CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MODULE BIẾN DẠNG 1. Khái niệm về module biến dạng 1. Khái niệm Module biến dạng E cho biết khả năng của đất chống lại tác dụng nén lún của tải trọng tác dụng. Mục đích xác định module biến dạng Xác định đặc trưng biến dạng đứng của nền để tính lún của công trình.
Xác định đặc trưng biến dạng theo thời gian để tính thời gian lún hay độ lún theo thời gian. Lựa chọn giá trị module biến dạng cho việc ước lượng biến dạng nền đất. Tổng quát về module biến dạng Module biến dạng E cho biết khả năng của đất chống lại tác dụng nén lún của tải trọng tác dụng. Hệ số nén lún a cho biết đất có khả năng biến dạng nhiều hay ít: + Khi E càng nhỏ thì đất càng yếu và biến dạng lún lớn.
+ Khi E lớn thì đất tốt và biến dạng lún nhỏ. + Module đàn hồi là module chỉ xét đến biến dạng đàn hồi. + Module biến dạng khi xét đến biến dạng đàn hồi và biến dạng dư. Module biến dạng đàn hồi E tính từ thí nghiệm nén ba trục không thoát nước thì độ lún xác định được là độ lún của nền tương ứng với biến dạng tức thời.
Module tổng biến dạng E của thí nghiệm nén cố kết hoặc thí nghiệm nén ba trục có thoát nước, thì độ lún của nền tương ứng với cả biến dạng do cố kết và biến dạng tức thời. Module biến dạng của đất cũng còn được xác định từ thí nghiệm bàn nén hiện trường, thí nghiệm nén ngang trong hố khoan hoặc suy từ thí nghiệm xuyên động chuẩn SPT hoặc từ thí nghiệm xuyên tĩnh CPT. Khái niệm module thoát nước và không thoát nước Trong môi trường đất hiện tượng biến dạng không chỉ diễn ra tức thời mà còn diễn ra theo thời gian (gọi là quá trình cố kết). Do đó, trong phân tích biến dạng sử dụng module đàn hồi được phân biệt ở hai trạng thái.
+ Module đàn hồi không thoát nước (Eu): Khi áp dụng cần kết hợp với hệ số Poisson không thoát nước (u), Module này biểu hiện là tỷ số giữa ứng suất và biến dạng của đất, sao cho thời gian gia tải tức thì để nước trong đất không thể thoát ra ngoài, nghĩa là hiện tượng cố kết không xảy ra. + Module đàn hồi thoát nước (E’): Khi áp dụng cần kết hợp với hệ số Poisson ở trạng thái thoát nước (’). Module này được sử dụng trong phân tích lún của nền móng khi tải trọng tác dụng diễn ra thời gian đủ dài để nước trong các lỗ rỗng của khối đất có thể thoát ra hết (nghĩa là quá trình cố kết hoàn tất). Đối với đất rời thấm nước nhanh, thì dù thời gian gia tải ngắn, nước vẫn thoát ra hoàn toàn.
Đối với các loại đất khác áp dụng cho chất tải thường xuyên. Biểu thức quan hệ giữa hai loại module nêu trên theo biểu thức sau, khi đất được giả định là đàn hồi. Phạm vi áp dụng lý thuyết đàn hồi đối với module biến dạng Khác nhau cơ bản của lý thuyết đàn hồi kinh điển, áp dụng cho vật liệu đàn hồi thuần túy và lý thuyết đàn hồi áp dụng cho môi trường đất (được coi là môi trường giả đàn hồi) thể hiện ở hình 1.1 Đường biểu diễn ứng suất biến dạng tương đối ở các trạng thái. Quan hệ ứng suất biến dạng tương đối trong thực tế là không thể hiện dưới dạng đường thẳng.
