Nghiên cứu phương pháp tính kết cấu công trình ngầm đô thị trong nền đất yếu chịu tác dụng của động đất

Tính toán công trình ngầm chịu động đất theo phương pháp đặt biến dạng của nền đất vào biên ISGD .... Cơ sở phương pháp PTHH phân tích bài toán tương tác giữa kết cấu công trình ngầm và

iii

MỤC LỤC

Mục lục iii

Danh mục các ký hiệu cơ bản sử dụng trong luận án viii

Danh mục các chữ viết tắt sử dụng trong luận án xi

Danh mục các hình vẽ, đồ thị trong luận án xii

Danh mục bảng biểu trong luận án xviii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH NGẦM ĐÔ THỊ CHỊU TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT 4

1.1 Khái niệm về động đất và những tác động, thiệt hại do động đất đối với công trình ngầm 4

1.1.1 Động đất và nguồn gốc 4

1.1.2 Những tác động và mức độ thiệt hại do động đất đối với công trình ngầm 5

1.1.2.1 Các biến dạng của công trình ngầm khi bị động đất 6

1.1.2.2 Các dạng phá hủy của công trình ngầm khi bị động đất [31],[37] 6

1.2 Tiêu chí đánh giá độ mạnh của động đất và Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của các nước và Việt Nam 10

1.2.1 Các tiêu chí đánh giá độ mạnh của động đất [8] 10

1.2.1.1 Đánh giá độ mạnh của động đất theo thang cường độ động đất của thế giới 10

1.2.1.2 Đánh giá sức mạnh của động đất theo thang độ lớn của thế giới 11

1.2.2 Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của các nước và ở Việt Nam 13

1.3 Tiêu chí đánh giá môi trường nền đất yếu 13

1.4 Công trình ngầm đô thị, hiện trạng và xu hướng phát triển tại Việt nam 15

1.5 Tổng quan về các phương pháp tính toán công trình ngầm chịu tác động động đất 18

1.5.1 Nhóm phương pháp giải tích [40], [52] 18

iv

1.5.1.1 Phương pháp tĩnh tải tương đương 18

1.5.1.2 Phương pháp tương tác biến dạng kết cấu – nền [52] 19

1.5.2 Phương pháp áp đặt biến dạng của đất nền chịu tác động của động đất vào biên (Imposed Seismic Ground Deformation - ISGD) [32], [43] 19

1.5.2.1 Phương pháp dùng lò xo thay thế tương tác của kết cấu – môi trường 19 1.5.2.2 Phương pháp áp đặt biến dạng “trường tự do“ của nền vào biên 20

1.5.3 Phương pháp động lực học 21

1.6 Các kết quả đạt được của các công trình nghiên cứu đã công bố 23

1.7 Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu 24

1.8 Các kết luận rút ra từ tổng quan 25

CHƯƠNG 2 TÁC DỤNG CHẤN ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT VÀ DAO ĐỘNG CỦA TẦNG ĐẤT NHIỀU LỚP TRÊN NỀN ĐÁ CỨNG 26

2.1 Các loại sóng trong môi trường đất khi xảy ra động đất 26

2.1.1 Sóng nén (Sóng ứng suất nén, sóng P) 27

2.1.2 Sóng cắt (Sóng S) 27

2.1.3 Sóng mặt (Sóng Rayleigh) 28

2.1.4 Sóng Love (Sóng L) 29

2.2 Dao động của tầng đất nhiều lớp trên nền đá cứng 29

2.2.1 Đặt bài toán và các giả thiết tính toán 29

2.2.2 Cơ sở lý thuyết truyền sóng 1 chiều [26][27][39][51] 30

2.2.3 Hệ phương trình chuyển động của môi trường nền đất nhiều lớp 31

2.3 Thuật toán giải hệ phương trình tìm chuyển vị 34

2.4 Chương trình Soil Column Vibration – SCV 2015 38

2.5 Ví dụ số 42

2.6 Kết luận chương 45

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH NGẦM CHỊU TÁC DỤNG ĐỘNG ĐẤT 46

v

3.1 Tính toán công trình ngầm chịu động đất theo phương pháp giải tích 46

3.1.1 Biến dạng của công trình ngầm khi chịu tác dụng động đất 46

3.1.2 Trạng thái ứng suất – biến dạng của công trình ngầm chịu tác động sóng cắt do động đất 46

3.1.2.1 Các tham số biến dạng trượt của công trình ngầm hình tròn có xét đến tương tác kết cấu với môi trường nền 46

3.1.2.2 Các tham số biến dạng trượt của công trình ngầm hình chữ nhật có xét đến tương tác kết cấu với môi trường nền [43], [47], [52] 50

