Ứng xử của nền đất yếu dưới công trình đất đắp khi chịu tác dụng của gia tốc động đất

1.2 Một số vấn đề về địa động lực Việt Nam thời đoạn Đệ tứ Q đến hiện đại Trong kỷ Kreta muộn K2–Kainozoi Kz, quá trình tạo rift nội động lực tiếp tục diễn ra với cường độ cao và là một

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỊA CHẤT CƠNG TRÌNH

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 6 NĂM 2010

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh

sự nổ lực cố gắng của bản thân còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô, cũng như sự động viên ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy Bùi Trường Sơn, người đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành luận văn này Xin gởi lời tri ân nhất của tôi đối với những điều mà Thầy đã dành cho tôi

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý Thầy Cô trong bộ môn khoa Địa Chất – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên và quý Thầy Cô của Trường Đại Học Bách Khoa đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và cho đến khi thực hiện đề tài luận văn

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người đã không ngừng động viên, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn

Cuối cùng, tôi xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn đến các anh chị và các bạn đồng nghiệp đã hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh

TP Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2010

Học viên thực hiện

Nguyễn Văn Dũng

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: KHẢ NĂNG ĐỘNG ĐẤT Ở VIỆT NAM VÀ KHU VỰC CÁC TỈNH PHÍA NAM VIỆT NAM 2

1.1- Tình hình và lịch sử động đất ở Việt Nam 2

1.2- Một số vấn đề về địa động lực Việt Nam thời đoạn Đệ tứ (Q) đến hiện đại 3

1.3- Mối liên quan giữa tính động đất và bình đồ kiến tạo 8

1.4- Phân vùng gia tốc nền trên lãnh thổ Việt Nam 9

1.5- Nhận xét và phương hướng nghiên cứu 11

CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT LÊN ĐỘ ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH ĐẤT ĐẮP 12

2.1- Một số đặc trưng của động đất 12

2.1.1- Các khái niệm 12

2.1.2- Sự lan truyền của sóng địa chấn 13

2.1.3- Ảnh hưởng của gia tốc động đất lên ổn định của đất nền 16

2.1.4- Cường độ động đất và chấn cấp động đất 19

2.2- Các đặc trưng của đất khi chịu tải trọng động 23

2.2.1- Độ bền chống cắt của đất khi chịu tải trọng tức thời 24

2.2.2- Đặc trưng cường độ và biến dạng của đất dưới tác dụng của tải trọng động tức thời 27

2.2.3- Sự gia tăng biến dạng – các cơ chế biến dạng 27

2.2.4- Sự hoá lỏng của đất cát và đất cát mịn bão hoà nước 29

2.2.5- Sự ổn định trong công trình đất đắp 31

2.3- Các thông số cần xác định khi tính toán nền đất chịu tải động 38

2.4- Đặc điểm tính toán công trình chịu tác dụng động đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 39

2.4.1- Phương trình cơ bản bài toán động đất trong chương trình Plaxis 40

2.4.2- Phân tích theo thời gian 41

2.4.3- Mô phỏng bài toán bằng phần mềm Plaxis 43

CHƯƠNG 3: ỨNG XỬ CỦA NỀN ĐẤT YẾU BÊN DƯỚI CÔNG TRÌNH

ĐẤT ĐẮP KHI CHỊU TÁC DỤNG CỦA GIA TỐC ĐỘNG ĐẤT 48

3.1- Mô tả công trình và đặc điểm địa chất công trình 48

3.2- Ổn định công trình đất đắp trên đất yếu 52

3.3- Ứng xử của nền đất yếu dưới công trình đất đắp khi chịu tác dụng của gia tốc động đất 55

3.4- Kết luận chương 65

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

MỞ ĐẦU

Các tỉnh phía Nam Việt Nam là khu vực có sự tăng trưởng về kinh tế – xã hội rất nhanh Cùng với sự phát triển kinh tế – xã hội, các công trình xây dựng dân dụng, công nghiệp và cơ sở hạ tầng giao thông – thủy lợi đã và đang phát triển rộng khắp các khu vực Đa số các công trình xây dựng ở khu vực này đều nằm trên nền đất yếu, bão hòa nước (bùn sét) Công trình đất đắp thường được

sử dụng trong xây dựng cơ sở hạ tầng do cao độ mặt đất tự nhiên của khu vực khá thấp

Khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh và Đồng Bằng Sông Cửu Long có lớp đất bùn sét bão hòa nước khá dày nằm trên mặt đất Dưới tác dụng của tải trọng công trình, trong quá trình động đất, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư có thể tăng lên, khả năng chịu tải của nền đất có thể giảm xuống cục bộ, độ biến dạng và biến dạng lệch có thể phát sinh làm mất ổn định công trình Do đó, việc tính toán và mô phỏng ứng xử của nền đất yếu ở trạng thái bão hoà nước bên dưới công trình đất đắp khi chịu tác dụng gia tốc động đất là vấn đề được quan tâm

trong thiết kế xây dựng công trình Đây cũng là mục đích của đề tài luận văn

Nhiệm vụ chính của luận văn bao gồm:

- Nghiên cứu tổng hợp tình hình và khả năng động đất của khu vực các tỉnh phía Nam Việt Nam

- Tiến hành phân tích sự thay đổi ứng suất - biến dạng và áp lực nước lỗ rỗng của nền đất yếu trong điều kiện đất bão hoà nước khi chịu tác động của gia tốc động đất Việc mô phỏng phân tích được thực hiện nhờ sự trợ giúp của phần mềm chuyên dụng Plaxis 2D với các thông số đất nền phù hợp

CHƯƠNG 1 KHẢ NĂNG ĐỘNG ĐẤT Ở VIỆT NAM VÀ KHU VỰC

CÁC TỈNH PHÍA NAM VIỆT NAM 1.1 Tình hình và lịch sử động đất ở Việt Nam

Thông thường, vùng có độ mạnh động đất xấp xỉ nhau thường nằm trong một đơn vị cấu trúc địa chất Ở nước ta có thể lấy các cấp động đất theo kết quả phân vùng động đất do Trung tâm Vật lý địa cầu thuộc Viện khoa học Việt Nam tiến hành, ở đây những vùng có khả năng xảy ra động đất mạnh bao gồm:

1 Vùng đông bắc trũng Hà Nội: cấp VII

2 Vùng sông Hồng, sông Chảy: cấp VII-VIII

3 Vùng sông Đà: cấp VIII

4 Vùng sông Mã: cấp VIII-IX

5 Vùng biển Trung bộ: cấp VII

6 Vùng biển Nam bộ và vùng sông Đồng Nai, sông Cửu Long: cấp VII

Ở Việt Nam những vùng có động đất mạnh không ít Tùy theo địa tầng

và địa chất của khu vực mà tần suất xuất hiện động đất có thể lớn hay nhỏ Với những kết quả quan sát có xử lý cho thấy tần suất xuất hiện động đất cấp VII ở miền Bắc Việt Nam là khoảng 20-23 năm

Trước năm 1900

Có rất ít tài liệu lịch sử để lại, nhưng sơ bộ có thể xác định một số trận động đất mạnh sau: động đất cấp VIII ở quận Nhật Nam (có thể là Đồng Hới); các trận động đất cấp VII-VIII xảy ra ở Hà Nội vào các năm 1276, 1278, 1285; động đất cấp VIII ở Nho Quan năm 1635, ở Nghệ An động đất cấp VIII vào năm 1821 và ở Phan Thiết có động đất cấp VII vào các năm 1882, 1887

Sau năm 1900

Từ năm 1900 đến nay hoạt động động đất ở Việt Nam biểu hiện rõ nét

và đầy đủ hơn Ở vùng Đông Bắc đã xảy ra một số trận động đất cấp VI, cấp VII như Mạo Khê 1903, Yên Thế 1987,… gây tác hại nặng nề Động đất xảy ra

ngày 24/6/1983 với chấn tâm tại huyện Tuần Giáo, Lai Châu có độ mạnh 6,7

độ Richter (cấp VIII thang MSK-64), động đất Điện Biên ngày 19/02/2001 đã gây thiệt hại lớn Các công trình xây dựng tại vùng chấn tâm và lân cận do không xét đến yếu tố động đất nên bị phá hoại nghiêm trọng

Ở khu vực phía Nam, trận động đất ngày 5 và 6 tháng 8 năm 2005 đã làm rung chuyển nhiều khu vực ở miền Đông Nam bộ, nhất là các tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu, Đồng Nai và thành phố Hồ Chí Minh Viện Vật lý Địa cầu đã khảo sát về trận động đất này dựa trên dữ kiện của địa chấn ký Nha Trang Kết quả cho thấy rằng động đất đã xảy ra trên đứt gãy Tây biển Đông với tâm địa chấn cách Nha Trang khoảng 230 km về phía Nam, cách bờ biểnVũng Tàu khoảng

30 km và nằm sâu từ 10 đến 15 km dưới lòng đất với cường độ từ 4 đến 5 độ Richter

1.2 Một số vấn đề về địa động lực Việt Nam thời đoạn Đệ tứ (Q) đến hiện đại

Trong kỷ Kreta muộn (K2)–Kainozoi (Kz), quá trình tạo rift nội động lực tiếp tục diễn ra với cường độ cao và là một quá trình tách giãn mới của vỏ đại dương ở khu vực biển Đông Việt Nam Vỏ lục địa biển Đông Việt Nam bị chia

xẻ bởi nhiều hệ thống đứt gãy

Trong khoảng thời gian này, trên thềm lục địa lắng đọng trầm tích với cường độ cao, các bồn trũng dọc đứt gãy và giữa các đứt gãy có động tính cao

Hình 1.1 Bình đồ cấu trúc kiến tạo Kainozoi của biển Đông

: rõ : không rõ

Dọc đứt gãy á kinh tuyến (kinh tuyến 110o) có biểu hiện tách giãn rõ rệt, xuất hiện hệ núi lửa hiện đại vào tháng 3 năm 1923, núi lửa Đảo Tro và đảo này tồn tại một thời gian ngoài khơi vùng Phan Thiết (hình 1.2)

Hình 1.2 Sơ đồ thành hệ kiến trúc thời đoạn Đệ Tứ giữa–muộn (QII – QIV)

Liên quan tới đới sóng lồi Nam Côn Sơn, tài liệu các hố khoan thăm dò của công ty AGIP (1973) tổng kết cho thấy các rìa phía Đông có mặt phức hệ

Đứt gãy á kinh tuyến

1100

hút chìm Jura – Crêta, tạo bởi trầm tích lục nguyên Ứng với các tài liệu này, theo Hamilton (1970) và Katili (1980) đã từng tồn tại một đế hút chìm vỏ đại dương biển Đông xuống dưới sống lồi

Dọc và song song với đường bờ biển Nam Trung Bộ, thềm lục địa có độ tương phản lớn về độ cao, vết tích của đứt gãy hướng kinh tuyến Tây biển Đông (kinh tuyến 110o

) ranh giới ở phía Đông và Đông Nam của biển toát lên

sự rõ nét nhờ các rãnh sâu, thuộc cấu tạo hình thái của đới hút chìm ở đại dương Dựa vào số liệu địa vật lý vỏ đại dương biển Đông có độ truyền sóng trung bình 6km/s và chiều dày mỏng khoảng 6km – 7km Trầm tích hiện đại phủ lên vỏ bazan biển Đông có bề dày mỏng (0,2 – 2,2 km) và độ truyền sóng nhỏ từ 1-3 km/s (hình 1.2)

Về mặt địa nhiệt, biển Đông ngày nay là một biển nóng Thực vậy, ở phần trung tâm biển, dòng nhiệt khá lớn, núi lửa tái xuất hiện vào đầu thế kỷ này (Đảo Tro) Chế độ địa nhiệt của biển Đông không đơn thuần mang tính kế thừa (sau các đợt phun trào kiến tạo mạnh mẽ trước đó) mà ngược lại cùng với biểu hiện tách giãn cục bộ lớp vỏ ở trong và rìa lục địa tạo nên phức hợp các xáo động địa động học mới nảy sinh gần đây trong kỷ Đệ Tứ

