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

Nguyễn Văn Phóng

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA TRẦM TÍCH ĐỆ TỨ
PHÂN BỐ Ở KHU VỰC HÀ NỘI DƯỚI TÁC DỤNG
CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG

Ngành: Kỹ thuật Địa chất
Mã số: 62.52.05.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA CHẤT

Hà Nội - 2016


Công trình được hoàn thành tại Bộ môn Địa chất công trình
khoa Khoa học và Kỹ thuật Địa chất, Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. Lê Trọng Thắng
Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội

Phản biện 1: TS. Nguyễn Viết Tình
Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội
Phản biện 2: PGS. TS. Đoàn Thế Tường
Viện Khoa học Công nghệ xây dựng
Phản biện 3: PGS. TS. Đỗ Minh Đức
Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp trường,

cấp thiết và có tính thời sự.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Xác định tính chất cơ học động, gồm biến dạng động và độ bền động của
các loại đất đặc trưng trong phạm vi nghiên cứu cũng như quy luật biến đổi của
chúng, phục vụ công tác nghiên cứu, quy hoạch, thiết kế và thi công nền móng
công trình trong điều kiện chịu tác động của tải trọng động.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là tính chất cơ học động của các loại đất mềm dính
và mềm rời thuộc các hệ tầng Thái Bình, Hải Hưng, Vĩnh Phúc. Phạm vi nghiên
cứu là khu vực các quận nội thành và huyện Thanh Trì thuộc thành phố Hà Nội.
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về động học đất nền;
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính chất cơ học động của đất;
- Đặc điểm địa chất công trình của trầm tích Đệ tứ khu vực Hà Nội và
phương pháp nghiên cứu tính chất cơ học động của chúng;
- Nghiên cứu tính chất cơ học động của trầm tích Đệ tứ khu vực Hà Nội.
5. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu
+ Cách tiếp cận:
- Tiếp cận hệ thống: từ thực tiễn phát hiện vấn đề; nghiên cứu tổng hợp các
mô hình lý thuyết và phương pháp nghiên cứu có thể sử dụng để giải quyết vấn


2

đề; xác định mô hình và phương pháp nghiên cứu phù hợp; tiến hành thực
nghiệm và tổng hợp kết quả, rút ra quy luật.
- Tiếp cận kế thừa tri thức, kinh nghiệm trong vấn đề nghiên cứu động học
một cách chọn lọc;
- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp chặt chẽ với thực nghiệm.
+ Phương pháp nghiên cứu:

- Luận điểm 2: đất loại sét trong phạm vi nghiên cứu bị phá hủy động
theo hình thức trượt dẻo. Đất cát bão hòa nước của hệ tầng Thái Bình và Vĩnh
Phúc có thể bị phá hủy động theo hình thức hóa lỏng hoặc không theo hình thức
hóa lỏng tùy thuộc tương quan giữa thành phần hạt, độ chặt của đất và các
thông số của lực động. Đường bao tỷ sức kháng động (hoặc hóa lỏng) của


3

chúng được mô tả bằng biểu thức dựa trên lý thuyết Geniev cùng với các hệ số
thực nghiệm đặc trưng cho mỗi loại đất.
8. Điểm mới của luận án
- Luận án đã xác định được các chỉ tiêu đặc trưng cho biến dạng động của
các loại đất trong phạm vi nghiên cứu dựa trên thí nghiệm trực tiếp bằng thiết bị
ba trục động, đồng thời chia biến dạng động thành bốn giai đoạn dựa theo
phương pháp đánh giá các dạng biểu đồ ứng suất, biến dạng và vòng lặp; làm
sáng tỏ sự khác biệt giữa biến dạng tĩnh và biến dạng động.
- Bằng các số liệu thực nghiệm, luận án xây dựng được biểu thức mô tả
quy luật biến đổi các đặc trưng biến dạng động của đất trong phạm vi nghiên
cứu theo mức độ biến dạng. Luận án đã chỉ ra sự tương đồng giữa giới hạn biến
dạng tuyến tính với giới hạn biến dạng thể tích, giúp định hướng cho những
nghiên cứu tiếp theo.
- Độ bền động của đất loại sét và hóa lỏng của cát mịn trong phạm vi
nghiên cứu được xác định trực tiếp bằng thiết bị ba trục động. Khái niệm hóa
lỏng được làm rõ trên cơ sở định lượng hóa các chỉ tiêu đặc trưng, từ đó đánh
giá được khả năng hóa lỏng của cát mịn theo độ chặt.
- Sử dụng cơ sở lý thuyết Geniev, luận án đã xây dựng được biểu thức kết
hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm để mô tả quy luật độ bền động, đồng thời
xác định được các hệ số thực nghiệm cho mỗi loại đất. Nhờ vậy, quy luật độ
bền động của các loại đất trong phạm vi nghiên cứu đều được mô tả một cách

