MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.....................................................................................................................3
I. Giới thiệu về mục đích nghiên cứu, ý nghĩa, tính cấp thiết của đề tài.............3
II. Nội dung và Phương pháp nghiên cứu...........................................................3
CHƯƠNG I ................................................................................................................5
ĐẤT VÀ MỘT SỐ ĐẶC TÍNH CỦA ĐẤT..............................................................5
I. Độ cứng phụ thuộc vào trạng thái ứng suất.....................................................5
II. Độ cứng phụ thuộc vào biến dạng..................................................................6
III. Tính giảm (cản) chấn của đất........................................................................8
IV. Trạng thái ứng suất và biến dạng phụ thuộc vào ứng suất cố kết trước của
đất..............................................................................................................................10
V. Biến dạng thể tích không phục hồi khi nén sơ cấp.......................................11
VI. Biến dạng không phục hồi do ứng suất cắt.................................................12
VII. Trạng thái ứng suất, biến dạng phụ thuộc vào điều kiện thoát nước của đất
...................................................................................................................................13
VIII. Sự hình thành áp suất nước lỗ rỗng do tải trọng động.............................14
IX. Đặc tính chảy của đất..................................................................................14
X. Trạng thái ứng suất và biến dạng phụ thuộc vào thời gian và tốc độ tác dụng
tải trọng......................................................................................................................16
CHƯƠNG II ............................................................................................................17
MỘT SỐ MÔ HÌNH ĐẶC TÍNH ĐẤT..................................................................17
I. Mô hình đàn hồi tuyến tính đẳng hướng........................................................17
II. Mô hình đàn hồi - thuần dẻo........................................................................18
III. Mô hình hypepol Duncan – Chang.............................................................19
IV. Mô hình tăng bền........................................................................................21
V. Mô hình tăng bền biến dạng nhỏ (HS – Small)............................................24
CHƯƠNG III............................................................................................................26
NGHIÊN CỨU THUỘC TÍNH PHI TUYẾN CỦA ĐẤT DƯỚI TÁC DỤNG
CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG......................................................................................26
I. Phương pháp khảo sát địa chấn.....................................................................26
II. Mô hình vật lý của thí nghiệm địa chấn.......................................................27

Để mô hình hóa những ứng xử của đất dưới tải trọng, mô hình đất được phát triển
từ đơn giản đến phức tạp. Ban đầu đất được giả thiết là đàn hồi thuần túy, sau đó lý
thuyết dẻo được dùng để mô hình hóa sự phá hoại của đất. Những mô hình đất tiên tiến
sau này đã mô phỏng tốt hơn mối quan hệ ứng suất – biến dạng và có xét đến các đặc
tính khác của đất như tính giảm chấn, sự phụ thuộc của độ cứng vào trạng thái ứng
suất-biến dạng của đất.
Mô hình đàn hồi tuyến tính đẳng hướng là mô hình đơn giản nhất dựa cơ sở trong
lý thuyết Hooke và xem xét đất như một vật liệu đàn hồi tuyến tính với độ cứng của
đất là không đổi. Mô hình Mohr-Coulomb và mô hình đàn hồi phi tuyến được phát
triển nhờ sử dụng lý thuyết đàn hồi và mối quan hệ phi tuyến giữa ứng suất và biến
3
dạng. Mô hình HS-Small hiện tại là mô hình tiến bộ nhất mặc dù nó vẫn còn nhiều hạn
chế. Mô hình HS-Small đi vào giải thích đặc tính đất khi biến dạng nhỏ.
Với cùng điều kiện vật liệu và tải trọng thì mô hình HS-Small cho kết quả về biến
dạng đáng tin cậy hơn mô hình tăng bền. Mô hình cũng mô tả về tính giảm chấn khi có
sự tác dụng của tải trọng động. Do đó, Mô hình HS-Small và Mô hình đàn hồi tuyến
tính được sử dụng để mô phỏng ứng xử của đất dưới tác dụng của tải trọng động, qua
đó để thấy được những đặc tính phi tuyến của đất sẽ được thể hiện rõ trong mô hình
HS-Small điều này không được thể hiện trên mô hình đàn hồi tuyến tính.
4
CHƯƠNG I
ĐẤT VÀ MỘT SỐ ĐẶC TÍNH CỦA ĐẤT
Đất trong tự nhiên thường cấu tạo gồm 3 thể: các hạt rắn, chất lỏng và khí chứa
trong lỗ rỗng giữa các hạt rắn. Tỷ lệ định lượng và sự tương tác phức tạp giữa các pha
này quyết định các đặc tính của đất và vì thế rất khó để dự đoán các đặc tính của đất
một cách chính xác. Do đó, việc mô tả và giải thích các đặc tính của đất là rất cần thiết
trước khi đánh giá những ứng xử của đất dưới tác dụng của tải trọng động.
I. Độ cứng phụ thuộc vào trạng thái ứng suất
Dưới tác dụng của tải trọng đất sẽ bị biến dạng. Đặc trưng vật lý thể hiện tính
biến dạng của đất dưới tác dụng của tải trọng gọi là Môđun biến dạng (Whitlow, 2001).

