Những tiền đề vật lý của lý thuyết độ tin cậy của nền các công trình xây dựng
Chµo mõng ngµy nhµ gi¸o viÖt nam 20/11/2007
NHỮNG TIỀN ĐỀ VẬT LÝ CỦA LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY
CỦA NỀN CÁ C CÔ NG TRÌ NH XÂ Y DỰNG
PHYSICAL PRECONDITIONS OF THE THEORY OF RELIABILITY
OF CONSTRUCTIONS FOUNDATION OF
TS. PHẠM VĂN THỨ
Khoa Đào tạo Sau đại học, Trường ĐHHH
Tó m tắt:
Độ tin cậy của nền các công trì nh xé t đến cùng được quyết định bởi khả năng tiếp
nhận tải trọng tác động lên nền đất do công trì nh truyền xuống và do cá c tá c động có
nguồn gốc tự nhiên.Kết quả tác động của các yếu tố đó phụ thuộc vào tí nh chất của
đất nền và trạng thái của chúng. Trong những điều kiện làm việc thực tế tính không
xá c định càng tăng bởi tính không xác định của các tác động lên nó . Vì vậy, chúng ta
cần xem xét các đặc trưng của đất cũng như đặc trưng của các tác động lên nó trong
quá trì nh khai thác, điều đó cho phép làm sá ng tỏ các cơ sở vật lý của lý thuyết độ tin
cậy làm việc của nền.
Abstract:
The reliability of constructions foundation ultimately relies on its capacity for loads
caused by the constructions as well as loads caused by natural factors. Impact of the
mentioned loads, at certain measure, depends on the properties and states of soil. On
actual conditions, the uncertain factors shall rely on the loads effecting on them. Thus,
We shall have a deep look into the soil property and all the impact on it in exploiting,
making the physical basis of reliability theory out.
Độ tin cậy của nền các công trì nh xé t đến cùng được quyết định bởi khả năng tiếp nhận tải
trọng tác động lên đất nền do công trì nh truyền xuống, cũng như nội lực phát sinh do các tác động
của các yếu tố có nguồn gốc khí hậu - tự nhiên gâ y ra. Kết quả tác động của các yếu tố đó, ở mức
độ xác định, phụ thuộc vào tí nh chất của đất (như vật liệu làm nền và làm cá c cô ng trì nh bằng đất),
cũng như phụ thuộc vào trạng thái của chúng. Ví dụ như, trong điều kiện thế đất tự nhiên, tí nh chất
của cùng một loại đất lại có thể khác nhau tuỳ thuộc vào vị trí và thời điểm lấy mẫu để thí nghiệm.
Tập hợp các nguyên nhân làm thay đổi tính chất của đất cùng loại trong những điều kiện tự nhiên
đã làm cho bài toá n xá c định tính chất xây dựng của đất không chỉ phức tạp mà cò n khô ng xá c
định. Trong những điều kiện làm việc thực tế, tính không xác định này càng tăng thêm bởi tính
không xác định của các tác động lên nó . Vì vậy, chúng ta cần xem xét các đặc trưng của đất cũng
như đặc trưng của các tác động lên nó trong quá trì nh khai thác, điều đó cho phép làm sá ng tỏ các
cơ sở vật lý của lý thuyết độ tin cậy làm việc của nền.
1. Tí nh chất của đất khi xem là vật liệu làm nền các công trì nh
Ngày nay, trong xâ y dựng, đất được hiểu là toàn bộ những đất đá núi nằm rải trên bề mặt
quả đất ở những vùng phong hoá và được sử dụng vào mục đích xây dựng. Đất, với tập hợp các
tí nh chất của mì nh, được phân thành hai lớp: đá và khô ng phải đá (sau đây tạm gọi là đất). Theo
quan điểm lý thuyết độ tin cậy, cũng như do tính phổ biến của đất mà đất là vật liệu làm nền các
cô ng trì nh đang là mối quan tâm lớn.