nghiên cứu động học đất nền có thể được chia thành 3 nhóm: 1) Nghiên cứu
ảnh hưởng của tải trọng động đến biến đổi các tính chất cơ lý của đất; 2)
Nghiên cứu độ bền và biến dạng của đất dưới tác dụng của tải trọng động; 3)
Nghiên cứu mô hình ứng xử nền đất với tải trọng động.
1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Các nghiên cứu về biến đổi tính chất cơ lý của đất khi chịu tải trọng
động bao gồm: nghiên cứu sự biến đổi của lực dính kết, góc ma sát trong
(Porovski, 1934); biến đổi hệ số rỗng và hệ số thấm (Barkan, 1962); biến đổi vi
cấu trúc và hiện tượng xúc biến (Sukina, 1985); biến đổi của độ bền không
thoát nước theo đặc điểm tải trọng động (Cadagrander, Seed, Onxon, . . .).
Các nghiên cứu về hóa lỏng của cát bao gồm: nghiên cứu quan hệ giữa
độ lệch ứng suất động gây hóa lỏng với thời gian tác dụng (Seed và Lee, 1965);
nghiên cứu quy luật hóa lỏng của cát bằng thực nghiệm và các yếu tố ảnh
hưởng (Seed và Idriss, 1971; Noorany và Uzdavines, 1989; Shamsher Prakash
và Vijay K.puri, 2003; Sitharam, Ravishankar, Jayan Vinod, 2008); nghiên cứu
về hình thức hóa lỏng của cát ở độ chặt khác nhau và đưa ra các sơ đồ tải trọng
động để xác định điểm hóa lỏng (Ishihara, 1985); nghiên cứu hóa lỏng bằng
phương pháp điều khiển biến dạng (Sitharam, Ravishankar, Jayan Vinod,
2008); nghiên cứu xây dựng các quan hệ tương quan giữa khả năng hóa lỏng
của cát với kết quả thí nghiệm hiện trường (Seed và Alba, 1986; Ronald và
Kenneth, 1999; Idriss và Bowlanger, 2004).
Các nghiên cứu về độ bền động của đất dính bao gồm: xác định điểm phá
hủy động ở mức biến dạng bằng phá hủy tĩnh (Kokusho và những người khác,
1971); nghiên cứu độ bền động của đất dính ở độ lệch ứng suất gần với độ lệch
ứng suất gây phá hủy tĩnh (Ishihara, Nagao, và Mano, 1983; Ishihara và
Kasuda, 1984); nghiên cứu quy luật độ bền động bằng mô hình Kenvin – Voit
điều chỉnh (Geniev, 1997).
Nội dung nghiên cứu biến dạng động bao gồm: nghiên cứu cơ sở lý
thuyết dựa trên mô hình Kelvin – Voit (Barkan; Arnold Verruijt; Kenji Ishihara;
Shamsher Prakash, . . .); nghiên cứu các đặc trưng biến dạng động ở giai đoạn

đến sự biến đổi tính chất của đất. Các nghiên cứu về hóa lỏng của cát cho thấy:
hóa lỏng thường xảy ra trong đất cát bão hòa có hàm lượng hạt bụi cao; quy luật
của hóa lỏng được biểu diễn thông đường bao tỷ sức kháng hóa lỏng. Có hai
phương pháp thường được sử dụng để nghiên cứu độ bền động của đất dính:
khảo sát quan hệ ứng suất động với biến dạng động ở ngưỡng biến dạng gần với
biến dạng phá hủy tĩnh; thí nghiệm gia tải động ở độ lệch ứng suất gần với độ
lệch ứng suất gây phá hủy tĩnh; quy luật biến đổi độ bền động có thể được biểu
diễn theo lý thuyết của Geniev. Các đặc trưng biến dạng động biến đổi theo
mức độ biến dạng và có thể được xác định bằng nhiều phương pháp thí nghiệm
khác nhau. Các nghiên cứu mô hình ứng xử nền đất với tải trọng động được sử
dụng để nghiên cứu sự lan truyền ứng suất động trong nền đất và ứng xử của hệ
nền - móng khi chịu tải trọng động.
1.4.2. Các nghiên cứu trong nước
1) Kết quả đạt được: Các nghiên cứu trong nước đã đề cập đầy đủ các vấn
đề đáng được quan tâm khi nghiên cứu động học đất nền.
2) Một số hạn chế: Chưa có tài liệu hệ thống đầy đủ về cơ sở lý thuyết
nghiên cứu tính chất cơ học động của đất nền; chưa có kết quả nghiên cứu trực
tiếp các chỉ tiêu động học của đất nền và độ bền động cũng như hóa lỏng; chưa
có nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất cơ học động; Các nghiên


6

cu v mụ hỡnh ng x nn t cha s dng cỏc ch tiờu ng hc trc tip ca
t nn;
3) Nhng vn cn quan tõm nghiờn cu trong nc: cn h thng
y v c s lý thuyt nghiờn cu tớnh cht c hc ng ca t nn; nghiờn
cu cỏc c trng bin dng ng bng thớ nghim trc tip v xỏc nh cỏc quy
lut bin i cỏc ch tiờu ng hc phc v cho thit k cỏc loi cụng trỡnh cú
ti trng ng; nghiờn cu c trng bn hay húa lng bng thớ nghim trc