Đường biểu diễn quan hệ ứng suất biến dạng tương đối cũng không phục hồi (ireversible). Để khắc phục vấn đề này trong thực tế tính toán, người ta sử dụng từng khoảng áp lực, thường là từ áp lực cột đất đến áp lực gia tải thường xuyên (tải của công trình). Đất được xem là môi trường đàn hồi dẻo, nghĩa là độ biến dạng phụ thuộc với tốc độ gia tải. Đặc biệt, ở điều kiện tải trọng rung thì trạng thái của đất khác nhiều so với tải trọng ở điều kiện tĩnh.
Tùy theo chế độ gia tải (tĩnh hoặc rung), có thể phân biệt các loại module đàn hồi sau: + Module đàn hồi tĩnh: Trong trạng thái chất tải là tĩnh ta có thể phân biệt các loại module. Module tiếp tuyến tại điểm M – đây chính là độ nghiêng của đường áp lực biến dạng ở điểm M. -6- Module cát tuyến là module theo ở 2 điểm M0 ; M2 theo hình 1.2) e1 e 0 + Module đàn hồi động: Module đàn hồi động thể hiện trạng thái đất chịu tác dụng tải đột ngột, liên tục (như rung động máy, động đất, xe máy chuyển động.) Module động là module không thoát nước, song giá trị của nó lớn khoảng gấp 3 lần module đàn hồi tĩnh. Khoảng giá trị của module đàn hồi của một số loại đất đá được thể hiện trong bảng 1.1 Khoảng các giá trị của module và hệ số Poisson Module đàn hồi (Mpa) Hệ số Poisson Loại đất Eu E’ u ’ Sét 4 - 50 2 – 30 0,5 0,3 Cát - 10 – 100 - 0,3 Sạn sỏi chặt - 150 – 500 - 0,3 Đá 500 – 10.
Mối quan hệ giữa module đàn hồi và module nén một trục Module nén một trục Eo (trong thí nghiệm một trục hoặc thí nghiệm cố kết) cũng được xác định qua tỷ số giữa ứng suất và biến dạng, trong điều kiện thí nghiệm không nở hông. Khi áp dụng điều kiện đàn hồi nở hông cần có sự tham gia của hệ số Poisson, và được xác định theo biểu thức: (1 ' )(1 2' ) E' E 0 (1.E0 Trong đó: E’: module đàn hồi thoát nước E0 : module nén một trục -7- 1. Module cắt Khi xem xét một phân tố đất chịu tác dụng một ứng suất cắt: = ’, module cắt G được định nghĩa qua biểu thức như sau : G.4) Các module đàn hồi (E) và module cắt (G) liên hệ với nhau qua biểu thức : E' G (1. Mối tương quan giữa module biến dạng và các loại đất 1.
Xác định module biến dạng dựa vào bảng tra của Braja M.Das của trường Đại Học Illinois vào năm 1984, đưa ra đặc trưng biến dạng của một số loại đất thông dụng trong bảng 1.2 Bảng giá trị ước lượng module biến dạng và hệ số Poison của đất Module biến dạng E Loại đất Hệ số Poisson ν (MPa) Cát rời 10.40 Cát chặt trung bình 17.45 Cát lẫn đất bột 10.50 Sét dẻo trung bình 5. Theo qui phạm xây dựng TCVN 9362 – 2012. Trong quy phạm xây dựng Việt Nam TCVN 9362 - 2012 hướng dẫn sử dụng module biến dạng suy từ module Ek của thí nghiệm nén cố kết (nén không nở hông) trong phòng ứng với cấp tải từ 100 kPa đến 200 kPa nhân với hệ số điều chỉnh mk xác định từ bảng 1.3 Giá trị hệ số hiệu chỉnh mk Loại Trị số của hệ số mk khi hệ số rỗng e bằng Đất 0.5 + Các giá trị trong bảng trên chỉ được sử dụng cho các loại đất dính có độ sệt IL = B ≤ 0.75, tức là từ đất dẻo đến đất cứng. + Đối với đất cát và đất dẻo mềm đến mềm thì không sử dụng hệ số hiệu chỉnh mk cho module biến dạng tính từ thí nghiệm nén trong phòng.
