Nghiên cứu ổn định và biến dạng của đất nền với vỏ công trình ngầm chịu tác dụng bom đạn có cường độ lớn ở khu vực thành phố hồ chí minh và các vùng lân cận

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Chương1 - NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐẤT KHI CHỊU TÁC DỤNG TẢI TRỌNG ĐỘNG 1.1 Sự

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

………

TRẦN HỒNG MINH

NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT NỀN VỚI VỎ CÔNG TRÌNH NGẦM CHỊU TÁC DỤNG BOM ĐẠN CÓ CƯỜNG ĐỘ LỚN Ở KHU VỰCTHÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VÀ

CÁC VÙNG LÂN CẬN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TpHCM 2007

………

TRẦN HỒNG MINH

NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT NỀN VỚI VỎ CÔNG TRÌNH NGẦM CHỊU TÁC DỤNG BOM ĐẠN CÓ CƯỜNG ĐỘ LỚN Ở KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VÀ

CÁC VÙNG LÂN CẬN

CHUYÊN NGÀNH

CƠ HỌC ĐẤT - CƠ HỌC NỀN MÓNG VÀ CÔNG TRÌNH NGẦM

MÃ SỐ NGÀNH : 2.15.03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS LÊ BÁ KHÁNH

PGS.TS LÊ VĂN NAM

TpHCM 2007

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Trần Hồng Minh

Mục lục luận án

Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt

Danh mục bảng biểu

Danh mục hình vẽ

MỞ ĐẦU

1.Tính cấp thiết của đề tài

2 Mục đích của luận án

3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Chương1 - NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ

PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG CỦA NỀN

ĐẤT KHI CHỊU TÁC DỤNG TẢI TRỌNG ĐỘNG

1.1 Sự phát triển CTN trong lĩnh vực kinh tế kết hợp Quốc phòng

1.2 Một số công trình ngầm đã xây dựng

1.2.1 Giới thiệu một số CTN

1.2.2 Một số sự cố và các nguyên nhân dẫn đến sự cố trong thi

công CTN

1.3 Nghiên cứu khái quát điều kiện địa chất và địa chất thuỷ văn CTN

đi qua

1.4 Nghiên cứu các lý thuyết, thực nghiệm tính toán ổn định, biến dạng của

nền đất khi chịu tác dụng tải trọng động

1.4.1 Các nghiên cứu về lí thuyết và thực nghiệm về tính toán ổn định của

nền đất chịu tác dụng tải trọng động

1.4.3 Các nghiên cứu lí thuyết, thực nghiệm tính toán ổn định, biến

dạng của nền đất chịu tác dụng tải trọng động do tải trọng nổ gây ra

1.5 Nghiên cứu tổng quan về các mô hình, quan hệ giữa ứng suất , biến

dạng của môi trường và phương pháp xác định các tham số của sóng khi chịu

tác dụng tải trọng nổ

1.5.1 Nghiên cứu mối quan hệ giữa tải trọng nổ của bom đạn với môi

trường và công trình đặt trong môi trường

1.5.2 Nghiên cứu tổng quan về các mô hình môi trường

1.5.3 Nghiên cứu sóng nổ trong môi trường đất

1.6 Nhận xét và nhiệm vụ của luận án

Chương 2 - NGHIÊN CỨU VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG BOM

ĐẠN VỚI ĐẤT NỀN XUNG QUANH CÔNG TRÌNH NGẦM ĐẶT

NÔNG Ở KHU VỰC TPHCM VÀ VÙNG LÂN CẬN

2.1 Sóng nổ trong đất sét yếu bão hoà nước

2.1.1 Cấu tạo của đất sét yếu bão hoà nước chịu tác dụng tải trọng nổ

2.2.2 Phương trình trạng thái

2.2.3 Mối tương quan đàn hồi dẻo của khung đất

2.2 Một số kết quả khảo sát về sự thay đổi đặc tính và biến dạng của đất

chịu tác động tải trọng bom đạn dựa trên nền tảng lý thuyết của Lyakhov

2.2.1 Các thông số cơ bản và mô hình tính

2.2.2 Kết quả khảo sát

2.3 Khảo sát sự lan truyền sóng nổ trong đất khi tải trọng giảm dần theo quy

luật tuyến tính trong điều kiện đất yếu ở khu vực TpHCM

2.4 Kết luận chương 2

Chương 3 - THIẾT LẬP BIỂU THỨC TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH - BIẾN

DẠNG ĐẤT NỀN XUNG QUANH CÔNG TRÌNH NGẦM ĐẶT NÔNG

CHỊU TÁC DỤNG CỦA BOM ĐẠN CÓ CƯỜNG ĐỘ LỚN Ở KHU VỰC

TPHCM

3.1 Mô hình bài toán

3.2 Thiết lập biểu thức tính ổn định và biến dạng của đất sét yếu bão hoà

nước xung quanh CTN đặt nông chịu tác dụng của bom đạn có cường độ lớn

3.3 Thiết lập hệ số ổn định của đất xung quanh công trình ngầm chịu tác

dụng tải trọng bom đạn theo thuyết bền Mohr- Coulomb

3.4 Xây dựng chương trình tính, các kết quả tính toán cho các trường hợp

3.4.1 Xây dựng chương trình tính toán ứng suất –biến dạng, hệ số ổn

định, độ bền kéo, nén theo lời giải bài toán

3.4.1.1 Thuật toán tính ứng suất theo thời gian

3.4.1.2 Thuật toán tính biến dạng theo thời gian

3.4.1.3 Thuật toán tính hệ số ổn định

3.4.1.4 Thuật toán tính độ bền kéo, nén

3.4.2 Các kết quả tính toán theo lý thuyết

3.4.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của độ sâu bố trí hầm, các thông số môi

trường đến trạng thái ứng suất - biến dạng, hệ số ổn định, độ bền kéo, nén

của đất xung quanh CTN

3.5 Kết luận chương 3

Chương 4 – NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH, BIẾN DẠNG ĐẤT NỀN XUNG

QUANH CÔNG TRÌNH NGẦM CHỊU TÁC DỤNG SÓNG NỔ BẰNG

4.1.1 Mục đích, yêu cầu thực nghiệm

4.1.2 Nội dung thực nghiệm

4.2 Khảo sát địa chất công trình, xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất

4.3 Thực nghiệm hiện trường xác định các thành phần ứng suất biến dạng

trong đất nền xung quanh vỏ CTN dưới tác dụng lực nổ

4.3.1 Mục đích, yêu cầu của thí nghiệm nổ

4.3.2 Mô hình thí nghiệm và thiết bị thí nghiệm

4.3.3 Trình tự thí nghiệm

4.4 Báo cáo xử lý số liệu thí nghiệm hiện trường

4.4.1 Phân tích, xử lý sơ bộ số liệu thí nghiệm

4.4.2 Xác định tốc độ lan truyền sóng

4.4.3 Xác định biến dạng và ứng suất trong nền đất gần kết cấu

4.5 So sánh kết quả dự đoán theo lý thuyết và đo đạc thực nghiệm

4.6 Vận dụng lời giải lý thuyết đã thiết lập tính toán và ứng dụng cho công

trình cụ thể

4.6.1 Biểu đồ giá trị các thành phần ứng suất theo biên độ góc( )

4.6.2 Biểu đồ giá trị các thành phần biến dạng theo biên độ góc( )

4.7 Kết luận chương 4

KẾT LUẬN

NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN TIẾP TỤC NGHIÊN CỨU

TÀI LIỆU THAM KHẢO

CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ CÔNG BỐ

Công thức Kí hiệu Giải thích ý nghĩa

Tần số chấn động Các hệ số gia tốc phương đứng và ngang Hệ số áp lực ngang của đất và

