Lựa chọn mô hình đất nền khi tính toán móng cọc chịu ảnh ưởng của hiện tượng hóa lỏng

74 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG KHOA H“C & C«NG NGHª Lựa chọn mô hình đất nền khi tính toán móng cọc chịu ảnh ưởng của hiện tượng hóa lỏng The choice of foundation model when calculating the pile foundation which is influenced by the liquefaction phenomena Vương Văn Thành, Hoàng Ngọc Phong Tóm tắt Bài báo đề cập các ảnh hưởng của hiện tượng hóa lỏng đến sự làm việc của móng cọc. Cụ thể là hậu quả hóa lỏng khi động đất, một số phương pháp đánh giá khả năng hóa lỏng và cơ chế phá hủy của cọc đơn và nhóm cọc khi hóa lỏng. Từ đó đề xuất về lựa chọn mô hình đất nền khi tính toán móng cọc chịu ảnh hưởng của hiện tượng hóa lỏng. Từ khóa: Hóa lỏng, móng cọc Abstract This paper discusses the impact of liquefaction to the working of the pile foundation. In particular, the consequences of liquefying in the earthquake, several methods of assessing liquidity and destruction mechanism of single pile and pile group when liquefied. After that proposes the choice of foundation model when calculating the pile foundation which is influenced by the liquefaction phenomena. Keywords: Liquefaction, pile foundation PGS.TS. Vương Văn Thành Khoa Xây dựng Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Email: ThS. Hoàng Ngọc Phong Khoa Xây dựng Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Email: 1. Khái niệm hóa lỏng và ảnh hưởng của hóa lỏng tới móng cọc Sự hóa lỏng xuất hiện khi cấu trúc cát rời, bão hòa nước bị phá vỡ vì các tải trọng đột ngột tác dụng. Vì kết cấu hạt đất bị phá vỡ, những hạt đất rời sẽ dịch chuyển để tạo nên một trạng thái chặt hơn. Tuy nhiên, trọng một trận động đất không có đủ thời gian cho nước lỗ rỗng thoát ra ngoài và cản trở những hạt đất di chuyển gần lại nhau. Kèm theo là sự gia tăng áp lực nước, dẫn tới giảm áp lực tiếp xúc giữa các hạt đất nên các lớp đất nền sẽ bị giảm cường độ. Khi đó, nền đất có cường độ rất bé và có thể coi như lỏng hơn là một khối nên chúng có tên là “Hóa lỏng”. Khi hiện tượng hóa lỏng xảy ra sẽ làm ảnh hưởng trực tiếp tới ma sát thành cọc và có thể làm gãy cọc. Điều này ta có thể thấy trong các báo cáo nghiên cứu về móng cọc trong trận động đất Niigata 1964, cụ thể: Tòa nhà NHK 4 tầng trong trận động đất tại Niigata 1964: Xây dựng trên các cọc bê tông cốt thép, các cọc có đường kính 350 mm và dài 11-12 m (Hình 1). Sau trận động đất, 74 cọc đã được nghiên cứu và họ đã thấy rằng tất cả các cọc đã bị hư hại tương tự nhau. Các cọc bị hỏng tại hai vị trí, 2,5-3,5 m từ đầu trên của cọc và 2,0 đến 3,0 m từ đáy cọc như thể hiện trong hình 1. Vị trí của mực nước ngầm là 1,7 m dưới mặt đất. Từ các báo cáo điều tra đất, lớp hóa lỏng rất có thể là 11m đầu. Do đó chiều dài của cọc trong đất hóa lỏng là 9.3m. Tòa nhà NFCH trong trận động đất tại Niigata 1964: Nghiên cứu trường hợp này mô tả sự phá hoại của một tòa nhà bốn tầng được xây dựng trên các cọc bê tông rỗng. Các cọc có đường kính 350 mm và độ dày 75mm (Hình 2). Sau trận động đất tòa nhà nghiêng 1 độ. Cọc chỉ kéo dài 0,5m trong lớp không hoá lỏng và có thể được giả định phía dưới khớp. Từ hình 2 ta có thể được quan sát thấy rằng mực nước là 1,5 m dưới mặt đất và cọc qua 7m trong lớp đất bị hóa lỏng. Phần đầu cọc nằm trong 0,5 m đất không hóa lỏng. 2. Một số phương pháp đánh giá khả năng hóa lỏng Việc khẳng định khả