Ngoài ra trong TCVN 9362 – 2012 còn hướng dẫn xác định module biến dạng theo tương quan sức kháng mũi xuyên tĩnh trong bảng 1.4 Giá trị module biến dạng theo sức kháng mũi xuyên tĩnh Loại đất Trị số module biến dạng E Cát 3.qc Á sét và sét 7. Theo tương quan thực nghiệm của Mitchell và Gardner (1975).N ; với N: chỉ số thí nghiệm SPT.qc ; với qc : là sức kháng mũi của thí nghiệm CPT. Với đất sét cố kết thường NC, module biến dạng có thể suy từ lực dính của thí nghiệm nén ba trục không thoát nước theo công thức: E = 250.Cu -9- Với đất sét cố kết trước là: E = 750. Với Cu: lực dính đơn vị không thoát nước.
Theo Sức chống cắt không thoát nước của đất Sức chống cắt không thoát nước Su là chỉ tiêu rất quan trọng đặc biệt đối với đất sét. Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu đề cập đến quan hệ giữa module biến dạng và sức chống cắt không thoát nước cho đất sét.Su Đất sét cố kết trước nhẹ: Eu = (750 – 1200).Su Đất sét cố kết trước nặng: Eu = (1500 – 2000).Su Ngoài ra dựa vào chỉ số quá cố kết và chỉ số dẻo, Ducan & Buchigani (1976) cũng đã thiết lập biểu đồ tương quan của module biến dạng theo sức chống cắt không thoát nước có xét đến mức độ cố kết và trạng thái của đất như Hình 1. đây là biểu đồ được sử dụng phổ biến, tuy nhiên phạm vi áp dụng chỉ giới hạn ở đất sét quá cố kết (OCR > 1). Nếu OCR = 1 thì quan hệ giữa module biến dạng và sức chống cắt như sau: Trường hợp Ip > 50%: Eu = (150 – 300).Su Trường hợp 30% < Ip < 50%: Eu = (300 – 600).Su Trường hợp Ip < 30%: Eu = (600 – 1500).2 Quan hệ giữa Su và Eu theo Ducan & Buchigani (1976) Ngoài ra trên thế giới cũng đã có rất nhiều nghiên cứu khác nhau về các mối quan hệ thực nghiệm để xác định module biến dạng không thoát nước.
Điều này cho thấy rằng chỉ tiêu module biến dạng không thoát nước này phụ thuộc vào từng khu vực có các loại đất khác nhau với các chỉ tiêu cơ lý khác nhau. Có thể tóm tắt sơ bộ một vài nghiên cứu trong Bảng 1.5 như sau: Bảng 1.5 Các công thức thực nghiệm xác định module biến dạng dựa vào sức chống cắt của đất Công thức Tác giả Phạm vi ứng dụng Eu = 200.Su Clough và Mana 1976 Đất sét San Francissco Đất sét San Francissco (xác Eu = (600 ÷ 1200).Su Clough và Mana 1976 định sau khi phân tích lại bài toán lại bài toán hố đào) Đất sét dẻo cao vùng Eu = 280.Su Ladd và Edgeers 1972 Atchafalya Eu = 420.Su Dames và Moore 1975 Đất sét dẻo cao vùng AGS Eu = 600.Su Ladd và Edgeers 1972 Đất sét, đất hữu cơ gần sông Eu = 670.Su Ladd và Edgeers 1972 Đất sét dẻo cao ở Bangkok Eu = 820.Su Ladd và Edgeers 1972 Đất sét dẻo thấp ở Boston Đất sét cố kết thường ở Eu = (250 ÷ 500).Su Bjerrum 1964 Nauy - 11 - Mối quan hệ giữa Sức chống cắt không thoát nước Su và Ứng suất tiền cố kết s’p được nhiều tác giả tổng hợp trên bảng 1.
