CHƯƠNG 1: TONG QUAN VE THÍ NGHIEM QUAY LY TAM 1. Sơ lược về thi nghiệm quay ly tâm: Để có được những dữ liệu đáng tin cậy và có thể kiểm soát được là điều cần thiết để hiểu rõ hơn về ứng xử của các loại đất trong quá trình đào, các mô phỏng cần phải thực té và phải lặp đi lặp lại được. Mặc dù việc khảo sát quan trắc hố đào thực tế ngay tại hiện trường là phương pháp đơn giản nhất và hiệu quả nhất, nhưng trở ngại lớn của việc sử dụng dir liệu hiện trường cho việc nghiên cứu là không thê lặp đi lặp lại với cùng một hố đảo. Mỗi vùng có một điều kiện đất nền riêng và có các cách thức thi công khác nhau.
Điều này gây khó khăn trong sự tương quan và so sánh giữa các số liệu đo được từ hiện trường. Tuy nhiên, đo lường khảo sát thực tế tại hiện trường vẫn rất quan trọng và nên được sử dụng như một phương tiện hiệu chuẩn và kiểm tra các kết quả có được từ mô hình vật lý và mô hình sé. Các phương pháp thuận tiện nhất trong việc phân tích các van dé tương tác giữa các cấu trúc đất là sử dụng phương pháp phan tử hữu hạn. Nó đã được chứng minh là một công cụ rất tốt để mô phỏng các quá trình thi công phức tạp và những chỉ tiết của kết câu công trình.
Tuy nhiên, khả năng dự đoán biến dạng đất nền đáng tin cậy thì có liên quan chặt chẽ với các thông số dau vào, liên quan đến tính chất của các loại đất khác nhau. Một phương pháp đã được thực hiện để mô phỏng các ứng xử nguyên mẫu (giống với thực tế) của một hỗ đào, đó chính là mô hình thí nghiệm quay ly tâm thu nhỏ. Một máy ly tâm duoc sử dụng để tạo ra một gia tốc nhân tạo để mô phỏng lực hap dẫn can thiết (giống với ở hiện trường) trong một mô hình thu nhỏ. Mô hình máy ly tâm thiết lập một mô hình vật lý thu nhỏ một cách chính xác để cho phép mô phỏng các ứng xử thực tế của hố đào, nó có thể được sử dụng một cách hiệu quả dé tìm hiểu rõ ràng các cơ chế biến dang của đất trong quá trình đào.
Cái hay của phương pháp này là các thí nghiệm luôn luôn có thể được lặp đi lặp lại nhiều lần và các mô hình hỗ đào sâu có thé được thí nghiệm cho đến lúc phá hoại. Ngay cả các chương trình phân tử hữu hạn hầu hết sẽ không được thực thi đến giai đoạn phá hoại -4- như vậy. Vì vậy, mô hình vật lý thu nhỏ trong máy ly tâm đã được áp dụng rộng rãi và được chấp nhận trên toàn thế giới. Nguyên lý làm việc của thí nghiệm quay ly tâm: Thí nghiệm mô hình quay ly tâm có khả năng tái hiện cùng mức độ ứng suất ở mô hình tỷ lệ nhỏ giống như ở dạng nguyên mẫu, là công cụ hữu ích để nghiên cứu các van dé địa kỹ thuật.
Những điều kiện lý tưởng có thé được tạo ra trong mô hình quay ly tâm dé thuận lợi cho các lời giải giải tích hoặc lời giải số. Xét cấu trúc khối đất có kích thước LxBxH như hình vẽ. Một máy quay ly tâm giảm tỷ lệ mô hình phải chịu một gia tốc hướng tâm để hiệu chỉnh ứng suất và biến dạng trong mô hình theo đúng tỷ lệ trong mẫu nguyên dạng. Với g là gia tốc trọng trường, N là tỷ lệ mô hình.