Trong trường hợp tổng quát đất được cấu tạo từ những hạt khoáng vật (hạt rắn) riêng rẽ,
khô ng giống nhau về hì nh dạng và kích thước, giữa chúng có sự liên kết với nhau. Vùng tiếp xúc
giữa các hạt là vị trí trung tâm của lực liên kết. Tập hợp các hạt có cùng liên kết với nhau tạo thành
hệ chịu tải của đất, quyết định tính biến dạng và tí nh bền của đất. Đất là một vật liệu thể hiện một
cá ch sá ng tỏ nhất tính phân tán về cấu trúc. Tính phân tán, nghĩa là tính đứt đoạn của cấu trúc về
mặt vật lý và là thuộc tính của các vật liệu có kết cấu khác nhau, ví dụ như bê tông và vữa.
Theo nghĩa cơ - lý, đặc trưng liên kết trong đất, trong trường hợp tổng quát, được quyết
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải
Số 11+12 - 11/2007
14
Chµo mõng ngµy nhµ gi¸o viÖt nam 20/11/2007
định bởi sự tồn tại của ma sát và lực dính giữa các hạt đất. Vai trò riêng của ma sát và lực dính
trong cá c loại đất khác nhau là khá c nhau; ví dụ, trong đất cát thì lực ma sát trong lại có ảnh
hưởng có tính chất quyết định đến tính bền và tí nh biến dạng của đất. Do đó, các đất như vậy
người ta gọi là đất không dính. Trong các đất sét vai trò quan trọng đối với tính bền và tí nh biến
dạng lại là lực dính, vì vậy chúng được gọi là đất dính. Các chỉ tiêu về độ bền của các liên kết là
gó c nội ma sát và lực dính đơn vị c. Hai đại lượng này quyết định sức chống cắt giới hạn của đất
tcắt.
Theo các quan điểm chung hiện nay đã được thí nghiệm khẳng định [5] thì một phần của
tcắt được biểu thị bằng lực ma sát tuỳ thuộc vào á p lực nén trên mặt trượt, phần cò n lại biểu thị lực
dí nh và khô ng phụ thuộc vào á p lực trên mặt trượt.
Giá trị của tcắt là giá trị trung bì nh của các giá trị ứng suất cắt trên miền diện tích trượt nào
đó. Chẳng hạn như, theo độ lớn và hì nh dạng thì cá c hạt phân bố không đều trong thể tích đất, và
vì vậy mà ngay cả sự liên kết giữa các hạt với nhau cũng phân bố không đều. Trong khối đất tơi
xốp luôn luôn tồn tại vùng thể tích có sự tập trung cao các liên kết giữa các hạt xét về tính bền và
tí nh biến dạng. Những miền thể tích đó của đất xét về trị số luôn lớn hơn so với kích thước của
cá c hạt tạo thành, được gọi là nửa kết tụ và kết tụ. Hậu quả của tính không đều kể trên cò n làm
tồn tại trong đất những vùng thể tích có tập trung những liên kết thấp về độ bền và độ biến dạng.
Mỗi một hạt đất có liên kết tiếp xúc phân bố trên bề mặt trượt đều tham gia vào quá trì nh
tạo ra giá trị trung bì nh nào đó của tcắt trên mặt trượt đó. Khi đó tồn tại cả sự tiếp xúc và sự liên kết
với độ bền bằng không (tiếp xúc không làm việc), cũng như có độ bền max. Giá trị độ bền của mỗi
một liên kết tiếp xúc tuỳ thuộc vào một tập hợp các nguyên nhâ n ngẫu nhiên chưa được xét tới. Số
lượng các tiếp xúc của các hạt với nhau sẽ tăng tỷ lệ với việc giảm kích thước của các hạt theo
luật bậc ba.
Theo quan điểm cơ - lý, cá c liên kết giữa các hạt đất là kết quả của mỗi một tác động của
trường năng lượng (điện năng, từ năng, trọng lực) ở mức độ hữu hạn nào đó trong sự tồn tại của
cá c lực kéo và đẩy giữa các hạt và giữa các kết tụ [6]. Tập hợp các liên kết phân tử – nguyên tử
chủ yếu được quyết định bởi sự liên kết (lực dính) của đất. Khi đó, sự tương tác giữa các hạt với
nhau tạo thành mối liên hệ tiếp xúc được hiểu là mối tương tác của các trường năng lượng xung
quanh chúng, chứ không phải là sự tiếp xúc trực tiếp của chúng.