Lý thuyt nghiờn cu bin dng ng da trờn c s phõn tớch dao ng
ca h mt bc t do cú cn chu kớch ng iu ho. Theo ú, bin dng ng
ca t hon ton c xỏc nh khi bit cỏc ch tiờu c trng l: mụ un ng


7

(Gd – mô đun trượt động hay Ed – mô đun biến dạng động) và hệ số giảm chấn
(D).
Các giai đoạn biến dạng động
Theo mối quan hệ ứng suất - biến dạng, N. M. Ghexevanov chia thành ba
giai đoạn [9]: giai đoạn nén chặt; giai đoạn biến dạng dẻo; giai đoạn trượt. Khi
nghiên cứu biến dạng động, người ta chia biến dạng của đất theo mức độ biến
dạng [75]: biến dạng rất nhỏ, khi biến dạng tương đối ( nhỏ hơn giới hạn biến
dạng đàn hồi (tl); biến dạng nhỏ, khi  lớn hơn tl và nhỏ hơn giới hạn biến
dạng thể tích (tv); biến dạng trung bình đến lớn: biến dạng tương đối  lớn hơn
10-2% đến vài phần trăm.
Theo đặc điểm từng giai đoạn biến dạng và mô hình cơ học có thể sử
dụng, tác giả chia biến dạng của đất thành bốn giai đoạn là biến dạng đàn hồi,
giả đàn hồi (tuyến tính), đàn hồi – dẻo (phi tuyến) và trượt (tổng hợp trong bảng
2.2).
Bảng 2.2. Các giai đoạn biến dạng động
Giai đoạn

Pha biến
dạng

Đàn hồi
(≤ tl)


Nhỏ

Có

Có

Phương tiện giao thông,
móng máy, động đất nhỏ

Trung
bình

Có

Có

Động đất mạnh

Lớn

Không

Không
(Gmin, Dmax)

Động đất mạnh

Các yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng động
Hardlin và Drnevich [35] đã chia các yếu tố ảnh hưởng thành 3 nhóm:
ảnh hưởng rất quan trọng: áp lực địa tầng hiệu quả, hệ số rỗng, mức độ biến

Trong đó, o là hệ số phụ thuộc vào loại đất;  là hệ số phụ thuộc vào
điều kiện ứng suất; d là tỷ số giữa sức kháng cắt động với sức kháng tĩnh.
Biểu thức (2.39) là cơ sở lý thuyết nghiên cứu độ bền động của đất, cho
phép giải thích và định hướng các nghiên cứu thực nghiệm. Tuy nhiên, việc áp
dụng lý thuyết này trong thực tế vẫn còn hạn chế do tính chất phức tạp của nó.
Phương pháp nghiên cứu quy luật độ bền động kết hợp lý thuyết và thực
nghiệm: để tận dụng các ưu điểm và khắc phục hạn chế của hai phương pháp
trên, tác giả đưa ra phương pháp dựa trên cơ sở lý thuyết Geniev kết hợp với
nghiên cứu thực nghiệm: biểu thức (2.39) được biến đổi theo hướng đơn giản
và sử dụng các khái niệm được dùng phổ biến hiện nay bằng cách đưa vào các
hệ số a và b, khi đó biểu thức (2.39) trở thành:
td = b.

arc cot

CSRgh
a

CSRgh
a

1

= f(CSRgh)

(2.43)

1

Trong đó: a = tan(gh), với gh là góc cắt và a được gọi là hệ số góc cắt;

chn khỳc x, phng phỏp a chn h khoan, phng phỏp súng mt n nh,
phng phỏp xuyờn o a chn. Ngoi ra, ngi ta cũn s dng cỏc phng
phỏp xỏc nh giỏn tip bng cỏc liờn h thc nghim.
Chng 3. Đặc điểm địa chất công trình trầm tích Đệ tứ
Khu vực Hà Nội và phơng pháp nghiên cứu
tính chất cơ học động của chúng
3.1. c im a tng v nc di t khu vc H Ni
3.1.1. S lc a tng trm tớch t khu vc nghiờn cu
Cu trỳc a cht t trong phm vi nghiờn cu cú mt cỏc h tng theo
th t t di lờn l L Chi, H Ni, Vnh Phỳc, Hi Hng v Thỏi Bỡnh:
- H tng L Chi gm cỏc trm tớch sụng khụng l ra trờn b mt m ch
bt gp sõu t 45,0 69,5m vi thnh phn gm cui si, chuyn dn lờn
trờn l cỏt, bt, trờn cựng l bt, sột;
- H tng H Ni trong phm vi nghiờn cu phõn b t 35,5m n 69,5m
vi thnh phn ch yu l cui, si, sn v rt ớt cỏt bt;
- H tng Vnh Phỳc l ra vi din nh C Nhu, Xuõn nh, cú thnh
phn l si, cỏt di chuyn dn lờn l bt, sột. Chiu dy bin i mnh.
- H tng Hi Hng bao gm: trm tớch h- m ly (lbQ 21-2hh1) cú thnh
phn l bt sột, cha tn tớch thc vt; trm tớch bin (mQ21-2hh2) cú thnh phn
bao gm sột, sột bt mu xỏm xanh, xanh l.
- H tng Thỏi Bỡnh cú cỏc thnh to trong ờ (Q23tb1) v ngoi ờ
(Q23tb2). Ph h tng di bao gm: cỏt, bt sột mu xỏm nõu, xỏm vng, ụi
ch xen ln sột mu xỏm en. Ph h tng trờn gm: cỏt ln ớt bt sột mu nõu
vng, xỏm vng.
3.1.2. c im a cht cụng trỡnh trm tớch t trong phm vi nghiờn cu
Trờn c s phõn tớch cỏc ti liu v a cht t v a cht cụng trỡnh,
cỏc loi t thuc h tng L Chi v H Ni cú thnh phn ch yu l cui si,
li phõn b sõu ln nờn ớt cú ý ngha khi nghiờn cu tớnh cht ng hc ca
chỳng. Trong khi ú, trm tớch thuc cỏc h tng Vnh Phỳc, Hi Hng v Thỏi
Bỡnh phõn b sõu khụng ln, cú thnh phn v tớnh cht nhy cm vi tỏc

