Mỹ vào năm 1964.
1.1 Tình hình nghiên cứu trên Thế Giới
Những nghiên cứu đầu tiên về hành vi của đất trong quá trình tác dụng của tải
trọng động đã được tiến hành từ đầu những năm năm mươi (Mogami và Kubo,
1953). Kể từ đầu những năm bảy mươi, nghiên cứu sâu rộng được thực hiện trên
các tính tốn địa chấn (Silver và Seed, 1971; Tokimatsu và Seed, 1987; Ishihara và
Yoshimine, 1992; Zhang, 2002; Idriss và Boulanger, 2008). Một vài phương pháp
được đề xuất bởi một số tác giả để dự báo các ảnh hưởng của động đất đến khả năng
hóa lỏng của cát. Hầu hết các phương pháp nghiên cứu để đánh giá ảnh hưởng của
động đất dựa trên thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT (Tokimatsu và Seed, 1987;
Ishihara và Yoshimine, 1992) hoặc thí nghiệm CPT (Zhang, 2002; Idriss và
Boulager, 2008; Yi, 2009). Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng có thể tính tốn giải
quyết các vấn đề địa chấn dựa trên phân tích vận tốc sóng cắt (Vs).
Bằng các kết quả của thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) và xuyên tĩnh (CPT),
Tokimatsu và Seed (1987); Zhang (2012); Idriss và Boulanger (2008) đã đánh giá,
tính tốn khả năng hóa lỏng của cát.
Awad Ali Al – Karni (2009) [9] đã sử dụng kết quả của thí nghiệm SPT để

đánh giá nguy cơ xảy ra hóa lỏng của cát. Thí nghiệm SPT được sử dụng cho cát
với thành phần hạt nhỏ ít hơn 35%. Nghiên cứu chỉ ra phương thức chuyển đổi dữ
liệu dựa vào việc phân tích biểu đồ với cơng thức phù hợp nhất. Nhóm nghiên cứu
đã thu thập dữ liệu từ 41 hố khoan tại trường đại học Jazan, phía tây bắc Ả rập Xê
Út. Những dữ liệu cần thiết cho đánh giá hóa lỏng được thu thập bởi thí nghiệm
SPT và một vài thí nghiệm trong phịng khác. Kết quả phân tích hóa lỏng tại 41 hố


5

khoan chỉ ra rằng, từ mặt đất đến độ sâu 10m, hóa lỏng có khả năng xảy ra cao với
các trận động đất có ML ≥ 5.0. Kết quả có thể được coi là hệ thống nền tảng thiết kế
cho các tòa nhà thuộc đại học Jazan để giảm thiểu các nguy cơ hóa lỏng trong tương
lai.
Premkumar (2004) [51] phân tích kết quả thí nghiệm SPT của 46 hố khoan tại
vùng Colombo và bờ biển phía đơng của Sri Lanka và đã chỉ ra được vùng và chiều
sâu giới hạn có nguy cơ xảy ra hóa lỏng. Bằng việc phân tích kết quả thí nghiệm từ
24 hố khoan ở Colombo, ông kết luận rằng ở độ sâu 3-13m tính từ mặt đất có nguy
cơ xảy ra hóa lỏng trong các trận động đất có ML = 6.5, trong khi đó, với chiều sâu
trung bình từ 4-10m tại Batticaloa, Mutur và Ampara cũng có khả năng xảy ra hóa
lỏng. Tác giả cũng chỉ ra rằng, độ sâu mực nước ngầm càng nơng thì nguy cơ xảy ra
hóa lỏng càng tăng.
Amrita Biswas và Aditya Narayan Naik (2010) [7] đã so sánh kết quả thí
nghiệm SPT và CPT để đánh giá khả năng hóa lỏng của đất. Tác giả chỉ ra rằng, kết
quả thí nghiệm CPT cho kết quả chính xác hơn khi đánh giá khả năng hóa lỏng của
cát.
V. Sesov, K. Edip và Cvetanovska (2012) [72] đã sử dụng các thí nghiệm
trong phịng và ngồi trời để phân tích, đánh giá nguy cơ hóa lỏng của các trầm tích
cát tại cụm cơng nghiệp dự kiến xây dựng tại miền nam cộng hòa Macdonia.
Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, ở độ sâu từ 6-8m, cát có số búa đã hiệu chỉnh (N1’60) dao

