Nghiên cứu ảnh hưởng sự hóa lỏng của đất đến công trình chịu tải trọng động đất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH HỮU THẢO NGUYÊN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG SỰ HÓA LỎNG CỦA ĐẤT ĐẾN CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP MÃ SỐ NGÀNH : 60 58 20 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG 6 NĂM 2008 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. ĐỖ KIẾN QUỐC CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1:…………………………………………………………… CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2: …………………………………………………………… Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày ……… tháng ……… năm 2008 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp.HCM, ngày ……… tháng ……. năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: HUỲNH HỮU THẢO NGUYÊN Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 16/09/1981 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp Khóa (Năm trúng tuyển) : 2006 1. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG SỰ HÓA LỎNG CỦA ĐẤT ĐẾN CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 2. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Phân tích động lực học cho công trình chòu tải trọng động đất, có xét đến sự hóa lỏng của đất. So sánh kết quả đạt được với kết quả tính toán theo phương pháp thông thường (xem công trình ngàm tại mặt móng). Từ đó, khảo sát ảnh hưởng sự hóa lỏng của đất đối với công trình khi chòu động đất, đưa ra một số nhận xét và kết luận. 3. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 16 / 07 / 2007 4. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 16/ 06 /2008 5. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. ĐỖ KIẾN QUỐC Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TRƯỞNG BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH PGS.TS. ĐỖ KIẾN QUỐC LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn đến tập thể thầy cô trong chương trình đào tạo thạc só đã tận tình truyền đạt kiến thức, giảng dạy nhiệt tình và giúp đỡ học viên trong suốt thời gian học chương trình cao học và trong quá trình thực hiện luận văn này. Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy PGS. TS. Đỗ Kiến Quốc đã trực tiếp hướng dẫn khoa học. Thầy đã đưa ra những gợi ý đầu tiên hình thành ý tưởng của luận văn, luôn chỉ bảo tận tình và động viên uốn nắn, cũng như có những góp ý chân tình để tác giả hoàn thành luận văn. Thầy đã giúp tác giả hình thành nên phong cách làm việc khoa học và hướng dẫn tác giả đi những bước đầu tiên trên con đường nghiên cứu khoa học. Luận văn đã được thực hiện với tất cả sự cố gắng, nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ, động viên từ gia đình, thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp. Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên luận văn không thể tránh khỏi những khiếm khuyết, sai sót, rất mong nhận được sự giúp đỡ, góp ý chân thành của quý Thầy, Cô, cán bộ khoa học và bạn đồng nghiệp để các nghiên cứu tiếp theo về đề tài này được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn. TÓM TẮT LUẬN VĂN Đất hóa lỏng là hiện tượng mà trong đó sức chòu tải của đất bò giảm đi do tải trọng động đất hoặc tải trọng tác động với thời gian rất nhanh gây ra. Sự hóa lỏng của đất đã gây ra nhiều thiệt hại đáng kể trong lòch sử các trận động đất xảy ra trên thế giới và dẫn đến sự sụp đổ, hư hỏng cho nhiều công trình. Luận văn này đã bước đầu khảo sát ảnh hưởng sự hóa lỏng của đất bằng cách phân tích đáp ứng của công trình chòu động đất với sơ đồ ngàm và sơ đồ tương tác đất-công trình có xét đến hóa lỏng. Ngoài ra, luận văn còn khảo sát các ảnh hưởng của nhiều yếu tố như hệ số thấm, độ chặt tương đối của đất, mực nước ngầm, tỷ số cản của kết cấu bên trên và gia tốc nền đến phản ứng động của công trình. Tài liệu tham khảo 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A .K. CHOPRA. Dynamics of structures. Prentice Hall Inter. Inc, 1995. [2] BIOT, M. A. The mechanics of deformation and acoustic propagation in porous media. J. Appl. Phys., 33(4), 1482–1498, 1962. [3] BRAJA M.DAS. Principles of soil dynamics. PWS-Kent Publishing Company, Boston , 1993. [4] BỘ XÂY DỰNG. Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam 375: 2006. Thiết kế công trình chòu động đất . Phần 2: nền móng , tường chắn và các vấn đề đòa kỹ thuật. Nhà xuất bản Xây dựng , 2006. [5] CHAN AHC. A unified finite element solution to static and dynamic problems in geomechanics. Ph.D. Dissertation, University of Wales, Swansea, U.K., 1988. [6] CHÂU NGỌC ẨN.Cơ học đất. Nhà xuất bản Đại Học Quốc gia TPHCM,2004. [7] CHÂU NGỌC ẨN.Nền móng. Nhà xuất bản Đại Học Quốc gia TPHCM,2002. [8] CHU QUỐC THẮNG . Phương pháp phần tử hữu hạn. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 1997. [9] ELGAMAL A.,YANG Z.,& PARRA E. Computational modeling of cyclic mobility and post-liquefaction site response. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, vol. 22, no. 4, pp.259-271, 2002. [10] ELGAMAL A., YANG Z., PARRA E., & RAGHEB A. Modeling of cyclic mobility in saturated cohesionless soils. International Journal of Plasticity, vol. 19, no. 6, pp. 883-905, 2003. Tài liệu tham khảo 84 [11] ELGAMAL A., PARRA E., YANG Z., DOBRY R., ZEGHAL M. Liquefaction constitutive model. Proceedings of the International Workshop on the Physics and Mechanics of Soil Liquefaction, Baltimore, MD, 1998. [12] E.L.WILSON. Three dimensional static and dynamic anlysis of structure. A Publication of Computer and Structure, 1996. [13] HILL, R. The mathematical theory of plasticity, Oxford University Press, London, 1950. [14] J.E.BOWLES. Foundation Analysis and Design, 5 th edtion. McGraw-Hill, 1996. [15] KRAMER, S.L. Geotechnical Earthquake Engineering . Prentice Hall , NJ, USA, 1996. [16] LACY, S. Numerical procedures for nonlinear transient analysis of two- phase soil system. PhD dissertation, Princeton Univ., Princeton, N.J., 1986. [17] LÊ TRỌNG PHƯƠNG. Phân tích dao động của kết cấu tháp trụ có xét đến ảnh hưởng của đất nền. Luận văn thạc só, Đại học Bách Khoa TPHCM, 2005. [18] LÊ BÁ VINH. Nghiên cứu tính toán sự làm việc đồng thời của kết cấu khung nhà nhiều tầng- móng cọc khoan nhồi- đất nền bằng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp phương pháp phần tử biên. Luận văn thạc só, Đại học Bách Khoa TPHCM, 1998. [19] LÊ TRỌNG NGHĨA. Nghiên cứu và thí nghiệm xác đònh các đặc trưng động của đất phục vụ cho việc thiết kế các công trình chòu tải động. Luận văn thạc só, Đại học Bách Khoa TPHCM, 2003. Taứi lieọu tham khaỷo 85 [20] LU J.,YANG Z., HE L., PENGJ., ELGAMAL A.&LAW KH. Computational modeling of nonlinear soil-structure interaction on parallel computers.13th World Conference on Earthquake Eng., Canada , Paper No. 530, 2004. [21] LU J. , PENG J., ELGAMAL A., YANG Z., & LAW KH. Parallel finite element modeling of earthquake ground response and liquefaction. International Journal of Earthquake Eng. & Engineering Vibration, vol. 3, No. 1, 2004 [22] PARRA, E. Numerical Modeling of Liquefaction and Lateral Ground deformation including Cyclic Mobility and Dilative Behaviour in Soil Systems. Ph.D. dissertation, Department of Civil Engineering, Rensselaer Polytechnic Institute, 1996. [23] PENG J., LU J., LAW KH. & ELGAMAL A. ParCYCLIC- Finite element modeling of earthquake liquefaction response on parallel computers. 