3.2.1. Cơ sở lựa chọn phương pháp nghiên cứu
Bảng 3.4. Các giai đoạn biến dạng động, mô hình tính toán và phương pháp
xác định phù hợp
Giai đoạn biến
dạng động

Chỉ tiêu
đặc trưng

Đàn hồi

Gmax
(D =0)

Giả đàn hồi
(tuyến tính)

Gd, D

Đàn hồi – dẻo
(phi tuyến)

Gd, D

Dẻo (trượt)

Độ bền
động

Giả thiết và mô hình


- Ở giai đoạn dẻo (trượt), đất đã bị phá hủy nên cần xác định các chỉ tiêu
đặc trưng cho độ bền động. Các chỉ tiêu này được xác định bằng thí nghiệm ba
trục động.
3.2.2. Nội dung, khối lượng nghiên cứu
Để đảm bảo mục tiêu nghiên cứu, vị trí lấy mẫu được xác định theo diện
phân bố phổ biến của đối tượng nghiên cứu; độ sâu lấy mấu được xác định theo
độ sâu phân bố đặc trưng của đối tượng nghiên cứu. Khối lượng và nội dung
nghiên cứu cụ thể được tổng hợp trong bảng 3.5 và 3.6.
Bảng 3.5 . Tổng hợp nội dung và khối lượng nghiên cứu biến dạng động của
đất bằng thí nghiệm ba trục động
Mục đích thí nghiệm
1. Xác định các chỉ tiêu biến
dạng động ở các giai đoạn
biến dạng khác nhau cho
mỗi loại đất.

Nội dung thí nghiệm
Mỗi loại đất được thí nghiệm ba
trục động trong cùng tần số và áp
lực buồng với biên độ tải trọng
khác nhau
Tần số và biên độ tải trọng được
2. Nghiên cứu ảnh hưởng
giữ không đổi, chỉ thay đổi áp lực
của áp lực buồng
buồng (3 = 0; 25; 50; 75; . . . kPa)
Biên độ tải trọng và áp lực buồng
3. Nghiên cứu ảnh hưởng
được giữ không đổi, chỉ thay đổi

dính
Sét pha, xám đen, dẻo chảy
7
(Lớp 5-Yhh3)
Sét pha, màu nâu đỏ loang lổ, nửa
7
cứng (Lớp 6-Svp)
9
Cát mịn, xám xanh (Lớp 3-Ctb)
Xác định điểm hóa lỏng và đường
5
Cát mịn, xám vàng (Lớp 7-Cvp1)
bao hóa lỏng của đất rời
1
Cát vừa, xám vàng (Lớp 7 -Cvp2)


12

3.2.3. Quy trình thí nghiệm xác định tính chất cơ học động bằng thiết bị ba
trục động
Thiết bị được sử dụng nghiên cứu là loại máy Tritech 100 của hãng
Controls-Group (Italia). Quy trình thí nghiệm xác định chỉ tiêu động học được
thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM – D3999 và ASTM – D5311.
Điều kiện ứng suất và tải trọng thí nghiệm được xác định phù hợp với
điều kiện thực tế của đất nền và các điều kiện địa phương. Theo đó, tần số thí
nghiệm được chọn trong khoảng f = 0,5 ÷ 10 Hz và tập trung thí nghiệm ở
khoảng tần số 1 ÷ 5Hz; Tỷ số ứng suất CSR = 0,06 ÷ 0,40.
3.3. Kết quả xác định đặc trưng cơ học động bằng liên hệ thực nghiệm
Tổng hợp kết quả tính toán được biểu diễn trong bảng 3.14.