động trong khoảng 12 búa có nguy cơ xảy ra hóa lỏng.
Mehrad Khalil Noutash, Rouzbeh Dabiri, Masoud Hajialialue Bonad (2012)
[43] nghiên cứu so sánh kết quả của hai thí nghiệm ngồi hiện trường để đánh giá
sức kháng hóa lỏng của đất, đó là thí nghiệm SPT được đề xuất bởi Seed và Idriss
(1985) và dựa vào vận tốc sóng cắt (Vs) trên cơ sở của Andrus và nnk (2004). Qua
việc so sánh giá trị hệ số an tồn và tính chất hóa lỏng ở ngồi hiện trường tác giả
đã chỉ ra rằng, phương pháp đánh giá bằng vận tốc sóng cắt (Vs) cho giá trị thấp hơn
so với phương pháp SPT. Xa hơn nữa, ta có thể thấy quan hệ giữa thí nghiệm xuyên
tiêu chuẩn và thí nghiệm đo vận tốc sóng cắt là khơng tương thích. Bởi vì quan hệ


6

sử dụng trong nghiên cứu phụ thuộc vào loại đất, thành phần hạt nhỏ (sét và bụi),
loại thí nghiệm và phạm vi sử dụng của chúng.
Tuy nhiên, một số nghiên cứu mới đã đánh giá khả năng hóa lỏng của cát dựa
vào mối tương quan giữa sự thay đổi thể tích của cát sạch và vận tốc sóng cắt
(Ishihara và Yoshimine, 1992; Yoshimine, 2006).
Ronald D. Andrus, Kenneth H. Stokoe (1997) [54] đã tổng hợp những trường
hợp hóa lỏng và khơng hóa lỏng xảy ra từ 20 trận động đất ở hơn 50 địa điểm. Các
nghiên cứu đã được thực hiện trong các loại đất từ cát sỏi với thành phần gồm sét
bụi. Thơng qua việc phân tích vận tốc sóng cắt tác giả chỉ ra rằng, hóa lỏng có thể
xảy ra với các loại đất có đặc điểm: nằm ở độ sâu nhỏ hơn 12m, đất có tuổi
Holocene và đất nằm ở dưới mực nước ngầm từ 0.5 đến 7.6m.
Fred (Feng) Yi (2010) [22] đã đưa ra phương thức đánh giá hóa lỏng dựa trên
vận tốc sóng cắt. Tác giả chỉ ra các điều kiện địa chất cơng trình có thể làm tăng
tính nhạy cảm của hóa lỏng:
- Mực nước ngầm;
- Sự có mặt của cát bở rời thường là tuổi Holocen;
- Sự rung chuyển mặt đất;

- Sự xuất hiện của ứng suất cắt ban đầu do độ dốc mặt đất.
Tác giả cũng đã đưa ra các phương trình để tính tốn, dự bảo nguy cơ xảy ra
động đất.
Jiaer Uu, A. M. Kammerer (2004) [32] đã sử dụng cát Moterey No.30 trong
thí nghiệm ba trục theo sơ đồ điều khiển ứng suất, khơng thốt nước, thí nghiệm cắt
đơn động và đã chỉ ra các tiêu chí để đánh giá hóa lỏng bằng việc nghiên cứu áp lực
nước lỗ rỗng. Hóa lỏng xảy ra khi hệ số áp lực nước lỗ rỗng dư (ru) bằng 1.0. Điều
này xảy ra khi độ tăng áp lực nước lỗ rỗng (Δu) bằng với áp lực ngang hữu hiệu ban
đầu (ru = Δu/σ’v,o = 1.0) trong trường hợp thí nghiệm cắt đơn trục và ở ngồi hiện
trường, hoặc khi Δu bằng với ứng suất chính hữu hiệu nhỏ nhất (ru = Δu/σ’3c = 1)
trong thí nghiệm nén ba trục. Đơi khi, các từ ngữ “hóa lỏng ban đầu” và “phần hóa
lỏng” được sử dụng để mô tả của sự xuất hiện ru.


7

H. P. Singh, B. K. Maheshwari, Swami Saran và D. K. Paul (2008) [25] đã
nghiên cứu đặc tính của tro bay từ các nhà máy nhiệt điện hoặc các nhà máy tương
tự sử dụng than làm nhiên liệu được lấy từ các nhà máy trên khắp Ấn Độ thông qua
các thí nghiệm ba trục động. Tro bay là loại vật liệu hạt rất nhỏ, khơng có tính dẻo
và xốp, thường được đổ ở trên mặt đất, cao từ 10-30m. Chính vì vậy, nó có khả
năng bị hóa lỏng. Các tác giả đã nghiên cứu các mẫu tro thu được ở 5m đầu tiên tính
từ trên xuống. Các mẫu được chế bị ở độ chặt tương đối là 20%, tần số khơng thay
đổi, gia tốc từ 0.1g-0.5g. Sức kháng hóa lỏng được xác định thông qua việc đánh
giá tỷ số áp lực nước lỗ rỗng và sức kháng hóa lỏng cũng được thu thập từ ngoài
thực địa. Kết quả chỉ ra rằng, với loại vật liệu này, không thể xảy ra hóa lỏng do
ngồi thành phần hạt đất, cịn rất nhiều thành phần hóa học khác với tỷ lệ cao.
Về việc nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần hạt mịn đến khả năng hóa lỏng
của cát thì cịn nhiều ý kiến trái ngược nhau.
Amini F và Qi G. Z (2000) [6] khi nghiên cứu khả năng hóa lỏng của cát,