13th World Conference on Earthquake Engineering , Canada , Paper No. 361, 2004. [24] PREVOST JH. A simple plasticity theory for frictional cohesionless soils. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, vol. 4, no. 1, 1985, pp. 9-17. [25] RAY W.CLOUGH & JOSEPH PENZIEN . Dynamics of structures. Second Edition, McGraw-Hill, 1993. [26] YANG Z., ELGAMAL A. & LU J. A web-based platform for computer simulation of seismic ground response. Advances in Engineering Software vol.35, pp. 249259, 2004. [27] YANG Z., ELGAMAL A. Influence of permeability on liquefaction- induced shear deformation. Journal Engineering Mechanics, ASCE, vol. 128, no.7, pp. 720-729, 2002. Taứi lieọu tham khaỷo 86 [28] YANG Z., ELGAMAL A., & PARRA E. A computational model for cyclic mobility and associated shear deformation. Journal Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, vol. 129, no. 12, pp.1119-1127, 2003. [29] YANG.Z. Numerical modeling of Earthquake Site Response Including Dilation and Liquefaction, Ph.D dissertation, New York, 2000. MỤC LỤC CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN 1 1.1 Giới thiệu về hiện tượng hóa lỏng của đất 1 1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới 6 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ở các nước trên thế giới 6 1.2.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước 8 1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu của luận văn. 9 CHƯƠNG 2- QUÁ TRÌNH HÓA LỎNG CỦA ĐẤT 10 2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hóa lỏng của đất ở hiện trường 10 2.2 Xác đònh các thông số động của đất 13 2.3 Mô phỏng quá trình hóa lỏng của đất 19 2.3.1 Công thức phần tử hữu hạn 19 2.3.2 Mô hình cơ bản của đất 21 2.4 Chương trình mô phỏng sự hóa lỏng của đất 25 2.4.1 Giới thiệu về chương trình CYCLIC 1D 25 2.4.2 Nhập dữ liệu đầu vào 26 2.4.3 Dữ liệu xuất ra của chương trình 29 CHƯƠNG 3- PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG SỰ HÓA LỎNG CỦA ĐẤT ĐẾN CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT 30 3.1 Phân tích công trình chòu tải trọng động đất với sơ đồ ngàm không xét đến sự hóa lỏng của đất 30 3.1.1 Phương trình chuyển động của hệ nhiều bậc tự do chòu động đất 30 3.1.2 Các phương pháp giải phương trình 32 3.2 Phân tích công trình chòu tải trọng động đất với sơ đồ tương tác đất-công trình có xét đến sự hóa lỏng của đất 36 3.2.1 Mô hình hóa bài toán 36 3.2.2 Phương trình số gia cân bằng cho hệ chòu động đất 39 3.2.3 Phân tích phản ứng của kết cấu phi tuyến 41 [...]... lên Đất bò hóa lỏng Sự nguy hiểm và tác hại của hiện tượng đất bò hóa lỏng đối với công trình là rất lớn Do đó đề tài luận văn nghiên cứu ảnh hưởng sự hóa lỏng đến sự làm việc và ứng xử của các kết cấu trong công trình Qua kết quả nghiên cứu này, có thể đánh giá sự tác hại của hiện tượng hóa lỏng đối với công trình và mức độ ảnh hưởng của các tham số đến quá trình hóa lỏng của đất và phản ứng động của. .. bài toán có kể đến sự tương tác đất nền và công trình Như vậy, với các nghiên cứu đã qua, việc kể đến tương tác đất nền- công trình khi chòu tải trọng động đất có xét đến sự hóa lỏng của đất và việc mô hình hoá bài toán này rất khó khăn và phức tạp Do đó luận văn tập trung nghiên cứu mô hình tính toán công trình- đất chòu động đất để khảo sát ảnh hưởng của hoá lỏng đến kết cấu công trình Chương 1-... trình hóa lỏng của đất 10 Chương 2 QUÁ TRÌNH HÓA LỎNG CỦA ĐẤT 2.1 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG HÓA LỎNG CỦA ĐẤT Ở HIỆN TRƯỜNG Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự hóa lỏng của đất ở hiện trường Dựa vào kết quả trong phòng thí nghiệm cũng