Trong đất cò n tồn tại một đặc tính khác của mối tương tác giữa các hạt khi đẩy chúng gần
hoặc xa nhau. Độ bền và độ cứng của các liên kết giữa các hạt khi chịu nén lớn hơn rất nhiều so
với khi kéo. Đặc trưng quan trọng nhất của đất trong liên kết này là yếu tố mà độ bền và độ cứng
của các liên kết giữa cá c hạt trong chúng đôi khi nhỏ hơn hàng trăm, hàng nghì n lần độ bền và độ
cứng của bản thân các hạt rắn. Ở đây tồn tại một sự khác biệt có tính bản chất của đất so với các
vật thể cứng khác (ví dụ như các vật liệu kết cấu), đó là độ bền và độ cứng của cá c liên kết giữa
cá c hạt có thể so sánh được với độ bền và độ cứng của các hạt thành tạo và cá c kết tụ. Do có sự
khá c biệt đã chỉ ra ở trên nên cần phải chú ý rằng, dưới ảnh hưởng của các lực thay đổi dấu và
ké o do uốn thì liên kết giữa các hạt trong đất bị phá hoại một cách rất dễ ràng.
Tí nh phâ n tá n về cấu trúc, dạng và kích thước khác nhau của các hạt đất và những kết tụ
của chúng không tránh khỏi xảy ra sự tồn tại trong đất những thể tích rỗng có hì nh dạng và kí ch
thước khác nhau, ở đó không có các hạt rắn chiếm chỗ và khô ng tồn tại liên kết giữa chúng. Tập
hợp các thể tích rỗng hì nh thành khô ng gian rỗng trong đất. Thể tích của nó có thể chiếm đến 90%
và lớn hơn thể tích các hạt khoáng chất. Không gian rỗng và cá c quá trì nh xảy ra trong đó ảnh
hưởng mang tí nh quyết định đến độ bền và độ biến dạng của các liên kết giữa các hạt trong đất,
do đó, mà ảnh hưởng cả đến độ bền của đất khi xem nó như vật liệu được tổ hợp từ các hạt, các
kết tụ và cá c liên kết giữa chúng. Thể tích của không gian rỗng được đặc trưng bởi mức độ rời rạc
khô ng tiếp xúc với nhau giữa các hạt rắn trong đất và cùng với độ bền và độ cứng của các liên kết
giữa các hạt, chúng cò n có ảnh hưởng quyết định đến tính chất biến dạng của đất. Chỉ tiêu số
lượng đặc trưng cho mức độ rỗng của đất là hệ số rỗng e.
Cường độ thay đổi của hệ số rỗng của đất khi chất tải là một chỉ tiêu biến dạng (sự làm
chặt) của đất. Qui luật xác định mối quan hệ giữa số gia áp lực tác động lên đất p và sự thay đổi
hệ số rỗng e, mang tên gọi là luật làm chặt của đất [5]. Luật làm chặt đất được sử dụng để ước
lượng mô đun biến dạng tổng quát của đất E trên cơ sở kết quả thí nghiệm các mẫu đất. Giá trị E
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải
Số 11+12 - 11/2007
15
Chµo mõng ngµy nhµ gi¸o viÖt nam 20/11/2007
gần với giá trị thực hơn được tì m bằng thí nghiệm bàn né n ngoài hiện trường.
Khô ng gian rỗng của đất thường được lấp đầy bởi nước các dạng và khí . Toàn bộ ba
dạng độ ẩm (liên kết, ngưng tụ và tự do) đều tồn tại, đều ảnh hưởng quyết định đến độ bền và độ
biến dạng của các liên kết giữa các hạt đất. Cũng ảnh hưởng như vậy đến đặc trưng độ bền và độ
cứng của các liên kết trong đất của khí tự do và khí bị giữ kín trong đất [6]. Như vậy, độ ẩm và
thành phần khí trong đất có ảnh hưởng lớn đến tính chất độ bền, độ biến dạng và các đặc trưng
của môi trường đất.
Trong trường
hợp tổng quát, đất là
e)
d)
a)
tập hợp của ba môi
trường (pha) rắn,
:
lỏng và khí . Mỗi một
pha kể trên làm cho
môi trường đất tăng
thêm một đặc trưng
thể hiện tính bền và
tí nh biến dạng. Ví dụ,
pha rắn, nước liên kết
bền và khí bị giữ trong
đất làm tăng thêm tính
đàn hồi cho đất, cò n
pha lỏng và khí tự do
thì làm tăng thêm tí nh
chất nhớt cho đất.