Dezfulian H. (1982) [18] nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần hạt mịn đến tính
chất động của đất loại cát và Chang N. Y., Yeh S. T. và Kaufman L. P. (1982) [14]
đã chỉ ra rằng, với sự tăng của thành phần hạt mịn thì khả năng hóa lỏng của cát
tăng.
Bouferra Rachid (2000) [10], Koester J. P. (1994) [34], Law K. T. và Ling Y.
H. (1992) [47], Polito Carmine Paul (1999) [48], Singh S (1996) [67], cho rằng, sự
gia tăng của thành phần hạt mịn sẽ dẫn đến sức kháng hóa lỏng giảm, đến một giới
hạn hạt mịn nào đó sau đó sức kháng hóa lỏng sẽ tăng cùng với sự tăng của chúng.
Tuy nhiên, vào năm 2008, Arab, I. Shahrour, S. Hamoudi và L. Lancelot [8]
nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần hạt bụi đến khả năng hóa lỏng của cát đã chỉ
ra sự gia tăng của thành phần hạt mịn làm giảm khả năng hóa lỏng của cát. Đồng
quan điểm trên là các nghiên cứu của Finn W. D., Ledbetter R. H và Wu G (1994)
[19], của Lade P. V. và Yamanuro J. A (1997) [36], của Shen C. K, Vrymoed J. L,
và Uyeno CK. (1977) [66], của Troncoso J. H và Verdugo R. (1985) [88], của Vaid


8

V. P. (1994) [73], của Yamamuro J. A và Lade R. V. (1997) [74], Zlatovic S. và
Ishihara K. (1997) [76], ...
Mohammad Hassan Baziar, Habib Shahnazari và Hassan Sharafi (2010) [44]
đã sử dụng thí nghiệm cắt xoắn trong phịng thí nghiệm để nghiên cứu sự phát triển
của áp lực nước lỗ rỗng của cát bụi Firoizkooh. Nhóm nghiên cứu kết luận rằng:
- Đối với các mẫu có cùng độ chặt, khi hàm lượng hạt bụi tăng trong khoảng
từ 30-60% thì sức kháng hóa lỏng của đất tăng, cịn khi hàm lượng hạt bụi tăng từ
60% trở lên thì sức kháng hóa lỏng lại giảm.
- Sức kháng hóa lỏng của cát sạch lớn hơn sức kháng hóa lỏng của cát bụi và
bụi, trong khi một số nghiên cứu lại chỉ ra rằng sức kháng hóa lỏng của cát lớn hơn
so với cát sạch.
- Đối với các mẫu có cùng độ chặt, sự tăng hàm lượng hạt bụi thì sức kháng

hóa lỏng tăng.
Đến năm 2012, Ahmed Arab, Mostefa Belkhatir [5] nghiên cứu ảnh hưởng của
thành phần hạt nhỏ và tải trọng chu kỳ đến tính chất hóa lỏng của cát bụi. Với mẫu
cát được thí nghiệm ở biên độ dao động σd =30 kPa (CSR = 0.15), ta thấy khi FC =
10% thì ứng suất cắt phát triển mạnh nhất sau chu kỳ thứ 15 tăng dần để đạt một
ngưỡng 5% biên độ đơi trong chu kỳ thứ 22; hóa lỏng đạt được ở chu kỳ thứ 23.
Khi FC = 20% thì sự phát triển ứng suất cắt mạnh nhất ở 7 chu kỳ, đạt được 4% của
biên độ đôi trong chu kỳ thứ 12. Trong khi đó khi FC = 40% thì đạt được 4% của
biên độ đôi trong chu kỳ thứ 7 và 8% của biên độ đôi trong chu kỳ thứ 13 và hóa
lỏng xảy ra ở chu kỳ thứ 14. Mẫu có FC = 0% thì hóa lỏng xảy ra ở chu kỳ thứ 176;
Về một khía cạnh khác, Wei F. Lee, Kenji Ishihara và Chun – Chi Chen
(2012) [77] đã tổng hợp, phân tích các dữ liệu từ các trận động đất ở Hồng Kông,
New Zealand và Nhật Bản để nghiên cứu hiện tượng hóa lỏng của cát hạt bụi khơng
có tính dẻo. Hóa lỏng của đất xảy ra trong cát bụi khơng có tính dẻo là một lĩnh vực
nghiên cứu thú vị lớn trong địa kỹ thuật động đất. Trong suốt năm 1999, động đất
Chi- Chi, một thảm họa hóa lỏng của đất đã được quan sát ở trung tâm Đài Loan
bao gồm Wu- Feng, Nan- Tou và Yuen – Lin. Nghiên cứu sau các trận động đất cho


