Nghiên cứu khả năng hóa lỏng của đất nền đê hữu Hồng đoạn qua Hà Nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI NGÔ THỊ NGỌC VÂN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HÓA LỎNG CỦA ĐẤT NỀN ĐÊ HỮU HỒNG ĐOẠN QUA HÀ NỘI (K73+500 - K74+100) CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGƠ THỊ NGỌC VÂN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HĨA LỎNG CỦA ĐẤT NỀN ĐÊ HỮU HỒNG ĐOẠN QUA HÀ NỘI (K73+500 – K74+100) CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT Chuyên ngành: Mã số: NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG 9580211 PGS.TS NGUYỄN HỒNG NAM HÀ NỘI, NĂM 2019 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình khoa học thân tác giả thực Các kết quả, số liệu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo theo quy định Tác giả luận án Ngô Thị Ngọc Vân i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS TS Nguyễn Hồng Nam thầy hướng dẫn trực tiếp tác giả thực luận án Xin cảm ơn Thầy dành nhiều cơng sức, trí tuệ, hướng dẫn tận tình thời gian tác giả thực luận án Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới GS TS Trịnh Minh Thụ, xin cảm ơn Giáo sư có nhiều đóng góp quý báu cho tác giả trình thực luận án Tác giả xin trân trọng cảm ơn chương trình NCKHCN phục vụ phịng chống thiên tai bảo vệ mơi trường sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên (KC08) Bộ KHCN đầu tư kinh phí cho tác giả thực thí nghiệm luận án khn khổ đề tài “Nghiên cứu khả hóa lỏng đê đập vật liệu địa phương chịu tải trọng động đất giải pháp ổn định cơng trình”, mã số KC.08.23/11-15 Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới Trường Đại học Thủy lợi tạo điều kiện sở vật chất cho thí nghiệm nghiên cứu tác giả Tác giả xin trân trọng cảm ơn Hội đồng Khoa học Đào tạo Khoa Công trình, Phịng Đào tạo Đại học Sau Đại học, Bộ môn Địa kỹ thuật, Bộ môn Vật liệu Xây dựng Trường Đại học Thủy lợi, nhà khoa học từ đơn vị có đóng góp, động viên, chia sẻ, giúp đỡ quý báu cho tác giả trình thực nghiên cứu Cuối tác giả xin gửi tới bạn bè người thân thương gia đình lời biết ơn sâu sắc động viên, ủng hộ, dành thời gian điều kiện tốt để tác giả hoàn thành nghiên cứu ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN… ii MỤC LỤC…… iii DANH MỤC CÁC HÌNH vi DANH MỤC BẢNG BIỂU x DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiii MỞ ĐẦU……… 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phương pháp tiếp cận nghiên cứu .3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài .3 Bố cục luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU HÓA LỎNG DO ĐỘNG ĐẤT 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu giới nước .5 1.1.1 Khái quát động đất 1.1.2 Tình hình nghiên cứu hóa lỏng động đất giới 1.1.3 Tình hình nghiên cứu hóa lỏng động đất Việt Nam 27 1.1.4 Phân tích, đánh giá kết nghiên cứu cơng bố 29 1.2 Những vấn đề triển khai luận án 30 1.3 Kết luận chương 31 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ TÍNH NHẠY HĨA LỎNG VÀ KHẢ NĂNG HÓA LỎNG ĐẤT NỀN ĐÊ HỮU HỒNG 32 2.1 Đặt vấn đề .32 2.2 Khái quát đặc điểm hệ thống đê Hữu Hồng 32 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6 Vị trí địa lý 32 Lịch sử phát triển .32 Địa hình .33 Địa chất .34 Địa chất thủy văn 37 Động đất 40 iii 2.3 Đánh