Sự lan truyền sóng động đất: Thí nghiệm máy ly tâm và mô phỏng trong FLAC

Bài viết Sự lan truyền sóng động đất: Thí nghiệm máy ly tâm và mô phỏng trong FLAC trình bày đánh giá sự lan truyền sóng trong đất sử dụng thí nghiệm mô hình ly tâm và mô hình trong FLAC3D. Kết quả nghiên cứu cho thấy đỉnh gia tốc tăng nhiều trong tầng đất, đặc biệt ở trên bề mặt nền trong các trường hợp cường độ động đất nghiên cứu.

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021 ISBN: 978-604-82-5957-0 SỰ LAN TRUYỀN SĨNG ĐỘNG ĐẤT: THÍ NGHIỆM MÁY LY TÂM VÀ MƠ PHỎNG TRONG FLAC Ngơ Văn Linh Phân hiệu Trường Đại học Thủy lợi Bình Dương, email: ngovanlinh@tlu.edu.vn TỔNG QUAN Sự lan truyền sóng đất gia tăng gia tốc động đất lớp đất yếu yếu tố quan trọng phân tích động đất Nghiên cứu đánh giá lan truyền sóng đất sử dụng thí nghiệm mơ hình ly tâm mơ hình FLAC3D Kết nghiên cứu cho thấy đỉnh gia tốc tăng nhiều tầng đất, đặc biệt bề mặt trường hợp cường độ động đất nghiên cứu Các thông số thể phi tuyến động đất độ giảm cường độ kháng cắt G/Gmax, hệ số cản nhớt biên vô hạn quan trọng mơ hình phân tích động đất theo thời gian modun cắt vận tốc sóng cắt, tiêu động lớp đất độ giảm modun cắt [2] Nghiên cứu nghiên cứu lan truyền sóng đất quy trình xác định đặc trưng tính chất đất để mơ xác lan truyền sóng đất xét thời gian tần số trận động đất Thí nghiệm ly tâm cho tầng cát với điều kiện dao động đáy lớp đất tương ứng với trận động đất Hachinohe Mô FLAC3D với tính chất đất xác định từ thí nghiệm kết gia tốc đất thu tương đồng với thí nghiệm máy ly tâm PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Thí nghiệm ly tâm GIỚI THIỆU CHUNG Sự lan truyền sóng động đất môi trường đất đá vấn đề quan trọng tính tốn thiết kế cho cơng trình đặt có động đất xảy Khi chấn động xảy đá, sóng động đất lan truyền qua lớp đất đá gây dịch chuyển dao động cho bề mặt đất cơng trình đặt đất Trong phân tích ảnh hưởng động đất đến cơng trình có xét đến tương tác cơng trình - móng - (phân tích phi tuyến theo thời gian), lan truyền sóng động đất đất quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến dao động mặt cơng trình [1] Sự lan truyền sóng đất gia tăng gia tốc sóng lan truyền từ đá lên mặt đất cần nghiên cứu phụ thuộc nhiều vào yếu tố cấu tạo địa chất đất nền, tiêu lý lớp đất đặc biệt Thí nghiệm máy ly tâm cho mơ hình đất thực trung tâm Centrifuge, Viện Khoa học cơng nghệ Hàn Quốc (KAIST) Máy ly tâm có bán kính m tải trọng đầy tải 2400 kg Trên máy có gắn máy tạo gia tốc động đất theo phương ngang với đỉnh gia tốc 40 g tải gia tốc trọng trường li tâm 70 g Mẫu đất cát silica tạo hộp mẫu tương đương (hộp tạo từ khung nhôm ngăn cách lớp cao su viên bi sắt để dịch chuyển với đất) Do ảnh hưởng biên hộp giảm bớt Kích thước hộp (Dài-rộng-cao) (490-490-630) mm Gia tốc trọng trường máy ly tâm tạo chọn 45 g Phương pháp rót cát sử dụng để tạo mẫu đồng với độ chặt khoảng 80 % thơng qua hiệu chỉnh Tính chất đất xác định thơng qua thí nghiệm phòng 145 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021 ISBN: 978-604-82-5957-0 thí nghiệm xác định khối lượng riêng, thí nghiệm cắt ba trục mẫu đất độ chặt với tiêu thu Bảng Tính chất động đất thực từ thí nghiệm cột cộng hưởng (RCT) kết thu Hình Trong thí nghiệm ly tâm, cột bender-element gắn vào đất với cặp bender sử dụng để đo phân bố vận tốc sóng theo chiều sâu q trình thí nghiệm (Hình 2) [3] Dao động động đất tương ứng với trận động đất Hachinohe (năm 1968 Tokachi Oki, Nhật Bản) đưa vào đáy mơ hình Gia tốc chỉnh cho đỉnh gia tốc đưa vào (PGABM) khoảng 0,1g, 0,2g 0,3g để xét ảnh hưởng cường độ động đất nghiên cứu Drnevich mô Phần tử biên vô hạn (Free-field) sử dụng cho biên bên cạnh mơ hình để mơ hộp tương đương thí nghiệm ly tâm biên vơ hạn phân tích động [2] Giao động động đất đưa vào đáy mơ hình tương tự với thí nghiệm