Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Tính ổn định đê chắn sóng dưới tác động của động đất

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ TÍNH ỔN ĐỊNH ĐÊ CHẮN SÓNG DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT TÓM TẮT: Việc tính toán hóa lỏng dựa theo các nghiên cứu của Seed và cộng sự 1983, nghiên cứu của Idriss v

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

VÕ THỊ KIM THOA

TÍNH ỔN ĐỊNH ĐÊ CHẮN SÓNG DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT

MÃ SỐ : 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

VÕ THỊ KIM THOA

TÍNH ỔN ĐỊNH ĐÊ CHẮN SÓNG DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT

CHUYÊN NGÀNH: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG MÃ SỐ : 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2013

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS VÕ PHÁN

Cán bộ chấm nhận xét 1: Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG

TP Hồ Chí Minh ngày …….tháng……năm…

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ: 1………

2………

3………

4………

5……… Xác nhận của Chủ tịch hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành : Địa Kỹ Thuật Xây Dựng Mã số ngành : 60.58.60

Tính ổn định đê chắn sóng dưới tác động của động đất

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

1 Thu thập các nghiên cứu liên quan, phân tích và hệ thống các nghiên cứu trên

2 Trình bày cơ sở lý thuyết của các phương pháp trên

3 Phân tích, tính toán và áp dụng cho một đê chắn sóng ở Việt Nam

4 Nhận xét và phân tích các kết quả đạt được

5 Các kết luận và kiến nghị khoa học

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/06/2012 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2013 IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1: TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp cao học tại trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM, tôi muốn gửi lời biết ơn sâu sắc đến những người đã giúp đỡ mình có thể hoàn thành tốt khóa học

Đầu tiên, tôi xin cảm ơn ba mẹ đã dưỡng nuôi, dạy dỗ con trưởng thành, khuyến khích, động viên con luôn cố gắng trên con đường học tập

Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Võ Phán và Thầy Trương Ngọc Tường, hai người Thầy trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tôi tận tình để tôi có thể hoàn thành tốt Luận văn

Tôi xin gửi lời cám ơn đến quý Thầy Cô trong bộ môn Địa cơ – Nền móng, bằng tất cả lòng tận tụy các Thầy Cô đã truyền đạt những kiến thức vô cùng quý báu cho tôi có thêm nhiều kinh nghiệm nghề nghiệp, kiến thức chuyên môn để tôi có thể hoàn thành tốt khóa học

Tôi cũng gửi lời cám ơn đến chồng, người đã san sẻ công việc, luôn động viên tôi trong quá trình học tập cũng như trong quá trình hoàn thành Luận văn

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cám ơn đến các bạn trong lớp Địa kỹ thuật Xây dựng khóa 2011 đã hỗ trợ tôi rất nhiều trong quá trình học tập

Xin chân thành cám ơn ! TP.HCM, ngày 21 tháng 6 năm 2013

Học viên thực hiện

VÕ THỊ KIM THOA

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ TÍNH ỔN ĐỊNH ĐÊ CHẮN SÓNG DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT

TÓM TẮT: Việc tính toán hóa lỏng dựa theo các nghiên cứu của Seed và cộng

sự (1983), nghiên cứu của Idriss và Boulanger (2004) Phương pháp động, sử dụng phổ gia tốc động đất theo thời gian cũng đã được nghiên cứu, áp dụng bộ phần mềm GeoStudio 2007.v.20 với các mô đun tính toán thấm (Seep/W), tính ứng suất, chuyển vị (Sigma/W), tính động đất (Quake/W) và tính ổn định (Slope/W), có so sánh với phương pháp giả tĩnh

Các nghiên cứu trên được áp dụng tính toán cho công trình đê chắn sóng Dung Quất – Quãng Ngãi, Việt Nam

EFFECT OF EARTHQUAKE ON STABILITY OF BREAKWATER ABSTRACT: Evaluating the liquefaction based on experience of Seed et al

(1983), Idriss and Boulanger (2004) Dynamic method: using acceleration spectrum vesus time, was researched Applying Software system GeoStudio 2007.v.20 to calculate seepage (Seep/W), Stress and displacement (Sigma/W), earthquake (Quake/W) and stability (Slope/W) Resutls of dynamic method were compared with resutls of pseudo-static method

These theory were applied to calculate Dung Quat breakwater

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tôi, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, kiến thức, số liệu đo đạc thực tiễn và dưới sự hướng dẫn của:

TS Trương Ngọc Tường PGS.TS Võ Phán

Các số liệu, mô hình tính toán và những kết quả trong Luận văn là hoàn toàn trung thực Nội dung của bản Luận văn này hoàn toàn tuân theo nội dung của đề cương Luận văn đã được Hội đồng đánh giá đề cương Luận văn Cao học ngành Địa Kỹ Thuật Xây Dựng, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng thông qua