), đất thể hiện trạng thái rất cứng. Độ cứng
này được xem như độ cứng lớn nhất của đất và được thể hiện bởi môđun chống cắt
biến dạng nhỏ Gmax hay G0 (Burland, 1989). Môđun chống cắt với biến dạng nhỏ có
thể thu được từ các thí nghiệm địa chấn, G
0
có thể tính qua các sóng cắt (Tatsuoka và
nnk, 1997). Mô đun chống cắt với biến dạng nhỏ là độ cứng cơ bản phù hợp cho tất cả
các loại đất: đất sét, đất bùn, cát, sỏi và đá (Tatsuoka và nnk, 2001). Độ cứng này cũng
phù hợp với các bài toán tải trọng tĩnh và động (Burland, 1989) và trong cả điều kiện
thoát nước hay không thoát nước của đất (Lo Presti và nnk., 1996) bởi vì áp lực nước
lỗ rỗng dư không phát triển khi đất biến dạng nhỏ như vậy. Độ cứng của đất (Môđun
chống cắt) khi biến dạng nhỏ quan trọng với nhiều vấn đề trong động lực học địa chất
vì ứng suất cắt khá nhỏ và ứng suất lặp gây ra những biến dạng mà phần lớn là biến
dạng đàn hồi. Các đặc tính biến dạng đàn hồi là một trong những thông số cần có để
miêu tả đặc tính biến dạng nhỏ của đất (Tatsuoka và nnk., 1997). Môđun biến dạng nhỏ
có thể thu được từ thí nghiệm trong phòng và thí nghiệm hiện trường, ví dụ như thí
6
nghiệm cột đất rung (Hardin and Drnevich.,1972) và thí nghiệm xuyên động
(Robertson và nnk., 1986).
Hình 2-2 chỉ ra cách xác định môđun chống cắt biến dạng nhỏ G
0
, môđun chống
cắt cát tuyến (G
sec
), môđun chống cắt tiếp tuyến (G
tan
) và môđun chống cắt rỡ tải (G
ul
)
trong thí nghiệm nén 3 trục. Khi biến dạng rất nhỏ, cả môđun chống cắt tiếp tuyến và