(Gmax)

6
4
16
6
3
11
27

Búa
7,02
4,04
14,94
6,06
2,62
8,79
17,43

m/s
214,5
192,2
176,1
214,5
177,8
252,8
181,8

kPa

Chương 4. Nghiªn cøu biÕn d¹ng ®éng b»ng thiÕt bÞ ba
trôc ®éng
4.1. Đặc điểm biến dạng động theo giai đoạn và các biểu đồ đặc trưng
Đặc điểm biến dạng động được phản ánh bởi biểu đồ biến dạng, biểu đồ
vòng lặp, đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng và mức độ gia tăng áp lực
nước lỗ rỗng. Vì vậy, để nghiên cứu biến dạng động ở các giai đoạn khác nhau
cần phải phân tích các dạng biểu đồ này.
- Theo các kết quả thí nghiệm, có ba dạng biểu đồ biến dạng tuỳ theo điều
kiện thí nghiệm: dạng 1, biên độ và trị số biến dạng ổn định; dạng 2, biên độ
biến dạng không đổi nhưng trị số biến dạng tăng dần và vượt quá 0,5%; dạng 3,
cả biên độ biến dạng và độ lớn của biến dạng đều tăng theo thời gian vượt quá
0,5% đến vài %.
- Biểu đồ vòng lặp ứng suất – biến dạng cũng có ba dạng: dạng 1, vòng
lặp cân đối, độ lệch giữa các vòng lặp rất nhỏ; dạng 2, vòng lặp không cân đối,
độ lệch giữa các vòng lặp nhỏ; dạng 3, vòng lặp mất cân đối hoàn toàn, độ lệch
giữa các vòng lặp lớn.


13

- Đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng được xây dựng dựa trên kết
quả thí nghiệm nhiều thỏi mẫu của cùng loại đất ở các cấp biên độ ứng suất
khác nhau. Dựa vào việc phân tích đường cong này và các biểu đồ thí nghiệm,
nhận thấy: trong giai đoạn tuyến tính, biểu đồ biến dạng và hình dạng vòng lặp
đều thuộc dạng 1; vượt quá giới hạn tuyến tính, biểu đồ biến dạng đều có dạng
2 và 3, còn vòng lặp chuyển dần từ dạng 2 sang dạng 3, đồng thời các chỉ tiêu
Ed và D biến đổi theo chu kỳ thí nghiệm, biểu hiện ở chỗ các đường cong ứng
suất - biến dạng theo chu kỳ tách rời nhau.
Biến đổi áp lực nước lỗ dư trong các giai đoạn biến dạng
Theo các nghiên cứu của Ishihara [44], Vucetic và Dobry [75]: áp lực

(Cvp)

Tuyến tính
Phi tuyến
Tuyến tính
Phi tuyến
Tuyến tính
Phi tuyến
Tuyến tính
Phi tuyến
Tuyến tính
Phi tuyến
Tuyến tính
Phi tuyến
Tuyến tính
Phi tuyến

Bão hoà
Tự nhiên
Bão hoà
Tự nhiên
Bão hoà
Bão hoà
Bão hoà
Bão hoà
Tự nhiên
Tự nhiên
Tự nhiên
Tự nhiên
Tự nhiên

D

fo

a

amax

kPa

-

Hz

0.018
0.080
0.500
1.000
0.025
0.420
0.030
0.030
0.620
0.036
0.980
0.025
-

0.040
0.130

0.181
0.194
0.223
0.092
0.182
0.089
0.128
0.112
0.176
0.115
0.200
0.101
0.141
0.114
0.12

165
120
96
63
109
70
169
140
127
66
110
61
265
146


0.2

0.15

0.1

Stb1S7
Stb2S8
ShhS10
Y3
Yhh3

0.05

Đường giới hạn

0
0.001

 a (%)
0.010

0.100

1.000

10.000

Hình 4.19. Biến đổi hệ số giảm chấn D theo mức độ biến dạng


0.100

1.000

10.000

Hình 4.20. Biến đổi mô đun biến dạng động Ed theo mức độ biến dạng
Kết quả xây dựng tương quan đã xác định được các quan hệ chặt nhất:
- Quan hệ chặt nhất giữa Ed với a là hàm mũ:
+ Đối với đất sét pha, trạng thái từ dẻo chảy đến dẻo cứng:
Ed = 3,13 a-0,56
(4.1)
+ Đối với đất sét pha, trạng thái dẻo mềm, dẻo cứng:
Ed = 3,1 a-0,57
(4.2)
+ Đối với đất yếu:
Ed = 2,01 a-0,63
(4.3)
- Quan hệ chặt nhất giữa D (%) với a là hàm mũ cơ số tự nhiên:
+ Đối với đất sét pha, trạng thái từ dẻo chảy đến dẻo cứng:
D = 20 - 11EXP(-12a)
(4.4)
+ Đối với đất sét pha, trạng thái dẻo mềm, dẻo cứng:
D = 19,5 - 8EXP(-5a)
(4.5)
+ Đối với đất yếu:
D = 21 - 12EXP(-5a)
(4.6)
Các quan hệ này đều rất chặt.