như các nghiên cứu và khảo sát tại hiện trường, các yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng xảy ra hóa lỏng của đất như sau [15]: • Cường độ và thời gian xảy ra động đất. .. VỤ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN Nhiệm vụ luận văn Luận văn gồm các nội dung cụ thể sau: - Trình bày quá trình xảy ra sự hóa lỏng ở đất - Mô hình hóa bài toán tương tác công trình và đất nền chòu động đất có xét đến sự hóa lỏng của đất - Phân tích động lực học cho công trình chòu tải trọng động đất, có xét hóa lỏng So sánh kết quả đạt được với kết quả tính toán theo phương pháp thông thường, xem công trình. .. ảnh hưởng khi đất bò hóa lỏng đến kết cấu công trình Cấu trúc của luận văn • Phần 1- Phần thuyết minh của luận văn bao gồm 5 chương: Chương 1 - TỔNG QUAN Chương 2 - QUÁ TRÌNH HÓA LỎNG CỦA ĐẤT Chương 3 - PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG SỰ HÓA LỎNG CỦA ĐẤT ĐẾN CÔNG TRÌNH KHI CHỊU ĐỘNG ĐẤT Chương 4 - VÍ DỤ MINH HỌA Chương 5 - KẾT LUẬN • Phần 2- Phần phụ lục, phần mã nguồn của chương trình tính toán Chương 2 - Quá trình. .. cuộc nghiên cứu này đều tìm hiểu ứng xử của đất khi chòu tải trọng tónh mặc dù khái niệm về tải trọng bao gồm cả hai loại tải trọng động và tải trọng tónh Tải trọng động gây ra cho đất bao gồm các hiện tượng như: động đất, sự vận hành máy móc thiết bò và công trình, tải trọng gió, xe cộ Các đặc trưng ứng suất và biến dạng của đất và ứng xử của nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố, và khi chòu tải trọng động. .. chỉ xét đến tải trọng tónh, chưa xét đến tải trọng động đất Khi phân tích cho các công trình chòu động đất, sự tương tác nền – công trình là yếu tố không thể bỏ qua do giả thiết công trình ngàm tại mặt móng có thể dẫn đến kết quả phân tích khác với thực tế làm việc của kết cấu Khi tính toán với giả thiết công trình ngàm tại mặt móng thì tần số dao động của công trình lớn hơn tần số dao động của bài... sự hóa lỏng của đất 53 4.1.3 Ảnh hưởng của độ chặt tương đối RD 57 4.1.4 Ảnh hưởng của hệ số thấm k 60 4.1.5 Ảnh hưởng của mực nước ngầm 62 4.1.6 Ảnh hưởng của gia tốc nền 64 4.1.7 Ảnh hưởng của tỷ số cản kết cấu thép 68 4.2 Ví dụ 2 - Kết cấu khung phẳng 72 4.2.1 Độ tin cậy chương trình tính 73 4.2.2 Ảnh hưởng sự hóa lỏng của đất ... lở đất và các mối nguy hiểm khác Đất hóa lỏng (soil liquefaction) là hiện tượng mà trong đó sức chòu tải của đất bò giảm đi do tải trọng động đất hoặc tải trọng tác động với thời gian rất nhanh gây ra Hiện tượng hóa lỏng xảy ra trong đất bão hòa nước Trước khi chòu động đất, áp lực nước lỗ rỗng trong đất tương đối nhỏ Tuy nhiên, khi động đất xảy ra, sự rung lắc của đất nền có thể làm cho áp lực nước... sát ảnh hưởng sự hóa lỏng và các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng động của công trình bằng ví dụ minh họa với số liệu cụ thể - Nhận xét và kết luận các kết quả nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Dùng phương pháp lý thuyết, sử dụng quy luật thay đổi tính chất cơ học đất do động đất để áp dụng vào bài toán động lực học công trình bao gồm việc lập mô hình, và phân tích bài toán nhằm rút ra kết luận về sự ảnh . ứng su t hữu hiệu, tại một độ sâu của đất nền được xác đònh bởi : u − = ′ σ σ (1.1) Trong đó: σ ′ là ứng su t hữu hiệu, σ là ứng su t tổng, u: áp lực nước lỗ rỗng. Nếu độ lớn của ứng su t. LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày ……… tháng ……… năm 2008 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC . viên trong su t thời gian học chương trình cao học và trong quá trình thực hiện luận văn này. Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy PGS. TS. Đỗ Kiến Quốc đã trực tiếp hướng dẫn khoa học.