Đánh giá hóa lỏng của nền cho đê chắn sóng mái nghiêng

Giải NHẤT NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - 53CLC1- ĐH Xây Dựng " Đánh giá hóa lỏng của nền cho đê chắn sóng mái nghiêng. Sử dụng phần mềm plaxis để tính toán "

Đánh giá hóa lỏng của nền cho đê chắn sóng mái nghiêng Sử dụng phần mềm plaxis để tính toán Lời nói đầu Trong những năm gần đây ở Châu Á động đất liên tục xảy ra gây thiệt hại không nhỏ về tài sản cũng như tính mạng con người (Ngày 28/3/2005 động đất tại Indonesia mạnh 8,7Richter làm 300.000 người thiệt mạng; Ngày 08/10/2005 động đất tại Pakistan mạnh 7,6 Richter làm hơn 87.000 người thiệt mạng; 5/8/2005 tại Vũng Tàu 4 - 5 Richter làm rung chuyển mặt đất .). Việc tính toán thiết kế các công trình xây dựng ở trong vùng có động đất nói chung và với công trình Cảng nói riêng hầu như mới chỉ xét đến tác động của của động đất theo góc độ kết cấu chịu lực quán tính mà chưa đề cập nhiều đến khả năng xuất hiện hóa lỏng của nền công trình khi có động đất. Đối với đất bão hoà nước thì khả năng xảy ra hóa lỏng càng cao đặc biệt là địa chất ven biển. Trong xây dựng Cảng - Đường thủy, đê chắn sóng mái nghiêng đặt trên nền địa chất biển và chịu động đất gây nhiều hậu quả xất, một trong những hậu quả xấu đó là sự hóa lỏng của nền mà hiện nay chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ ở Việt Nam. Với lý do đó đề tài: “Đánh giá hóa lỏng của nền cho Đê Chắn Sóng mái nghiêng do động đất” được đặt ra với ý tưởng chính là : Vận dụng phương pháp được giới thiệu ở phần tổng quan cho việc đánh giá hóa lỏng nền Đê chắn sóng mái nghiêng (ĐCSMN) để góp phần chính xác hoá các bước thiết kế đê chắn sóng ở Việt Nam. Để hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học này, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Đỗ Văn Đệ, người đã trực tiếp chỉ bảo, giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài này. Chúng em cũng xin chân thành gửi lời cám ơn tới thầy cô và mọi người trong bộ môn xây dựng cảng đường thủy, khoa Công Trình Thủy viện Cảng- Kỹ thuật hàng hải đã giúp đỡ chúng em, có những ý kiến đóng góp quý giá cho đề tài này. Do điều kiện có hạn về kinh nghiệm, thời gian và tài liệu nên đề tài nghiên cứu không tránh khỏi những thiếu sót vì vậy tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn. SVTH: LÊ DUY NHỊ -963353 HOÀNG GIANG ĐÔNG - 2262.53 LỚP 53KSCT 1 Đánh giá hóa lỏng của nền cho đê chắn sóng mái nghiêng Sử dụng phần mềm plaxis để tính toán Mở đầu )1 Nêu vấn đề Việt Nam nằm ở vùng Đông Nam Châu Á, có hơn 3260km đường bờ biển, hàng nghìn đảo, 41900km sông ngòi và 144 cảng. Từ năm 1990 đến nay, Việt Nam đã bắt đầu xây dựng nhiều cảng biển có đê chắn sóng như: Bạch Long Vĩ, Phú Quý, Cửa Lò, Tiên Sa, Vũng áng, Hòn La, Dung Quất trong đó nổi trội là ĐCSMN. Dưới góc độ kỹ thuật xây dựng vì đê chắn sóng luôn đặt trên nền đất bão hoà khi chịu động đất rất dễ hóa lỏng. Theo tiêu chuẩn 22 TCN-221-95 Việt Nam cần phải nghiên cứu sâu những bất lợi do động đất gây ra. Trong khuôn khổ một đề tài nghiên cứu khoa