Giai đoạn phi tuyến

Đất yếu (lớp 2, 5) Gd-tt=(0,17÷0,22)Gmax Gd-pt=(0,06÷0,07)Gmax Ed-tt=(5,6 ÷ 8,1) Eo
Đất sét-dẻo mềm Gd-tt = 0,12Gmax

Gd-pt = 0,03Gmax

Ed-tt = 2,5Eo

Gd-pt = 0,03Gmax

Ed-tt = 2,1Eo

Gd-pt = 0,10Gmax

Ed-tt = 2,2Eo

(lớp 4):
Đất sét pha - dẻo Gd-tt = 0,10 Gmax
cứng (lớp 1)
Đất sét pha - nửa Gd-tt = 0,35Gmax
cứng (lớp 6)
Đất cát (lớp 3, 7): Gd-tt=(0,33÷0,43)Gmax Gd-pt = 0,22Gmax

Ed-tt=(3,9 ÷ 4,6)Eo

Đất có Eo lớn thì Emax cũng lớn và ngược lại. Mô đun đàn hồi Emax của đất
sét pha – nửa cứng hệ tầng Vĩnh Phúc (Svp) có giá trị lớn nhất, tiếp theo lần lượt
là (Cvp) > (Ctb) > (Stb) > (Shh) > (Ytb) > (Yhh). Mô đun biến dạng động ở giai
đoạn tuyến tính (Ed-tt hoặc Gd-tt) của các loại đất theo thứ tự giảm dần là: (Svp) >

Giai đoạn giả đàn hồi (biến dạng tuyến tính): các biểu đồ biến dạng và
vòng lặp đều có dạng 1; biên độ biến dạng giới hạn (a)gh của đất loại sét phổ
biến thay đổi từ 0,018% đến 0,030%, của đất yếu từ 0,025 % đến 0,040%, của
cát là 0,030%, phổ biến (a)gh = (0,020  0,030)%; tỷ số áp lực nước lỗ rỗng rất
nhỏ, Ru < (1  2)%. Ở giai đoạn này, hầu hết các loại đất có biến dạng dư rất
nhỏ.
Giai đoạn biến dạng phi tuyến: các biểu đồ biến dạng và vòng lặp có dạng
2 và 3; biên độ biến dạng giới hạn (a)gh ở giai đoạn này thay đổi từ 0,4% đến
1%, phụ thuộc vào độ bão hoà của đất, trong đó đất có mức độ bão hoà thấp thì
biến dạng lớn hơn đất bão hoà (giá trị (a)gh của đất Stb2 =1% > 0,5% của đất
Stb1); tỷ số áp lực nước lỗ rỗng Ru bắt đầu tăng đến vài phần trăm đối với đất
loại sét và Ru >10% đối với đất cát. Trong giai đoạn này, biến dạng dư lớn, độ
bão hoà càng thấp thì biến dạng dư càng lớn.
Ở mức độ biến dạng lớn: các biểu đồ biến dạng và vòng lặp đều có dạng
3; độ dốc đường cong ứng suất - biến dạng rất lớn; Biến dạng của đất tăng liên
tục đến vài phần trăm và đất bị phá huỷ. Vì vậy, trong giai đoạn này cần nghiên
cứu độ bền động của đất.
Phân tích sự biến đổi hệ số giảm chấn D theo giai đoạn biến dạng:
Theo lý thuyết, D = 0 ở giai đoạn biến dạng đàn hồi và D = 0,637 ở giai
đoạn biến dạng dẻo. Trong các giai đoạn giả đàn hồi và đàn hồi – dẻo, D tăng
theo mức độ biến dạng động. Kết quả nghiên cứu cho thấy:
- Trong giai đoạn tuyến tính, hệ số giảm chấn D của các loại đất dao động
phổ biến trong khoảng (0,089 ÷ 0,115);
- Giai đoạn phi tuyến: hệ số giảm chấn D của đất loại sét thay đổi trong
khoảng (0,141 ÷ 0,223); D của đất cát ở mức thấp hơn, bằng (0,120 ÷ 0,128).
Nhìn chung, D phụ thuộc chủ yếu vào mức độ biến dạng động, đất có khả năng
nén chặt tức thời (phụ thuộc vào eo, độ bão hòa và thành phần) càng lớn thì D
càng lớn: các loại đất Cvp, Ctb, Svp có eo thấp nên D nhỏ; đất Yhh3 cũng có D khá
lớn (D = 0,200), do đất có hàm lượng hữu cơ lớn hơn các loại đất khác.