Những năm 90 của thế kỷ trước, ở miền Bắc nước ta có những chấn động đến 6,7 độ Richter (Lai Châu, Điện Biên) Các đứt gãy có thể hoạt động

và gây những chấn động cho khu vực phía Nam là đứt gãy Thuận Hải – Minh Hải (cách bờ biển 20 km), đứt gãy Nam Côn Sơn và đứt gãy kinh tuyến 110o(cách bờ biển 100km) Tháng 11/2005, xuất phát từ hoạt động của đứt gãy kinh tuyến 110o, chấn động khu vực này xác định được là 5,1-5,5 độ Richter gây động đất khu vực gần bờ với cường độ cấp V-VI

b

a

Hình 1.3 Sơ đồ mô hình địa động lực biển Đông

: Trục tách giãn vỏ đại dương

: Đới hút chìm vỏ đại dương

a: hoạt động tới đầu đệ tứ b: ngừng hoạt động ở Paleogen

Hình 1.4 Bản đồ khu vực động đất theo Quy chuẩn XDVN

1.3 Mối liên quan giữa tính động đất và bình đồ kiến tạo

Trên lãnh thổ Việt Nam đã được nghiên cứu tỉ mỉ và chi tiết mối liên hệ

giữa động đất và đứt gãy và là cơ sở quan trọng để xác định vùng phát sinh động đất mạnh Trong phần này, chúng ta khái quát mối liên hệ giữa đứt gãy kiến tạo hoạt động và động đất trên lãnh thổ Việt Nam

Các hệ thống đứt gãy đang hoạt động và có khả năng phát sinh động đất

đã được xác định và chia thành năm loại theo thứ tự mức độ quan trọng:

Loại 1: Bao gồm các đứt gãy sông Mã, Lai Châu-Điện Biên, Sơn La, Pu

May Tun

Những trận động đất mạnh nhất cũng đã xảy ra ở đây, đó là các trận động đất ở Điện Biên 1/11/1935 (M=6,75 độ Richter, I=VIII-IX), ở Tuần Giáo 26/04/1983 (M=6,7 độ Richter, I=VIII-IX), Điện Biên 19/02/2001 (M=5,3 độ Richter)

Loại 2: Bao gồm các đứt gãy sông Hồng-sông Chảy, sông Cả-Rào Nậy

và đứt gãy Tây Biển Đông

Nhiều trận động đất mạnh xảy ra trong đới này như Động đất ở Hà Nội năm 1287, 1285 cường độ cấp VII-VIII và chấn cấp M=5,5 độ Richter, động đất Lục Yên 1954, chấn cấp 5,4 và cường độ I=VII, động đất ở Nghệ An năm

1821 có cường độ I=VIII và M có thể từ 5,5-6,0 Đặc biệt động đất vào năm

114 ở Đồng Hới có cường độ I=VIII và chấn cấp M≥6,0

Loại 3: Hệ đứt gãy sâu ngăn cách vùng trũng Hà Nội với vùng

Caledonit Duyên Hải (Hệ đứt gãy Đông Triều) Đứt gãy này thuộc kiểu trượt bằng, chớm nghịch, bề dày tầng hoạt động lớn, tới 35-40km, nhưng chiều dài của đới bị hạn chế

Loại 4: Bao gồm các đứt gãy Cao Bằng-Tiên Yên, sông Đà, Mường Tè;

hệ các đứt gãy Huế–Sêpôn, Trà Bồng, Ba Tơ-Cũng Sơn, sông Ba: các đứt gãy duyên hải Trung Bộ và Nam Bộ (Thuận Hải và Minh Hải), đứt gãy sông Hậu, đứt gãy Tuy Hoà-Rạch Giá và có thể đứt gãy Vũng Tàu-Tông Lê Sáp-Lộc Ninh-Bà Rịa và đứt gãy Sơn Trà

Bề dày tầng hoạt động khoảng 15-20km cũng như biểu hiện động đất

Về khả năng phát sinh động đất thì chúng kém hơn hẳn ba loại nêu trên

Loại 5: Bao gồm các đứt gãy bậc cao giới hạn các kiến trúc cục bộ phát

triển trong từng đới kiến trúc giới hạn bởi các đứt gãy lớn đã nêu trên

1.4 Phân vùng gia tốc nền trên lãnh thổ Việt Nam

Thông thường, vùng có độ mạnh động đất xấp xỉ nhau thường nằm trong một đơn vị cấu trúc địa chất Theo Phụ Lục H: Bản đồ phân vùng gia tốc nền lãnh thổ Việt Nam của TCXDVN 375:2006, đỉnh gia tốc nền tham chiếu agRtrên lãnh thổ Việt Nam được biểu thị bằng các đường đẳng trị Giá trị agR giữa hai đường đẳng trị được xác định theo nguyên tắc nội suy tuyến tính Từ đỉnh gia tốc nền agR có thể chuyển đổi sang cấp động đất theo thang MSK-64, thang

MM hoặc các thang phân bậc khác

Hình 1.5 Bản đồ phân vùng gia tốc nền theo TCXDVN 375:2006

1.5 Nhận xét và phương hướng nghiên cứu

Từ các tài liệu thu thập được có thể rút ra một số nhận xét:

- Khu vực Việt Nam nói chung và các tỉnh phía Nam Việt Nam nói riêng

có khả năng xảy ra động đất cấp VI hoặc cấp VII

- Do đất nền bên dưới các công trình đất đắp được cấu tạo bởi các lớp trầm tích mềm rời và đất ở trạng thái bão hoà nước nên khi có động đất thì cấp độ động đất có thể cao hơn Đỉnh gia tốc nền do động đất của khu vực có khả năng đạt đến giá trị a=0,085g

- Trong tính toán nền móng có xét đến ảnh hưởng của động đất thì giá trị gia tốc động đất thường được sử dụng và là thông số cần thiết cho việc tính toán

Phương hướng của đề tài là căn cứ trên cơ sở các dữ liệu điều kiện địa chất công trình của khu vực, mô phỏng và phân tích ứng xử của nền đất yếu dưới công trình đất đắp khi chịu tác động của gia tốc động đất