lg Ty lệ nguyên || | — dạng it] NS Mô hình | | | ly tâm Ạ Vy NN H M 3 H/N M/N i} B vL - 2n < L > 7 LN Luật ty lệ mô hình, áp dung cho: - Ứng suất và biến dạng. - Kích thước. Parameter Mô hình/Nguyên dạng Ứng suất l Biến dạng l Kích thước 1/N Dién tich 1/N? Thé tich 1/N3 Khối lượng L/N3 Gia tốc N * Quy luật tỷ lệ cho lực: Theo định luật 2 của Newton: Lực = khối lượng x gia tốc Fprototype = MxIxa M Fmodel = N° x (Nx a) Fmod el protoptype N° Gia sử nền đất đắp nặng 200T, mô phỏng trong thí nghiệm ly tâm với tốc độ quay tạo ra gia tốc hướng tâm là 100g thì trọng lượng mô hình là: Fmodi = 2. Vay chi cần áp dụng lực 200N cho mô hình.
* Luật tỷ lệ cho năng lượng: Năng lượng = Công = Lực x Quãng đường. Eprototype = F x d F (=) Fxd Emodel = —X — |— 5 N N N Emodel __ "" Giả sử một vụ nỗ từ một thiết bị tạo được dự đoán đạt ngưỡng năng lượng là | Tera J = 10!2 J. Nếu mô hình vụ nỗ ở 100g trong thí nghiệm ly tâm thì năng lượng can cap cho mô hình: -6- Emoai = [012/108 = 1000 kJ. Vậy chỉ cần tạo ra vu nỗ nhỏ hơn nhiều trong thí nghiệm ly tâm (chỉ bang vài gram TNT).
Ảnh hưởng của nỗ lên kết cấu có thé được nghiên cứu theo cách này. * Luật tỷ lệ về có kết: Phương trình vi phân cố kết thấm 3 chiều: Ou Ou Ou Ou —=C, Ot Ox rt oy RIT CZ AD Hệ số cô kết Cy là một thông số quan trong. Độ cố kết có liên hệ với hệ số cố kết, G, đường thoát nước, d, và thời gian cố kết, t. Nhân tố thời gian T, chỉ ra độ có kết và được liên hệ với những hệ số trên thông qua phương trình: t Ty = Cr Chúng ta hy vọng dat được cùng độ cố kết ở mô hình ly tâm như ở điều kiện thực.
T, nên là giống nhau ở mô hình và nguyên dạng Ở nguyên dạng: t prototype (Ty) prototype — (C, ) nay — Ở mô hình: t (Ty) model = (C,) model ` (4ˆ) model model Chia hai phuong trinh cho nhau: nod el T Joa — 1 — (C, ) oa Í prototype (r prototype (C)„„„. "4 prototype 02) mod el (4°) 2 prototype Do sử dung cùng loại dat tại hiện trường trong mô hình ly tâm, nên hệ số cố kết C¿ là bằng nhau ở mô hình và nguyên dang. (Cy )model/ (Cy) prototype =] Do đó, thời gian cỗ kết của mô hình và nguyên dạng như sau: ,u Cl „„ — 1 fprototype (4 2 ) prototype N 2 Một lớp sét tram tích biển ở Mumbai mất 10 năm dé đạt độ cố kết là 95%. Ở thí nghiệm quay ly tâm ở gia tốc 100g, thời gian cần dé đạt cố kết 95% là: tmodel = 10%365x24x60x60/1002 = 31536 s = 8.
Mô hình máy ly tâm cho hồ đào: Để thiết lập mô hình hố đào sâu trong một máy quay ly tâm một cách gan nhất với thực tế ở hiện trường, cần phải có một phương pháp có thé mô phỏng được quá trình đào đất trong lúc đang thí nghiệm quay ly tâm. Hiện tại, bốn phương pháp sau đây được sử dụng dé mô hình hố đào trong lúc dang quay với máy ly tâm: 1. Hỗ đào được đào sẵn, sau đó tăng tốc độ quay ly tâm cho đến lúc phá hoại (Lyndon va Schofield, 1970). Cho một chat lỏng có ty trọng nặng vào trong hố đào, sau đó cho thoát đi theo từng giai đoạn đào (Powrie, 1986, Elshafie, 2008).