- Giới hạn phá hủy ban đầu (2%): a = 0,231; b= 3,8 (s)
- Giới hạn phá hủy (5%): a = 0,258; b= 10,5 (s)
* Đất sét pha, xám đen, dẻo chảy hệ tầng Thái Bình (Ytb)
- Giới hạn phá hủy ban đầu (2%): a = 0,194; b= 1,4 (s)
- Giới hạn phá hủy (5%): a = 0,249; b= 1,9 (s)
* Đất sét hệ tầng Hải Hưng (Shh)
- Giới hạn phá hủy ban đầu (2%): a = 0,243; b= 1,6 (s)
* Đất sét pha, xám đen, dẻo chảy hệ tầng Hải Hưng (Yhh)
- Giới hạn phá hủy ban đầu (2%): a = 0,167; b= 1,5 (s)
- Giới hạn phá hủy (5%): a = 0,212; b= 2,0 (s)
* Đất sét pha, màu nâu đỏ loang lổ, nửa cứng – hệ tầng Vĩnh Phúc (Svp)
- Giới hạn biến dạng 0,5%: a = 0,636; b= 5 (s); (đã thí nghiệm với cấp
biên độ ứng suất lớn hơn 1,5 lần so với tải trọng động do động đất lớn nhất có


19

thể xảy ra trong khu vực, đất vẫn không bị phá hủy và biến dạng động lớn nhất
đạt được là 0,704%).
Ý nghĩa các hệ số thực nghiệm a, b: hệ số góc cắt a bằng với CSR tối
thiểu có thể gây ra phá hủy động (đạt đến giới hạn biến dạng phá hủy đã cho
khi thời gian tiến đến vô cùng); hệ số thời gian phá hủy động b tỷ lệ nghịch với
áp lực buồng (hệ số ) và tỷ lệ thuận với độ cản nhớt của đất (tỷ lệ nghịch với
o). Khi td = b, thì CSR = 1,74a. Như vậy, b được xem là khoảng thời gian để
biến dạng động của đất đạt tới biến dạng phá hủy ở tỷ số ứng suất CSR = 1,74a. 
5.2. Kết quả nghiên cứu khả năng hóa lỏng của đất rời
Khu vực nghiên cứu có nhiều loại đất rời có tuổi, nguồn gốc khác nhau.
Trong đó, đất cát hạt mịn thuộc hệ tầng Thái Bình (Ctb) và Vĩnh Phúc (Cvp1) có
diện phân bố rộng và nhạy cảm với tác dụng của tải trọng động. Đây là loại đất
có khả năng bị hóa lỏng khi chịu tải trọng động. Vì vậy, nội dung phần này tập

20

5.3. Diễn giải và bàn luận kết quả nghiên cứu
5.3.1. Một số quy luật biến đổi các hệ số thực nghiệm độ bền động của đất
dính
Kết quả xác định các hệ số thực nghiệm độ bền động cho thấy: a tăng
theo ngưỡng biến dạng phá hủy nhưng mức độ tăng không đáng kể từ ngưỡng
biến dạng phá hủy ban đầu đến ngưỡng biến dạng phá hủy cực hạn. Ở cùng
ngưỡng biến dạng, đất có cường độ lớn hơn có a lớn hơn và ngược lại: a (S vp) >
a (Stb) > a (Shh) > a (Y); vì hệ số a, về bản chất là hàm số tan của góc cắt giới
hạn, nên a phụ thuộc chủ yếu vào góc ma sát trong của đất:  (Svp) = 21o > 
(Stb) = 14o20’ >  (Shh)= 10o02’ >  (Y) = (8 ÷ 9)o. Hệ số a không phụ thuộc
trực tiếp vào điều kiện ứng suất ban đầu. Hệ số b phản ánh khả năng kháng nhớt
của đất và biểu hiện ở độ trễ của biến dạng, nên b tăng theo ngưỡng biến dạng.
Ở cùng một ngưỡng biến dạng, đất có cường độ lớn hơn có b lớn hơn và ngược
lại (đất tốt có khả năng chống rão lâu hơn): b (Svp) > b (Stb) > b (Shh) > b (Y).
Quy luật này được giải thích như sau:
+ Đất có lực dính kết lớn, đồng nghĩa với sức cản nhớt lớn dẫn tới hệ số b
lớn;
+ Hệ số rỗng của các loại đất: eo (Svp) = 0,661< eo (Stb) = 0,776 < eo (Shh) =
0,945 < eo (Y) = (1,270 ÷ 1,456). Hệ số rỗng của đất càng lớn thì biến dạng tức
thời của đất càng tăng, dẫn tới biến dạng động nhanh đạt tới ngưỡng biến dạng
giới hạn (b càng nhỏ);
Hệ số b tỷ lệ nghịch (bậc nhất) với áp lực buồng (hay áp lực địa tầng).
5.3.2. Quy luật biến đổi các hệ số thực nghiệm hóa lỏng của đất rời theo độ
chặt
Ý nghĩa và quy luật biến đổi của các hệ số a, b cũng tương tư như đất
dính. Nếu xem hai loại cát Ctb và Cvp tương đồng về thành phần hạt (đều là cát
mịn) và bỏ qua yếu tố tuổi, có thể xác định được quy luật biến đổi các hệ số a, b
theo độ chặt Dr như hình 5.29. Theo đó, đất càng chặt thì a, b đều lớn. Quan hệ