γ
là ứng suất cắt và biến dạng cắt điều này thể hiện rõ ở hình 2-2.
Trong hình 2-3 cho thấy G
0
và G
sec
là lớn nhất và môđun chống cắt cát tuyến tương ứng
với mỗi vòng lặp.
7
Hình 2-3: Quan hệ ưs-bd của đất được mô tả bởi các vòng lặp (A.Pecker,.2007)
Hình 2-3 Cho thấy thuộc tính phi tuyến và trễ của đất được mô tả bởi các vòng
lặp, vòng trễ rộng hơn và thoải hơn so với mặt nằm ngang. Độ dốc của các vòng lặp
phụ thuộc vào mức độ biến dạng. Biến dạng càng lớn thì vòng trễ càng lớn và độ
nghiêng của vòng trễ càng nhỏ. Điều đó có nghĩa là biến dạng càng lớn thì môđun
chống cắt cát tuyến (G
sec
) càng nhỏ (hình 2-4).
Hình 2-4: Quan hệ độ lớn giữa mô đun chống cắt và biến dạng cắt của đất
(Plaxis,2007)
III. Tính giảm (cản) chấn của đất
Giảm chấn là tham số quan trọng thứ 2 cùng với mô đun chống cắt biến dạng nhỏ
(G
0
) để miêu tả ứng xử của đất dưới tác dụng của tải trọng động. Tính giảm chấn của
đất thể hiện bởi năng lượng bị tiêu hao trong một chu kỳ tải trọng (ứng suất). Hệ số
giảm chấn tỷ lệ với diện tích của vòng trễ và tương ứng với năng lượng tiêu hao trong
8
một chu kỳ ứng suất. Nó phụ thuộc vào độ lớn của biến dạng và được xác định như
trong hình 2-5.
Hệ số giảm chấn (

của những ứng suất đó đất được cố kết từ khi trầm đọng. Trạng thái ứng suất này gọi là
ứng suất cố kết trước của đất. Một loại đất được gọi là cố kết thường nếu nó chưa bao
giờ bị nén với một ứng suất lớn hơn ứng suất hiện tại. Nếu đất đã chịu tác dụng của
một ứng suất lớn hơn ứng suất hiện tại thì nó được gọi là đất quá cố kết (Whitlow.,
2001). Đặc tính này của đất có thể được quan sát thông qua các thí nghiệm trong
phòng. Khi mẫu đất bị nén hệ số rỗng sẽ giảm tương đối nhỏ khi ứng suất chưa đạt tới
ứng suất hiệu quả lớn nhất,
'
σ
, mà trước đó mẫu đất đã chịu tác dụng. Ứng suất hiệu
quả là ứng suất gây ra chuyển vị,
w
u
−=
σσ
'
, trong đó u
w
là áp lực nước lỗ rỗng. Khi
tăng ứng suất hiệu quả tác dụng lên mẫu đất hệ số rỗng giảm nhiều hơn. Điều này có
thể được chứng tỏ bằng cách làm thí nghiệm nén mẫu đất. Độ cứng của đất khi rỡ tải
và gia tải lại (nén thứ cấp) lớn hơn rất nhiều so với độ cứng khi nén sơ cấp. Cách xác
định ứng suất cố kết trước từ thí nghiệm nén 1 trục được thể hiện trong hình 2-7.
10
Hình 2-7: Cách xác định ứng suất cố kết trước từ thí nghiệm nén 1 trục
Tỉ lệ giữa ứng suất cố kết trước
c
σ
với ứng suất hiệu quả thẳng đứng hiện tại
'

ννν
−=∆
0
) được gọi là lượng biến
dạng thể tích không phục hồi. Tỉ số giữa
ν
∆
và
o
ν
gọi là biến dạng thể tích không
phục hồi được tính bằng phương trình (2.3) (Verruijt,2006).

o
irr
vol
ν
ν
ε
∆
=
(2.3)
Thay đổi về thể tích đi liền với thay đổi khối lượng thể tích, độ cứng và độ bền
của đất. Những thay đổi như thế phụ thuộc vào cường độ và tỷ lệ tải trọng và vào quá
trình chịu tác dụng tải trọng trước đó của đất (lịch sử ứng suất). Trong điều kiện không
thoát nước dưới tác dụng của tải trọng phản ứng ngay tức thì của đất là tăng áp lực
nước lỗ rỗng. Vì thế sự thay đổi thể tích của đất liên quan tới độ cứng của cả nước lỗ
rỗng và hạt đất.
VI. Biến dạng không phục hồi do ứng suất cắt
12