Ngoài ra, trong những
điều kiện chất tải nhất
định có liên quan đến
tổn thất độ bền của
đất, trong đó tính chất
cứng dẻo và tí nh dẻo
chảy của đất được thể
hiện. Do đó, do tính
nhiều pha hợp thành
mà đất trong trường
hợp tổng quá t là một ví
dụ rõ ràng của môi
trường đàn hồi dẻo
b)
c)
f)
h)
g)
Hì nh 1. Sơ đồ sắp xếp các phần tử cấu trúc
(theo A. K. Larionov).
a- kết tụ dạng lớp song song; b- dạng lớp có góc; c- dạng quay vồng;
d- dạng sợi hỗn loạn; e- dạng hỗn loạn; f- dạng bông; g- dạng phân tán;
h- dạng “nhà khung nhỏ”.
nhớt, mà tí nh biến dạng và tí nh bền của nó không chỉ phụ thuộc vào giá trị của ứng suất bên ngoài
tá c dụng và đặc trưng của chúng (tĩnh, động) mà cò n phụ thuộc vào thời gian tác dụng dài hay
ngắn.
Sự đa dạng về thành phần và cấu trúc của đất được xác định trước bởi tính hỗn tạp, pha
tạp của các điều kiện hì nh thành tạo và tồn tại khác nhau, các điều kiện sinh thái và địa vật lý
thường xuyên biến đổi. Các đặc trưng quan trọng nhất của cấu trúc là: kí ch thước, thành phần,
dạng và đặc trưng bề mặt của hạt, thành phần cấp phối của hạt, dạng kết tụ, độ rỗng và độ bền
của chúng, chế độ ẩm, tính chứa khí v.v… Cơ sở cấu trúc của đất là hệ thống cấu trúc của phần
rắn đó là tổ hợp đa dạng của các hạt đơn và các kết tụ.
Tí nh bền và tí nh biến dạng của đất sét phụ thuộc rất nhiều vào độ ẩm. Khi tăng độ ẩm,
trước hết làm mất tính dính của nhiều hạt sét bán kết tụ với nhau. Trong những điều kiện nhất định
độ ẩm lâu dài có thể dẫn đến hì nh thành cấu trúc “mất tiếp xúc”. Độ bền và biến dạng của đất sét
cũng phụ thuộc vào đặc trưng định hướng của các phần tử cấu trúc. Người ta phân biệt định
hướng sắp xếp theo lớp song song (đất sét dạng băng, đất sét dạng bùn), định hướng có góc theo
lớp, dạng “quay vò ng”, định hướng dạng sợi rối, đính hướng dạng lộn xộn và v.v…(hì nh 1). Yếu
tố có ảnh hưởng đặc biệt đến độ bền, độ biến dạng của đất (đặc biệt là đất sét), và độ tin cậy làm
việc của nền đó là “những khuyết tật cấu trúc”, nghĩa là những đặc trưng cấu tạo của đất quyết
định sự xuất hiện ở những vùng xác định hiện tượng tập trung ứng suất và những vùng yếu.
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải
Số 11+12 - 11/2007
16
Chµo mõng ngµy nhµ gi¸o viÖt nam 20/11/2007
Những khuyết tật này xác định trước đặc trưng phá hoại cấu trúc của đất dưới tác dụng của ngoại
lực, giảm tính chịu nước của nó, cũng như đặc trưng biến dạng dẻo nhớt của đất.