học: “Đánh giá hóa lỏng của nền cho Đê Chắn Sóng mái nghiêng do động đất” đi sâu vào các vấn đề sau: )2 Mục tiêu nghiên cứu. - Tổng quan về phương pháp đánh giá hóa lỏng đối với nền công trình xây dựng nói chung và nền ĐCSMN nói riêng do động đất gây ra. - Nghiên cứu ứng dụng tính toán hóa lỏng nền móng ĐCSMN ở Việt Nam do động đất bằng việc khai thác phần mềm. - Đề xuất giải pháp xử lý trong thiết kế cải tạo nền móng ĐCSMN khi bị hóa lỏng. )3 Đối tượng nghiên cứu. Tập trung vào vấn đề ổn định nền móng công trình khi bị hóa lỏng do động đất gây ra. )4 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu cho ĐCSMN là chủ yếu ứng với vùng có động đất từ cấp 7 trở lên. )5 Phương pháp luận nghiên cứu Nghiên cứu khai thác phầm mềm PLAXIS thông qua các bài toán ứng dụng cụ thể về ĐCSMN ở Việt Nam theo các cấp động đất có ở tiêu chuẩn 22- TCN-221-95, hay nói một cách khác là dùng mô hình toán ứng dụng (phần mềm). SVTH: LÊ DUY NHỊ -963353 HOÀNG GIANG ĐÔNG - 2262.53 LỚP 53KSCT 2 ỏnh giỏ húa lng ca nn cho ờ chn súng mỏi nghiờng S dng phn mm plaxis tớnh toỏn )6 Ni dung nghiờn cu Để đạt đợc các mục tiêu nghiên cứu đề ra thì nội dung nghiên cứu bao gồm những vấn đề chính sau: Nghiên cứu bản chất của hiện tợng hóa lỏng nền công trình khi bị động đất. Nêu nên đợc những ảnh hởng của hóa lỏng đối với công trình, biện pháp hạn chế hóa lỏng nền công trình. Trình bầy nội dung và phơng pháp đánh giá hóa lỏng nền cho ĐCSMN. )7 í ngha khoa hc v thc tin ý nghĩa khoa học Nghiên cứu khai thác vận dụng phần mềm PLAXIS cho ổn định ĐCSMN dới góc độ hóa lỏng của nền do động đất. ý nghĩa thực tiễn - Góp phần xử lý nền dới ĐCSMN bằng những giải pháp hợp lý khi chịu động đất, cụ thể sẽ đóng góp vào công tác thiết kế các công trình ĐCSMN nói riêng và công trình Cảng nói chung của một số cảng sẽ xây dựng ở Việt Nam nh: ĐCS cảng Chân Mây, ĐCS đảo Hòn Chuối, ĐCS cảng Tiên Sa giai đoạn 2, ĐCS cảng Vũng áng giai đoạn 2 . - Khai thác tốt hơn phần mềm PLAXIS cho thiết kế công trình. SVTH: Lấ DUY NH -963353 HONG GIANG ễNG - 2262.53 LP 53KSCT 3 Đánh giá hóa lỏng của nền cho đê chắn sóng mái nghiêng Sử dụng phần mềm plaxis để tính toán Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ HÓA LỎNG )1 Giới thiệu chung về đánh giá hóa lỏng đất nền trên Thế giới Nhật Bản và Mỹ là những nước chịu ảnh hưởng lớn về động đất, đặc biệt là Nhật Bản. Những thiệt hại do động đất gây ra là không nhỏ, khi bị động đất các kết cấu công trình bị dao động cùng với đất nền và chịu một lực quán tính có thể gây phá hủy kết cấu cac công trình xây dựng. Trên thực tế có nhiều trường hợp các kết cấu công trình vẫn còn nguyên, nhưng công trình đó bị lật hay lún sụt và câu hỏi được đặt ra: Với những giả thiết khác nhau để giải thích về sự làm việc của đất nền khi có động đất. Từ những năm 70 của thế kỷ XIX đó có rất nhiều nhà khoa học trên thế giới, điển hình là các nhà khoa học Mỹ đã tìm hiểu về hiện tượng công trình bị lún sụt sau động đất mà không bị phá hoại. Qua nhiều nghiên cứu chi tiết và quan sát thực tế hiện tượng