Dung trọng của đất

Là hệ số tỷ lệ xác định bằng thực nghiệm Hệ số nhớt động

Gia tốc chấn động (1.5)

tan st tan

Hệ số ma sát trong không có rung Giá trị giới hạn của hệ số ma sát trong Tỷ số của gia tốc sự rung theo gia tốc trọng trường Hệ số xác định hiệu quả của sự rung

(1.6)

hi

Ip

Cc e0

Chiều dày phân lớp Chỉ số dẻo

Chỉ số nén Hệ số rỗng

Ưùng suất Mô đun đàn hồi của đất Biến dạng tỷ đối theo các phương Hệ số poát sông của đất

(1.10)-(1.13)

Pmax

R

C a0 a1

n

h

k1 và 1 max

б

E

Áp lực sóng nén Thời gian duy trì tác dụng của sóng nén Khoảng cách từ tâm nổ đến điểm xét Trọng lượng thuốc nổ

Tốc độ lan truyền sóng đàn hồi Tốc độ lan truyền sóng đàn dẻo Chỉ số nhị thức biểu thị qui luật biến đổi của siêu áp mặt sóng

Độ sâu đến điểm cần xét Tốc độ lan truyền biến dạng Hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào loại đất Ứng suất tại một độ sâu bất kỳ trong đất Ưùng suất

Mô đun biến dạng của lò so Biến dạng của lò so

n

h

K1 và 1K2

β

i

Thời gian duy trì tác dụng của sóng nén Thời gian tăng áp lực từ không đến cực đại Khoảng cách từ tâm nổ đến điểm xét Trọng lượng thuốc nổ

Hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào loại đất Tốc độ lan truyền sóng đàn hồi

Tốc độ lan truyền sóng đàn dẻo Chỉ số nhị thức biểu thị qui luật biến đổi của siêu áp mặt sóng

Độ sâu đến điểm cần xét Tốc độ lan truyền biến dạng Hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào loại đất Hệ số phụ thuộc chiều sâu nổ trong đất Góc hợp bởi pháp tuyến của điểm tính với tâm lượng nổ

Trị số xung riêng

Mật độ chất lỏng Mật độ chất rắn

w

kw

ps và ps0

cs0 s0

s

kw pg0

g

Thể tích ban đầu của đất Thể tích của thành phần nước Thể tích của thành phần không khí Thể tích của thành phần đất

thể tích của lỗ rỗng Aùp lực thuỷ tĩnh Áp lực tác dụng lên thành phần pha rắn Áp lực sinh ra do ma sát giữa các hạt pha rắn Áp lực sinh ra do nước và khí

Áp lực sinh ra do liên kết giữa các hạt pha rắn Aùp lực chống đỡ khung tạo đất

Aùp lực hiện tại và áp lực ban đầu của nước Tốc độ truyền âm ban đầu của nước

Mật độ ban đầu của nước Mật độ hiện tại của nước Là hằng số

Aùp lực hiện tại và áp lực ban đầu tác dụng lên pha rắn

Tốc độ truyền âm ban đầu của đất Mật độ ban đầu của hạt rắn

Mật độ hiện tại của đất Là hằng số

Aùp suất ban đầu của khí Mật độ không khí tại áp suất pg

Độ tăng thể tích lỗ rỗng trong đất

Mô đun biến dạng

Mô đun liên kết ban đầu

Là miền phá hủy

Các hằng số liên quan đến tính chất của đất Biến dạng của các sợi liên kết song song

Lực tác dụng

Biến dạng hiệu quả

Ten sơ biến dạng tổng

Ten sơ biến dạng đàn hồi

Ten sơ biến dạng dẻo

Hằng số vật liệu

Ten sơ ứng suất

Số hạng đầu tiên của ten sơ ứng suất

Độ sai lệch ten sơ ứng suất

Là delta Kronecker

Mô đun đàn hồi

Mô đun đàn hồi cắt

Aùp lực sóng trong môi trường đất đá

Vận tốc khối đất dá

Mật độ đất đá

Vận tốc lan truyền mặt gián đoạn

sm R

t

R T

Vận tốc sóng tại thời điểm ban đầu Vận tốc sóng tại thời điểm bằng vận tốc sóng mạnh Aùp lực sóng mạnh

Aùp lực sóng tại thời điểm ban đầu Aùp lực sóng tại thời điểm đạt mạnh Biến dạng môi trường

Siêu áp sóng Siêu áp sóng tại thời điểm đầu Khoảng cách từ mặt đất có r=0 đến mặt xung kích mạnh

Vị trí của mặt tiếp xúc với toạ độ ban đầu r = rT

E

Ứùng suất pháp theo phương hướng kính Ưùng suất pháp tuyến hay ứng suất vòng Ưùng suất tiếp

Thành phần lực khối theo phương pháp tuyến Thành phần lực khối theo phương tiếp tuyến Chuyển vị theo phương pháp tuyến

Chuyển vị theo phương tiếp tuyến Biến dạng thể tích

Mô đun biến dạng thể tích Mô đun biến dạng hình học Mô đun đàn hồi của đất Hệ số Poát xông của đất

q

K EVC

1 H1

2 H2 Nkhđ

Bán kính của công trình ngầm Trọng lượng thuốc nổ

Thời gian duy trì siêu áp sóng xung kích trong pha nén

Thành phần ngoại lực hay là áp lực sóng nén Thời gian từ lúc bắt đầu sóng xung kích trên mặt đất tới lúc sóng nén đạt trị số max

Khoảng cách từ tấm dàn lực đến điểm cần xét (m) Là vận tốc sóng nén

Khoảng cách từ tâm nổ đến điểm tính toán (m) Dung trọng riêng của tấm chắn đạn

Chiều dày của tấm chắn đạn Dung trọng riêng của khối đất Chiều dày lớp đất

Là độ bền nén đơn trục của khối đá Là thành phần ứng suất theo phương thẳng đứng tính toán được tại các vị trí bất kỳ trong khối đất Là độ bền kéo đơn trục của khối đấtù

Là thành phần ứng suất theo phương nằm ngang

t U

) (

t U

) (

1 t U

) (

2 t U

Biến dạng trung bình Ưùng suất theo phương đứng Ưùng suất theo phương ngang

2 Chữ tắt trong luận án

Aûnh hưởng động - AHĐ

Thành phố Hồ Chí Minh - Tp.HCM

Bảng 3.1 Giá trị ứng suất tại vị trí cách đỉnh hầm 0,25m và cách hông hầm 0,25m

trong môi trường sét yếu bão hòa nước theo lý thuyết

Bảng 3.2 Giá trị ứng suất tại vị trí cách đỉnh hầm 0,25m và cách hông hầm 0,25m

trong môi trường cát bão hòa nước theo lý thuyết

Bảng 3.3 Giá trị biến dạng theo phương đứng trong hai môi trường sét yếu bão hòa

nước và cát bão hòa nước tại vị trí cách đỉnh hầm 0,25m (r=0,5m), và nằm ngay trên đỉnh hầm (r=0,25m)