năng hóa lỏng của một loại đất bao gồm ba bước công việc sau: (i) Đánh giá ứng suất cắt biến đổi do động đất gây ra ở các độ sâu khác nhau; (ii) Xác định sức kháng của môi trường với quá trình hóa lỏng ở các điểm khác nhau; (iii) So sánh giữa hai kết quả nêu trên. 2.1. Phương pháp đơn giản xác định chu kỳ tương đương Trên cơ sở một số trường hợp cụ thể, Seed và Idriss [1] đã kiến nghị một phương pháp đơn giản để xác định biên độ và chu kỳ tương đương: - Với đất nền không sâu quá 10 đến 15m thì ứng suất cắt cực đại τmax đạt được trong quá trình động đất ở một độ sâu h, có thể xem như hàm số của h và gia tốc cực đại trên bề mặt amax và thể hiện qua biểu thức: τ = γmax max d( h / g).a .r (1) Trong đó: γ - là trọng lượng riêng của đất, kN/m3 h - độ sâu, m; g – gia tốc trọng trường, m/s2 rd - hàm số phụ thuộc (h) và biến dạng môi trường, có thể xác định theo bảng 1 Bảng 1: Giá trị trung bình của hàm rd [1] h(m) 2 4 6 8 10 12 14 16 rd 0,98 0,96 0,93 0,89 0,86 0,84 0,82 0,79 Mặt khác để cải thiện mức độ không đồng đều của độ phản hồi, người ta có thể chấp nhận các chu kỳ tương đương có biên độ hiệu dụng bằng khoảng 65% của τmax Theo đó, ứng suất cắt tương đương sẽ là : 75 S¬ 27 - 2017 τ = γeq max d0,65.( h / g).a .r (2) 2.2. Phương pháp kinh nghiệm đánh giá khả năng hóa lỏng Nguyên lý của phương pháp là thành lập tương quan giữa sức kháng, chống lại khả năng hóa lỏng của một loại đất, với một thông số đất nền, có thể xác định dễ dàng là sức kháng SPT. Giá trị của N thể hiện độ chặt Dr và áp lực cột đất hữu hiệu σ’v. M - độ lớn động đất dự báo. τeq tính theo phương pháp đơn giản. Từ hình 3 ta thấy khi đất nền có sức kháng N30 càng lớn thì càng ít xảy ra hóa lỏng; đất càng ở gần mặt đất tự nhiên(σ’v nhỏ) thì khả năng xảy ra hóa lỏng càng cao. 2.3. Phương pháp đánh giá khả năng hóa lỏng theo TCVN9386-2012[2] Đối với thí nghiệm SPT, giá trị đo được N30 phải được chuẩn hóa với ứng suất hữu hiệu biểu kiến của bản thân đất (N60) bằng 100kPa và với tỷ số của năng lượng va đập và năng lượng rơi tự do lý thuyết bằng 0,6. Với các độ sâu nhỏ hơn 3 m, các giá trị đo được N30 phải giảm đi 25%. Nguy cơ hóa lỏng có thể được bỏ qua khi α.S<0,15 và ít nhất một trong các điều kiện sau phải được đảm bảo: Cát có hàm lượng hạt sét lớn hơn 20% với chỉ số dẻo PI >10 ; Cát có hàm lượng hạt bụi lớn hơn 35% và số búa SPT sau khi được chuẩn hóa với các ảnh hưởng của áp lực bản thân đất và với tỷ số năng lượng N60>20; Cát sạch, với số búa SPT sau khi được chuẩn hóa với áp lực bản thân đất và với tỷ số năng lượng N60>30. Đánh giá nguy cơ hóa lỏng của đất Độ an toàn chống hóa lỏng FL được xác định theo tỷ số: =L RF L (3) Trong đó: FL: sức kháng hoá lỏng; L: tỷ ứng suất cắt trong quá trình động đất; R: tỷ sức kháng cắt động. - τcy ứng suất cắt cần thiết để làm hóa lỏng của đất ở hiện trường trong một số lần lặp tương ứng với biên độ của động đất tham chiếu; giá trị τcy/ σ’v0 được lấy bằng cách tra hình 4. Trong đó σ’v0 là ứng suất bản thân tại giữa lớp đất đang xét. 3. Cơ chế phá hủy của cọc khi hóa lỏng Các nghiên cứu về cơ chế phá hủy cọc khi hóa lỏng đã chỉ ra các cọc ở dưới có thể bị phá hủy với cùng một cơ chế giống nhau. Trong hình 5, cọc đơn chịu tải trọng dọc trục lớn từ kết cấu lớn và nằm trong đất cát bão hòa nước, có khả năng bị hóa lỏng, lớp đất này nằm trên lớp đá. Khi xảy ra động đất, ứng suất hữu hiệu trong đất cát giảm do áp lực