sau động đất, các nhà khoa học cho kết luận rằng các công trình có hiện tượng như trên thì đều được xây dựng trên nền đất bão hoà nước đó bị mất cường độ kháng cắt và gọi tên hiện tượng đất nền bị như trên là hóa lỏng nền. Khi bình thường địa chất dưới móng công trình vẫn đủ khả khả năng chịu lực, nhưng dưới tác dụng của tải trọng động đất thì nền móng đó mất khả năng chịu lực và làm việc như một chất lỏng. Năm 1971 hai nhà khoa học Seed và Idriss đó đưa ra phương pháp đơn giản để đánh giá hóa lỏng của đất nền (Phương pháp xuyên tiêu chuẩn), đây là phương pháp cơ bản và đặt nền móng cho nghiên cứu hóa lỏng. Tiếp theo nhiều nhà khoa học khác cũng đã nghiên cứu đưa ra những phương pháp đánh giá hóa lỏng khác nhau: Phương pháp theo tốc độ sóng cắt (Tokimatsu và Uchida 1990, Robertson 1992, Kayen 1992; Andrus và Stokoe 1997, Dorby 1981, Robertson 1986); Phương pháp biến dạng (Dorby 1982, Ladd 1989); Phương pháp xuyên tĩnh (Robertson và Wride, 1997); Phương pháp phân tich Điểm chung của các phương pháp đánh giá hóa lỏng trên là chỉ đánh giá sự làm việc của đất cắt, nhưng các phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong tính toỏn thiết kế công trình tại vùng có động đất như một tiêu chuẩn. Với đất nền là hạt sét từ nhiều năm qua các nhà khoa học (Ishihara 1993, 1996; Prakash và Dakoulas 1994; Chang 1990; Law và Ling 1992; Koester 1994; Singh 1994; Prakash 1998; Guo và Prakash 1999) đó nghiên cứu các SVTH: LÊ DUY NHỊ -963353 HOÀNG GIANG ĐÔNG - 2262.53 LỚP 53KSCT 4 Đánh giá hóa lỏng của nền cho đê chắn sóng mái nghiêng Sử dụng phần mềm plaxis để tính toán hiện tượng ở trong phòng thí nghiệm và ngoài thực tế sau động đất nhưng kết quả thu được vẫn còn hạn chế. Hiện nay trên thế giới việc đánh giá hóa lỏng nền móng công trình trong thiết kế chủ yếu dựa trên các hướng dẫn trong tiêu chuẩn Mỹ hoặc Nhật Bản: + Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO-98 (USA) + Tiêu chuẩn kỹ thuật Nhật Bản về công trình cảng ( OCDI-2009). Trong tiêu chuẩn này đã chỉ ra rằng hoá lỏng của đất nền là nguyên nhân gây ra thiệt hại chính do việc mất dần khả năng chịu tải của móng dẫn đến chuyển dịch của kết cấu công trình và cần phải xem xét khả năng xảy ra hoá lỏng đối với các vùng động đất có gia tốc cực đại vượt quá 0,1g. Tiêu chuẩn này chỉ nêu phương pháp đánh giá hoá lỏng một cách sơ lược mà không đưa ra các chỉ dẫn thiết kế cụ thể. Về phương pháp đánh giá khả năng hoá lỏng của đất, tiêu chuẩn giới thiệu 2 phương pháp: - Phương pháp thực nghiệm dựa trên quan sát quá trình trầm tích trong một trận động đất trước kết hợp với kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn để xác định, đánh giá. - Phương pháp phân tích dựa trên việc xác định bằng thí nghiệm các đặc tính hoá lỏng của các mẫu và sử dụng các phân tích độ nhạy vị trí động lực để xác định cường độ động đất gây ra các ứng suất cắt. Nói chung các chỉ dẫn ở đây rất sơ lược và khó có thể phục vụ để sử dụng trong thiết kế công trinh tại Việt Nam. + Chỉ dẫn thiết kế cầu đường ôtô JRA-1996 (do Hội