Một lần nữa, tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam đoan trên

MỤC LỤC Trang

MỞ ĐẦU 1

Tính cấp thiết 1

Mục tiêu nghiên cứu 1

Phương pháp nghiên cứu 1

Tính khoa học và thực tiễn của đề tài 1

Giới hạn phạm vi nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 3

1.1 Các nghiên cứu trên thế giới 3

1.2 Các nghiên cứu trong nước 4

CHƯƠNG 2: CƠ SỚ LÝ THUYẾT 5

2.3 Khái quát hóa lỏng 11

2.4 Khả năng hoá lỏng của đất 13

2.4.1 Những đặc trưng lịch sử 13

2.4.2 Thông số địa chất 14

2.4.3 Thành phần của đất 14

2.4.4 Chỉ tiêu trạng thái của đất 15

2.4.5 Cường độ của đất sau hóa lỏng 16

2.5 Tính toán hoá lỏng bằng công thức kinh nghiệm 18

2.5.1 Lý thuyết tính hóa lỏng dựa trên nghiên cứu của Seed & các tác giả (1983) 18

2.5.2 Lý thuyết hóa lỏng dựa trên nghiên cứu của Idriss & Boulager, 2004 21

2.6 Tính toán hóa lỏng và ổn định đê theo phương pháp động – Áp dụng bộ phần mềm GeoStudio 2007 v.7.20 26

3.1 Giới thiệu chung 75

3.2 Mặt bằng tuyến đê 75

3.3 Mặt cắt ngang tính toán 76

3.4 Mực nước, chiều cao sóng 77

3.4.1 Mực nước thiết kế 77

3.4.2 Chiều cao sóng thiết kế 77

3.5 Áp dụng tính toán theo công thức kinh nghiệm 77

3.5.1 Tính toán theo công thức kinh nghiệm của Seed và các tác giả, 1983 77

3.5.2 Tính toán theo công thức kinh nghiệm của Idriss và Boulanger, 2004 80

3.6 Tính toán ổn định bằng phương pháp động sử dụng hệ thống phần mềm GeoStudio 82

CHƯƠNG 4: SO SÁNH VỚI PHƯƠNG PHÁP GIẢ TĨNH 95

4.1 Tính toán bằng phương pháp giả tĩnh 95

4.2 Nhận xét 97

KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 99

MỤC LỤC BẢNG Trang

Bảng 2.1 Quan hệ tương đối giữa độ lớn động đất, gia tốc đỉnh và cấp động đất [10]6

Bảng 2.2 Thang cấp động đất theo MSK-64 7

Bảng 2.3 Mối quan hệ tương đối giữa gia tốc đỉnh và cấp động đất 8

Bảng 2.4 Hệ số sử dụng trong công thức của Boore và cộng sự (1993) 10

Bảng 2.5 Hệ số sử dụng trong công thức của Joynee và Boore (1988) 11

Bảng 2.6 Giá trị lấy theo Seed (1987) 17

Bảng 2.7 Bảng tra các hệ số hiệu chỉnh giá trị N60 20

Bảng 2.8 Dữ liệu thông số thể hiện góc nghiêng của đường phá hoại (after Sladen et al 1985b) 47

Bảng 2.9 Những phương pháp phân tích dùng trong module Slope/W 58

Bảng 2.10 Bảng thống kê một số phương pháp tính trong module Slope/W 61

Bảng 3.1 Mực nước thiết kế 77

Bảng 3.2 Thông số đầu vào 78

Bảng 3.3 Thông số tính từ công thức tương quan 79

Bảng 3.4 Kết quả tính toán hoá lỏng dựa theo công thức kinh nghiệm của Seed và cộng sự, 1983 79

Bảng 3.5 Kết quả tính toán hoá lỏng dựa theo công thức kinh nghiệm của Idriss và Boulanger, 2004 81

Bảng 3.6 Bảng tổng hợp các trường hợp tính toán ổn định đê chắn sóng bằng bộ phần mềm GeoStudio 2007.v.20 82

Bảng 3.7 Thông số vật liệu của module Seep/W 84

Bảng 3.8 Thông số vật liệu của module v 84

Bảng 3.9 Thông số vật liệu của module Quake/W 85

Bảng 3.10 Thông số vật liệu của module Slope/W 86

Bảng 3.11 Điều kiện tính toán 87

Bảng 3.12 Kết quả tính toán 88

Bảng 4.1 Kết quả tính ổn định bằng phương pháp giả tĩnh 96

Bảng 4.2 So sánh kết quả tính ổn định bằng phương pháp giả tĩnh 97

MỤC LỤC HÌNH

Trang Đề xuất mối quan hệ giữa PHA và MMI (After Trifunac và Brady, 1975a)8 Mô phỏng hiện tượng hóa lỏng 12

Hiện tượng phun trào cát khi hóa lỏng 12

Cường độ kháng cắt sau hoá lỏng sử dụng phương pháp cân bằng giới hạn (after Seed 1987) 16

Tính tương quan giữa tỷ lệ 'rvcS  và 1 60rSN  theo Seed (1987), Seed và Harder (1990) và Olson và Srark (2002) 17

Mối quan hệ giữa cường độ kháng lặp với giá trị SPT hiệu chỉnh 20

Sự biến thiên của  N1 60 theo hàm lượng hạt mịn 24

Sự biến thiên của hệ số giảm ứng suất theo chiều sâu và cường độ động đất (Idriss1999) 24

Mối quan hệ giữa K và  25

Mối quan hệ giữa K và 'aP theo Hynes và Olsen (1998) 26

Ví dụ tính hóa lỏng tính toán theo nghiên cứu Idriss & Boulager, 2004 26 Sơ đồ tính toán bằng bộ phần mềm GeoStudio 2007.v.20 28