Bảng 3.4 Giá trị ứng suất, biến dạng tại vị trí cách đỉnh hầm 0,25m, (r=0,5m) theo

lý thuyết khi tăng chiều sâu bố trí hầm H=1,5m

Bảng 3.5 Giá trị ứng suất, biến dạng tại vị trí cách đỉnh hầm 0,25m (r=0,5m) theo

lý thuyết khi tăng mô đun biến dạng của nền

Chương 4

Bảng 4.1 Thời điểm đạt peak và độ trễ của tín hiệu đo gia tốc tại mô hình thứ nhất

(nền đất sét yếu bão hòa) – hố 1 – khi thí nghiệm với tải trọng nổ

Bảng 4.2 Thời điểm đạt peak và độ trễ của tín hiệu đo gia tốc tại mô hình thứ hai

(nền đất cát bão hòa) – hố 2 – khi thí nghiệm với tải trọng nổ

Bảng 4.4 So sánh giá trị ứng suất theo phương ngang tại vị trí cách hông hầm

0,25m trong môi trường cát bão hòa nước theo lý thuyết và thực nghiệm

Bảng 4.5 So sánh giá trị biến dạng tại vị trí cách đỉnh hầm 0,25m trong môi trường

sét yếu bão hòa nước theo lý thuyết và thực nghiệm

Bảng 4.6 Bảng tổng hợp giá trị các thành phần ứng suất tại các biên độ góc ( ) Bảng 4.7 Bảng tổng hợp giá trị các thành phần biến dạng tại các biên độ góc ( )

Hình 1.1 Hình ảnh về hệ thống đường hầm ở một số nước trên Thế giới và ở Việt

nam

Hình 1.2 Một số sự cố trong thi công CTN

Hình 1.3 Trạng thái ứng suất do ảnh hưởng động lên một phân tố trong nền

Hình 1.4 Sự phụ thuộc giữa hệ số nhớt động và độ ẩm của đất cát [3]

Hình 1.5 Hiện tượng chảy lỏng

Hình 1.6 Đường cong dựa vào số liệu thực nghiệm cho thấy sự giảm đều đặn của

(tan ) theo sự tăng của gia tốc

Hình 1.7 Sự giảm hệ số ma sát trong đất rời dưới ảnh hưởng của gia tốc rung [33] Hình 1.8 Biểu đồ quan hệ giữa  và  [3]

Hình 1.9 Biểu đồ quan hệ giữa độ chặt của đất cát và gia tốc rung

Hình 1.10 Các thành phần ứng suất trong phân tố đất khi chịu tải trọng nổ

Hình 1.11 Mô hình đàn hồi Húc

Hình1.12 Mô hình nhớt Niu tơn

Hình 1.13 Sự hình thành của vùng tác dụng khi nổ trong môi trường đất

Hình 1.14 Biểu đồ biểu thị sự thay đổi của sóng nén

Chương 2

Hình 2.1 Cơ sở mô hình

Hình 2.2 Mô hình cơ học các thành phần của đất

Hình 2.3 Mô hình khảo sát tính toán

Hình 2.4 Sự giảm dần của áp lực cực đại là hàm số của tỉ lệ các thành phần tạo

nên đất với độ chứa nước khác nhau

Hình 2.5 Sự thay đổi đặc tính của đất dưới tác dụng của tải trọng nổ

Hình 2.8 Mối quan hệ giữa áp lực và biến dạng

Hình 2.9 Biểu đồ quy luật tải trọng

Hình 2.10 Biểu đồ giảm áp lực theo chiều sâu Cột ngang theo tỷ lệ P/Pđh

Hình 2.11 Sự thay đổi của áp lực trong đất Py và siêu áp qt theo thời gian với

các tỷ số

Hình 2.12 Biểu đồ tiềm cận

Hình 2.13 Giá trị Kp (tỷ số giữa áp lực sóng và giá trị siêu áp)

Chương 3

Hình 3.1 Sơ đồ tính toán ổn định, biến dạng của đất nền xung quanh vỏ CTN chịu

tác dụng của tải trọng nổ

Hình 3.2 Sơ đồ các thành phần ứng suất tại một điểm trong hệ toạ độ cực

Hình 3.3 Sơ đồ các thành phần biến dạng tại một điểm trong hệ toạ độ cực

Hình 3.4 Sơ đồ các thành phần ứng suất của phân tố trong hệ toạ độ cực đối xứng Hình 3.5 Sơ đồ tính khoảng cách từ tâm nổ đến điểm cần xét

Hình 3.6 Chuyển thành phần ứng suất sang hệ toạ độ Đề các

Hình 3.7 Sơ đồ tiêu chuẩn bền theo Morh- Coulomb

Hình 3.8 Sơ đồ xác định  và c theo đường bao Mohr

Hình 3.9 Giá trị các thành phần ứng suất trong môi trường sét yếu bão hòa nước,

cát bão hòa nước tại vị trí cách đỉnh hầm 0,25m,(r =0,5m) phía trên hầm theo tải trọng nổ ngắn hạn

Hình 3.10 Giá trị các thành phần ứng suất trong môi trường sét yếu bão hòa

nước, cát bão hòa nước tại vị trí cách hông hầm 0,25m ,(r = 0,5m) phía bên hông hầm theo tải trọng nổ ngắn hạn

theo tải trọng nổ ngắn hạn

Hình 3.12 Giá trị các thành phần biến dạng trong môi trường sét yếu bão hòa

nước ,cát bão hòa nước tại vị trí cách hông hầm 0,25m ,(r = 0,5m) phía bên hông hầm theo tải trọng nổ ngắn hạn

Hình 3.13 Giá trị các thành phần biến dạng trong môi trường sét yếu bão hòa

nước, cát bão hòa nước tại vị trí phía trên hầm (r = 0,25m) phía trên hầm theo tải trọng nổ ngắn hạn

Hình 3.14 Giá trị hệ số ổn định xung quanh vỏ hầm trong hai môi trường sét yếu

bão hòa nước khi góc ma sát trong thay đổi 0 0

Hình 3.17 Giá trị các thành phần ứng suất trong môi trường sét yếu bão hòa

nước,cát bão hòa nước tại vị trí cách đỉnh hầm 0,25m, (r = 0,5m) phía trên hầm khi tăng chiều sâu bố trí hầm H =1,5m

Hình 3.18 Giá trị các thành phần biến dạng trong môi trường sét yếu bão hòa

nước ,cát bão hòa nước tại vị trí cách đỉnh hầm 0,25m,(r =0,5m) phía trên hầm khi tăng chiều sâu bố trí hầm H =1,5m

Hình 3.19 Giá trị các thành phần ứng suất trong môi trường sét yếu bão hòa nước

,cát bão hòa nước tại vị trí cách đỉnh hầm 0,25m, (r =0,5m) phía trên hầm khi tăng mô đun biến dạng (E) của nền

khi tăng mô đun biến dạng (E) của nền

Chương 4

Hình 4.1 Một số hình ảnh thực nghiệm hiện trường và trong phòng xác định các

chỉ tiêu cơ lý của đất

Hình 4.2 Sơ đồ bố trí điểm đo và thiết bị đo trong nền đất quanh đường hầm Hình 4.3 Một số hình ảnh thực nghiệm nổ tại hiện trường và báo cáo kết quả thí

nghiệm

Hình 4.4 Thời gian đo thường lấy dài hơn thời gian dao động thực của kết cấu Hình 4.5 Tín hiệu vận tốc dao động tích phân từ tín hiệu gia tốc dao động