đường bộ Nhật Bản) và Tiêu chuẩn kỹ thuật công trình Cảng Nhật Bản OCDI-2009 Theo chỉ dẫn Tiêu chuẩn này việc đánh giá hóa lỏng của nền công trình dựa trên kết quả thành phần cỡ hạt để phân vùng: Vùng hóa lỏng; vùng có khả năng hóa lỏng và vùng không hóa lỏng. Vùng có khả năng hóa lỏng cần phải xem xét đánh giá tiếp theo và dựa vào kết quả nén 3 trục. Trên đây là tiêu chuẩn của Mỹ và tiêu chuẩn của Nhật được áp dụng cho nhiều nước trên thế giới. Riêng tại Việt Nam việc đánh giá hóa lỏng nền công trình cũng mới chỉ sơ khai áp dụng chúng. )2 Khả năng động đất ở Việt Nam Trong lịch sử Việt Nam từ 114 tới 2003, tại lãnh thổ đó xảy ra 1.645 trận động đất mạnh từ 3 Richter trở lên. Gần đây nhất từ năm 1900 tới nay có 2 trận động đất cấp 8 (Điện biên - 1935; Tuần Giáo - 1983), hơn 20 trận động SVTH: LÊ DUY NHỊ -963353 HOÀNG GIANG ĐÔNG - 2262.53 LỚP 53KSCT 5 Đánh giá hóa lỏng của nền cho đê chắn sóng mái nghiêng Sử dụng phần mềm plaxis để tính toán đất cấp 7 và hơn 150 trận động đất cấp 6 - 7 ở khắp các vùng trên lãnh thổ cả nước và gây ra hậu quả nghiêm trọng [8]. Tại khu vực biển Đông và ven bờ thu thập được từ năm 1524 đến 2002 gồm có 231 trận động đất, trong đó có 13 trận động đất cú cường độ lớn hơn 7,5 Richter và 218 trận có cường độ từ 6,8 Richter đến không xác định [7]. Như vậy qua số liệu trên, các nhà khoa học đó xác định mối quan hệ giữa số lần xảy ra động đất và giá trị chấn cấp dưới dạng đồ thị lặp lại theo dạng Guitenber - Richter: LogN = x – yM (1-1) Trong đó: N - Số trận động đất xảy ra trong 1 năm ứng với cường độ M x; y - Các hằng số tương ứng thể hiện mức độ hoạt động địa chấn • Đồ thị lặp lại khu vực biển Đông và ven bờ LogN = 5,16 - 0,76M (1-2) Từ phương trình (1-2) ta cú thể tính chu kỳ lặp lại đối với động đất có cường độ M≥6,5 Richter trung bình xảy ra 60 năm 1 lần, M ≥ 6 Richter là 20 năm 1 lần, M ≥ 5,5 Richter là 10 năm 1 lần và M ≥ 5 Richter là 4 năm 1 lần. • Đồ thị lặp lại với toàn bộ biển Đông và đất liền LogN = 7,72 – M (1-3) Từ phương trình (1-3) ta có thể tính được chu kỳ động đất với M ≥ 6,5 trung bình xảy ra 3 năm 1 lần, M ≥ 6 là 1,5 năm 1 lần, M ≥ 5,5 là 0,5 năm 1 lần và M ≥ 5 là 0,13 năm 1 lần. SVTH: LÊ DUY NHỊ -963353 HOÀNG GIANG ĐÔNG - 2262.53 LỚP 53KSCT 6 Đánh giá hóa lỏng của nền cho đê chắn sóng mái nghiêng Sử dụng phần mềm plaxis để tính toán • Đồ thị lặp lại đối với đất liền LogN = 6,12 - 0,85M (1-4) Chu kỳ động đất với M ≥ 6,5 trung bình xảy ra 30 năm 1 lần, M ≥ 6 là 10 năm 1 lần, M ≥ 5,5 là 4 năm 1 lần và M ≥ 5 là 2 năm 1 lần. Các kết quả trên cho ta thấy được đồ thị lặp lại của động đất (Hình 1.1) và so sánh chu kỳ động đất cho các khu vực tại Việt Nam (Bảng 1.1). Hình 1.1 - Đồ thị lặp lại động đất tại Việt Nam (1) Khu vực toàn bộ biển Đông và đất liền; (2) Khu vực đất liền; (3) Khu vực Biển Đông và ven bờ. SVTH: LÊ DUY NHỊ -963353 HOÀNG GIANG ĐÔNG - 2262.53 LỚP 53KSCT 7 Đánh giá hóa lỏng của nền cho đê chắn sóng mái nghiêng Sử dụng phần mềm plaxis để tính toán Bảng 1.1 - So sánh chu kỳ động đất (năm) cho các khu vực Khu