Đường đẳng thế của dòng thấm 30

Đặc trưng vật liệu không đẳng hướng 33

Trạng thái ứng suất - biến dạng phi tuyến 34

Mối quan hệ giữa đàn hồi lý tưởng và dẻo 35

Định nghĩa thông số mô hình cho Cam-clay 36

Đường cong điểm tới hạn trong mô hình Cam-clay 37

Đường cong điểm tới hạn trong mô hình Cam-clay cải tiến 37

Lịch sử gia tốc theo thời gian 40

Điều kiện biên biến dạng 40

Không gian ứng suất 41

Đường ứng suất có hiệu cho cát rời trong thí nghiệm nén ba trục 42

Mặt sụp đổ 43

Định nghĩa mặt hoá lỏng (FLS) 43

Thí nghiệm trên cát khô (after Gru and Krahn, 2002) 45

Thí nghiệm trên cát sạch (after Gru and Krahn, 2002) 45

Ứng suất tuần hoàn từ điểm B tới mặt phá hoại 45

Minh hoạ đường ứng suất từ điểm X đến mặt phá hoại cho sự sụp đổ cấu trúc hạt 46

Góc nghiêng của đường phá hoại khi độ chặt là hàm số 47

Phạm vi L với sự biến thiên của độ chặt tương đối ban đầu (Lade, 1993)48 Vùng có khả năng xảy ra hoá lỏng 49

Trạng thái ứng suất khi q có giá trị nhỏ hơn qss 49

Vùng tô màu được đánh dấu có khả năng hoá lỏng 50

Sự thay đổi giá trị G qua các lần lặp trong suốt trận động đất 52

Đường cong quan hệ hyperbol giữa max và Gmax 52

Ứng suất pháp tuyến dọc theo cung trượt tại chân mái dốc 60

Ứng suất pháp tuyến dọc theo cung trượt sâu 60

Lưới và bán kính cung trượt 62

Đường đồng hệ số an toàn trên lưới của tâm xoay 62

Bề mặt trượt hỗn hợp trong trường hợp có lớp đất không thấm 63

Bề mặt cung trượt được thiết lập đầy đủ 63

Điểm Axis point trong tính toán cung trượt 63

Lưới toạ độ trong phương pháp trượt khối 64

Bề mặt cung trượt khối 64

Sơ đồ mặt trượt Entry và Exit 64

Bề mặt cung trượt trong phương pháp Auto-locate 65

Đường bao cường độ chịu cắt Bilinear 66

Hàm số lực cắt pháp tuyến từ dữ liệu điểm 67

Cường độ chịu cắt theo hàm độ sâu bên dưới đỉnh lớp đất 67

Cường độ chịu cắt theo hàm độ sâu bên dưới mốc chuẩn 68

Mô hình cường Frictional-undrained combined 68

Áp lực nước lỗ rỗng từ đường thuỷ tĩnh 69

Lưới áp lực nước lỗ rỗng được định nghĩa theo hàm không gian 70

Mái dốc chịu động đất 71

Ví dụ ghi nhận của một trận động đất 71

Gia tốc trung bình với hệ số an toàn 72

Gia tốc trung bình theo thời gian trong suốt quá trình động đất 72

Vận tốc trượt theo thời gian 73

Biến dạng cộng dồn trong suốt quá trình động đất 73

Kết quả tính hoá lỏng bằng Quake/W 74

Cung trượt đi qua vị trí hoá lỏng 74

Vị trí công trình đê chắn sóng Dung Quất 75

Vị trí mặt cắt tính toán 75

Mặt cắt ngang tính toán 76

Mặt cắt ngang địa chất nền đê không thay cát, đá vào lớp 1 76

Mặt cắt ngang địa chất nền đê có thay cát, đá vào lớp 1 76

Kết quả tính hoá lỏng dựa theo công thức kinh nghiệm của Seed và các tác giả, 1983 80

Kết quả tính toán hoá lỏng dựa theo công thức kinh nghiệm của Idriss và Boulanger, 2004 81

Sơ đồ phân tích ổn định đê chịu ảnh hưởng của động đất bằng hệ thống phần mềm GeoStudio 82

Mô hình tính của module Sigma/W 83

Mô hình tính của module Quake/W 83

Mô hình tính của module Seep/W 83

Mô hình tính của module Slope/W 84

Phổ gia tốc tính toán 85

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết

Năm 2010 có rất nhiều trận động đất xảy ra ở Việt Nam, trận lớn nhất đạt 5 độ Richter Năm 2012 tại Quảng Nam đã có rất nhiều trận động đất liên tục xảy ra, gây tổn hại đến công trình đập thuỷ điện Sông Tranh 2 Những thiệt hại do hiện tượng này gây ra rất to lớn Là một thảm hoạ cực kỳ đắt đỏ, huỷ hoại hầu hết nhà cửa, cầu, đường giao thông…và để khắc phục thì cần thời gian dài Do đó, nghiên cứu về hoá lỏng và sự ổn định của công trình trong trường hợp xảy ra động đất là một vấn đề cấp bách, mang ý nghĩa to lớn về con người và kinh tế

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu là thu thập tài liệu, nghiên cứu tính toán ổn định của đê chắn sóng trong trường hợp động đất theo các phương pháp khác nhau và áp dụng các phần mềm chuyên dụng

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu gồm các nội dung sau: Tính toán phân tích hóa lỏng theo những công thức kinh nghiệm Mô phỏng tính toán ổn định đê chắn sóng trong trường hợp có động đất bằng phương pháp động bằng hệ thống phần mềm GeoStudio 2007.v.20 với các module:

- Seep/W : tính thấm - Sigma/W : tính ứng suất, biến dạng - Quake/W : tính động đất

- Slope/W : tính ổn định Tính ổn định đê chắn sóng bằng phương pháp giả tĩnh Từ kết quả thu được so sánh với kết quả tính được từ phương pháp động