CHƯƠNG 2 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT LÊN ĐỘ ỔN ĐỊNH

CÔNG TRÌNH ĐẤT ĐẮP 2.1 Một số đặc trưng của động đất

2.1.1 Các khái niệm

Động đất do các chuyển động kiến tạo là loại động đất phổ biến, có cường độ mạnh và phạm vi ảnh hưởng lớn nhất Các trận động đất lớn xảy ra trên thế giới là thuộc loại này Nguyên nhân của trận động đất là do sự gia tăng ứng suất của từng vùng ở vỏ Trái Đất Những ứng suất đó khi đạt tới cường độ giới hạn sẽ gây ra sự phá hoại tức thời ở từng vùng riêng biệt và gây ra động đất

Nơi phát sinh động đất gọi là chấn tiêu Chấn tiêu động đất thường ở sâu một vài km đến hàng chục km Khối vật chất bị phá hoại đầu tiên được giả thuyết tại một điểm, từ điểm đó bắt đầu truyền các sóng chấn động Hình chiếu của chấn tiêu động đất lên trên mặt đất gọi là trung tâm động đất hay chấn tâm Chấn tâm là điểm trên bề mặt đất có sóng chấn động đến sớm nhất

Sóng dọc và sóng ngang từ chấn tiêu lan truyền bốn phía dưới dạng các tia sóng địa chấn Tia địa chấn cũng bị phản xạ hay khúc xạ khi gặp các tầng đá

có tính đàn hồi và tỷ trọng khác nhau Từ chấn tâm các dao động sẽ truyền ra xung quanh theo các làn sóng đồng tâm tựa như sự dao động của mặt nước khi ném một vật vào nước và được gọi là sóng mặt đất Tốc độ sóng mặt đất nhỏ hơn tốc độ sóng ngang nhưng cũng là nguyên nhân gây ra phá hoại lớn

Như vậy, tại một điểm nào đó trên bề mặt đất, trước hết nhận được các chấn động dọc, đến các chấn động ngang từ các chấn tiêu động đất truyền lên, sau đó nhận các chấn động xuất phát từ chấn tâm Tất cả các chấn động đó sẽ giao thoa với nhau và sinh ra một chấn động phức tạp Hiện tượng này còn bị phức tạp hoá thêm vì mỗi hạt đất đá bước vào chấn động sẽ trở thành một trung tâm lan truyền chấn động dọc, chấn động ngang và bề mặt như ở chấn tiêu vậy

Sóng mặt đất

Thời gian t, giây Chấn tâm

Sóng dọc Sóng ngang Chấn tiêu

Hình 2.1 Sơ đồ truyền sĩng động đất

2.1.2 Sự lan truyền của sĩng địa chấn

Những dao động của các phần tử mơi trường phát sinh ở tâm động đất

được lan truyền trong các tầng đất đá của thạch quyển, và nĩi chung là bên

trong trái đất, dưới dạng sĩng địa chấn Những sĩng đĩ cĩ tốc độ lớn Vì vậy cĩ

thể coi các tầng đất đá của thạch quyển như những mơi trường đàn hồi lý

tưởng, coi sĩng địa chấn như là sĩng đàn hồi, tức là như quá trình truyền biến

dạng phát sinh trong các mơi trường đàn hồi ra xa Dao động đàn hồi từ các

chấn tiêu truyền ra các hướng dưới dạng sĩng dọc và sĩng ngang

Sĩng dọc lan truyền với tốc độ cực đại, chúng chuyển đi những năng

lượng dự trữ lớn nhất và gây ra tác dụng phá hoại lớn nhất khi động đất Sĩng

dọc lan truyền khơng những trong vật thể cứng mà cả trong chất lỏng và khí

Tốc độ truyền sĩng đàn hồi dọc trong mơi trường vơ hạn liên quan đến đặc

trưng đàn hồi của mơi trường Tốc độ truyền sĩng dọc trong nước là 1500 m/s

Sĩng ngang chỉ lan truyền được trong đá cứng vì chất lỏng và chất khí

khơng chống lại được sự biến đổi hình dạng

Sĩng dọc:

Vận tốc của sĩng dọc v P truyền trong mơi trường đàn hồi vơ hạn :

5 0 2

÷÷

ø

ö çç

E

nl

n

=

E và G: là module đàn hồi và module cắt của môi trường

r: khối lượng riêng đất đá n: hệ số Poisson

Sóng ngang:

0.5 0.5

Do đó trong quá trình địa chấn thì sóng đàn hồi dọc và ngang có tầm quan trọng chủ yếu Tốc độ truyền sóng dọc và ngang phụ thuộc vào tính chất

cơ học và độ chặt của đất đá Như bảng 2.1 chỉ rõ độ chặt và tính đàn hồi của đất đá càng cao thì tốc độ truyền sóng dọc càng lớn

Bảng 2.1 Tốc độ truyền sóng đàn hồi và độ cứng chống lại chấn động

của một số loại đất

Loại đất Khối lượng

riêng (g/cm3) Sóng dọc vp Sóng ngang vs

Độ cứng địa chấn

(3,5-Đá nửa cứng

Đá macma

Sét kết

1,8-2,8 1,5-2,95

1,1-6 (2,6-3,5) 1,4-3,5 (2,5-3,2)

0,4-3,4 (0,5-0,6) 1,1-2 (1,4-3,6)

2-16 (0,7-9,5) 2,4-13 (1,6-6)

2.1.3 Ảnh hưởng của gia tốc động đất lên ổn định của đất nền

Gia tốc địa chấn a là một đặc trưng cho lực động đất Đó là lượng dịch chuyển của bề mặt Trái đất trong một đơn vị thời gian Lượng dịch chuyển này đặc trưng cho gia tốc mà các hạt đất đá ở mặt đất đạt được dưới tác dụng của sóng địa chấn

Người ta biểu thị gia tốc địa chấn a qua biên độ dao động A của sóng địa chấn và chu kỳ dao động T của chúng:

2 2

vị trí nào đó được mô tả bằng gia tốc lớn nhất và độ kéo dài của các chấn động Gia tốc được xét như một hàm số của độ lớn và khoảng cách, độ kéo dài của các chấn động (biểu diễn thông qua thông số chu kỳ tương đương) bằng cách hiệu chỉnh quan hệ với độ lớn động đất phương pháp thứ hai là sử dụng phổ phản ứng của công trình Gia tốc dao động cực đại của công trình phụ thuộc vào tần số và khả năng chống rung của chúng Đối với công trình tự do cấp I, với chu kỳ T<5s, phổ vận tốc Sv liên hệ với giá trị phổ gia tốc Sa bằng phương trình:

Các hệ số dao động trên mặt đất (theo Seed, Idriss, 1982) phụ thuộc vào

độ lớn, khoảng cách, cấu tạo địa chất của khu vực (dưới sâu và gần trên mặt), dạng động đất, hướng và vận tốc lan truyền chấn động Độ lớn (cường độ) động đất tăng theo chiều sâu chấn tiêu Chấn tiêu động đất với cường độ 8 độ Richter (M=8) hầu như ít gặp dưới độ sâu 15 đến 20 km

nhiên

Bão hòa nước

Từ góc độ kỹ thuật công trình, đặc điểm cấu tạo địa chất khu vực gần mặt đất có ý nghĩa cực kỳ quan trọng Đa số các dữ liệu đã có cho thấy giá trị đỉnh của gia tốc chấn động với cùng một khoảng cách từ chấn tiêu trong đá cứng lớn hơn trong các lớp trầm tích mềm rời (trầm tích mềm rời thì khả năng chịu tải thấp hơn nhưng lại có gia tốc chấn động lan truyền cũng nhỏ hơn) Gia tốc chấn động nhỏ nhất đặc trưng cho các loại đất sét mềm và cát Sự khác nhau của các vận tốc rung động, với M=6,5 vận tốc rung động đo trên mặt đất của đất trầm tích mềm rời lớn hơn khoảng 2 lần giá trị đo được trên đá cứng (Seed, Idriss, 1982) Do đó trong thiết kế có thể sử dụng quan hệ giá trị trung bình vận tốc rung động lớn nhất và gia tốc Vmax/amax (Newmark, 1973); đất có liên kết cứng: 55cm/sec/g, đất sét cứng bề dày < 61m: 110cm/sec/g, bề dày > 61m: 135 cm/sec/g

1 Đá cứng

2 Đất rời có bề dày lớn hơn 8m

3 Sét và cát chặt vừa

4 Sét cứng có bề dày nhỏ hơn 6m

Hình 2.2 Quan hệ giữa gia tốc lớn nhất trên mặt đất và cấu tạo địa chất

gần mặt đất (theo H.B Seed, I.M Idriss, 1982)

Hậu quả thảm khốc của hoá lỏng do động đất của đất bụi và cát là hiện tượng được ghi nhận từ rất nhiều trận động đất Việc đánh giá dạng mất ổn định này của đất là một trong những vấn đề quan trọng hàng đầu khi thiết kế công trình trong vùng động đất Cơ sở của nó chính là xác định thế năng hoá lỏng của đất ở độ sâu khác nhau bằng quan hệ ứng suất động trung bình (tav) với giá trị giới hạn bị hóa lỏng của loại đất đó trong số chu kỳ tác động định sẵn (tN) Hệ số ổn định đặc trưng như sau:

Hình 2.3 Phương pháp đánh giá thế năng hóa lỏng theo H.B Seed

Tính toán tav căn cứ trên cơ sở giả thuyết rút gọn: ứng suất cắt động đất tại một điểm trong khối đất đá xuất hiện do sự lan truyền sóng ngang theo phương đứng Từ đó, quá trình xác định tav đưa đến như sau: giả sử rằng cột đất trên một phân tố hình khối ở độ sâu h dao động như một vật thể rắn tuyệt đối, ứng suất cắt lớn nhất tác dụng lên phân tố này sẽ là: max

Với amax:: gia tốc lớn nhất trên mặt đất

g: trọng lượng riêng của đất

Từ số lượng lớn tính toán thực hiện trong các điều kiện khác nhau, (Seed, Iriss) cho các giá trị trung bình ứng suất cắt tav với độ chính xác chấp nhận được đối với dao động tương đương có thể chấp nhận bằng khoảng 65%

tmax Như vậy, trong thực tế đánh giá khả năng hoá lỏng của đất, giá trị ứng suất cắt trung bình do động đất ở độ sâu h có thể xác định từ biểu thức:

Độ lớn của động đất đặc trưng bởi biên độ lớn nhất được ghi nhận từ

“dao động ký” tiêu chuẩn, cách tâm chấn một khoảng định sẵn Độ lớn của động đất đầu tiên nêu vào năm 1935 có mang tên GS Karl Richter Độ lớn của chấn động được biểu diễn thông qua giá trị của biểu thức:

ML=logAmax (2.9)

Với Amax-biên độ dao động cực đại (mm) với chu kỳ tiêu chuẩn 0.8s cách tâm chấn 100km

Để tính toán năng lượng giải phóng từ chấn động do động đất, từ năm

1956 đến nay, ta thường sử dụng quan hệ Gootenberg-Richter:

logE=11,8+1,5Ms (2.10)

Với E-năng lượng được biểu diễn bằng đơn vị erg

Ms-độ lớn chấn động nhỏ được tính từ biên độ sóng chấn động với tần

số bé bỏ qua chấn động cao tần Chấn động ký số hiện nay chỉ ghi nhận những dao động với chu kỳ trong phạm vi 0,1 đến 100s Do đó, còn cách ghi nhận độ lớn động đất trực tiếp từ năng lượng chấn động:

Me=2

Tuy nhiên mức độ nguy hại của động đất không chỉ ở độ lớn của năng lượng mà còn phụ thuộc vào độ sâu của chấn tiêu, phương truyền sóng, Trong thực tế, người ta căn cứ vào mức độ phá hoại các công trình trên mặt đất

mà phân động đất thành 12 cấp độ mạnh

Đánh giá độ nguy hiểm của động đất là đánh giá khả năng xuất hiện tại một nơi nào đó các cơn chấn động và đánh giá mức độ phá huỷ Thường sử dụng ba thông số: biên độ, chu kỳ dao động và độ kéo dài các chấn động Trong đó, độ kéo dài các chấn động có thể gây nguy hiểm cho các công trình hơn là một chấn động ngắn và mạnh