Hình 4.6 Tín hiệu đo áp lực thẳng đứng trước và sau khi chuẩn hóa bằng cách

khử nhiễu và khử trôi

Hình 4.7 Gia tốc trung bình trong môi trường đất sét yếu bão hòa nước xung

quanh công trình – mô hình thí nghiệm ở hố 1

Hình 4.8 Vận tốc trung bình trong môi trường đất sét yếu bão hòa nước xung

quanh công trình – mô hình thí nghiệm ở hố 1

Hình 4.9 Chuyển vị trung bình trong môi trường đất sét yếu bão hòa nước

xung quanh công trình – mô hình thí nghiệm ở hố 1

Hình 4.10 Biến dạng trung bình trong môi trường đất sét yếu bão hòa nước Hình 4.11 Ứng suất pháp theo phương thẳng đứng trong môi trường đất sét yếu

bão hòa nước Vị trí 0,25m phía trên công trình – mô hình thí nghiệm ở hố 1

Hình 4.12 Ứng suất pháp theo phương ngang trong môi trường đất sét yếu bão

hòa nước Vị trí 0,25m phía bên cạnh công trình – mô hình thí nghiệm ở hố 1

Hình 4.14 Vận tốc trung bình trong môi trường đất cát bão hòa nướcxung quanh

công trình – mô hình thí nghiệm ở hố 2

Hình 4.15 Chuyển vị trung bình trong môi trường đất cát bão hòa nước xung

quanh công trình – mô hình thí nghiệm ở hố 2

Hình 4.16 Biến dạng trung bình trong môi trường đất cát bão hòa nước trong

phạm vi 0,25m phía trên công trình – mô hình thí nghiệm ở hố 2

Hình 4.17 Ứng suất pháp theo phương thẳng đứng trong môi trường đất cát bão

hòa nước Vị trí 0,25m phía trên công trình – mô hình thí nghiệm ở hố 2

Hình 4.18 Ứng suất pháp theo phương ngang trong môi trường đất cát bão hòa

nước Vị trí 0,25m phía bên cạnh công trình – mô hình thí nghiệm ở hố 2

Hình 4.19 Biểu đồ giá trị các thành phần ứng suất hai môi trường sét yếu bão

hòa nước và cát bão hòa nước theo biên độ góc (khi 0

0



Hình 4.20 Biểu đồ giá trị các thành phần ứng suất hai môi trường sét yếu bão

hòa nước và cát bão hòa nước theo biên độ góc (khi 0

45



Hình 4.21 Biểu đồ giá trị các thành phần ứng suất hai môi trường sét yếu bão

hòa nước và cát bão hòa nước theo biên độ góc (khi 0

90



Hình 4.22 Biểu đồ giá trị các thành phần ứng suất hai môi trường sét yếu bão

hòa nước và cát bão hòa nước theo biên độ góc (khi 0

135



Hình 4.23 Biểu đồ giá trị các thành phần ứng suất hai môi trường sét yếu bão

hòa nước và cát bão hòa nước theo biên độ góc (khi 0

180



Hình 4.24 Biểu đồ giá trị các thành phần biến dạng hai môi trường sét yếu bão

hòa nước và cát bão hòa nước theo biên độ góc (khi 0

0



Hình 4.26 Biểu đồ giá trị các thành phần biến dạng hai môi trường sét yếu bão

hòa nước và cát bão hòa nước theo biên độ góc (khi 0

90



Hình 4.27 Biểu đồ giá trị các thành phần biến dạng hai môi trường sét yếu bão

hòa nước và cát bão hòa nước theo biên độ góc (khi 0

135



Hình 4.28 Biểu đồ giá trị các thành phần biến dạng hai môi trường sét yếu bão

hòa nước và cát bão hòa nước theo biên độ góc (khi 0

180



MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Thành phố Hồ Chí Minh (Tp.HCM) là một trung tâm kinh tế lớn nhất nước, chiếm tỷ trọng trên 30% tổng giá trị sản phẩm công nghiệp của Quốc gia, là một đô thị có nhiều cảng lớn, là đầu mối giao thông quan trọng của cả nước và của khu vực Thành phố còn là trung tâm khoa học kỹ thuật, chuyển giao công nghệ hiện đại và là một trong những trung tâm giao dịch thương mại, dịch vụ, tài chính, ngân hàng của khu vực Châu Á – Thái Bình Dương Tp.HCM hiện nay là thành phố có số lượng dân cư lớn nhất cả nước, hệ thống giao thông chưa đảm bảo, còn chưa xứng tầm với một thành phố lớn Chính vì vậy vấn đề xây dựng và phát triển hệ thống giao thông nói chung và việc xây dựng hệ thống đường hầm trong nội ô thành phố và phát triển ra các vùng lân cận là một vấn đề cấp thiết đòi hỏi các cấp lãnh đạo phải định hướng rõ ràng và đúng đắn, góp phần cho việc phát triển giao thông thành phố ngày càng lớn mạnh

Khi nghiên cứu về đặc điểm địa chất của khu vực Tp.HCM và các vùng lân cận nhận thấy đất yếu có bề dày khá lớn từ 22-25m, khả năng chịu tải của đất nền rất thấp và có tính biến dạng rất lớn Trên thực tế thì ứng xử của đất nền xung quanh công trình ngầm (CTN) là rất đa dạng và phức tạp đặc biệt trong điều kiện đất yếu bão hoà nước của khu vực

Ơû các nước phát triển việc xây dựng hệ thống đường hầm luôn được đặt ra hai mặt phục vụ việc phát triển Kinh tế và Quốc phòng Những năm qua việc xây dựng các CTN ở nước ta trên thực tế kinh nghiệm về thiết kế và thi công còn nhiều hạn chế Kể cả trong lĩnh vực phát triển kinh tế cũng như quốc phòng, các CTN chủ yếu xây dựng ở các vùng đất đá cứng và dựa vào chiều sâu bố trí công trình trong lòng đất để chống lại sức phá hủy của bom đạn

chu kỳ, tác dụng tới môi trường, công trình với thời gian rất ngắn (vài phần nghìn giây), theo phương bất kỳ và có trị số áp lực lớn Đặc trưng cơ bản của tải trọng nổ là quy luật thay đổi giá trị các tham số cơ bản theo thời gian Các tham số cơ bản của tải trọng nổ là các giá trị cực đại, thời gian tăng tải và thời gian duy trì tải trọng Sản phẩm nổ hoặc dưới dạng sóng nổ như sóng xung kích, sóng nén, sóng chấn động hay các loại sóng khác tuỳ thuộc vào khối lượng nổ, vị trí tương đối giữa lượng nổ với công trình và môi trường, có thể là môi trường không khí, nước hay môi trường đất Tải trọng nổ có thể gây cho đất nền xung quanh CTN chuyển động với vận tốc, gia tốc chấn động nhất định nào đó