9

thấy, hầu hết hóa lỏng xảy ra tại trầm tích cát bụi với hàm lượng hạt nhỏ cao. Thành
phố Christchurch và khu vực lân cận New Zealand cũng đã phải chịu đựng những
thiệt hại nghiêm trọng trong các trận động đất liên tiếp. Cát bụi khơng có tính dẻo
một lần nữa được cơng nhận là nguồn chính gây ra hóa lỏng của đất. Điều tra sơ bộ
kết luận rằng đa số hóa lỏng xảy ra trong trầm tích cát bụi. Kết quả của nghiên cứu
này chỉ ra rằng, hóa lỏng có thể xảy ra trong cát bụi khơng có tính dẻo với hàm
lượng hạt nhỏ khơng có tính dẻo cao. Cả hàm lượng hạt nhỏ và hệ số rỗng đều là
các thông số ảnh hưởng đến sức kháng động của cát bụi. Mặt khác, sự không
nguyên trạng ảnh hưởng lớn đến sức kháng chu kỳ và sự thay đổi thể tích của cát

bụi khơng có tính dẻo. Kết quả của nghiên cứu được kỳ vọng là một bước tiến vượt
bậc trong sự hiểu biết của kỹ sư về đặc tính hóa lỏng của cát bụi khơng có tính dẻo.
Ngồi thí nghiệm trong phịng, kết quả của thí nghiệm xun tiêu chuẩn SPT
đã được chuyển đổi ra thành số búa được chỉnh lý, N’60. Dựa vào biểu đồ bán thực
nghiệm được đề xuất bởi Youd và Idriss (1997), ta thấy hàm lượng hạt nhỏ khơng
có tính dẻo trong cát bụi càng cao thì sức kháng hóa lỏng của cát giảm.
Dựa vào các giá trị SPT, Tkoimatsu và Yoshimi (1983) [70] đưa ra kết luận
sức kháng hóa lỏng giảm khi hàm lượng hạt nhỏ tăng.
Tác giả đã sử dụng cát Solani được lấy từ bờ sông Solani, gần Roorkee, Ấn
Độ và cát bụi được lấy từ sông Dhanauri gần làng Kaukheda, cách Roorkee khoảng
10km.Tác giả chỉ ra rằng: các hạt bụi không có tính dẻo trong cát tinh khiết làm
tăng sức kháng hóa lỏng của cát. Các giá trị tối ưu để có thể dẫn đến hóa lỏng của
hàm lượng hạt bụi cho độ chặt tương đối là 35% và 50% được phát hiện tương ứng
ở 15% và 10%.
Maheshwari và Patel (2010) [40] nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần hạt
nhỏ đến khả năng hóa lỏng của cát và đưa ra kết luận, sức kháng hóa lỏng tăng khi
thành phần hạt nhỏ nằm trong phạm vi từ 12-15%. Hơn nữa, dựa vào các giá trị
SPT, Liao (1986) [39] cho rằng, đất với hàm lượng hạt nhỏ là 30% thì khả năng hóa
lỏng nhỏ hơn đất có hàm lượng hạt nhỏ là 15%.


10

Có thể chỉ ra rằng cả cát sạch và cát hạt nhỏ đều bị hóa lỏng (được nghiên cứu
ở ngồi hiện trường bởi Mogami và Kubo, 1953; Robertson và Campenella, 1985
[52]; và Holzer và nnk, 1989) và nghiên cứu ở trong phòng (Lee và Seed, 1967;
Chang và nnk, 1982 [14]; và Koester, 1984 [34]). Thêm nữa, nhiều nghiên cứu theo
sau đã chỉ ra rằng, bụi khơng có tính dẻo có khả năng hóa lỏng (Dobry và Alvarez,
1967; Okusa và nnk, 1980; Garga và McKay, 1984). Những yếu tố chính ảnh hưởng
đến khả năng hóa lỏng của cát là thành phần hạt nhỏ khơng có tính dẻo; thành phần