Sự đa dạng lớn không tránh khỏi của thành phần và cấu trúc của đất là sự tạo thành tự
nhiên, sự ảnh hưởng của các quá trì nh đối lưu, tính phân tán của chúng, độ phân tán không đồng
đều, tính đa thành phần, tính nhiều pha và tính đa dạng của khoáng vật (từ 5-10 cho đến 50-80
khoá ng vật), cũng như đặc trưng đặc biệt của các liên kết giữa các hạt bên trong dễ phá vỡ là
những nguyên nhâ n của tính không đồng nhất thể hiện một cách rõ ràng của đất. Tính không đồng
nhất của đất được thể hiện dưới dạng sau:
a) sự phân phối vật chất không đều trong khối đất;
b) sự tồn tại của các khuyết tật cấu trúc làm cho tí nh phâ n phối không đều của các liên kết
giữa các hạt và giữa các kết tụ về mặt biến dạng và độ bền;
c) sự khác biệt đáng kể giữa các kết quả tác động của các yếu tố ngoại lực và cá c yếu tố
khá c lên cá c mẫu đất cùng loại;
d) sự phân tán đáng kể về giá trị của các đặc trưng vật lý, độ bền và độ biến dạng của các
mẫu thử được lấy từ cùng một lớp kết tụ.
Tất cả những dạng được liệt kê ở trên biểu thị sự biến động đáng kể của các tính chất vật
lý, tí nh bền, tính biến dạng và các đặc trưng của đất trong không gian và trong thời gian.
2. Tí nh biến động của các tính chất vật lý, tính bền và tí nh biến dạng của đất.
Do tính không đồng nhất quá lớn của đất mà nhiều nhà nghiên cứu trong nhiều năm qua
đã quan tâ m đặc biệt tới tính biến động đáng kể về tính chất vật lý và cơ học của đất.
Lần đầu tiên trong cá c cô ng trì nh của G. I. Pokrovxki [7] đã chỉ ra tầm quan trọng của việc
nghiên cứu tính biến động của các tính chất của đất trong thực tế kỹ thuật. Ông đã đặt vấn đề về
tí nh hợp lý của việc sử dụng các phương pháp thống kê toá n học để ước lượng về số lượng tính
biến động này. Trong nhiều năm qua các công trì nh theo hướng này đã được phổ biến rộng rã i do
việc áp dụng vào thực tế công nghệ thiết kế nền theo các trạng thái giới hạn. Công nghệ này dựa
trên cơ sở cần thiết phải nắm và xét đến độ biến động của các tác động bên ngoài và cá c tí nh chất
của đất.
Trong số những đóng góp to lớn vào việc xây dựng và á p dụng vào thực tế thiết kế các
phương pháp tính toán độ biến động tính chất của đất nền có công lao của các cán bộ khoa học
của Viện nghiên cứu – thiết kế nền và mó ng mang tên N. M. Gêxêvanov của Viện hàn lâ m khoa
học Liên bang Nga trong khi chuẩn bị ban hành cá c tiêu chuẩn xâ y dựng.
Trong khi chuẩn bị cho các chương mới của tiêu chuẩn СНиП II-15-74 “Nền nhà và cô ng
trì nh. Tiêu chuẩn thiết kế”, một loạt các mẫu đất khác nhau được lấy từ 45 khu vực khác nhau đã
được tiến hành thí nghiệm nghiên cứu tính biến động của đất. Đồng thời đã xử lý trên máy tính để
tì m ra mối liên quan giữa hệ số biến động tính chất của đất nền với số lượng mẫu thử. Kết quả cho
trong bảng 1.
Từ bảng 1 ta thấy tất cả các dạng đất nền đều được đặc trưng bởi tính biến động lớn của
cá c tí nh chất vật lý (loại trừ trong lượng thể tích ), đặc trưng độ bền và độ biến dạng: hệ số biến
phâ n vX vượt giá trị thông thường 20 – 30%. Khi đó, về nguyên tắc, sẽ tồn tại một khuynh hướng
vX
giảm
cùng với việc tăng dung lượng n của các mẫu thử của đất. Cần lưu ý rằng giá trị của hệ
số biến động đủ ổn định khi tăng kích thước của khu vực xây dựng. Luận điểm này thể hiện rõ rệt
đối với đất á sét. Ngoài ra, trá i hẳn với những kết luận hiện tại trong các tài liệu địa – kỹ thuật, giá
v
trị của X ở mức độ rất nhỏ phụ thuộc vào giá trị trung bì nh (kỳ vọng toán thống kê) của các đặc
trưng được phân tích.