Song song với nhiệm vụ xây dựng và phát triển kinh tế thì nhiệm vụ bảo vệ Tổ quốc là không thể thiếu được Việc phát triển CTN cho lĩnh vực giao thông khi đất nước hoà bình là rất cần thiết, song việc giữ được ổn định công trình khi bị bom đạn địch đánh phá khi có chiến tranh xảy ra cũng là mối quan tâm của nhiều nhà khoa học Nhằm tìm ra các giải pháp kỹ thuật hợp lý trong điều kiện địa chất yếu như ở Tp.HCM và các vùng lân cận mà khi xây dựng CTN vẫn đạt được cả hai yếu tố quan trọng hàng đầu: Về kinh tế khi đất nước hoà bình đảm bảo giao thông, phục vụ dân sinh cũng như giữ được an toàn khi có chiến tranh xảy ra là vấn đề đang được Đảng và Nhà nước quan tâm Vì vậy đề tài nghiên cứu được

đặt ra là: “Nghiên cứu ổn định và biến dạng của đất nền với vỏ CTN chịu tác dụng bom đạn có cường độ lớn ở khu vực Tp.HCM và vùng lân cận”

2 Mục đích của luận án

- Nghiên cứu tổng quan về sự phát triển hệ thống CTN trong lĩnh vực kinh tế và quốc phòng, những vấn đề liên quan đến cấu tạo địa tầng, tính chất cơ lý của đất sét yếu, khả năng chịu tải của đất nền, tổng quan về các mô hình, quan hệ giữa ứng suất, biến dạng của môi trường và phương pháp xác định các tham số của sóng khi chịu tác dụng tải trọng nổ, mối quan hệ giữa tải trọng nổ của bom

đạn với môi trường

- Nghiên cứu đi sâu vào khảo sát và đưa ra kết quả ảnh hưởng các thông số môi trường, tỷ lệ các thành phần nước, khí, hạt rắn trong quá trình truyền sóng nổ đến trạng thái ứng suất biến dạng môi trường Khảo sát và đưa ra kết quả sự lan truyền sóng nổ trong đất sét yếu bão hoà nước ở khu vực Tp.HCM

- Đề xuất mô hình tính, thiết lập biểu thức, xây dựng thuật toán và chương trình tính ổn định, biến dạng, hệ số ổn định và độ bền kéo nén của đất sét yếu bão hoà nước xung quanh CTN đặt nông chịu tác dụng tải trọng bom đạn

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số của sóng và môi trường đến trạng thái ứng suất, biến dạng, hệ số ổn định và độ bền kéo, nén của đất xung quanh vỏ CTN chịu tác dụng tải trọng bom đạn

- Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường nhằm xác định các thông số sóng nổ, các thành phần ứng suất và biến dạng xung quanh CTN trong hai môi trường đất sét yếu bão hòa nước và cát hạt trung đầm chặt khi chịu tác động nổ

- So sánh, đối chiếu kết quả về lý thuyết đã xây dựng với kết quả thực nghiệm Từ kết quả thu được kiến nghị về sử dụng mô hình và phương pháp tính theo lời giải lý thuyết đã được xây dựng

3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài luận án là nền đất xung quanh CTN phía dưới tấm chắn đạn chịu tác dụng của tải trọng nổ ngắn hạn

- Phạm vi nghiên cứu của đề tài giới hạn trong các vấn đề sau

Về lý thuyết:

- Công trình ngầm được coi là đặt nông nếu thoả mãn điều kiện chiều sâu

bố trí công trình H (2 3)D; trong đó D là đường kính CTN

- Vị trí bố trí CTN nằm trong lớp đất yếu bão hoà nước

- Kết cấu của công trình có dạng hình tròn bằng bê tông cốt thép (BTCT)

- Kết cấu CTN là tuyệt đối cứng đặt trên nền mềm

- Bài toán truyền sóng nổ trong môi trường đất trong phạm vi của luận án chỉ giới hạn trong điều kiện bài toán phẳng

- Coi vụ nổ xảy ra khi bom đạn xuyên xuống nền đất chạm vào tấm chắn đạn nổ trực tiếp trên tấm chắn đạn phía trên nóc của CTN Tấm chắn đạn theo các lý thuyết đã nghiên cứu thường được bố trí bảo vệ ở đầu hầm, các nhà ga, các hầm họp và có đủ khả năng chịu lực

- Ảnh hưởng các tham số của sóng, tác dụng lên công trình và nền đất chỉ xét với sóng nén kể từ mặt phân cách giữa vụ nổ của bom đạn với môi trường và CTN

- Tải trọng sóng nổ là tải trọng ngắn hạn phân bố đều trên mặt đất

- Bài toán được xây dựng trên cơ sở lý thuyết nền đàn hồi, lý thuyết cơ học môi trường liên tục, các lý thuyết về nổ, thuyết bền của Mohr - Coulomb trong môi trường đất sét yếu bão hoà nước và cát bão hòa theo phương pháp giải tích Đồng thời xây dựng thuật toán chương trình tính đưa ra kết quả

Về thực nghiệm:

Cơ sở thực hiện các thí nghiệm trong luận án này được tham khảo từ các thí nghiệm động ở trong và ngoài nước Trong phạm vi nghiên cứu của luận án tiến hành thực nghiệm ở hiện trường với hai nội dung

Phần1: Khoan lấy mẫu xác định các đặc chưng cơ lý của đất tại khu vực Trường sĩ quan công binh – TX TDM - Bình Dương

Phần 2: Tiến hành thực nghiệm nổ ngay tại hiện trường ở các vị trí lỗ khoan với tải trọng nổ là lượng nổ trực tiếp theo tải trọng ngắn hạn Thí nghiệm được thực hiện trong hai môi trường là đất sét yếu tại vị trí khoan và thay thế lớp sét yếu trên bằng cát hạt trung đầm chặt

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết, lập trình tính toán và thực nghiệm tại hiện trường thu thập số liệu

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài đựợc nghiên cứu sẽ đóng góp vào các hiểu biết có cơ sở khoa học hơn về mặt tác hại của tải trọng bom đạn gây ra cho đất nền Kết quả nghiên cứu sẽ chỉ ra các nguyên nhân dẫn đến mất ổn định và gây ra biến dạng của đất nền xung quanh CTN

Luận án có thể góp một số kiến nghị về việc tăng khả năng ổn định và giảm biến dạng của đất nền xung quanh vỏ CTN, đóng góp một phần nhỏ bé trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học phục vụ việc phát triển kinh tế Đất Nước trong giai đoạn hiện nay

Luận án bao gồm 146 trang thuyết minh và tài liệu tham khảo, 16 bảng biểu, 75 hình vẽ, 286 trang phụ lục

Chương 1 - NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐẤT KHI CHỊU TÁC DỤNG TẢI TRỌNG ĐỘNG

1.1 Sự phát triển CTN trong lĩnh vực kinh tế kết hợp quốc phòng

Do sự phát triển kinh tế và quốc phòng, CTN ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong ngành giao thông, CTN được sử dụng dưới dạng các đường hầm (tuy-nen) trên các tuyến đường sắt và đường bộ để vượt qua các chướng ngại phức tạp của thiên nhiên như sông, núi hoặc làm các tàu điện ngầm trong các thành phố lớn để tăng lượng vận chuyển hành khách và giảm mật độ giao thông trên mặt đất Trong ngành thuỷ lợi, CTN được sử dụng để làm các đường hầm dẫn nước và xả nước trong các nhà máy thuỷ điện, trong ngành xây dựng làm tầng ngầm dưới các nhà cao tầng, các đường ống dẫn dầu, dẫn khí, bể chứa Trong lĩnh vực Quốc phòng, CTN được xây dựng làm Sở chỉ huy ẩn nấp - chiến đấu, cất dấu các loại vũ khí, trang bị kỹ thuật, các kho hậu cần, quân y, đặc biệt chiến thuật địa đạo với việc sử dụng CTN đã phục vụ chiến đấu một cách rất hiệu quả