giá tính nhạy hóa lỏng đất đê Hữu Hồng 43 2.3.1 Tính nhạy hóa lỏng đất tiêu chí đánh giá 43 2.3.2 Đánh giá tính nhạy hóa lỏng đất đê Hữu Hồng 43 2.3.3 Đoạn đê Hữu Hồng nghiên cứu (K73+500 – K74+100) 48 2.4 Đánh giá khả hóa lỏng đất đê Hữu Hồng (K73+500K74+100) dựa số liệu thí nghiệm địa chất trường 53 2.4.1 Quy trình đơn giản 53 2.4.2 Kết đánh giá khả hóa lỏng đất đê Hữu Hồng (K73+500 ÷ K74+100) .57 2.5 Kết luận chương 61 CHƯƠNG THÍ NGHIỆM TRONG PHỊNG XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG ĐỘNG CỦA ĐẤT NỀN ĐÊ 63 3.1 Đặt vấn đề .63 3.2 Vật liệu thiết bị thí nghiệm .65 3.2.1 Vật liệu thí nghiệm 65 3.2.2 Thiết bị thí nghiệm 65 3.3 Xác định đặc trưng biến dạng đất đê .69 3.3.1 Khái quát 69 3.3.2 Quy trình thí nghiệm xác định mơ đun Young hệ số giảm chấn đất…… 70 3.3.3 Kết thí nghiệm 76 3.3.4 Mô quan hệ mô đun Young biến dạng dọc trục đất cát đê Hữu Hồng 87 3.3.5 Mô quan hệ hệ số giảm chấn biến dạng dọc trục đất cát đê Hữu Hồng 90 3.3.6 Mô quan hệ mô đun Young ứng suất cố kết hiệu đất cát đê Hữu Hồng .93 3.4 Xác định đường cong hóa lỏng đất đê 94 3.4.1 Khái quát 94 3.4.2 Quy trình thí nghiệm xác định đường cong hóa lỏng 94 3.4.3 Kết thí nghiệm 97 3.4.4 Nhận xét: 103 3.4.5 Mơ đường cong hóa lỏng cát đê Hữu Hồng 104 3.4.6 Mô biến thiên áp lực nước lỗ rỗng dư đất cát đê Hữu Hồng… 105 3.5 Kết luận chương 107 iv CHƯƠNG MÔ PHỎNG HÓA LỎNG ĐÊ HỮU HỒNG KHI CHỊU ĐỘNG ĐẤT MẠNH VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH 111 4.1 Đặt vấn đề .111 4.2 Cơ sở lý thuyết mô hóa lỏng đê chịu tác dụng tải trọng động đất… 112 4.2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn 112 4.2.2 Phần mềm Quake/w 113 4.2.3 Đánh giá khả hóa lỏng 117 4.3 Mơ hóa lỏng đê Hữu Hồng (Hà Nội) .119 4.3.1 Các trường hợp tính tốn .119 4.3.2 Các hàm đặc trưng phân tích động 121 4.3.3 Trình tự tính tốn 126 4.3.4 Kết mô mặt cắt K73+750 đê Hữu Hồng .127 4.4 Đề xuất giải pháp giảm nhẹ, ngăn chặn hóa lỏng .133 4.4.1 Làm chặt cát dễ hóa lỏng 133 4.4.2 Giếng cuội sỏi, cọc cát 133 4.4.3 Phụt vữa, trộn sâu (cọc xi măng – đất) 133 4.4.4 Biện pháp kết cấu 133 4.4.5 Thay đất .134 4.5 Kết luận chương 134 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 136 Những kết đạt 136 Những đóng góp luận án .138 Tồn hướng phát triển luận án 138 Kiến nghị .139 TÀI LIỆU KHOA HỌC Đà CÔNG BỐ 140 TÀI LIỆU THAM KHẢO 141 PHỤ LỤC CHƯƠNG 2: KẾT QUẢ TÍNH HỆ SỐ AN TỒN HĨA LỎNG 148 PHỤ LỤC CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐÊ HỮU HỒNG 162 Phụ lục 4.1 Kết mơ theo mơ hình tuyến tính tương đương 162 Phụ lục 4.2 Kết mô theo mô hình đàn hồi tuyến tính 170 Phụ lục 4.3 Kết mô ảnh hưởng mực nước lũ (mơ hình tuyến tính tương đương, băng gia tốc X3a) 178 Phụ lục 4.4 Kết tính gia cố cọc xi măng đất .184 v DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ thơng số vị trí trận động đất …….………….……… … Hình 1.2 Bản đồ địa chấn kiến tạo lãnh thổ Việt Nam……………………… … Hình 1.3 Hóa lỏng gây sạt đường cao tốc phía tây hồ Merced… … …10 Hình 1.4 Hóa lỏng đất gây trượt mái thượng lưu đập San Fernando ̣ …… … 10 Hình 1.5 Sơ đồ trượt mái đập San Fernando hạ năm 1971…………….