Tính khoa học và thực tiễn của đề tài

Cảng và các công trình ven cảng thường được xây dựng trên nền nằm dưới mực nước biển hoặc có mực nước ngầm nằm gần mặt đất, dạng nền này rất dễ bị hóa lỏng khi có động đất xảy ra Do đó việc tính toán ổn định cho các công trình cảng và ven cảng dưới tác động của động đất rất phức tạp, việc nghiên cứu và áp dụng tính toán có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn

Giới hạn phạm vi nghiên cứu

Sử dụng hai phương pháp tính toán hoá lỏng dựa theo kinh nghiệm của Seed và cộng sự (1983), nghiên cứu của Idriss và Boulanger (2004)

Tính toán ổn định đê chắn sóng trong điều kiện động đất phương pháp giả tĩnh và phương pháp động

Sử dụng hệ thống phần mềm GeoStudio 2007.v.20 (Seep/W, Slope/W, Sigma/W, Quake/W)

Áp dụng tính toán cho một công trình cụ thể ở Việt Nam

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Các nghiên cứu trên thế giới

[1] đã nghiên cứu module của đất và hệ số nhớt cho phân tích động đất Nghiên cứu này đã tổng kết những dữ liệu có thể sử dụng để xác định giá trị module và hệ số nhớt cũng như hướng dẫn cách chọn lựa những đặc trưng của đất để sử dụng trong quá trình phân tích động đất

[2] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của tính dẻo của đất đến khả năng ứng xử khi chịu tải tuần hoàn Nghiên cứu đưa ra kết luận chỉ số dẻo (PI) là yếu tố chính kiểm soát

[3] nghiên cứu mối quan hệ giữa module cắt động đất với hệ số nhớt của cát và sét Kết quả cho ra công thức tương quan giữa module cắt động đất với hệ số nhớt [4] đã nghiên cứu ảnh hưởng của động đất tới áp lực nước lỗ rỗng tác dụng lên nền móng Nghiên cứu chỉ ra rằng sự biến thiên của áp lực nước lỗ rỗng có liên quan đến sự lan truyền vận tốc của sóng động đất, điều này làm ảnh hưởng đến các thông số của đất trong mô hình tích phân Khi tính toán nền móng có xét đến áp lực nước lỗ rỗng sẽ cho kết quả chuyển vị và xoay biến thiên nhiều hơn Với giá trị hệ số thể hiện mối quan hệ giữa đặc trưng của đất và điều kiện thí nghiệm nhỏ thì áp lực nước lỗ rỗng tăng lên theo tốc độ ngày càng nhanh trong các chu kỳ cuối của tải

[5] đã nghiên cứu phương pháp bán thực nghiệm đánh giá tiềm năng hoá lỏng khi có động đất Nghiên cứu đưa ra kết luận bất kỳ đánh giá hoá lỏng nào cũng phụ thuộc trực tiếp vào độ chính xác đặc trưng đất tại hiện trường và trong phòng Do đó cần tiến hành phương pháp thí nghiệm tại hiện trường song song với tính toán kinh nghiệm để có cơ sở so sánh

[6] đã nghiên cứu chỉ tiêu độ nhạy hoá lỏng của đất hạt mịn và đất sét Kết quả của nghiên cứu chỉ ra: đối với đất hạt mịn có ứng xử như sét, cường độ kháng cắt không thoát nước tuần hoàn và đều có liên quan đến trạng thái ứng suất ban đầu Cường độ kháng cắt tuần hoàn này có thể được ước tính dựa trên số liệu thí nghiệm tại hiện trường, thí nghiệm trong phòng, và có thể xác định dựa vào mối tương quan với

cường độ kháng cắt không thoát nước đều của đất (ví dụ như đất trầm tích) (Boulanger và Idriss 2004) Đất hạt mịn có ứng xử như cát, cường độ tuần hoàn có thể được ước tính bởi mối tương quan giữa giá trị SPT và CPT dựa trên sự hoá lỏng tương ứng

1.2 Các nghiên cứu trong nước

[7] nghiên cứu khả năng hóa lỏng của nền đê Hữu Hồng do động đất Kết quả cho thấy cấp động đất, mô hình đất (đàn hồi tuyến tính và đàn hồi tuyến tính tương đương) đều có ảnh hưởng đến khả năng hóa lỏng của đất Cấp động đất càng lớn thì phạm vi hóa lỏng càng phát triển rộng, mô hình tuyến tính tương đương cho phạm vi hóa lỏng nhỏ hơn mô hình đàn hồi tuyến tính

[8] nghiên cứu ổn định của đập đất dưới ảnh hưởng của động đất Nghiên cứu này đưa ra kết luận phân tích động đất theo phương pháp tĩnh lực không phù hợp với ứng xử của đập đất, kết quả không an toàn cho ổn định trượt mái đập đất, phân tích động đất theo phương pháp động phù hợp với thực tế, cho kết quả an toàn khi có động đất thực xảy ra

[9] nghiên cứu hiện tượng hoá lỏng do động đất đối với đập vật liệu địa phương

CHƯƠNG 2: CƠ SỚ LÝ THUYẾT 2.1 Động đất

Động đất hay địa chấn là một sự rung chuyển của mặt đất Động đất xảy ra hằng ngày trên trái đất, nhưng hầu hết là không đáng kể Động đất có thể gây ra lở đất, đất nứt, sóng thần, nước triều giả, hoá lỏng…Điểm mà các sóng địa chấn bắt đầu được gọi là chấn tiêu, hình chiếu của điểm này lên mặt đất được gọi là chấn tâm Có bốn loại sóng địa chấn được tạo ra cùng lúc Tuy nhiên, chúng có vận tốc khác nhau và có thể ghi nhận được theo thứ tự như sau: sóng P, sóng S, sóng Love và sóng Rayleigh