Bảng Tính chất đất cát Tính chất Giá trị Tỷ trọng, Gs 2,65 Thành phần hạt sét (%) 0,9 Hệ số rỗng lớn nhất, emax 1,137 Hệ số rỗng nhỏ nhất, emin 0,616 Hệ số đồng đều, Cu 1,6 Độ chặt tương đối, Dr (%) 80 Khối lượng riêng khô, ρd (t/m3) 1,54 Góc ma sát trong, φ (độ) 36,6 Hình Kết đo sóng - thí nghiệm ly tâm 3.2 Mơ FLAC3D Mơ mơ hình thực phần mềm FLAC3D, phần mềm sai phân hữu hạn chuyên sử dụng cho phân tích địa kỹ thuật tương tác cơng trình - Mơ hình Mohr-Coulomb sử dụng để mơ tính chất đất với thơng số lấy từ kết thí nghiệm cho Bảng Tính phi tuyến động đất mơ sử dụng mơ hình Hardin-Drnevich với giá trị biến dạng tham khảo (γref = 0,16) lấy từ kết thí nghiệm RCT Hình thể tương đồng đường G/Gmax hệ số cản nhớt thí nghiệm mơ hình FLAC Mơ hình cản nhớt Rayleigh sử dụng để bù cho hệ số cản nhớt biến dạng nhỏ (dưới 0,0001%) mà mơ hình Hardin- Hình Kết thí nghiệm RCT mơ hình FLAC3D KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Hình thể kết hệ số gia tăng đỉnh gia tốc theo chiều sâu (bằng tỷ số đỉnh gia tốc vị trí đo đỉnh gia tốc đầu vào) thí nghiệm ly tâm Khi sóng động đất lan truyền lên bề mặt, gia tốc sóng tăng lên đặc biệt bề mặt đất Đồng thời độ lớn trận động đất tăng lên (PGABM tăng từ 0,1g lên 0,2g 0,3g) hệ số gia tăng đỉnh động đất giảm xuống Điều giải thích biến dạng cắt đất tăng lên hệ 146 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021 ISBN: 978-604-82-5957-0 số cản nhớt đất tăng theo (Hình 2), làm giảm khuếch đại sóng động đất đường chuẩn (γref = 0,16) Kết cho thấy quan trọng hệ số cản nhớt đất phần tử biên mơ tốn động có xét đến lan truyền sóng đất Khi hệ số cản nhớt giảm (γref tăng), dao động mặt tăng biên độ tần số cộng hưởng Việc không sử dụng biên vô hạn dùng hộp cứng mơ hình vật lý làm giảm gia tốc bề mặt lớp đất Hình Hệ số gia tăng đỉnh gia tốc Hình Biểu đồ phổ phản ứng gia tốc KẾT LUẬN Kết nghiên cứu cho thấy tính phi tuyến động đất cần xác định để thu kết mơ cách xác Sự giảm độ cản nhớt làm tăng biên độ dao động tần số cộng hưởng mơ hình ngược lại Khơng sử dụng phần tử biên vơ hạn dẫn đến sai số lớn Hình Gia tốc bề mặt theo thời gian Hình so sánh biểu đồ gia tốc theo thời gian thí nghiệm ly tâm mơ FLAC3D thu bề mặt lớp đất với cường độ trận động đất khác Sự tương đồng kết thí nghiệm mơ hình mơ hình cho thấy khả mô phần mềm tốn lan truyền sóng thơng số phi tuyến đất xác định Kết tương tự thu với đầu đo gia tốc A3, A4, A5 đất Hình so sánh phổ phản ứng gia tốc của chuyển động mặt mô với gia tốc đưa vào 0,1g điều kiện khác tăng độ cản nhớt (γref = 0,06), giảm độ cản nhớt (γref = 0,26), không dùng mơ hình cản nhớt, khơng dùng biên vơ hạn so với TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ha, J.G., cộng sự, Simulation of soilfoundation–structure interaction of Hualien large-scale seismic test using dynamic centrifuge test Soil Dyn & Ear Eng., 2014 61(C): p 176-187 [2] Rayhani, M.T M.H El Naggar, Physical and Numerical Modeling of Seismic SoilStructure Interaction in Layered Soils Geot & Geo Eng., 2012 30(2): p 331 [3] Lee, S.-H., Y.-W Choo, D.-S Kim, Performance of an equivalent shear beam (ESB) model container for dynamic geotechnical centrifuge tests Soil Dyn & Ear Eng., 2013 44(C): p 102-114 147 ... 978-604-82-5957-0 thí nghiệm xác định khối lượng riêng, thí nghiệm cắt ba trục mẫu đất độ chặt với tiêu thu Bảng Tính chất động đất thực từ thí nghiệm cột cộng hưởng (RCT) kết thu Hình Trong thí nghiệm ly tâm, ... theo thời gian thí nghiệm ly tâm mơ FLAC3 D thu bề mặt lớp đất với cường độ trận động đất khác Sự tương đồng kết thí nghiệm mơ hình mơ hình cho thấy khả mơ phần mềm tốn lan truyền sóng thơng số... tốc vị trí đo đỉnh gia tốc đầu vào) thí nghiệm ly tâm Khi sóng động đất lan truyền lên bề mặt, gia tốc sóng tăng lên đặc biệt bề mặt đất Đồng thời độ lớn trận động đất tăng lên (PGABM tăng từ