vực Đồ thị lặp lại M ≥ 6,5 M ≥ 6,0 M ≥5,5 M ≥ 5,0 Biền đông và ven Biển logN= 5,16- 0,76M 60 20 10 4,0 Đất liền logN=6,12- 0,85M 30 10 4,0 2,0 Toàn bộ logN= 7,72-M 3,0 1,5 0,5 0,13 Phục vụ cho thiết kế các công trình giao thông, hiện nay tại Việt Nam đã có bản đồ phân vùng động đất cho các vùng. Theo bản đồ thì hầu hết các vùng đều nằm trong phạm vi có động đất cấp 7 (Hình 1.2). Đường bờ biển có khoảng 95% chiều dài nằm trong vùng có động đất từ cấp 7 trở lờn. SVTH: LÊ DUY NHỊ -963353 HOÀNG GIANG ĐÔNG - 2262.53 LỚP 53KSCT 8 Đánh giá hóa lỏng của nền cho đê chắn sóng mái nghiêng Sử dụng phần mềm plaxis để tính toán hình 1.2 - Bản đồ các vùng phát sinh động đất mạnh và phân vùng chấn động cực đại I max (22TCN-272- 05) SVTH: LÊ DUY NHỊ -963353 HOÀNG GIANG ĐÔNG - 2262.53 LỚP 53KSCT 9 Từ kết quả trên cho thấy khả năng lặp lại động đất là không nhỏ, do đó trong tính toán các công trình xây dựng cần phải thiết kế kháng chấn và như vậy việc thiết kế đánh giá hóa lỏng của nền cũng phải xét đến. )3 Vấn đề đánh giá hóa lỏng đất nền ở Việt Nam Hiện nay tại Việt Nam trên cơ sở pháp lý của công tác thiết kế công trình xây dựng tại vùng có động đất chỉ có 2 tài liệu liên quan đến vấn đề đánh giá hóa lỏng của đất nền: - Tiêu chuẩn ngành 22TCN-221-95 về Thiết kế công trình giao thông trong vùng có động đất. Trong tiêu chuẩn này vấn đề hoá lỏng nền khi động đất đó được đề cập tới nhưng ở mức độ “Nếu nền hoặc thân công trình có đất rời bão hoà nước thì phải đánh giá khả năng hóa lỏng của đất đó khi có động đất” mà chưa có một chỉ dẫn nào về phương pháp đánh giá hóa lỏng. - Tiêu chuẩn ngành 22TCN-272-05 về Thiết kế cầu (do Bộ GTVT Việt Nam ban hành trên cơ sở tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO-98) và các chỉ dẫn ở tiêu chuẩn thiết kế này rất sơ lược. Như vậy nghiên cứu nghiêm túc các phương pháp đánh giá hóa lỏng do động đất lên công trình xây dựng ở Việt Nam là chưa có hệ thống cụ thể. )4 Một số hư hỏng kết cấu công trình khi nền hoá lỏng do động đất Đối với nền móng công trình, khả năng chịu lực là một yếu tố quyết định và có ảnh hưởng rất lớn đối với kết cấu phía trên nó. Khi nền móng công trình bị hóa lỏng, hậu quả và thiệt lại là không nhỏ. Một số tác hại lên công trình khi nền bị hóa lỏng do động đất gây ra: (1). Lún sụt và chuyển dịch ngang gây phá huỷ nghiêm trọng đối với móng công trình. (2). Lún và áp lực ngang của đất tăng cũng gây nguy hiểm cho kết cấu móng, tạo ra sự lún sụt và trồi công trình. (3). Chuyển động của nền móng tạo ra nội lực tại các liên kết và trong kết cấu phần trên của nền móng công trình. (4). Một số dạng phá hoại có thể xuất hiện, phụ thuộc vào điều kiện, cách thức liên kết giữa các bộ phận kết cấu. . sự hóa lỏng của nền mà hiện nay chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ ở Việt Nam. Với lý do đó đề tài: Đánh giá hóa lỏng của nền cho Đê Chắn Sóng mái nghiêng. ở phần tổng quan cho việc đánh giá hóa lỏng nền Đê chắn sóng mái nghiêng (ĐCSMN) để góp phần chính xác hoá các bước thiết kế đê chắn sóng ở Việt Nam. Để