3.2 Tính toán công trình ngầm chịu động đất theo phương pháp đặt biến dạng của nền đất vào biên (ISGD) 53

3.2.1 Đặt bài toán và các giả thiết tính toán 53

3.2.2 Mô hình tính 53

3.2.3 Xác định chuyển vị của nền đất 54

3.2.3.1 Trường hợp nền đồng nhất 54

3.2.3.2 Trường hợp môi trường đất nhiều lớp 54

3.2.4 Thử nghiệm số 55

3.2.4.1 Trường hợp nền đồng nhất 55

3.2.4.2 Trường hợp nền nhiều lớp 60

3.3 Tính toán công trình ngầm chịu động đất theo phương pháp động lực học – phương pháp giản đồ gia tốc nền 62

3.3.1 Đặt vấn đề bài toán và các giả thiết tính toán 62

3.3.2 Cơ sở phương pháp PTHH phân tích bài toán tương tác giữa kết cấu công trình ngầm và nền đất biến dạng chịu tải trọng động của động đất 63

3.3.3 Trạng thái ứng suất – biến dạng của công trình ngầm chịu tác động ngang hầm của động đất theo phương pháp giản đồ gia tốc nền 67

3.3.4 Thử nghiệm số 67

3.3.4.1 Tính toán công trình ngầm hình tròn chạy tuyến 67

vi

3.3.4.2 Tính toán công trình ngầm có mặt cắt ngang là hình chữ nhật 74

3.4 Kết luận chương 80

3.4.1 Phương pháp giải tích 80

3.4.2 Phương pháp ISGD 81

3.4.3 Phương pháp động lực học 81

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN CÁC CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG NGẦMTẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHỊU TÁC DỤNG ĐỘNG ĐẤT 82

4.1 Giới thiệu 82

4.2 Điều kiện địa chất khu vực thành phố Hồ Chí Minh và phương pháp xác định các tham số động của nền 83