hạt nhỏ có tính dẻo và tính dẻo.
Okashi (1970) [47] chỉ ra rằng trong suốt trận động đất Niigata tại Nhật Bản
năm 1964, cát gần như bị hóa lỏng nếu chúng có thành phần hạt nhỏ ít hơn 10%.
Thêm nữa, Fei (1991) đã đưa ra báo cáo về trận động đất Tangshan ở Trung Quốc,
sức kháng hóa lỏng của cát tăng cùng với sự tăng của thành phần hạt nhỏ. Cuối
cùng, Tokimatsu và Yoshimi (1983) nghiên cứu 17 trận động đất trên toàn thế giới
và chỉ ra rằng 50% đất hóa lỏng có thành phần hạt nhỏ ít hơn 5%. Cũng phải nói
thêm rằng, cát có thành phần hạt nhỏ lớn hơn 10% sẽ có sức kháng hóa lỏng lớn
hơn cát sạch tuy chúng có cùng số búa SPT.
Trong khi một số nhà nghiên cứu chỉ ra rằng, sự tăng của thành phần hạt nhỏ
là kết quả của sự tăng sức kháng hóa lỏng trong cát, một số nhà nghiên cứu khác lại
có kết quả trái ngược. Tronsco và Verdugo (1985) [71] chỉ ra rằng, đất với thành
phần hạt bụi lớn thì hóa lỏng sẽ xảy ra dễ dàng hơn so với đất có thành phần hạt bụi
nhỏ. Chang, Yeh và Kaufman (1982) [14] cho rằng, phần lớn hiện tượng hóa lỏng
xảy ra trong động đất đều xảy ra trong cát bụi và bụi cát.
Nhiều thí nghiệm đã chỉ ra răng, với sự tăng của thành phần hạt nhỏ, bụi
khơng có tính dẻo thì sức kháng hóa lỏng của đất loại cát tăng.
Một vài khảo sát chỉ ra rằng sức kháng động của đất loại cát tăng với sự tăng
của thành phần hạt bụi. Với cùng một điều kiện chế bị mẫu, hệ số rỗng, Chang và
nnk (1982) [14] nhận thấy sức kháng động tăng cùng sự tăng của thành phần hạt
bụi. Sức kháng động tăng gần như tuyến tính với sự tăng của thành phần hạt bụi cho
đến khi thành phần hạt bụi đạt 60%, sức kháng động tăng trong khoảng 60-70% so


11

với cát sạch. Tương tự, Dezfulian (1982) [18] kết luận xu hướng tăng của sức kháng
hóa lỏng là tăng cùng với thành phần hạt bụi. Tất cả các nghiên cứu đều sử dụng bụi
với một vài cấp độ dẻo nhỏ. Xu thế tăng sức kháng động cùng với sự tăng của thành
phần hạt nhỏ có thể coi như là dữ liệu cho cát được thí nghiệm ở những mẫu có

thành phần hạt nhỏ khác nhau được kết luận bởi Chang (1982) [18].
Về ảnh hưởng của thành phần hạt nhỏ có tính dẻo, dựa vào thí nghiệm hiện
trường, Seed, Idriss và Arango (1983) [64] kết luận rằng nếu đất có hàm lượng hạt
sét lớn hơn 20% thì khơng có khả năng hóa lỏng. Khi nghiên cứu các trận động đất
trên tồn thế giới, Tokimatsu và Yoshimi (1983) đưa đến kết luận tương tự. Sức
kháng động sẽ tăng theo chỉ số dẻo (Ishihara, 1996) [29].
Trong khi đó, dựa vào thí nghiệm trong phòng, Yasuda, Wakamatsu và
Nagase (1994) cũng nhận thấy sự tăng của chỉ số dẻo làm tăng sức kháng hóa lỏng
của đất.
Ross W. Boulanger và I. M. Idriss (2004) [55] chỉ ra rằng, cát pha có chỉ số
dẻo Ip< 7 thì có khả năng bị hóa lỏng, nếu đất có chỉ số dẻo Ip > 7 thì dễ bị phá hoại
động, khơng hóa lỏng.
J. Fairless và J. B. Berill (1984) [30] đã nghiên cứu các trận động đất gây ra
hóa lỏng xảy ra trong lịch sử của New Zealand. Khoảng 30 phá hủy do hóa lỏng
được ơng ghi nhận tại 10 trận động đất từ năm 1843 và đã chỉ ra rằng, hóa lỏng xảy
ra tại vị trí cát hạt nhỏ có diện phân bố rộng, cát xốp bão hịa nước, áp lực hông nhỏ
(nằm gần mặt đất), và tại nơi chịu những trận động đất có độ lớn hơn hoặc bằng 7.
Về ảnh hưởng của trạng thái quá cố kết đến khả năng hóa lỏng của cát, Seed
H. B và Peacock W. H. (1971) [60], Ishihara K. và Takatsu H (1979) [26] dựa vào
một số nghiên cứu cho rằng chỉ số quá cố kết (OCR) ảnh hưởng lớn đến khả năng
kháng hóa lỏng của đất, cụ thể là sức kháng hóa lỏng tăng cùng với tỷ số quá cố kết.
Bằng các nghiên cứu thực nghiệm, Hostun (1981) cho thấy với tỷ số q cố
kết là 7 thì mẫu bị hóa lỏng ở chu kỳ thứ 17, trong khi đó với trạng thái cố kết
thường thì hóa lỏng xảy ra ở chu kỳ thứ 6. Điều đó khẳng định rằng, đất có chỉ số
q cố kết càng cao thì khả năng hóa lỏng càng giảm. Điều này được lý giải rằng