nước lỗ rỗng tăng. Trong tình huống này, cọc đơn có thể bị gãy nếu chiều dài làm việc của cọc không đủ và cũng có thể do độ cứng của cọc bê tông cốt thép khá lớn nên không có tính linh hoạt khi chịu tác động của hóa lỏng. Ở đây, khu vực mà cọc bị gãy ở vị trí tiếp xúc giữa lớp cát và lớp đá. Điều này hợp lý với các phân tích phía trên. Trong hình 6, cọc đơn có xu hướng nghiêng khi đất bị hóa lỏng. Nó chịu tải trọng dọc trục tương đối lớn và mũi cọc được ngàm vào đá. Sau trận động đất, lớp cát sẽ di chuyển từ trái qua phải trong hình 6a, cọc đơn có thể bị gãy. Một loại phá hỏng nghiêm trọng hơn khi mà có một lớp đất không hóa lỏng nằm trên lớp đất hóa lỏng. Lớp đất không bị hóa lỏng di chuyển nhanh sang ngang, đi kèm với nó là sự hình thành màng mỏng nước tại ranh giới giữa hai lớp đất đó. Đặc biệt là khi lớp đất không bị hóa lỏng có tính thấm kém hơn lớp đất bị hóa lỏng. Cọc sẽ phải chịu tải trọng bị động lớn từ lớp đất không hóa lỏng. Trong trường hợp này, cọc còn phải chịu thêm tải trọng P-δ, do sự dịch chuyển khác nhau giữa 2 lớp đất. Mặc dù hình dạng phá hủy cuối cùng của cọc này có thể được nhìn thấy giống với hình 6a. Riêng tình huống này, nguyên nhân cọc bị phá hủy là bởi uốn. Hình 1: Cọc trong tòa nhà NHK Hình 2: Cọc trong tòa nhà NFCH Hình 3: Đánh giá nguy cơ hoá lỏng đất nền theo SPT (Seed 1974) [1] 76 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG KHOA H“C & C«NG NGHª Khi cọc nằm trong nhiều lớp đất với các lớp lần lượt từ trên xuống dưới là lớp đất không hóa lỏng- lớp đất bị hóa lỏng và cuối cùng là lớp cát chặt hoặc sét cứng không hóa lỏng. Mũi cọc sẽ được đặt vào lớp đất cát chặt để truyền tải dọc trục và khi đất bị hóa lỏng, cọc có thể bị trượt sâu vào lớp cát chặt. Cũng có khi cọc bị uốn do lớp đất không bị hóa lỏng bên trên gây ra. Tuy nhiên, cọc có thể phải chịu đồng thời cả 2 sự phá hoại trên như trên hình 7. 4. Mô hình nền móng cọc khi hóa lỏng 4.1 Mô hình đàn hồi tuyến tính Mô hình đàn hồi tuyến tính là một mô hình tuân theo định luật Hook về đàn hồi tuyến tính đẳng hướng. Hạn chế của mô hình này là không mô phỏng các ứng xử của đất ở giai đoạn chảy dẻo nên mô hình thường chỉ được sử dụng chủ yếu mô phỏng các khối kết cấu cứng trong đất. 4.2 Mô hình Mohr-Coulomb (M-C) Mô hình M-C là mô hình dùng để tính toán gần đúng các ứng xử ở giai đoạn đầu của đất. Đây là mô hình đàn hồi thuần dẻo dựa trên cơ sở định luật Hook kết hợp với tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb. Trong mô hình này, mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng được phân tích thành hai phần: phần đàn hồi và phần thuần dẻo. Tuy nhiên khi tải trọng tăng lên thì bắt đầu xuất hiện vùng biến dạng dẻo, ở đó ứng suất đạt trạng thái cân bằng giới hạn. Quan hệ giữa ứng suất và tải trọng không còn là tuyến tính nữa mà là quan hệ phi tuyến. Trong khi đó mô hình M-C chỉ mô tả đất ở trạng thái đàn hồi, kết thúc trạng thái đàn hồi thì chuyển luôn sang trạng thái phá hoại (hình 8). Hình 4: Quan hệ giữa các tỷ số ứng suất gây ra hóa lỏng và N60 cho cát sạch và cát bụi đối với động đất Ms =7,5 [3] Hình 8: Đồ thị quan hệ giữ ε1 và q trong thí nghiệm CU [4] Hình 9: Đồ thị quan hệ giữ ε1 và σ1 trong thí nghiệm nén một trục [4] Hình 7: Sự phá hủy của cọc đơn khi đất bị hóa lỏng [3] Hình 5: Mô hình cọc đơn bị phá hủy khi động đất [3] Hình 6: Tải trọng tác dụng vào cọc đơn khi động đất [3] (tiếp theo trang 93)