4.2.1 Các tham số động nền đất và phương pháp xác định [15], [39], [51] 83

4.2.1.1 Các thí nghiệm trong phòng [27], [39], [51] 84

4.2.1.2 Các thí nghiệm ngoài hiện trường 85

4.2.2 Quan hệ giữa các tham số động đạt đỉnh của nền đất khi động đất 91

4.2.3 Các tham số đặc trưng chuyển động của đất phụ thuộc vào chiều sâu 92

4.2.4 Các tham số động của điều kiện địa chất công trình và dữ liệu địa chấn ở thành phố Hồ Chí Minh 93

4.2.4.1 Các điều kiện địa chất 93

4.2.4.2 Phân tích và chọn mô hình nền để tính toán cho nền đất yếu ở thành phố Hồ Chí Minh khi chịu động đất [23] 99

4.2.4.3 Các dữ liệu địa chấn ở thành phố Hồ Chí Minh 103

4.3 Tạo giản đồ gia tốc nền nhân tạo đối với khu vực thành phố Hồ Chí Minh 106

4.4 Tính toán hầm tròn chạy tuyến cho tuyến metro số 6 110

4.4.1 Xác định sơ đồ tính và kích thước mô hình 112

4.4.2 Tính toán hầm tròn theo phương ngang tuyến metro số 6 – TP.HCM .114

4.4.3 Ảnh hưởng của nước ngầm đối với tính toán hầm tròn tuyến metro số 6 .118

4.5 Tính toán các nhà ga cho tuyến metro số 6 119

vii

4.6 Kết luận chương 125

KẾT LUẬN CHUNG 126

1 Những kết quả chính và đóng góp mới của luận án 126

2 Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo 126

TÀI LIỆU THAM KHẢO 128

E Mô đun đàn hồi của vật liệu

El Mô đun đàn hồi của vỏ hầm

Em Mô đun đàn hồi của nền

F Tỷ số khi chịu uốn

Fr Hệ số độ cứng chịu uốn

fS Sức kháng ma sát trên thành lỗ xuyên

fSP Tần suất lấy mẫu

g Gia tốc trọng trường

G Mô đun trượt của vật liệu

H Chiều cao tiết diện hầm

I Mô men quán tính của vỏ hầm

R0tr Tỷ số biến dạng lệch ứng với trường hợp không trượt

Rtr Tỷ số biến dạng lệch ứng với trường hợp trượt tự do

W Chiều rộng tiết diện ngang của hầm

[B]n Ma trận quan hệ biến dạng - chuyển vị của phần tử

[C]n, [C] Ma trận cản của phần tử, ma trận cản của hệ

[K]n, [K] Ma trận độ cứng phần tử, ma trận độ cứng của hệ

[M]n, [M] Ma trận khối lượng phần tử, ma trận khối lượng của hệ

{U}n, {U} Véc tơ chuyển vị nút của phần tử, véc tơ chuyển vị nút của hệ

Các ký hiệu bằng chữ Hy Lạp

,  Các tham số trong tích phân Newmark

R, R Các hằng số cản Rayleigh

x, y, z Biến dạng theo phương x, y, z

1 Chuyển vị tương đối của kết cấu khi lực tập trung p=1

t Bước thời gian tích phân

max Biến dạng trượt cực đại

x

truongtudo Biến dạng trượt của “trường tự do”

xi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN

BEM Phương pháp phần tử biên

CPT Thí nghiệm xuyên tĩnh

FDM Phương pháp sai phân hữu hạn

FEM Phương pháp phần tử hữu hạn

ISGD Phương pháp đặt chuyển vị của nền vào biên

MC Mô hình Mohr Coulomb

SPT Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn

SS Mô hình đất soft soil

TP HCM Thành phố Hồ Chí Minh

xii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TRONG LUẬN ÁN

Hình 1 - 1 Mô tả các yếu tố của động đất 4

Hình 1 - 2 Các dạng đứt gãy trượt theo đường dốc và trượt ngang, dãn nở 5

Hình 1 - 3 Mô tả các dạng trượt giữa các mảng 5

Hình 1 - 4 Phá hủy hầm khi trượt đất ở vùng đứt gẫy 7

Hình 1 - 5 Dạng phá hủy – sụt trượt mái dốc làm phá hủy hầm 7

Hình 1 - 6 Dạng các khe nứt dọc trục hầm, dọc phía trên nóc và đáy hầm 7

Hình 1 - 7 Dạng thiệt hại – Các khe nứt ngang 8

Hình 1 - 8 Dạng thiệt hại – Các khe nứt nghiêng 8

Hình 1 - 9 Dạng thiệt hại do nứt phần mở rộng 8

Hình 1 - 10 Biến dạng tường hầm 9

Hình 1 - 11 Các dạng tróc vỏ lót của hầm 9

Hình 1 - 12 Hình dáng thiệt hại của hầm hình chữ nhật 9

Hình 1 - 13 Bản đồ quy hoạch các tuyến metro ở Hà Nội [14], [18] 16

Hình 1 - 14 Bản đồ quy hoạch các tuyến metro ở TP HCM [17] 17

Hình 1 - 15 Mô hình tính hầm chịu động đất theo tĩnh tải tương đương 19

Hình 1 - 16 Sơ đồ tính dùng các lò xo thay thế tương tác của kết cấu với môi trường [32] 20

Hình 1 - 17 Sơ đồ tính áp đặt biến dạng của nền vào biên 21

Hình 1 - 18 Sơ đồ tính hầm chịu động đất theo giản đồ gia tốc nền 21

Hình 2 - 1 Sơ đồ phân loại sóng động đất 26

Hình 2 - 2 Biến dạng nền đất do sóng nén gây ra 27

Hình 2 - 3 Biến dạng nền đất do sóng cắt gây ra 27

Hình 2 - 4 Sự phân chia sóng S, (a) (SH) và (b) (SV) 28

Hình 2 - 5 Biến dạng nền do sóng Rayleigh gây ra 28

Hình 2 - 6 Biến dạng nền do sóng Love gây ra 29

Hình 2 - 7 Trình tự các sóng được truyền đến theo thời gian 29

xiii

Hình 2 - 8 Mặt cắt ngang và điều kiện cột đất chịu chuyển dịch ngang tại nền

đá gốc do động đất 30

Hình 2 - 9 Mô tả phần tử theo mô hình Kelvin – Voigt [39] 30

Hình 2 - 10 Mô hình bài toán nhiều lớp chịu tác dụng sóng ngang 31

Hình 2 - 11 Mô hình một chiều và sơ đồ tính [27] 32

Hình 2 - 12 Mối quan hệ giữa N và T1(s) với giá trị sai số ERS [27] 34

Hình 2 - 13 Dạng của phổ phản ứng đàn hồi 37

Hình 2 - 14 Giao diện giới thiệu phần mềm 39

Hình 2 - 15 Giao diện phần nhập dữ liệu mô đun chính của chương trình SCV-2015 40