Kết hợp phát triển kinh tế xã hội với củng cố quốc phòng - an ninh là công việc có vai trò, vị trí quan trọng trong chiến lược phát triển kinh tế, xây dựng thế trận quốc phòng toàn dân, giữ vững an ninh nhân dân Sử dụng công trình dân dụng, đặc biệt là CTN đô thị để làm hầm trú ẩn cho nhân dân khi chiến tranh xảy

ra đã được các nước đề cập từ lâu, nhất là khi vũ khí hạt nhân xuất hiện Mục đích của hệ thống CTN này để bảo vệ dân cư khi có chiến tranh, phòng chống các cuộc tập kích đường không bằng vũ khí công nghệ cao, tạo nên một hệ thống phòng thủ kiên cố

Như vậy nhiệm vụ đặt ra là phải kết hợp kinh tế với quốc phòng để lập nên một hệ thống công trình phòng thủ dân sự có hiệu quả Bởi vậy khi khảo sát,

quy hoạch, tư vấn xây dựng các CTN đô thị cần phải kết hợp với phòng thủ dân sự, vốn đầu tư tăng lên không đáng kể nhưng hiệu quả sẽ rất to lớn khi chiến tranh xảy ra

Tóm lại: Có thể nói trong những năm tới CTN sẽ phát triển nhiều, ngoài

các công trình chỉ sử dụng cho mục đích quốc phòng thì các công trình lưỡng dụng vừa để phục vụ cho mục đích Kinh tế vừa cho mục đích Quốc phòng sẽ có ý nghĩa lớn trong chiến lược phòng thủ Quốc gia

1.2 Một số công trình ngầm đã xây dựng

1.2.1 Giới thiệu một số CTN

Từ thời cổ xưa loài người đã biết sử dụng hang động tự nhiên làm nơi trú ngụ Nhưng mãi đến khi xuất hiện công nghiệp khai khoáng, loài người mới chính thức xây dựng những CTN nhân tạo Ơû những thời kỳ cổ đại chủ yếu làm theo thủ công bằng những phương pháp và dụng cụ hết sức thô sơ Mãi đến giữa thế kỷ 17, khi thuốc nổ được đưa vào sử dụng trong các hoạt động kinh tế, việc xây dựng ngầm mới được phát triển, như hầm đường thuỷ dài 160m xây dựng năm

1780 ở Pháp Sang thế kỷ 18 thuốc nổ amonit và dinamit ra đời cùng với việc xuất hiện khoan xoay làm cho việc xây dựng ngầm được cải tiến một cách rõ rệt Thời kỳ này các nước châu âu đã xây dựng nhiều hầm dài nổi tiếng như hệ thống hầm vượt qua dãy núi Anpơ, gồm 4 hầm liên tiếp Hầm Mont Cenis dài 12849m trên đường sắt từ Pari (Pháp) đi Brindisi (Italia), có độ chênh cao giữa hai cửa là 132,28m

Trong thế kỷ 19, vỏ hầm thường làm bằng đá xây, sang thế kỷ 20 phần lớn vỏ hầm làm bằng bêtông Những năm đầu của thế kỷ này, hầm trên đường giao thông phát triển rất mạnh Những hầm dài đáng kể như hầm Shandaken (Mỹ) hoàn thành năm 1922 dài 28km, hầm Florence Lake (Mỹ) dài 21km, hầm Lochaber (Scotlan) dài 24km hoàn thành năm 1930, hầm đường đôi từ Florenced

Bolona dài 18,5km, giữa có một nhà ga ngầm được hoàn thành năm 1931 Tất cả các hầm này đều thi công bằng phương pháp mỏ, dùng khoan chạy bằng hơi ép nên tiến độ so với trước đó nhanh hơn rất nhiều

Một thành tựu lớn trong lĩnh vực xây dựng hầm là việc phát triển hệ thống đường tàu điện ngầm ở các thành phố đông dân cư Cho đến nay đã có trên 50 thành phố trên thế giới có đường tàu điện ngầm Trong đó, thành phố New York có trên 400km, thành phố Matxcơva có trên 100km Các đường này phần lớn được thi công bằng phương pháp khiên đào, có những đường hầm nằm sâu dưới mặt đất hơn 40m Tất cả đều thiết kế cho tàu điện hai chiều bảo đảm tốc độ thông xe trên 100 km/h

Trong những thời kỳ chiến tranh, CTN được phát triển mạnh Nhiều xí nghiệp quốc phòng như nhà máy sản xuất vũ khí, nhà máy chế tạo máy bay phản lực, nhà máy sản xuất tên lửa, các cơ sở sản xuất bom nguyên tử, bom kinh khí đều bố trí ngầm dưới lòng đất Nhiều kho tàng quân sự như kho nhiên liệu, kho bom đạn cũng bố trí ngầm Chiến tranh hiện đại sẽ gieo sức tàn phá ghê gớm của bom đạn, nên nhiều hầm phòng không, nhiều công sự đã được xây dựng ngầm Các công trình này phần nhiều được thi công lộ thiên Trong lĩnh vực này, việc tính toán công trình cần xét đến rất nhiều yếu tố như ảnh hưởng của sóng nổ, ảnh hưởng của phóng xa Nhiều kết cấu rất phức tạp vì không những phải bảo đảm an toàn chống bom đạn, mà còn phải bảo đảm bí mật Quốc gia

Ở nước ta những năm gần đây đã và đang xây dựng một số CTN có qui mô trung bình và lớn được xây dựng chủ yếu trong các tầng đất đá cứng ví dụ: Thuỷ điện Hoà bình, thuỷ điện Trị An, thuỷ điện Yali, thủy điện Đại ninh, đường ngầm xuyên đèo Hải vân Một số hình ảnh về hệ thống đường hầm được trình bày ở hình 1.1

Sơ đồ qui hoạch hệ thống đường hầm

thành phố TOKYO –Nhật bản

Đường hầm dưới lòng thành phố

TOKYO –Nhật bản

Thi công đường hầm lắp ghép tại Pháp

Thi công đường hầm dẫn nước ở Mêhicô

Thi công đường hầm nhà máy thuỷ Điện Shershill Folls Canađa

Thi công đường hầm thủy điện Sông Đà

Hình 1.1 Hình ảnh về hệ thống đường hầm ở một số nước

trên Thế giới và ở Việt nam

1.2.2 Một số sự cố và các nguyên nhân dẫn đến sự cố trong thi công CTN

a) Một số sự cố trong thi công và khai thác sử dụng CTN

Trên thực tiễn phần nhiều các công trình xảy ra sự cố là do sai sót trong công tác nền và móng gây ra Ví dụ điển hình về hiện tượng trồi nền hầm của một số nền hầm ở Thành phố Matxcơva Một số vị trí bản đáy hầm bị gãy, đất đá tại đáy hầm bị trồi lên Viện sĩ V.A.Lưtkin đã nghiên cứu về hiện tượng trên đã có những đề xuất cụ thể lý do chủ yếu là chưa đánh giá hết về cấu tạo địa chất