2.2 Thông số động đất 2.2.1 Độ lớn động đất

Cơ sở để xác định cấp động đất theo thang động đất dựa vào sự cảm nhận của con người, mức độ phá huỷ các công trình xây dựng hay mức độ huỷ hoại và biến dạng của mặt đất, nhưng chưa thể hiện được độ lớn tổng thể, quy mô của trận động đất C.F.Richter (1935) đã đưa ra đơn vị nhằm xác định độ lớn của trận động đất hay còn gọi là độ Richter, ký hiệu là: M Theo định nghĩa: độ Richter là logarit cơ số 10

d: khoảng cách từ điểm đang xét tới chấn tâm, km Cần lưu ý, không nên nhầm lẫn giữa độ lớn động đất M (biểu thị phần năng lượng được giải phóng) và cường độ động đất I (biểu thị sự phá hoại trên mặt đất tại một điểm nào đó khi động đất xảy ra) Có thể biểu diễn gần đúng mối liên hệ giữa độ lớn động đất M, gia tốc đỉnh amax và cấp động đất như trong Bảng 2.1

Bảng 2.1 Quan hệ tương đối giữa độ lớn động đất, gia tốc đỉnh và cấp động đất

[10] Độ lớn động đất

M

Gia tốc đỉnh amax

Chu kỳ dao động đất nền

Cấp động đất (theo thang MM)

≤2 3 4 5 6 7 ≥8

0,09g 0,22g 0,37g ≥0,50g

2s 12s 24s ≥34s

I-II III IV-V VI-VII VII-VIII

IX-X XI-XII

2.2.2 Cấp động đất (Earthquake magnitude)

Cường độ chấn động mà động đất gây ra trên mặt đất được đánh giá theo các thang phân bậc mức độ tác động của động đất đối với các kiểu nhà cửa, công trình, đồ vật, con người và biến dạng mặt đất

Hiện nay, trên thế giới thường sử dụng thang MSK-64 Karnik) để đánh giá cường độ chấn động Thang MSK-64, được Hội đồng địa chấn Châu Âu thông qua năm 1964, chia cường độ chấn động thành 12 cấp và được ghi tóm tắt tại Bảng 2.2

(Medvedev-Sponheuer-Ngoài thang MSK-64, tại khu vực Bắc Mỹ còn sử dụng thang Mercalli cải biến (Modified Mercalli Scale, MM) Thang MM gồm 12 cấp và nói chung là trùng với thang MSK-64 Nhật Bản sử dụng thang JMA chỉ gồm có 7 cấp

Bảng 2.2 Thang cấp động đất theo MSK-64 Cấp

động đất

Cường độ động

đất

Hậu quả tác động động đất Lên con người Lên công trình XD Lên môi trường

Các đồ vật treo đung đưa, các bức tranh treo trên tường bị dịch chuyển

sợ

Kết cấu bị hư hỏng nhẹ, các vết nứt nhỏ ở lớp trát

Một vài vết nứt nhỏ trên nền đất ướt

khỏi nhà

Hư hỏng lớn kết cấu, xuất hiện vết nứt ở tường và ống khói

Đất ở các sườn dốc bị trượt

hoảng sợ

Nhà bị hư hại, xuất hiện vết nứt trong khối xây, tường chắn mái và đầu hồi bị đổ

Mực nước giếng thay đổi, đường đắp bị trượt

lớn

rộng, tường và mái bị đổ

Nền đất bị nứt, bị trượt

thiệt hại

toàn bộ, nhiều nhà bị đổ

Bề mặt đất bị thay đổi, xuất hiện nhiều giếng nước mới

dựng chắc chắn bị hư hỏng nghiêm trọng

toàn bộ

xây dựng khác bị đổ hoàn toàn

Bề mặt đất bị thay đổi, xuất hiện nhiều giếng nước mới

Mối liên hệ giữa gia tốc đỉnh và cấp động đất được biểu thị trong Bảng 2.3

Bảng 2.3 Mối quan hệ tương đối giữa gia tốc đỉnh và cấp động đất

Cấp động đất Gia tốc đỉnh của nền amax (g)

2.2.3 Gia tốc ngang amax

Gia tốc động đất gồm hai thành phần: gia tốc ngang lớn nhất (PHA) và gia tốc đứng lớn nhất (PVA) Thông số thường được sử dụng để mô tả đặc tính chuyển động của mặt đất là gia tốc ngang lớn nhất (PHA) vì gia tốc ngang lớn nhất có liên quan với

Mặc dù sự tương quan này không chính xác, nhưng nó sẽ hữu ích trong trường hợp chỉ đo được cường độ khi xảy ra động đất Mối tương quan này được thể hiện trong hình sau:

Đề xuất mối quan hệ giữa PHA và MMI (After Trifunac và

Brady, 1975a)

Năm 1981, Campbell (1981) đã thống kê dữ liệu động đất thu thập được trên thế giới, từ đó phát triển công thức tính giá trị PHA trong bán kính 50km từ tâm chấn với giá trị cấp động đất từ 5.0 đến 7.7 như sau:

(1.125 0.112 ln 0.0957 ) (0.440 0.171ln )(0.405 0.222 ln )

3.0km cho cấp động đất 5.0, 5.5, 6.0 và 6.5 cho các giá trị cấp động đất khác) đến điểm phá huỷ (km)