Ví dụ như đối với đất á sét luận điểm này được khẳng định [8], trong đó trì nh bày cá c quan
mX
hệ giữa độ lệch trung bì nh bì nh phương thống kê
với kỳ vọng toán thống kê
(giá trị trung
X
bì nh) đối với các đặc trưng X được nghiên cứu như trọng lượng thể tích , giới hạn chảy WL, giới
hạn lăn Wp, chỉ số dẻo IL, hệ số rỗng e, độ ẩm tự nhiên W, cường độ chịu cắt t khi ứng suất pháp
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải
Số 11+12 - 11/2007
17
Chµo mõng ngµy nhµ gi¸o viÖt nam 20/11/2007
tác động lên diện tích trượt là s và mô đun biến dạng tổng quát là E.
Bảng 1. Mức độ biến động các đặc trưng thống kê của đất.
Giá trị
, % đối với các loại đất sau
vX
TT
Các đặc trưng của đất
cá t
á cá t
10 – 30
6 – 12
2 – 4.5
25 – 50
6 – 17
5 – 16
9 – 27
-
á sé t
8 – 28
sé t
4 – 25
3 – 22
2 – 6
7 – 30
7 – 27
5 - 20
-
1
2
3
4
5
6
7
8
Độ ẩm, W
30 –50
Hệ số rỗng, e
3 – 13
6 – 25
2.5 – 7.5
5 – 35
5 – 25
5 – 20
6 – 29
15 – 35
2 – 7.5
Trọng lượng thể tích,
Chỉ số dẻo, IL
-
-
-
-
-
Giới hạn dẻo (lăn), Wp
Giới hạn chảy, WL
Độ bền cắt, t
Mô đun biến dạng tổng quát, E
-
Việc phân tích cụ thể đủ để chỉ ra rằng cùng với sự tăng giá trị trung bì nh của các đặc
trưng – kỳ vọng toán thống kê thì độ lệch chuẩn thống kê cũng tăng theo tỷ lệ thuận. Chứng tỏ
rằng hệ số biến động vX (tỷ số giữa độ lệch chuẩn chia cho kỳ vọng toán) đối với tất cả các đặc
vX
trưng vẫn giữ không đổi. Điều đó khẳng định tính đúng đắn của việc tiếp nhận
với tư cách là
đặc trưng cho sự biến động của các tính chất của đất.
Từ việc xem xét các tài liệu trì nh bày ở trên có thể kết luận như sau: tính không đồng nhất
của đất được biểu thị một cách rõ ràng, đó là hệ quả của các đặc tính đã được mô tả ở trên về
thành phần, cấu trúc và là một đặc điểm khách quan của đất khi xem chúng là vật liệu làm nền
cô ng trì nh và được biểu thị về mặt số lượng qua mức biến động lớn về các tính chất cơ - lý của
đất. Theo đó tí nh biến động lớn của cá c tí nh chất của đất và tí nh khô ng thể mô tả đơn trị của
chúng là một trong những tiền đề vật lý minh họa sự cần thiết phải xây dựng lý thuyết độ tin cậy
của nền các công trì nh trên cơ sở xác suất và thống kê toá n học.
Kết luận này là hoàn toàn xác đáng đối với nền của các công trì nh dạng bất kỳ (tự nhiên,
nhâ n tạo và nền cọc). Khi đó tuỳ thuộc vào dạng nền mà có thể thay đổi các chỉ tiêu đặc trưng cho
tí nh biến động tính chất của chúng. Ví dụ đối với nền tự nhiên điều này có thể là cá c chỉ tiêu vật lý,
độ bền và độ biến dạng của lớp đất chịu tải; đối với móng cọc các chỉ tiêu đó là các chỉ tiêu đặc
trưng cho sự tương tác giữa bề mặt xung quanh và đầu dưới của cọc với đất xung quanh; đối với
nền là đá và nửa đá đó là chỉ tiêu cường độ chịu nén tạm thời của đá gốc.
3. Tí nh biến động của các tác động bên ngoài lên nền đất công trì nh.
Tất cả các tác động lên nền công trì nh đều có thể được phân chia thành hai nhó m: cá c
yếu tố có bản chất khí hậu – tự nhiên và cá c tải trọng bên ngoài truyền qua móng công trì nh xuống
nền. Chúng ta sẽ xem xét từng nhóm các tác động với mục đích đã đặt ra ban đầu.