Ơû nước ta cũng có khá nhiều công trình bị sự cố, hư hỏng phải gia cố, sửa chữa Điển hình là trong quá trình thi công một số đường hầm ở Quảng Ninh, hầm đường bộ qua đèo Hải Vân hay một số đường hầm dùng cho lĩnh vực quân sự tại Cam Ranh và gần đây nhất ngày 10-09-2001 sự cố sập hầm ở đèo Hải Vân Do sự cố, hầm bị lún nứt trong quá trình thi công và khai thác sử dụng Nguyên nhân chủ yếu là do không đánh giá đúng tính chất cơ lý, khả năng chịu tải của đất đá, giải pháp nền móng chưa hợp lý hoặc do thi công không đúng với qui trình kỹ thuật làm ảnh hưởng nhiều đến giá thành kinh tế

Trong chiến tranh ở các nước trên Thế giới cũng như ở Việt nam do bí mật của mỗi Quốc gia, ảnh hưởng của bom đạn với kết cấu và đất nền xung quanh CTN chưa được đề cập nhiều trong các tài liệu hay trong tổng kết Ơû những điều kiện thông thường thì ảnh hưởng của điều kiện địa chất với CTN trong giai đoạn tổ chức thi công cũng như trong quá trình khai thác sử dụng là rất rõ rệt có thể thấy trong các hình ảnh dưới đây hình 1.2

Sập lở hầm lò ở Quảng ninh Lỗ thủng nóc hầm đèo Hải

Sụt lở đất hầm chính đèo

Hải vân Lỗ thủng nóc hầm đèo Hải vân trưa ngày 10-9-2001 Khoan phụt và xử lý đất sụt hầm đèo Hải vân

Hình 1.2 Một số sự cố trong thi công CTN

b)Nguyên nhân dẫn đến sự cố

Theo tổng kết từ các tài liệu [14], [20], [38], [39], [40], [41], [44], [52] thì các nguyên nhân dẫn đến các sự cố thường do các nguyên nhân sau

- Do không nghiên cứu kỹ tính chất đất đá

- Do bố trí vị trí CTN nằm trong tầng đất đá không hợp lý ví dụ như:

+ CTN nằm trong phạm vi nhiều lớp đất đá nghiêng

+ CTN nằm trong phạm vi nhiều lớp đá thẳng đứng

+ CTN nằm trong vùng uốn nếp

+ CTN nằm bên sườn núi có lớp phủ dày

- Do các hiện tượng địa chất

Các hiện tượng thường gặp như cát chảy, xói ngầm, chảy dẻo, phong hoá, hang động Ngoài ra rất hay gặp hiện tượng nước ngầm, có khi gặp cả sông suối ngầm, và cũng có khi gặp cả những vùng có hơi độc hay có nhiệt độ cao Tất cả các hiện tượng trên ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình thi công và khai thác sử dụng

1.3 Nghiên cứu khái quát điều kiện địa chất và địa chất thuỷ văn CTN đi qua

CTN khác với các loại công trình khác là nằm kín trong lòng đất đi qua nhiều lớp địa chất khác nhau Phạm vi nghiên cứu của luận án giới hạn trong điều kiện địa chất công trình khu vực Tp.HCM và vùng lân cận là khu vực phổ biến các lớp trầm tích trẻ Các lớp này có bề dày khá lớn, khả năng chịu tải hạn chế, tính biến dạng cao Qua thu thập các hồ sơ, tài liệu khảo sát địa chất của đất nền ven sông rạch các khu vực trên ở Tp.HCM và các vùng lân cận sau:

1 Địa chất Công trình dự án khu nhà ở 28- Nhơn Đức –Nhà Bè

Địa chất ven sông Sài Gòn, khu vực Thanh Đa

3 Địa chất ven rạch Lăng, quận Bình Thạnh

4 Địa chất gần cầu Bình Triệu, quận Bình Thạnh

5 Địa chất khu vực Văn Thánh –P22- Quận Bình Thạnh

6 Địa chất khu vực kênh Tẻ, quận 4

7 Địa chất khu vực rạch Bến Nghé, quận 4

8 Địa chất ven rạch Thầy Thiết, Nam Sài Gòn, quận 7

9 Địa chất ven rạch Lò Gốm, quận 6

10 Địa chất trường tiểu học An Phú Đông, Hóc Môn

11 Địa chất trung tâm khí hoả lỏng Petechim, Nhà Bè

12 Địa chất khu vực Lái Thiêu – Bình Dương

13 Địa chất khu vực ven sông Sài gòn thị xã TDM – Bình Dương

Rút ra những nhận xét sau:

Các chỉ tiêu vật lý:

+ Dụng trọng ướt w : 1,32 – 1,657 g/cm 3 tất cả đều nhỏ hơn 1,7g/cm3 + Độ ẩm W % : 51,0% – 85,81% tất cả đều lớn hơn 40%

+ Hệ số rỗng e : 1,46 – 2,28 tất cả đều lớn hơn 1

+ Độ bão hoà G : 87,9% – 97,67 % tất cả đều lớn hơn 80%

Các chỉ tiêu cơ học:

+ Môđun biến dạng E (kG/cm2) : 4,4 – 20 tất cả đều nhỏ hơn 50 kG/m2 + Lực dính c( kG/cm2) : 0,036 – 0,096 tất cả đều nhỏ hơn 0,1 + Góc ma sát trong : 1027’ – 7023 tất cả đều nhỏ hơn 10

Nhận xét: Địa chất tại các khu vực nói trên xếp vào loại đất yếu Qua

nghiên cứu phân bố tổng quát phân vùng địa chất đã nêu thì ở các huyện Nhà Bè, Bình Chánh, Bình Thạnh, Lái thiêu, Ven sông Thị Xã TDM - Bình Dương, phổ biến trên bề mặt là đất sét yếu bão hòa nước, có ảnh hưởng rất lớn đến việc xây dựng các công trình nói chung và hệ thống đường hầm nói riêng

1.4 Nghiên cứu các lý thuyết, thực nghiệm tính toán ổn định, biến dạng của nền đất khi chịu tác dụng tải trọng động

Khi đề cập đến nền đất xung quanh CTN chịu ảnh hưởng của tải trọng động nội dung nghiên cứu quan trọng nhất là các nghiên cứu về ổn định và biến dạng Các nghiên cứu được xuất phát từ nền tảng của các lý thuyết và thực nghiệm trong phòng hoặc ngoài hiện trường trên mô hình thực, hoặc mô hình thu nhỏ

Tất cả các nghiên cứu đều tập trung vào các nội dung :

+ Ảnh hưởng của tải trọng với trạng thái ứng suất - biến dạng của đất nền + Xác định độ bền hay sức chống cắt của đất dưới tác dụng của tải trọng

+ Xác định khả năng chịu tải của nền đất

Tùy theo dạng tải trọng động tác dụng lên công trình, kết cấu công trình, và môi trường mà mỗi bài toán có phương pháp và lời giải riêng

1.4.1 Các nghiên cứu về lí thuyết và thực nghiệm trong tính toán ổn định nền

đất chịu tác dụng tải trọng động

a) Về lý thuyết

Có rất nhiều vấn đề nghiên cứu xung quanh mảng đề tài đất bị rung hoặc xung, do xe chạy trên đường, đóng cọc, hoặc động đất theo [1], [5], [17], [20], [24], [33], [35], [39], [43].[52], [56], [63], [76], [81], [84] Tất cả các hướng nghiên cứu trên đều hướng tới việc xác định ứng suất, thông số chống cắt, độ bền, khả năng chịu tải của đất khi chịu ảnh hưởng động (AHĐ), dự báo các chỉ tiêu thiết kế cho các dự án xây dựng công trình chịu AHĐ