F=0 cho cung trượt phẳng và những dạng đứt gãy thuận F=1 cho đứt gãy nghịch

SSR=1 cho đá mềm, đá cứng SSR=SHR=0 cho đất bồi tích, phù sa Boore và cộng sự (1993) đã phát triển công thức tính gia tốc ngang lớn nhất từ dữ liệu thu thập được qua những trận động đất có cấp động đất từ 5.0 đến 7.7 của vùng tây Bắc nước Mỹ trong vòng bán kính 100km tính từ vị trí sụp đổ:

logPHA g( ) bb M  6 b M 6b R blogR b Gb G (2.7)

Trong đó:

b1, b2, b3, b4, b5, b6, b7, h: tra theo bảng sau:

Bảng 2.4 Hệ số sử dụng trong công thức của Boore và cộng sự (1993)

Ngoài ra còn có thể xác định giá trị thông số chuyển động của nền bằng các biểu đồ kinh nghiệm sau:

Sự biến thiên của gia tốc ngang lớn nhất theo khoảng cách cho M=5.5, M=6.5 và M=7.5: (a) Campbell và Bozorgnia (1994), (b) Boore và cộng sự (1993), (c) Toro và cộng sự (1994), (d) Young và cộng sự

2.2.4 Vận tốc ngang lớn nhất

Vận tốc ngang lớn nhất (PHV) là đặc trưng cho sự chuyển động của mặt đất Khi vận tốc nhỏ hơn độ nhạy dẫn tới tần suất chuyển động nhiều hơn của mặt đất, PHV

có tính chất giống như PHA khi đặc trưng cho biên độ dao động của đất nền tại điểm có tần suất trung bình

Joynee và Boore (1988) đã sử dụng dữ liệu thu thập được từ những trận động đất có cấp động đất từ 5.0 đến 7.7 để phát triển công thức tính PHV dựa trên phương pháp hồi quy:

Bảng 2.5 Hệ số sử dụng trong công thức của Joynee và Boore (1988)

2.3 Khái quát hóa lỏng

Hoá lỏng là tai biến thứ sinh của động đất, là một hiện tượng phức tạp Hoá lỏng gây ra sự chuyển động của mặt đất, phát sinh hiện tượng cát chảy, gây sụt, lún mặt, lún nền công trình, làm mất khả năng chịu tải của công trình thậm chí phá huỷ công trình

Khi động đất xảy ra, chấn động mạnh trong thời gian cực ngắn, nước không đủ thời gian thoát ra làm áp lực nước lỗ rỗng trong đất tăng vọt, đến một lúc nào đó áp lực nước lỗ rỗng bằng với áp lực tổng thì ứng suất hữu hiệu bằng không, lúc này đất mất khả năng chịu tải hay đất bị hoá lỏng Hiện tượng đất hoá lỏng xảy ra trước tiên liên quan đến môi trường đất hạt trung, đất rời bão hoà nước

Hóa lỏng là hiện tượng ứng suất và cường độ của đất giảm xuống bởi động đất hoặc tải đột ngột Hóa lỏng và các hiện tượng liên quan là nguyên nhân của nhiều thiệt hại lớn do động đất gây ra trên thế giới

Động đất gây ra hiện tượng giảm sức chịu tải và độ cứng của đất nền dẫn đến lún sụt, sập đổ công trình xây dựng và các mối nguy hiểm khác

Mô phỏng hiện tượng hóa lỏng

Hiện tượng phun trào cát khi hóa lỏng

Hóa lỏng xảy ra trong đất bão hòa nước Nước trong lỗ rỗng tạo áp lực lên hạt đất Trước khi động đất xảy ra, áp lực nước lỗ rỗng là tương đối thấp Tuy nhiên, khi

Cát rời không bảo hòa nước

Sau chấn động rung: đất bị nén lại

Cát rời bảo hòa nước

Sau chấn động rung: hạt đất mất liên kết

Sau khi thoát nước: đất bị nén lại

động đất xảy ra áp lực nước lỗ rỗng tăng cao đến mức các hạt đất có thể dễ dàng di chuyển và tương tác lẫn nhau

Casagrande (1936) dựa trên giả thiết về hệ số rỗng tới hạn (critical void ratio) để giải thích sự hoá lỏng trong đất cát Lớp cát có hệ số rỗng lớn hơn hệ số rỗng tới hạn có khuynh hướng giảm thể tích khi chịu tác động rung lắc bởi ảnh hưởng của động đất, nếu nước khó thoát ra, áp lực nước lỗ rỗng sẽ tăng lên Dựa trên nguyên lý ứng suất hữu hiệu tại một độ sâu của nền được xác định bởi:

không đủ đánh giá khả năng hoá lỏng của đất cát chỉ với hệ số rỗng tới hạn

2.4 Khả năng hoá lỏng của đất

Kiểm tra khả năng hoá lỏng của đất là bước đầu trong việc đánh giá hoá lỏng đất nền Có thể đánh giá đất nền có hoá lỏng hay không thông qua một số chỉ tiêu đặc trưng của đất nền Bao gồm những thông số thuộc về lịch sử, địa chất…