Cho các túi đất để săn theo trình tự đào, trong khi thí nghiệm thì lần lượt lấy các túi đất ra khỏi hố đào (Azevedo, 1983). Tao ra một cơ chế có thé đào đất trong lúc đang quay ly tâm (Kimura et al, 1993;. Loh et al, 1998) Trong phương pháp đầu tiên, đất trong khu vực hố dao ban dau được dao đi trước khi tăng tốc máy ly tâm cho đến khi phá hoại. Mặc dù ứng suất tổng của mô hình đất có thé được tái hiện, nhưng đặc điểm của đất sẽ thay đổi trong lúc tăng tốc máy quay ly tâm.
Phương pháp này có thể phù hợp cho mô hình hố đào trong cát nhưng không phù hợp với đất sét. Đối với vật liệu cát, ứng suất hữu hiệu có thé tăng gần như ngay lập tức với sự gia tăng tốc độ quay ly tâm, sự tiêu tán áp lực lỗ rỗng thặng dư xảy ra gần như ngay lập tức. Đối với đất sét với độ thoát nước thấp hơn nhiều, quá trình cố kết đòi hỏi thời gian dài hon dé tiêu tán áp lực lỗ rỗng thang du. Phương pháp này sẽ không cung cấp cho chúng ta những cơ chế phá hoại đúng.
Tuy -8- nhiên, phương pháp này là đơn giản nhất và nó chỉ có thé được sử dụng để cung cấp một kết quả sơ bộ nhanh chóng về mô hình phá hoại có thé xảy ra của một hỗ dao ngay lập tức (nhanh) và không thoát nước. Trong phương pháp thứ hai, đất đào đi được thay thế băng một chất lỏng có tỉ trọng nặng. Các trở ngại chính của phương pháp này là với một chất lỏng, hệ số áp lực ngang luôn luôn là 1. Đối với một đất cô kết trước nặng, Ko cũng được dự kiến sẽ tiếp cận 1 và do đó, phương pháp này được cân nhắc gần đúng phù hop với hố đào trong một lớp dat.
Tuy nhiên, giá trị của Ko = 1 không phải là điển hình cho đất sét cố kết thường, mà năm trong khoảng 0,55-0,65 (Kimura et al. Phương pháp thứ ba, túi đất được đặt trong vùng cần dao đi và sẽ được lấy ra tương tự như trong quá trình đào. Phương pháp này có lợi thế hơn hai phương pháp đầu tiên, ứng suất của các mô hình đất là thực tế hơn. Đất được sử dụng trong các túi tương tự như đất trong mô hình, hệ số áp lực hông là phù hợp.
Tuy nhiên, ứng xử tương tác giữa các bề mặt của các túi đất với tường chăn sẽ rất khó dé có thé định lượng được. Vì vậy, trong ba phương pháp dau tiên có thé không thích hợp cho một mô hình hố đào trong đất sét của thí nghiệm quay ly tâm. Do việc đào thực tế đã không được thực hiện và quá trình đào đất đi không được mô phỏng đúng. Do đó một cơ chế đào trong lúc dang quay ly tâm đã được phát triển dé đào đất mô phỏng lại đúng với thực tế các công tác được thực hiện tại hiện trường.
Một thiết bị truyền động mới được thiết kế trong hội thảo của Cục Kỹ thuật, Đại học Cambridge. Theo cả hai hướng dọc và ngang, bộ truyền động có thể áp một tải tối đa 10kN với tốc độ tối đa 5mm/s trong lúc máy ly tâm đang quay tăng tốc lên đến 100g. Thiết bị có thể dịch chuyển theo phương đứng tối đa 300mm và theo phương ngang là 500mm, và được tự động hóa hoàn toàn.