0.05

0
0.2

0.25

0.3

0.35
0.4
Độ chặt Dr

0.45

0.5

Hình 5.29. Biến đổi các hệ số a, b theo Dr

0.00
0.55


21

5.3.3. Đặc điểm phá hủy của cát ở các độ chặt khác nhau
Theo kết quả thí nghiệm cát mịn (Ctb, Cvp1) và cát vừa (Cvp2) ở các độ chặt
khác nhau (chặt, chặt vừa và xốp), có thể thấy đặc điểm phá hủy động của cát ở
các độ chặt khác nhau như sau:

Kết quả tính toán trong bảng 5.18 cho thấy:
- Ở những điểm trong nền đất chỉ có ứng suất bản thân, động đất chỉ gây
ra CSR = (0,06 ÷ 0,07). Trong khoảng CSR này và nhỏ hơn, biến dạng động
của tất cả các loại đất trong vùng nghiên cứu là biến dạng đàn hồi và biến dạng
tuyến tính (thuộc mức độ biến dạng nhỏ);
- Trong các điều kiện đã cho (có tải trọng công trình), các lớp cát mịn ở
độ chặt Dr ≤0,35 (lớp 3 - hệ tầng Thái Bình và lớp 7 – hệ tầng Vĩnh Phúc) đều
bị hóa lỏng, trong khi các lớp đất loại sét và cát mịn có Dr = 0,53 vẫn ổn định;


22

Bảng 5.18. Kết quả tính toán và đánh giá ổn định của các loại đất xung quanh thân
cọc khi công trình chịu động đất có agr = 0,1097
Ứng suất cắt
Tỷ số CSR
Tỷ sức kháng động
(kPa)
Độ
Lớp
sâu
Giới hạn Giới hạn phá Đánh giá
Tĩnh Động
đất
(m)
Động Tổng ban đầu
hủy
d

CSRgh1

Ổn định
5
5
6
5
0.07 0.15
0,17
0,23
Ổn định
6
3
35
4
0.07 0.70
0,8
Ổn định
0,56 (Dr=0,53) Ổn định
7
12 34
8
0.06 0.32
0,28 (Dr=0,35) Hóa lỏng
0,22 (Dr=0,26) Hóa lỏng

- Kết quả đánh giá ổn định trong bảng 5.18 là đánh giá ổn định cho điểm
ở một độ sâu và trong điều kiện đã cho. Khi các điều kiện đầu vào thay đổi thì
kết quả đánh giá ổn định sẽ khác, chẳng hạn: lớp cát mịn có D r = 0,53 sẽ bị hóa
lỏng khi phân bố ở độ sâu 5m (CSR = 0,56 = CSRgh); ngược lại ở độ sâu 15m,
cát mịn có Dr = 0,35 không bị hóa lỏng (CSR = 0,27 < CSRgh); ở cùng độ sâu
10m, đất cát mịn có Dr >0,42 sẽ có CSRgh > CSR = 0,36 nên không bị hóa lỏng.

0,10Gmax, và Ed-tt = 2,2Eo; đất cát mịn của hệ tầng Thái Bình và Vĩnh Phúc có
Gd-tt = (0,33 ÷ 0,43)Gmax; Gd-pt = 0,22Gmax; và Ed-tt = (3,9 ÷ 4,6)Eo. Ở cùng
mức biến dạng, mô đun biến dạng động nói chung của đất Svp > Stb > Shh >
Ytb > Yhh;
3) Đặc trưng biến dạng động của đất trong phạm vi nghiên cứu biến đổi theo
mức độ biến dạng với quy luật khá rõ: ở ngưỡng biên độ biến dạng 0,01%,
đất sét - sét pha có Ed-tt(0,01) = 40±10 Mpa (cận dưới tương ứng trạng thái dẻo
chảy, cận trên là dẻo cứng), D(0,01) = 0,1 ± 0,02; ở khoảng giới hạn biến dạng
tuyến tính (a ≈ 0,03%) thì Ed-tt(0,03) = 0,62Ed-tt(0,01); D(0,03) = 1,45D(0,01); khi đất
chuyển sang giai đoạn biến dạng trượt, Ed-tr = 0,06Ed-tt(0,01); Dtr = 2D(0,01). Kết
quả nghiên cứu này cho phép giải quyết bài toán mô hình ứng xử nền đất với
tải trọng động theo giả thiết nền biến dạng tuyến tính tương đương (chỉ tiêu
động học đầu vào là hằng số). Quy luật biến đổi đặc trưng biến dạng động
theo thành phần và trạng thái của đất được mô tả bởi các hàm tương quan
(các công thức từ 3.3 đến 3.8), cho phép giải bài toán mô hình ứng xử với giả
thiết nền biến dạng phi tuyến (chỉ tiêu đầu vào là hàm số).
4) Tỷ số áp lực nước lỗ rỗng Ru của đất loại sét nhỏ hơn 1% ở giai đoạn giả đàn
hồi và tăng đến vài phần trăm ở giai đoạn đàn hồi - dẻo; với đất cát, Ru = (1 –