và ứng
suất hiệu quả
σ
’
Nếu tải trọng tác dụng đủ chậm, nước sẽ thoát ra khỏi lỗ rỗng khi ứng suất tổng
tăng. Áp suất nước lỗ rỗng ban đầu sẽ không thay đổi và sự thay đổi tải trọng sẽ dẫn
tới biến dạng thể tích của đất. Vì áp suất nước lỗ rỗng ban đầu (u
w
o
) không thay đổi vì
vậy thay đổi về ứng suất tổng sẽ dẫn tới thay đổi ứng suất hiệu quả. Khi ứng suất hiệu
quả không đổi ở
'
'
σσ
∆+
o
thì thể tích đất cũng không đổi ở
νν
∆−
o
. Đặc tính này của
13
đất được gọi là gia tải thoát nước vì tất cả nước lỗ rống thoát ra trong quá trình tác
dụng của tải trọng (Atkinson,.1993).
Trái lại, nếu tải trọng tác dụng nhanh sẽ không có thời gian để nước lỗ rỗng kịp
thoát ra và thể tích không thay đổi. Nếu tải trọng đẳng hướng, không có ứng suất cắt và
đất không thoát nước (thể tích không đổi) thì không có hiện tượng biến dạng xảy ra với
đất. Vì thế, ứng suất hiệu quả không đổi
w

ứng suất hiệu quả trong đất.
VIII. Sự hình thành áp suất nước lỗ rỗng do tải trọng động
Sự hình thành áp suất nước lỗ rỗng trong đất bão hòa trong quá trình tác dụng của
tải trọng động ở điều kiện không thoát nước thường được cho là do ứng suất cắt và
biến dạng cắt được sinh ra bởi sự lan truyền của sóng cắt, mặc dù các dạng khác của
sóng địa chấn cũng tồn tại trong đất (Seed., 1979). Trong điều kiện không thoát nước,
tải trọng được chuyển từ các hạt đất sang nước lỗ rỗng (không bị nén) gây ra áp suất
nước lỗ rỗng dư. Áp suất nước lỗ rỗng dư gia tăng dẫn tới việc giảm ứng suất hiệu quả
trong đất vì thế ứng suất hiệu quả giảm do sự phát sinh của áp suất nước lỗ rỗng dư
khiến độ bền chống cắt của đất giảm.
Dobry (1985) đã chỉ ra sự hình thành áp suất nước lỗ rỗng phụ thuộc vào biến
dạng cắt và chu kỳ tác dụng của tải trọng. Kết quả cho thấy khi biến dạng cắt nhỏ hơn
giá trị giới hạn (~0.01 %) thì áp suất nước lỗ rỗng dư sẽ không hình thành. Áp suất
nước lỗ rỗng phát triển mạnh hơn khi biến dạng lớn hơn 0.3% và tải trọng có chu kỳ
lớn hơn 10.
IX. Đặc tính chảy của đất
14
Một đặc điểm khác của đất là tính chảy, được Reynolds (1885) lần đầu tiên nói
tới. Sự chảy là thay đổi về thể tích của đất liên quan tới quá trình đất bị biến dạng cắt
hoặc sự thay đổi về áp suất nước lỗ rỗng trong đất (Vermeer,.1970). Thông thường, khi
các hạt đất sắp xếp lại thì sẽ dẫn tới những thay đổi về thể tích của đất (Wood, 2004).
Một tham số để đặc trưng cho tính chảy của đất là góc chảy
ψ
. Tham số này được
Bent Hansen (1958) đưa ra và là tỷ số giữa biến dạng thể tích với biến dạng cắt.
Đặc tính chảy có ở tất cả các loại đất hạt thô. Ở đất chặt, nếu tác dụng ứng suất
cắt, vị trí tương đối của các hạt sẽ thay đổi và tổng thể tích của đất sẽ tăng. Với đất
xốp, ứng suất cắt sẽ làm giảm thể tích đất. Hiện tượng chảy có thể gây ra những tác
dụng không lường trước, đặc biệt khi đất bão hòa. Xu hướng giảm thể tích trong một
khoảng thời gian ngắn có thể gây ra sự gia tăng lớn áp suất nước lỗ rỗng làm cho các