12

trạng thái quá cố kết làm tăng sự giãn nở của đất, gây sự suy giảm tỷ sô áp lực nước

lỗ rỗng dư trong điều kiện tác dụng của tải trọng động khơng thốt nước.
Chaney (1978); Yoshimi và nnk (1989) [75] đã nghiên cứu sức kháng hóa
lỏng của cát theo các hệ số bão hòa khác nhau và chỉ ra rằng sức kháng hóa lỏng
của cát có hệ số bão hòa B =0 tăng gấp hai lần so với cát có hệ số bão hịa B =90%.
Kenji Ishihara và Yoshimichi Tsukamoto (2004) [27] nghiên cứu sức kháng
động của cát chưa bão hịa và phân tích nguy cơ xảy ra hóa lỏng của chúng. Kết quả
nghiên cứu đã chỉ ra rằng, với sự giảm của mức độ bão hịa thì sức kháng hóa lỏng
của đất tăng
J. The Jung (2007) [31] nghiên cứu ảnh hưởng của của ứng suất dọc trục và
trạng thái quá cố kết: khi ứng suất dọc trục tăng thì tăng khả năng chịu tải và sức
kháng cắt của đất, do đó làm tăng ứng suất cắt cần thiết để gây ra sự hóa lỏng và
làm giảm khả năng hóa lỏng của đất. Từ các nghiên cứu, tác giả kết luận rằng cát
bão hòa nằm ở độ sâu 15-18m thì khơng có khả năng hóa lỏng. Độ sâu này trương
ứng trong báo cáo của Kishida (1969) rằng đất cát bão hịa nước khơng hóa lỏng
nếu giá trị áp lực hữu hiệu vượt quá 190kN/m.
Về ảnh hưởng của biên độ lực động đến khả năng hóa lỏng của cát, Seed và
Lee (1965) đã tiền hành hàng loạt thí nghiệm ba trục động. Thí nghiệm được thực
hiện trên mẫu cát bão hịa ven sơng. Mẫu được bão hịa sau đó được cố kết dưới một
ứng suất hữu hiệu nhất định. Ứng suất này có độ lớn khơng đổi. Các mẫu được sau
đó được tiến hành thí nghiệm trong điều kiện khơng thốt nước. Thí nghiệm được
thực hiện trên các mẫu có hệ số rỗng khác nhau cũng như tại các biên độ lực động
khác nhau. Số chu kỳ cần thiết cho hóa lỏng ban đầu và 20% biến dạng trục được
xác định theo từng trường hợp. Trong các mẫu có cùng hệ số rỗng ban đầu và áp lực
buồng hữu hiệu ban đầu, khi biên độ lực động tăng, số chu kỳ cần thiết cho để cát bị
hóa lỏng giảm
Gabriele Chiaro, Takashi Kiyota và Laddu Indika Nalin De Silva (2009) [23]
đã chỉ ra rằng sức kháng hóa lỏng có thể tăng hoặc giảm với sự tăng của ứng suất