3.1. Các tác động của các yếu tố khí hậu - tự nhiên lên đất nền.
Chủ yếu chúng được qui về ảnh hưởng của nước và nhiệt độ phát sinh trong nền dưới
dạng dò ng ẩm và năng lượng nhiệt. Tác động của nước (nước ngầm, nước mặt, nước thải do sản
xuất v.v…) lên đất sẽ được phản ánh dưới dạng sau:
- Sự thay đổi độ ẩm của đất nền khi thay đổi lượng nước thẩm thấu vào trong đất trong vò ng
một năm. Chế độ ẩm và độ ẩm của đất sẽ tuỳ thuộc vào lượng nước mưa, cao độ mực nước
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải
Số 11+12 - 11/2007
18
Chµo mõng ngµy nhµ gi¸o viÖt nam 20/11/2007
ngầm, mực nước trong hồ chứa, tính chất thấm của đất và cá c nguyên nhâ n khá c;
- Sự xấu đi của tính chất cơ - lý, nghĩa là tí nh bền và tí nh biến dạng của đất dưới ảnh hưởng
của sự tăng độ ẩm;
- Sự giảm trọng lượng thể tích của đất nằm thấp hơn mực nước ngầm;
- Sự phát sinh các lực bổ sung gây nén đất dưới ảnh hưởng của nước mao dẫn khi hạ mực
nước ngầm;
- Sự phát sinh biến dạng lún sập hoặc trương nở của đất sét;
- Hiện tượng những hạt đất nhỏ bị lôi ra khỏi nền khi có á p lực nước ngầm hoặc khi có dò ng
nước chảy qua mạng kỹ thuật.
Kết quả tác động của nhiệt độ lên nền đất sẽ làm thay đổi tính chất của đất băng giá .
Rõ ràng là cá c yếu tố có tính khí hậu - tự nhiên tác động lên đất nền thay đổi một cách rất
mạnh trong suốt cả năm. Khi đó rất khó dự báo chúng vì chủ yếu sự thay đổi các tham số của
chúng theo thời gian mang đặc tính ngẫu nhiên. Do đó, ảnh hưởng của những yếu tố này đến các
đặc trưng cơ - lý của đất cũng không thể dự báo đơn trị.
Như vậy cần phải chú ý rằng khi thí nghiệm (khảo sát) đất với mục đích xây dựng thì tí nh
biến động thống kê cá c tí nh chất của chúng phản ảnh sự ảnh hưởng đồng thời của cả hai nhóm
yếu tố: tính không đồng nhất của cấu trúc và những nhân tố có tính khí hậu - tự nhiên trong thời
gian khảo sát toàn bộ.
3.2. Các tác động của ngoại tải lên nền do móng công trì nh truyền xuống.
Trong trường hợp tổng quát ở giai đoạn khai thác và xâ y dựng công trì nh qua mó ng truyền
xuống đất nền nhiều tải trọng có bản chất khác nhau.
Tuỳ thuộc vào thời gian tác dụng mà chúng được phân thành tải trọng thường xuyên, tạm
thời (dài hạn, ngắn hạn và đặc biệt).
Phần lớn trong chúng được đặc trưng bởi tính biến động thống kê về giá trị trong không
gian và thời gian, đặc biệt là đối với nhiều tải trọng trùng lặp, dừng theo thời gian và hì nh thành
một dã y ổn định các giá trị. Những tác động này, về nguyên tắc, tuỳ thuộc vào rất nhiều các yếu tố
có tí nh khí hậu - tự nhiên hoặc có tính công nghệ xây dựng không phù hợp với tính toán tiền định.
Tí nh biến động của các tải trọng ngẫu nhiên được đặc trưng bởi những quy luật phân phối xác
suất thống kê. Điển hì nh nhất đối với nhóm này là tải trọng môi trường khí hậu (tuyết, gió).
Ngày nay, tí nh biến động của tải trọng trong thực tế thiết kế nền công trì nh được đặc trưng
bởi một hệ số vượt tải phản ánh bản chất thống kê xá c suất của các tác động. Giá trị của hệ số
vượt tải dao động trong phạm vi 0,9 - 1,4 và chỉ phụ thuộc vào dạng tải trọng. Tuy nhiên, quá trì nh
hoàn thiện các kết cấu xây dựng, thiết bị cần trục và cá c trang thiết bị khác đò i hỏi phải tiếp tục
nghiên cứu các đặc trưng biến động của tải trọng có dạng khác nhau.