2.4.1 Những đặc trưng lịch sử

Phần lớn thông tin về đặc tính hoá lỏng của đất có được từ việc khảo sát thực địa dự báo động đất, dự báo này chỉ ra khả năng xuất hiện hoá lỏng ở những khu vực tương tự khi điều kiện địa chất và áp lực nước lỗ rỗng còn lại không đổi (Youd, 1984a) Do đó, biên hoá lỏng có thể được sử dụng để nhận ra đặc điểm hiện trường, hoặc điều kiện hiện trường có khả năng xảy ra hoá lỏng trong tương lai Youd (1991) đã sử dụng chứng cứ lịch sử hoá lỏng để thiết lặp bản đồ độ nhạy hoá lỏng Khảo sát thực địa dự báo hoá lỏng còn chỉ ra rằng những hiệu ứng hoá lỏng thuộc về lịch sử được giới hạn trong một khu vực với một khoảng cách nhất định của

nguồn địa chấn Ambraseys (1988) đã kết hợp những dữ liệu động đất nông trên thế giới để ước tính giới hạn khoảng cách tâm chấn khi mà hoá lỏng không được quan sát nếu những trận động đất cấp động đất khác nhau

2.4.2 Thông số địa chất

Đất trầm tích có khả năng hoá lỏng được hình thành trong một phạm vi hẹp của môi trường địa chất (Youd, 1991) Môi trường thuỷ văn và niên đại đất trầm tích có liên quan đến độ nhạy hoá lỏng của đất (Youd, 1991)

Đất có cỡ hạt đồng nhất và kết cấu rời rạc có độ nhạy hoá lỏng cao Trầm tích sông, đất lở tích và đất phong tích khi bão hoà cũng có độ nhạy với hoá lỏng Hoá lỏng cũng được quan sát thấy trong đất phù sa quạt bồi tích, phù sa đồng bằng, bờ biển, thềm bồi tích, trầm tích cửa sông Độ nhạy hoá lỏng của đất trầm tích lâu năm sẽ nhỏ hơn đất trầm tích mới hình thành Đất ở kỷ Holocene có độ nhạy hoá lỏng cao hơn đất ở kỷ Pleitocence, nhưng hoá lỏng lại hiếm xảy ra trong đất hình thành ở đầu kỷ Pleistocence

Hoá lỏng chỉ xảy ra trong đất bão hoà nước, do đó mực nước ngầm có ảnh hưởng đến độ nhạy hoá lỏng của đất Độ nhạy hoá lỏng giảm dần với sự tăng lên của chiều sâu mực nước ngầm; sự ảnh hưởng của hoá lỏng thường xảy ra ở vị trí có mực nước ngầm nằm gần mặt đất

Đất do con người bồi đắp cũng cần phải được chú ý Đất đắp rời rạc, như những vị trí đắp không được đầm chặt, thường có độ nhạy hoá lỏng cao Sự ổn định của đập đất chịu tác dụng thuỷ lực, giếng mỏ có thành phần đất rời rạc do hạ thấp mực nước, cũng có nhiều khả năng xảy ra hoá lỏng Đất đắp được đầm chặt tốt có độ nhạy hoá lỏng thấp

2.4.3 Thành phần của đất

Khi hoá lỏng xảy ra kéo theo sự gia tăng áp lực nước lỗ rỗng, độ nhạy hoá lỏng bị ảnh hưởng bởi đặc tính cấu thành đất, thành phần cấu tạo này có ảnh hưởng đến sự thay đổi thể tích Thành phần đất có liên quan đến khả năng thay đổi lớn về thể tích, sự thay đổi này dẫn đến độ nhạy hoá lỏng cao Những đặc tính cấu thành đất gồm: kích thước, hình dạng, và thành phần hạt

Hoá lỏng của đất hạt mịn không có tính dẻo đã được nghiên cứu (Ishihara, 1984, 1985) trong phòng thí nghiệm và tại hiện trường, nghiên cứu chỉ ra rằng đặc tính dẻo ảnh hưởng đến độ nhạy hoá lỏng nhiều hơn cỡ hạt của đất Bùn cát thô không dẻo và không dính cũng có khả năng xảy ra hoá lỏng (Ishihara, 1993); đất hạt mịn có cấu trúc vảy hoặc tấm với tính dính cao không bị hoá lỏng Sét cũng không có độ nhạy hoá lỏng, mặc dù sét nhạy có biến dạng mềm tương tự như đất hoá lỏng Đất hạt mịn thoả mãn bốn tiêu chuẩn của Trung Quốc (Wang, 1979) có thể được xem là dễ bị mất cường độ đáng kể:

Hình dạng hạt đất cũng ảnh hưởng đến độ nhạy hoá lỏng Đất được cấu thành từ những hạt hình tròn dễ bị hoá lỏng hơn đất có thành phần hạt dạng góc cạnh

2.4.4 Chỉ tiêu trạng thái của đất

Ngay cả khi đất đáp ứng tất cả các khả năng thì vẫn có thể xảy ra hoặc không xảy ra hoá lỏng Hoá lỏng còn dựa trên trạng thái ban đầu của đất (ứng suất và độ chặt tại thời điểm xảy ra động đất, hàm lượng hạt mịn…)

Khuynh hướng tạo ra áp lực nước lỗ rỗng vượt quá của đất bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi hai yếu tố độ chặt và ứng suất ban đầu, độ nhạy hoá lỏng phụ thuộc rất lớn vào trạng thái ứng suất ban đầu của đất

2.4.5 Cường độ của đất sau hóa lỏng

trường của cát hoá lỏng được phát triển bởi Seed (1987) Với mỗi vùng đất nghi

chống trượt bằng 1.0

Cường độ kháng cắt sau hoá lỏng sử dụng phương pháp cân bằng

giới hạn (after Seed 1987)

xấp xỉ bằng cách hiệu chỉnh các giá trị SPT Giá trị hiệu chỉnh 60% năng lượng số

19.87

N

vC

Bảng 2.6 Giá trị lấy theo Seed (1987)

rvcS 

rvc

suất-biến dạng không thoát nước lên cấp biến dạng trung bình trong thí nghiệm

rvc

là phản ánh tốt hơn khả năng mất mát cường độ do sự sắp xếp lại lỗ rỗng

rvc

r

S

dòng trượt gây ra do hóa lỏng trong lịch sử được tổng hợp trong biểu đồ sau:

Tính tương quan giữa tỷ lệ '

rvcS  và 1 60

r

SN  theo Seed (1987), Seed và Harder (1990) và Olson và Srark (2002)

2.5 Tính toán hoá lỏng bằng công thức kinh nghiệm

Có rất nhiều các phương pháp tính hoá lỏng theo công thức kinh nghiệm đã được nghiên cứu, ở đây chỉ xét hai phương pháp:

Lý thuyết hoá lỏng dựa trên nghiên cứu của Seed và các tác giả (1983) Lý thuyết hoá lỏng dựa trên nghiên cứu của Idriss & Boulager (2004)

2.5.1 Lý thuyết tính hóa lỏng dựa trên nghiên cứu của Seed & các tác giả (1983)

2.5.1.1 Tóm tắt lý thuyết

Năm 1983 Seed và các tác giả đã nghiên cứu lý thuyết tính hoá lỏng dựa trên biến dạng cắt của đất được tính từ gia tốc động đất và vận tốc sóng cắt của đất Nghiên cứu này xác định khả năng hóa lỏng của đất thông qua hai giá trị: ứng suất tuần

cường độ kháng lặp nhỏ hơn ứng suất tuần hoàn do động đất gây ra

 Ứng suất tuần hoàn gây ra do động đất

av

h : độ sâu, m

max

 Cường độ kháng lặp và tỷ số kháng lặp dựa trên SPT

Bảng 2.7 Bảng tra các hệ số hiệu chỉnh giá trị N60

Mối quan hệ giữa cường độ kháng lặp với giá trị SPT hiệu chỉnh

CN

Idriss và cộng sự (2004) đã sử dụng phương pháp bán thực nghiệm để đánh giá khả năng hoá lỏng của đất rời bão hoà nước khi có động đất xảy ra Hệ số giảm ứng suất

xét đến và được hiệu chỉnh Các công thức hiệu chỉnh dựa trên kết quả đánh giá từ số liệu trong thí nghiệm SPT và CPT, từ những kết quả hiệu chỉnh này sẽ đưa vào sử dụng trong tính toán hoá lỏng Thêm vào đó, vận tốc sóng cắt được sử dụng để đánh giá trạng thái chu trình tải trọng của đất hạt mịn

2.5.2.2 Phương pháp tính toán

Phương pháp bán thực nghiệm dựa trên những thí nghiệm tại hiện trường gồm 2 thành phần chính: (1) phân tích theo các kinh nghiệm nghiên cứu trong quá khứ, (2)

-40-35-30-25-20-15

Ứng suất kháng lặpỨng suất tuần hoàn

Vùng hoá lỏng

dựa theo kết quả thí nghiệm hiện trường để đánh giá khả năng hoá lỏng của đất Phương pháp của Seed & Idriss (1971) chủ yếu chỉ tính toán ứng suất cắt lặp xảy ra trong một trận động đất Bước cải tiến lớn nhất trong việc tính toán hoá lỏng của đất là sử dụng kết quả của những thí nghiệm hiện trường (Ví dụ: SPT, CPT, vận tốc sóng cắt…)

Ưu điểm của phương pháp bán thực nghiệm là việc so sánh kết quả giữa lý thuyết và thử nghiệm để từ đó rút ra phương pháp phân tích hợp lý nhất, cho một kết quả đáng tin cậy hơn

Idriss & Boulager (2004) sử dụng phương pháp bán thực nghiệm trên hiện trường để đánh giá khả năng hoá lỏng của đất rời bão hoà nước Để đánh giá khả năng hoá lỏng của đất rời bão hoà nước tác giả đã xem xét đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng từ tính chất vật lý, cơ học và ảnh hưởng của các ứng suất lên quá trình tính toán hóa lỏng, có qui đổi cấp động đất theo cấp động đất tính toán để cho kết quả xác đáng nhất

Tỷ số ứng suất tuần hoàn gây ra do động đất CSR được xác định theo công thức sau:

'7.5



vv

max

Hệ số quy đổi cấp động đất MSF tính theo công thức sau (có thể tra theo Hình 2.9):

0.05847.5

MM

  1.012 1.126sin 5.133

11.73

hh

11.28

hh

N60 : Số búa SPT hiệu chỉnh về 60% năng lượng búa

 N1 60

hiệu ở 1atm

FC :hàm lượng hạt mịn, %

Sự biến thiên của  N1 60 theo hàm lượng hạt mịn

Sự biến thiên của hệ số giảm ứng suất theo chiều sâu và cường độ



ln

3

R

vca

NK

Mối quan hệ giữa Kvà '

aP

 theo Hynes và Olsen (1998)

Hiện tượng hoá lỏng xảy ra khi hệ số hoá lỏng FS<1

Ví dụ tính hóa lỏng tính toán theo nghiên cứu Idriss & Boulager,

2004 2.6 Tính toán hóa lỏng và ổn định đê theo phương pháp động – Áp dụng bộ

phần mềm GeoStudio 2007 v.7.20

Phân tích ổn định là phổ biến nhất trong một bài toán địa kỹ thuật, kỹ thuật tính toán là khá dễ thực hiện bằng các phần mềm máy tính hay chỉ đơn giản là trong một

-40-35-30-25-20-15

Vùng hoá lỏng