13

cắt tĩnh ban đầu và phụ thuộc vào biên độ của tỷ số ứng suất chu kỳ và loại tải
trọng.
Mostefa Belkhatir, Ahmed Arab và Noureddine Della (2010) [45] kết luận
rằng, với biên độ dao động tăng thì sức kháng hóa lỏng của đất giảm.
Ahmed Arab, Mostefa Belkhatir (2012) [5] nghiên cứu ảnh hưởng của tải
trọng chu kỳ đến tính chất hóa lỏng của cát bụi. Dựa vào thí nghiệm ba trục động
trong phòng với các mẫu chế bị từ cát được lấy từ ven bờ sông Rass (nơi hợp lưu
của Oued/ Chlef và Oued/ Rass). Đó là cát hạt vừa với đường kính d50 = 0.39mm.
Tác giả đã nghiên cứu khả năng hóa lỏng của đất với các biên độ tải trọng động (σd)
khác nhau là 30, 50, 70kPa, tương ứng tỷ số ứng suất cắt chu kỳ CSR= 0.15, 0.25 và
0.35 (CSR=σd/2σ’3c). Với CSR =0.35, sự phát triển ứng suất cắt sau 8 chu kỳ tương
ứng với 2% của biên độ đơi, và hóa lỏng xuất hiện ở chu kỳ thứ 9. Với CSR = 0.25
và 0.15 chúng phát triển ứng suất cắt sau 9 chu kỳ tương ứng với 2% của biên độ
đơi, hóa lỏng xuất hiện ở chu kỳ thứ 12, và 173 chu kỳ biến dạng đạt 2% của biên
độ đơi trong khi hóa lỏng xuất hiện ở 176 chu kỳ. Điều này chỉ ra rằng sự tăng của
biên độ dao động làm giảm sức kháng hóa lỏng của đất.
Độ chặt tương đối Dr của cát cũng là một yếu tố ảnh hưởng tối quan trọng đến
khả năng hóa lỏng của chúng. Mối quan hệ này đã được chứng minh bằng những
mối tương quan thực nghiệm khác nhau dựa trên những quan sát trong quá trình
động đất trước đó (Kishida,1969; Castro, 1975 [13]; Seed và Idriss, 1981;
Tokimatsu và Yoshimi, 1983). Trong các mối tương quan, giá trị SPT đã được chỉ
ra là có tương quan đến độ chặt của đất (Gibbs và Holtz, 1975) và luôn được sử
dụng dùng để đánh giá sức kháng hóa lỏng của đất. Trong tất cả các mối tương
quan, đất có giá trị SPT thấp hơn hoặc độ chặt nhỏ hơn, thì sức kháng hóa lỏng
giảm.
Bằng các nghiên cứu thí nghiệm ba trục động trong phòng đầu tiên, Seed và
Lee (1966) kết luận rằng hệ số rỗng hay độ chặt của cát bão hịa ảnh hưởng lớn đến
khả năng hóa lỏng của cát. Hệ số rỗng cao hay độ chặt càng giảm thì hóa lỏng càng
dễ xảy ra. Lee và Seed (1967) cũng chỉ ra rằng, ứng suất động bắt đầu gây ra hóa

14

lỏng tăng khi độ chặt xấp xỉ 60%. Một nghiên cứu khác cũng chỉ ra rằng tỷ số ứng
suất chu kỳ dẫn đến hóa lỏng trong 10 chu kỳ gần như là một đường thẳng với độ
chặt tương đối là 70% (Mulilis, 1975).
Ishihara (1985) [28] dựa thí nghiệm trong phịng đã nghiên cứu khả năng hóa
lỏng của cát bão hịa ven sơng. Thí nghiệm được thực hiện trong thiết bị thí nghiệm
cắt xoắn. Thí nghiệm được tiến hành trên hai mẫu cát. Mẫu thứ nhất được chế bị ở
độ chặt tương đối là 47% và mẫu kia có độ chặt tương đối là 75%. Hai mẫu được thí
nghiệm dưới những điều kiện cùng ứng suất hữu hiệu, khơng thốt nước Ứng suất
cắt động có biên độ khơng đổi và mơ hình Sin được áp dụng ở các mẫu. Đối với cát
có mật độ tương đối thấp, đã có sự gia tăng đột ngột và nhanh chóng của biến dạng
cắt (cao đến 20%).
C. Guney Olgun, Jame R. Martin II và Todd H. LaVielle (2009) [11] đã
nghiên cứu ảnh hưởng của độ chặt tương đối Dr của cát chứa đá vôi ở dọc bờ biển
Plains thuộc Puerto Rico. Các tác giả nghiên cứu trong điều kiện cố kết khơng thốt
nước của cát với độ chặt thực tế là 19, 27, 43, 58% chỉ ra rằng khi độ chặt càng tăng
thì số chu kỳ để xảy ra hóa lỏng càng tăng. Và cát có chứa đá vơi dễ bị hóa lỏng hơn
cát thạch anh.
RP Orense và MJ Pender (2012) [56] khi tiến hành nghiên cứu đặc điểm hóa
lỏng của cát Pumice bằng các thí nghiệm ba trục động với các mẫu được chế bị ở ba
trạng thái: xốp (e = 2.20-2.35, Dr = 26-32%), chặt vừa (e = 1.97-2.00, Dr = 50-54%)
và chặt (e=1.63-1.68, Dr = 79-85%). Các tác giả đã chỉ ra rằng, mẫu cát chặt có sức
kháng hóa lỏng cao hơn so với cát ở trạng thái xốp. Mẫu cát chặt Toyoura (Dr =
90%) và cát thạch anh ở trạng thái chặt (Dr = 70%) có sức kháng hóa lỏng tương tự
nhau. Mặt khác, sức kháng động của cát thạch anh ở trạng thái xốp (Dr = 25%) bằng
hai lần cát Toyour ở trạng thái chặt vừa (Dr=50%).
Jungang Liu (2012) [33] đã tiến hành một loạt thí nghiệm ba trục động khơng