Như vậy, độ lớn của động đất có thể đặc trưng hoặc bằng độ lớn của chấn động, hoặc bằng độ lớn của sóng chấn động Độ lớn của chấn động chính

là mức độ phá huỷ do động đất, còn độ lớn của sóng chấn động là do năng lượng của sóng chấn động Các nước châu Âu thường sử dụng thang cường độ MSK (Medvedev, Sponhauer và Karnix), là thang cường độ được UNESCO kiến nghị Việt Nam cũng sử dụng thang MSK

IV Động đất nhận rõ: bàn ghế, đồ đạc trong nhà

rung chuyển

V

Thức tỉnh: mọi người trong nhà đều nhận

thấy, người ngủ bị thức giấc, đồ vật bị rung

mạnh

12-25 (v=1-2)

VI Kinh hãi: nhiều người đang ở trong nhà tỏ ra sợ

hãi và chạy ra đường

Từ 3 đến 3,75 độ Richter

25-50 (v=2,1-4)

VII Hỏng nhà: nhiều nhà bị hư hại, đôi khi trượt đất

ở sườn dốc, có vết nứt ở đường đi

Từ 3,75 đến 5,9 độ Richter

50-100 (v=3,1-8)

6,5 độ Richter

100-200 (v=8,1-16)

IX Hư hỏng hoàn toàn nhà cửa, đường sắt bị uốn

cong, nền đất nứt rộng đến 10 cm

200-400 (v=16,1-32)

X Phá hoại hoàn toàn nhà cửa, nền đất bị nứt đến

vài dm, có thể trượt đất lớn ở bờ sông Từ 6,5đến

7,75 độ Richter

400-800 (v=32,1-64)

XI

Thảm hoạ: hư hại nặng cả những nhà kiên cố,

đường, đê Nền đất bị biến dạng to thành vết

nứt rộng, đứt gãy…

XII

Thay đổi địa hình: hư hại nặng và phá huỷ thực

sự mọi công trình trên và dưới mặt đất

Đất nứt lớn, bị di động đứng và ngang, núi sông

sụt lở, xuất hiện hồ, thác,…

Từ 7,75 đến 8,25 độ Richter Lực động đất tác dụng lên công trình ngoài độ mạnh của động đất còn phụ thuộc vào tính đàn hồi của đất đá Cùng một trận động đất nhưng tại các nơi khác nhau, cường độ động đất cũng không giống nhau Vì vậy người ta còn chia ra độ mạnh cơ bản, độ mạnh thực tế và độ mạnh tính toán

Độ mạnh cơ bản: Là độ mạnh có thể xảy ra ở một vùng với một tần

suất, có tính dự báo Độ mạnh này được xác định dựa trên cơ sở tổng hợp các

tài liệu lịch sử điều tra thực địa, máy ghi các trận động đất đã xảy ra ở vùng

đó mà chọn cấp đặc trưng của vùng

Độ mạnh thực tế: Đó là độ mạnh truyền cho công trình và phụ thuộc

vào tính đàn hồi của đất đá ở khu vực xây dựng

Tính đàn hồi của đất đá phụ thuộc vào độ rắn chắc của nó Khi có động đất, vùng đất đá vụn rời có phạm vi ảnh hưởng nhỏ nhưng mức độ ảnh hưởng lớn, còn trong vùng đất đá rắn chắc thì ngược lại Biên độ dao động A trong vùng đá cứng khoảng 2-5 mm, còn trong vùng đất rời rạc có thể lên đến hàng trăm mm Tổng kết các trận động đất ở Nhật Bản cho thấy ở vùng đá gốc, nhà cửa bị phá hoại chiếm tỉ lệ thấp, cao nhất là 1,4%, trong khi đó ở vùng trầm tích rời rạc tỉ lệ nhà cửa bị phá hoại tới 70-100%

Trị số tăng thêm của độ mạnh thực tế so với độ mạnh cơ bản khi xét tới đặc tính đàn hồi của đất đá được tính theo công thức của S.V.Medvedev:

Trong đó: v o,go: tốc độ truyền sóng dọc và dung trọng của đá granit

v ,g : tốc độ truyền sóng dọc và dung trọng của đá đang xét

Tính đàn hồi của đất đá còn phụ thuộc vào lượng nước chứa trong các lỗ rỗng Nước là vật thể coi như không chịu nén, nên trong trường hợp đất đá bão hòa nước nó chịu sự phá hoại lớn hơn Ngược lại các đệm không khí trong lỗ rỗng của đất đá đã làm giảm độ mạnh của động đất Giá trị sửa đổi cấp động đất theo điều kiện địa chất thủy văn được tính theo công thức sau:

e: cơ số logarit tự nhiên

h: chiều sâu mực nước ngầm

Rõ ràng khi mực nước ngầm càng sâu thì ảnh hưởng của động đất đến công trình càng nhỏ Trị số tăng thêm cấp động đất theo độ sâu mực nước ngầm thể hiện ở bảng sau:

Bảng 2.3 Trị số tăng thêm cấp động đất theo độ sâu mực nước ngầm

Trị số tăng thêm cấp động đất 1 0,5 0

Độ mạnh tính toán: khi chịu cùng độ mạnh thực tế nhưng mức độ và ý

nghĩa của sự phá hoại của các công trình cũng không giống nhau Do đó cần phải xác định thêm độ mạnh tính toán Đó là độ mạnh thực tế có xét đến tầm quan trọng của công trình

Ta đã biết với các công trình xây dựng người ta chỉ quan tâm đến cấp động đất trong khoảng cấp VI đến cấp IX Động đất cấp X rất khó xử lý trong việc giữ ổn định công trình xây dựng Cấp XI, XII là cấp tàn phá rất thảm hại, song trong thực tế rất khó xảy ra