Cần nhớ rằng nếu những vấn đề tì m kiếm luật phân phối của các đại lượng tải trọng cho
đến nay vẫn chưa được nghiên cứu hoàn chỉnh, nhưng yếu tố biến động của tất cả các dạng tải
trọng thì khô ng cò n là vấn đề phải bàn cã i. Bản chất xác suất thống kê của tính biến động của tải
trọng là cơ sở vật lý để áp dụng các phương pháp của lý thuyết độ tin cậy khi thiết kế nền.
4. Kết luận
Việc nghiên cứu tó m tắt các đặc trưng của đất khi xem nó là vật liệu của nền công trì nh,
việc xác định tính biến động đáng kể của các tính chất cơ - lý của chúng và của tải trọng cho phép
rút ra một số kết luận sau:
- Kết quả của mỗi một lần xác định giá trị riêng biệt của đặc trưng nào đó của tính chất cơ - lý
của đất hoặc của giá trị tải trọng là một đại lượng ngẫu nhiên chỉ đặc trưng cho kết quả của thí
nghiệm đã cho;
- Cá c tí nh chất cơ - lý của đất theo chỉ tiêu nào đó cũng như các tác động lực bên ngoài lên đất
nền được truyền qua móng công trì nh có thể được đặc trưng chỉ bởi tổ hợp các kết quả của
nhiều lần đo chỉ tiêu nghiên cứu hoặc tải trọng đang nghiên cứu;
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải
Số 11+12 - 11/2007
19
Chµo mõng ngµy nhµ gi¸o viÖt nam 20/11/2007
- Vùng biến động của các tính chất cơ - lý của đất và của tải trọng rất rộng tới mức có thể
thấy rằng việc á p dụng các phương pháp của lý thuyết xác suất và thống kê toá n học vào nghiên
cứu đất và tải trọng là hết sức cần thiết;
- Lý thuyết độ tin cậy của nền các công trì nh cần phải dựa trên sự biến động khách quan về
mặt vật lý được xác định bằng thí nghiệm các tí nh chất của đất và của các tải trọng; do vậy công
cụ toán học của nó chính là thống kê toá n học và lý thuyết xác suất.
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
[1]. Lê Quí An, Nguyễn Công Mẫn, Hoàng Văn Tân. Tí nh toá n nền móng theo trạng thái giới hạn.
Tủ sách Đại học Kiến trúc, 1993.
[2]. QPXD. 45-70. Qui phạm thiết kế nền nhà và cô ng trì nh. Uỷ ban Kiến thiết cơ bản Nhà nước.
Hà Nội, 1970.
[3]. Н. А. Крылов, А. А. Воеводин, К. А. Глуховской, Д. П. Хлутков. Оптимизация расчетных
параметров строительных конструкций. Ленинград Cтройиздат. 1989.
[4]. В. Д. Костюков. Надёжность морских причалов и ихреконструкция. Москва, ‘Транспорт’, 1987.
[5]. В. Г. Березанцев. Расчeт оснований сооружений. Л., Стройиздат, 1970.
[6]. А. К. Ларионов. Инженернo-геологичское изучение структуры рыхлых осадочных пород.
М., “Недра”, 1972.
[7]. Г. И. Покровский. Исследования по физике грунтов. М., ОНТИ, 1937.
[8]. Н. Н. Ермолаев, В. В. Михеев. Надёжноть оснований сооружений. Л., Стройиздат, 1976.
[9]. Andrzej S. Nowak, Kevien R. Collins. Reliabilityof Structures. McGraw-Hill Higher Education, 2000
[10]. Melchers, R. E. (1999, February). Strutural Reliability Analysis and Predition (2nd ed.).
Chichester, West Sussex, England: John Wiley and Sons Ltd.
Người phản biện: TS. Đào Văn Tuấn
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải
Số 11+12 - 11/2007
20
7 trang
13/01/2024
15200
Free
Bạn đang xem tài liệu "Những tiền đề vật lý của lý thuyết độ tin cậy của nền các công trình xây dựng", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nhung_tien_de_vat_ly_cua_ly_thuyet_do_tin_cay_cua_nen_cac_co.pdf