Theo các nghiên cứu đã có, tuỳ tần số của đáp ứng của hệ công trình – nền chịu AHĐ, phương thức nghiên cứu cơ đất nền móng của chúng khác nhau Nhìn chung các nghiên cứu môi trường đất dưới ảnh hưởng của dao động (rung động, xung động)

Trước khi xét đến ảnh hưởng động lên độ bền và biến dạng của nền, ta

cần xem lại một số vấn đề liên quan đến động lực học môi trường đất làm nền

tựa cho công trình và các công trình làm bằng đất

Đất là môi trường không đẳng hướng

Các nguyên lý cơ bản của động lực học đất phân tán như một môi trường không đẳng hướng theo [33], việc áp dụng phương pháp động lực căn cứ vào vận

tốc truyền sóng đàn hồi truyền trong đất Theo kết quả nghiên cứu, phân tích khi

điều kiện sau được thoả mãn:

Trong đó: P :là vận tốc sóng nổ hay còn gọi sóng (P) hoặc là sóng nén

G: là mô đun đàn hồi cắt (Kg/m2) :hằng số lambe hay là mô đun biến dạng thể tích (Kg/m2)

:là khối lượng riêng (kG/m3) Lý thuyết này gần đúng hơn trong trường hợp đất cát và chỉ áp dụng cho những miền xa biên truyền sóng nơi mà những ảnh hưởng sóng có thể bỏ qua được và chuyển động có thể được xem như một môi trường không chịu nén Tuy nhiên ở đây chưa có những nhận định riêng cho đất dính nói chung, trong khi một trong những đặc điểm quan trọng của đất sét là tính trễ

Đất là môi trường không đàn hồi

Theo [84] việc nghiên cứu đất dưới điều kiện có chấn động phải xuất phát từ những ý tưởng sau :

+ Nghiên cứu bản chất truyền sóng phải để ý tới tính không đàn hồi như là một đặc trưng riêng của môi trường đất, khác với vật liệu khác

+ Do tính chất của đất phụ thuộc vào điều kiện ứng suất [84] nên khi nghiên cứu thuộc tính động lực là tính không đàn hồi của đất này thì trạng thái ứng suất phải được quan tâm một cách thích đáng

Nền như là vùng tương tác xét theo các phương diện khác nhau của đất nền với công trình chịu AHĐ

+ Dựa trên khái niệm chuyển đổi trạng thái ứng suất [3], [6], [11], [53] Có những vùng xảy ra sự xáo trộn về trạng thái ứng suất trong đó các ứng suất chính 1 3 Dưới ảnh hưởng của các sóng mang năng lượng lan truyền trong đất thẳng đứng hoặc nằm ngang hoặc cả hai cho công trình và trạng thái ứng suất tại những điểm khác nhau trong nền là thay đổi

+ Dựa vào khái niệm độ lún động do áp lực nước lỗ rỗng phân tán

Sự gia tăng áp lực nước lỗ rỗng u và quá trình phân tán u xảy ra trong một vùng đáng kể Khi u tăng thì ( , u) giảm

+ Dựa vào cường độ tải trọng động :

Khi tác dụng lên đất, các tải trọng rung hoặc xung dẫn đến kết quả phá hoại các liên kết trong đất Cường độ chấn động càng lớn thì các liên kết ấy càng

bị phá hoại nhiều, các hạt xê dịch lẫn nhau và sắp xếp lại theo một vị trí ổn định hơn Nếu trên mặt đất có các tải trọng nén tác dụng thì hiệu quả của chấn động sẽ giảm bớt

Xét điều kiện cân bằng của một hạt đất trọng lượng (Q) khi chịu tải trọng rung ta viết được theo[3], [4], [11], [23], [24]

c tg g

a

Q

Trong đó: g : Gia tốc trọng trường

: Áp lực tác dụng trên hạt đất

Ở đất dính, giá trị tg bé hơn rất nhiều so với giá trị của c Do đó ảnh hưởng của chấn động đối với các loại đất này không đáng kể Ở đất cát thì trái lại vai trò của lực dính rất bé và các đất này chịu ảnh hưởng rất nhiều của các tải trọng rung và xung

Các loại tải trọng động đặc trưng bởi tần số rung cao và thời gian giữa hai lần chấn động liền nhau bé, do đó, mặc dù biên độ chấn động không lớn vẫn gây được những ảnh hưởng sâu sắc đến biến dạng và ổn định của đất Cường độ của loại tải trọng này còn được đánh giá bằng một đặc trưng gọi là gia tốc tương đối tức là tỉ số giữa gia tốc chấn động và gia tốc trọng lực theo [1], [3], [4], [11], [30], [49]

2

Trong đó: a: là gia tốc chấn động

A: Biến độ chấn động

: Tần số chấn động

g: Gia tốc trọng trường

Thuộc về loại tải trọng này có thể kể các chấn động do móng các loại máy khác nhau (Máy tua bin, máy bơm, máy ép) truyền xuống nền đất Biểu thức của ứng suất xung quanh một phân tố đất trong nền chịu rung theo [56]

z k

Trong đó: kv và kh là các hệ số gia tốc phương đứng và ngang

k: là hệ số áp lực ngang của đất

: là dung trọng của đất

b) Về thực nghiệm

Các nghiên cứu về độ bền hay sức chống cắt của đất dưới chấn động

+ Nền tảng lý thuyết độ bền của Barkan, D.D [55]

Có nhiều kết luận quan trọng đã được rút ra từ những nghiên cứu của D.D.Barkan Trong số đó có ảnh hưởng của gia tốc lên độ bền của đất (đất rời) Tác giả này cũng rút ra được quan hệ tỷ lệ thuận (cùng tăng hoặc cùng giảm) của gia tốc giới hạn này với áp lực tĩnh truyền lên các phân tố cát và phương pháp xác định vùng ảnh hưởng của dao động về độ lún động lực Tác giả này đã đề ra khái niệm gia tốc giới hạn đó là gia tốc mà tại đó bắt đầu diễn ra sự giảm của độ bền đất Gia tốc này có quan hệ với độ chặt [81] từ các mối liên hệ như sau:

Trong đó: cr(o) = (10D)

Với D là độ chặt ban đầu; là số hạng luỹ thừa phụ thuộc độ lớn và đồng đều của các phân tử hạt, = 2.5 - 3 Ngoài ra q là tải trọng tĩnh và a là hệ số tỷ lệ xác định bằng thực nghiệm

+ Độ bền của đất dưới ảnh hưởng động

Độ bền của đất dưới ảnh hưởng rung động được nghiên cứu từ sự thay đổi của hai thông số chống cắt là lực dính và hệ số ma sát và hiện nay khuynh hướng nghiên cứu độ bền mà không tách ra hai thông số trên theo [1], [5], [6], [9], [11], [17], [24], [35], [38]

Theo khuynh hướng trước, việc nghiên cứu sự giảm của hệ số ma sát (tan ) được tiến hành trên đối tượng đất rời khi u tăng thì ma sát giảm, còn sự giảm của lực dính được nghiên cứu với đất sét

+Ảnh hưởng động lên độ bền rung nhớt của cát rời theo [2], [3], [6], [30], [45], [47], [49], [53], [54]