2.2 Các đặc trưng của đất khi chịu tải trọng động

Hiện nay, thuật ngữ “tính chất động của đất“ được sử dụng hiện nay trong một số tài liệu không thống nhất Có một số quan niệm rằng tính chất động của đất đặc trưng như là môi trường sóng (đàn hồi, tính thấm, …) Một số khác cho rằng đó là các phản ứng khác nhau dưới tác động của tải trọng động

Ở đây có thể hiểu là sự gia tăng tính biến dạng, giảm độ bền dưới tác dụng của tải trọng động so với trong điều kiện tĩnh

Vấn đề độ bền động đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết các bài toán thực tế, chúng làm giảm độ cứng, độ bền của đất khi chịu tải trọng động Dưới tác dụng của động đất hay một số tác nhân gây động khác thường dẫn đến kết quả là độ lún và độ lún lệch lớn, dịch chuyển các mái dốc, phá hoại các công trình đắp, …

2.2.1 Độ bền chống cắt của đất dưới tải trọng tức thời

Trong hầu hết quá trình thí nghiệm đất thông thường, sức chống cắt

không thoát nước của đất dính bão hoà được xác định bằng thí nghiệm ba trục

không cố kết– không thoát nước UU Thường tốc độ biến dạng nén dọc trục được giữ nhỏ hơn hoặc khoảng 0.5%/s Ứng suất chính tổng theo hai phương lúc mẫu đất phá hoại có giá trị như sau:

Tổng ứng suất chính dọc trục: s1(f) = s3 + Dsmax (2.14)

Tổng ứng suất chính theo phương ngang: s3

3 ) f ( 1

m a x s - s

= s D

(2.15)Sức chống cắt không thoát nước thu được với tốc độ biến dạng e được giữ 0.5%/s hoặc thấp hơn thì ta xác định được sức chịu tải của đất nền trong điều kiện tải trọng tĩnh

cu = cu(tĩnh)Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng biên độ Dsmax = s1(f) - s3 thường tăng khi tăng tốc độ biến dạng dọc trục e Từ đồ thị ta thấy rằng khi tốc độ biến dạng

e có giá trị từ 50%/s đến 425%/s thì giá trị cu=

22

3 ) f ( 1

m a x s - s

= s D

có giá trị khác biệt nhau không lớn lắm có thể xem là xấp xỉ nhau và giá trị sức chống cắt

của đất lúc này có thể xem là sức chống cắt động không thoát nước, hay:

Ứng suất pháp dọc trục e

B i e án d a ïn g c a ét , e(% )

Ñ o ä a åm 3 3 5 ± 0 2 % )

Hình 2.6 Kết quả thí nghiệm U-U theo tốc độ biến dạng cắt

Theo đề nghị của Carroll cho hầu hết các loại đất sét bão hồ nước thì ta

cĩ :

) tĩn h ( u

) độn g ( uc

c

Trong đĩ c u(động): sức chống cắt động khơng thốt nước

c u(tĩnh): sức chống cắt khơng thốt nước trong thí nghiệm thơng thường

Whitman và Healy (1963) đã làm một số thí nghiệm hút chân khơng cho

các loại cát khơ Các thí nghiệm này được tiến hành với các giá trị khác nhau

của áp lực buồng cĩ hiệu s3 và tốc độ biến dạng e Sức chống nén của đất

Dsmax được xác định như sau:

Hình 2.7 Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng đến khả năng chịu tải của cát

Ta thấy với giá trị s3, biên độ Dsmax lúc đầu giảm đến giá trị nhỏ nhất cùng với sự gia tăng tốc độ biến dạng, sau đĩ tăng lên Như đã biết gĩc ma sát trong thốt nước của đất:

= ççèỉ +- ÷÷øư

3 1

3 1arcsin

ss

ss

j (2.18)

2.2.2 Đặc trưng cường độ và biến dạng của đất dưới tác dụng của tải

trọng động tức thời

- Sức chịu nén đơn qu

25.1q

q

) tón h ( u

)

ta ûixu n g ( u

¸

»

- Modun biến dạng E được xác định theo thí nghiệm nén nở hông thì modun biến dạng do tải tức thời lớn gấp 2 lần so với modun biến dạng với tải tĩnh

Eu(tải tức thời) = 2 Eu(tải tĩnh)

Nhưng theo Casagrande và Shannon thí nghiệm không nở hông cho đất cát Manchester thì ta có:

[s11((ff)) - s33]ta ûita ûixu n gtón h »1.1

s -

2.2.3 Sự gia tăng biến dạng – Các cơ chế biến dạng

Biến dạng: có 6 cơ chế lún động sau:

- Rung nhớt: có sự tương quan giữa tỷ trọng của vật thể so bởi tỷ trọng đất nền

- Đầm chặt dưới sự rung: cũng kéo theo gia tăng ngưỡng gia tốc

- Tăng vùng nền – tăng vùng hoạt động về lún (do độ ẩm tăng lên)

- Gia tăng áp lực do lực quán tính

- Trượt dẻo cục bộ do xoay trục quán tính chính (do gia tốc ngang làm tăng ứng suất tiếp t) hoặc có sự phát triển lớn lên của vòng tròn Morh ứng suất khi s1«s3

- Lún sâu, do trọng lượng bản thân đất lún sau khi có sự phân tán của áp lực nước lỗ rỗng thặng dư (làm ứng suất hữu hiệu tăng lên)

g Z đường vào trong

lực thấm từ dưới lên làm đường áp lực do TLBT lùi

Lún miền xa P

Hình 2.8 Cơ chế mở rộng vùng nền

Ngồi ra theo luận điểm của Wolf.J, sĩng bề mặt chuyển thành sĩng dọc khi giao tiếp với hình chĩp nĩn của đường truyền áp lực (kẻ từ hai mép mĩng) cũng là một nguyên nhân gây dao động dọc và lún thêm

SÓNG BỀ MẶT

Chúng ta cĩ thể thấy độ lún tăng dần là do:

- Dưới ảnh hưởng động, hệ số rỗng giảm do đầm chặt

- Chiều sâu vùng hoạt động về lún tăng lên

- Độ ẩm tăng do lực đẩy lên thẳng đứng (áp lực nước lỗ rỗng thặng dư) làm nền gia tăng chỉ số dẻo IP và chỉ số nén Cc tăng