…… 10 Hình 1.6 Hóa lỏng gây hư hỏng đê sơng Yoshida…………………………… … 11 Hình 1.7 Hóa lỏng đất trầm tích gần sơng Pajaro…………… ……… 11 Hình 1.8 Hóa lỏng gây hư hỏng đê sơng Shiribeshi-Toshibetsu …………… .11 Hình 1.9 Sụp đổ đê sông Yodo năm 1995 trận động đất Kobe………… .12 Hình 1.10 Hóa lỏng vùng ngoại thành phố Christchurch năm 2011……… .12 Hình 1.11 Đất hóa lỏng nhà cửa Indonesia, năm 2018…… ……… .13 Hình 1.12 Sự giảm thể tích cát xốp cắt thoát nước theo chu kỳ .14 Hình 1.13 Ứng suất hiệu giảm điều kiện khơng nước………… 15 Hình 1.14 Khả hóa lỏng cát: cát (a) cát lẫn bụi (b)………… .15 Hình 1.15 Ảnh hưởng hệ số rỗng trạng thái ứng suất gây hóa lỏng .16 Hình 1.16 Trạng thái ứng suất gây hóa lỏng định nghĩa theo cách… 17 Hình 1.17 Đường cong hóa lỏng cát xốp Toyoura mẫu trục ….… 18 Hình 1.18 Biểu đồ phân vùng thành phần hạt loại đất dễ hóa lỏng … .20 Hình 1.19a Biểu đồ phân vùng thành phần hạt loại đất D60/D10≥3.5… 21 Hình 1.19b Biểu đồ phân vùng thành phần hạt loại đất D60/D10 [K] = 1,40 (hệ số ổn định cho phép ứng với cơng trình đê cấp đặc biệt – tổ hợp tải trọng đặc biệt) Bố trí cọc xi măng – đất có tiêu kỹ thuật: đường kính cọc khoan 60cm (bố trí cọc thành hàng, khoảng cách hàng 2m, khoảng cách cọc hàng 2m) cấp phối vật liệu dùng xi măng PCP40, 350kg/m3 Cách quy đổi thành tương đương với đặc tính độ bền nâng cao phụ thuộc vào tỷ lệ diện tích gia cố ap: φtđ = apφp + (1-ap)φs Ctđ = apCp + (1-ap)Cs đó: φs, Cs đặc tính lý lớp đất tự nhiên φp, Cp đặc tính lý vật liệu xi măng - đất gia cố (φp = 35 độ, Cp = 95 kPa) φtđ, Ctđ tiêu đương đương đất sau gia cố ap tỷ lệ diện tích gia cố (bằng diện tích cọc xi măng – đất/ tổng diện tích gia cố), ap = 3,14 x 0,32 / (2 x 2) = 0,0707 với cọc đường kính 60cm, MC K73+750 T- êng kÌ § - êng ®ª nhùa +9,0 +5,0 +1,0 -3,0 -7,0 -11,0 -15,0 -19,0 -23,0 -27,0 -31,0 -35,0 Tre V- ên 0.5402 Tª n HK CD (m) V- ên V- ên V- ên V- ờn 2D 1C Đ - ờng bê tông 1d Bê t«ng Tre Tre Tre 2a 2A 2d 9,6 8 1,3 1B 7,6 10,5 13 17 24 15,8 17,2 3b 34 3b 24,3 10 11 27,8 13 4c 15 32,7 23 22 40,0 27 Cọc XMĐ D60cm 4a 4C 4d 26 24 24,1 36 4 31,2 16 10 34,4 36,8 30 40,0 30 4E HK2 +12,30 HK3 +9,68 288,2 K73+750 200 200 200 200 200 200 200 200 R30 R30 D600, Hình 4.97 Sơ đồ bố trí cọc xi măng đất 185 HK1 +8,53 61,4 K73+750 200 200 200 200 200 3c 3d 4D 4e K/c(m) Lý tr×nh Tre 1c V- ên 1,4 2,0 K73+750 Chỉ tiêu tương đương lớp đất tính tốn Bảng 4.1 Do sau Bảng 4.1 Chỉ tiêu tương đương gia cố cọc xi măng – đất TT Tên lớp 2a 2d 3a 15 -3 -9 -15 -21 -27 -33 -39 -45 Chỉ tiêu đất chưa gia cố φs (độ) Cs (kPa) 16,73 24,2 24,67 7,6 30 Chỉ tiêu tương đương gia cố cọc XMĐ 60cm φtđ (độ) Ctđ (kPa) 18,02 29,21 25,40 13,78 30,35 6,72 Phạm vi gia cố cọc XMĐ 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Khoang cach Hình 4.98 Phạm vi hóa lỏng đê gia cố cọc xi măng đất 186 320 340 360 ... địa chất đê Hữu Hồng; Đánh giá tính nhạy khả hóa lỏng đất đê Hữu Hồng; Xác định đặc trưng biến dạng đất đê Hữu Hồng; Xác định đặc trưng hóa lỏng đất đê Hữu Hồng; Mơ khả hóa lỏng đoạn đê K73+500... Tổng quan nghiên cứu hóa lỏng động đất Chương 2: Đánh giá tính nhạy hóa lỏng khả hóa lỏng đất đê Hữu Hồng Chương 3: Thí nghiệm phịng xác định đặc trưng động đất đê Chương 4: Mơ hóa lỏng đê Hữu Hồng. .. HĨA LỎNG VÀ KHẢ NĂNG HĨA LỎNG ĐẤT NỀN ĐÊ HỮU HỒNG 2.1 Đặt vấn đề Để nghiên cứu khả hóa lỏng đất đê Hữu Hồng chịu động đất mạnh, trước tiên cần nắm cấu trúc địa tầng đệ tứ vùng đồng sông Hồng khả