thốt nước đẳng hướng để xác định ảnh hưởng của độ chặt tương đối, ứng suất hữu
hiệu, tỷ số ứng suất chu kỳ và chu kỳ dao động đến sức hóa lỏng của cát Monterey.
Trong thí nghiệm, ơng đã sử dụng mẫu từ cát Monterey No.0/30 được lấy bởi công


15

ty Lonestar, California, là một loại cát nâu sáng với hệ số không đều hạt Cu = 1.6;
hệ số đường cong, Cc = 1. Có nghĩa là đường kính hạt, D50 = 0.45mm, cát hạt sắc
cạnh, có chứa thạch anh, ít felspat, khối lượng riêng là 2.65g/cm3. Có 15 thí nghiệm
ba trục động được tiến hành, trong đó 12 mẫu được thí nghiệm ở tần số 1.5Hz và 3
mẫu được chế bị ở độ chặt 30% áp lực hữu hiệu là 30psi tại 1Hz, 1.5Hz và 2.0Hz để
xác định ảnh hưởng của tần số. Với 12 mẫu thí nghiệm, 6 mẫu được chế bị ở độ
chặt tương đối 30%, 6 mẫu khác ở độ chặt 50%, 6 mẫu còn lại thành một nhóm, 1
nửa cố kết dưới áp lực 15psi, còn 1 nửa ở áp lực 30psi. 3 tỷ số ứng suất 0.15, 0.25
và 0.4 được áp dụng cho thí nghiệm ba trục động. Trong thí nghiệm số 12, chiều
cao mẫu là 4.00inc, đường kính là 2.00inc, khối lượng mẫu là 316,44g, độ chặt
tương đối là 30.03%, giá trị B là 98%, dưới áp lực buồng là 95psi, áp lực ngược là
65psi, tỷ số ứng suất cắt chu kỳ là 0.4.
Các thí nghiệm được thực hiện và cho ra kết quả:
- Tỷ số ứng suất chu kỳ càng lớn, độ chặt tương đối càng nhỏ và áp lực hữu
hiệu càng nhỏ, mẫu sẽ đạt đến trạng thái hóa lỏng với số chu kỳ càng ít.
- Dưới điều kiện chế bị mẫu và điều kiện thí nghiệm như nhau, tải trọng có tần
số nhỏ sẽ cần càng nhiều số chu kỳ để đất đạt đến hóa lỏng.
- Kết quả thí nghiệm ba trục động chỉ ra rằng, số chu kỳ cần cho hóa lỏng sẽ
giảm với sự tăng của tỷ số ứng suất.
- Trong suốt q trình thí nghiệm ba trục động, áp lực nước lỗ rỗng dư tăng
cùng với sự tăng của số chu kỳ ứng suất. Khoảng tăng của áp lực nước lỗ rỗng tăng
khi số chu kỳ tăng, cho đến khi bị hóa lỏng, và sau đó áp lực nước lỗ rỗng dư ngừng
tăng.

Sitharam và nnk (2004) [68] nghiên cứu đặc tính hóa lỏng của cát bụi từ Bhuj,
Gujarat, Ấn Độ. Điều kiện thí nghiệm là biến dạng cắt trong khoảng từ 0.1% đến
4%. Nghiên cứu chỉ ra rằng, khi xảy ra hóa lỏng, áp lực nước lỗ rỗng tăng và đạt
được giá trị bằng giá trị áp lực buồng, và phụ thuộc vào biên độ, tỷ số ứng suất động
cũng như độ chặt của đất. Trong điều kiện tỷ số ứng suất chu kỳ cao, áp lực nước lỗ