2.2.4 Sự hoá lỏng của đất cát và đất cát mịn bão hoà nước

Đất cát và đất mịn bão hoà nước khi chịu tác động của tải trọng động sẽ

có xu hướng bị hoá lỏng Trong “Quy phạm thiết kế chống động đất công trình xây dựng” (GB50011-2001) đã đưa ra phương pháp phán đoán hoá lỏng, biện pháp chống hoá lỏng và yêu cầu phải đạt được trong việc loại trừ toàn bộ hoặc một phần sụt lún do hoá lỏng Theo các kết quả nghiên cứu: vùng trực tiếp nằm dưới móng thì ổn định hơn vùng tự do, không dễ bị hoá lỏng nên khi tính toán, căn cứ vào kết luận phán đoán hóa lỏng ở vùng tự do là thiên về an toàn Tuy nhiên, ở mép ngoài của móng lại là vùng xung yếu nhất của chống hóa lỏng, phải được coi là trọng điểm của chống hóa lỏng

Trong lúc động đất, sự phá huỷ nhiều loại kết cấu xảy ra do tiêu chuẩn

về các vết nứt, chuyển vị bất thường và cũng như sự mất sức chịu tải hay độ cứng của đất Sự mất sức chịu tải hay độ cứng của đất gây ra hậu quả đối với

độ lún của công trình; sự phá hoại các đập đất hay trượt đất và các hiện tượng nguy hiểm khác Quá trình gây ra sự mất sức chịu tải hay độ cứng trong đất gọi

là sự hóa lỏng của đất Hiện tượng hóa lỏng của đất chủ yếu liên quan tới môi trường vật liệu- các loại đất rời, hạt mịn

Một trong những nổ lực sớm nhất nhằm giải thích hiện tượng hóa lỏng trong đất loại cát được Casagrande (1936) thực hiện dựa trên hệ số rỗng tới hạn Cát chặt, khi chịu cắt có khuynh hướng giãn nở; cát rời trong điều kiện tương tự có khuynh hướng nén chặt và giảm thể tích Hệ số rỗng mà tại đó đất không thay đổi thể tích khi chịu cắt được đề cập đến gọi là hệ số rỗng tới hạn Casagrande giải thích rằng các vỉa cát có hệ số rỗng lớn hơn hệ số rỗng tới hạn

có khuynh hướng giảm thể tích khi chịu dao động do các ảnh hưởng địa chấn Nếu sự thoát nước không thể diễn ra, thì áp lực nước lỗ rỗng tăng lên Dựa trên nguyên lý áp suất hữu hiệu, tại độ sâu bất kỳ trong một nền đất

s’= s - u

(2.21)

Trong đĩ: s’ - ứng suất hữu hiệu

s - ứng suất tổng

u - áp lực nước lỗ rỗng

Nếu giá trị s giữ nguyên là hằng số, áp lực nước lỗ rỗng dần tăng thì đến một lúc nào đĩ s = u Lúc đĩ s’ = 0, trong điều kiện như vậy, cát khơng cĩ một chút sức chịu tải nào và nĩ phát triển thành trạng thái bị hố lỏng, do

t=s; tgj'=0 Tuy vậy, cần lưu ý các sự kiện sau, nĩ cho thấy rằng khái niệm hệ

số rỗng tới hạn cĩ thể khơng hữu hiệu cho việc đánh giá về lượng của thế hố lỏng đất trong vỉa cát:

a- Hệ số rỗng tới hạn khơng là một giá trị hằng số, nĩ thay đổi theo ứng suất nén đẳng hướng

b- Sự thay đổi thể tích theo điều kiện gia tải động khác các điều kiện tải trọng tĩnh một chiều được biết trong phịng thí nghiệm do cắt trực tiếp

và các thí nghiệm nén 3 trục

Như vậy, sự hố lỏng của nền là một quá trình dẫn đến mất tồn bộ độ bền chống cắt của nền bão hồ khi chịu những lực trượt mang tính tuần hồn Độ bền chống cắt mất đi là do sự tăng của áp suất nước lỗ rỗng thặng dư và sự giảm liên tiếp thể tích của khung cứng nên ứng suất hữu hiệu cĩ khuynh hướng dần dần về khơng Nhìn chung, sự tăng áp lực nước được thực hiện theo một quá trình tích luỹ dưới tác động của nhiều chu kỳ lực xen kẽ nhau

Hình 7 Lộ trình ứng suất của cát thoát nước

Hình 2.10 Lộ trình ứng suất của đất cát trong điều kiện thốt nước

D u ( e a)

(a)

(b)

Sự hoá lỏng liên quan đến sự kết hợp của 3 tham số sau:

ü Sự có mặt của vật liệu dạng bụi

2s

Các loại đất đá khác nhau có độ bền (c, j) và điều kiện ổn định khác nhau, vì vậy cần được đánh giá theo các cơ sở khác nhau

Lực dính đối với đất rời c » 0 nên độ ổn định của mái dốc chủ yếu phụ thuộc vào góc ma sát trong của đất Mỗi hạt phân tố đất trên mặt mái dốc ở trạng thái cân bằng theo phương trình:

tg a = f = tg j

Do đó: a = j Trong đó: a - góc dốc của mái

f – cường độ lực ma sát

j - góc ma sát trong

T P

N a

a

Hình 2.12 Sơ đồ ổn định của mái đất rời

Nghĩa là đối với đất rời, độ ổn định của mái dốc được đảm bảo nếu góc nghiêng tự nhiên a bằng hoặc nhỏ hơn góc ma sát trong j của cát hoặc góc nghỉ

Thực vậy, lực gây trượt hạt phân tố đất ở mặt mái dốc là: P.sina

Trong đó: P - Trọng lượng phân tố đất

a - Góc mái dốc

Lực giữ phân tố đất ở mặt mái dốc là: N.tgj = P.cosa.tg j

Trong đó: N - Áp lực pháp tuyến

j - Góc ma sát trong của đất rời

Khi ở trạng thái cân bằng, ta có:

P.sin a = P.cosa.tg j

Hay: tg a = tg j Do đó: a = j