Hình 2 - 16 Giao diện xuất kết quả tần số dao động riêng 40

Hình 2 - 17 Giao diện xuất kết quả và xuất file ra Ms Excel hoặc Ms Access 41

Hình 2 - 18 Sơ đồ khối chung cho toàn bộ chương trình 41

Hình 2 - 19 Sơ đồ khối chi tiết các chương trình con 42

Hình 2 - 20 Phổ phản ứng 43

Hình 2 - 21 Quan hệ giữa chuyển vị và chiều sâu các cột đất mềm trên nền đất cứng 43

Hình 2 - 22 Quan hệ giữa vận tốc, gia tốc và chiều sâu 44

Hình 3 - 1 Công trình ngầm bị biến dạng khi sóng động đất tác động 46

Hình 3 - 2 Nội lực trong vỏ hầm, xét cho 1 phân tố 47

Hình 3 - 3 Sơ đồ tính trượt đơn giản đối với công trình ngầm tiết diện ngang hình chữ nhật 50

Hình 3 - 4 Sơ đồ tính nội lực đối với hầm tiết diện ngang hình chữ nhật dựa theo biến dạng trượt tương ứng 52

Hình 3 - 5 Mô hình bài toán khi đặt chuyển vị của nền vào biên 54

Hình 3 - 6 Sơ đồ tính toán và rời rạc hóa PTHH của hệ 55

Hình 3 - 7 Đồ thị quan hệ giữa biến dạng trượt với mô đun đàn hồi 56

Hình 3 - 8 Đồ thị quan hệ giữa nội lực và mô đun đàn hồi Gm (kPa) 56

Hình 3 - 9 Đồ thị quan hệ giữa Mmax và hệ số F 57

xiv

Hình 3 - 10 Mô men uốn cực đại và lực cắt cực đại trong vỏ hầm 57

Hình 3 - 11 Sơ đồ hình học, sơ đồ tính và rời rạc hóa PTHH 58

Hình 3 - 12 Biểu đồ nội lực theo phương pháp ISGD 59

Hình 3 - 13 So sánh kết quả tính theo phương pháp giải tích Wang và phương pháp ISGD 60

Hình 3 - 14 Sơ đồ tính khi đặt chuyển vị các lớp đất vào biên 60

Hình 3 - 15 Chia lưới PTHH của hệ 61

Hình 3 - 16 Chuyển vị theo phương ngang của hầm 61

Hình 3 - 17 Biểu đồ mô men và lực cắt 62

Hình 3 - 18 Biểu đồ lực dọc và biến dạng của hầm 62

Hình 3 - 19 Mô hình bài toán khi hệ chịu tác động động đất 63

Hình 3 - 20 Mô hình tính của bài toán 67

Hình 3 - 21 Bảng ghi gia tốc nền động đất có gia tốc đỉnh là 0,24g 69

Hình 3 - 22 Mô hình bài toán khi hệ chịu tác dụng động đất 70

Hình 3 - 23 Sơ đồ chia lưới PTHH của mô hình bài toán 70

Hình 3 - 24 Chuyển vị theo phương đứng uy tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian 71

Hình 3 - 25 Chuyển vị theo phương ngang ux tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian 71 Hình 3 - 26 Sơ đồ chia lưới biến dạng của hệ 72

Hình 3 - 27 Mô men uốn tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian 72

Hình 3 - 28 Lực cắt tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian 72

Hình 3 - 29 Lực dọc tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian 73

Hình 3 - 30 Gia tốc nền theo thời gian tại các vị trí nền đá gốc, đỉnh hầm và tại bề mặt nền 73

Hình 3 - 31 Sơ đồ tính hầm hình chữ nhật chịu tác động của động đất 74

Hình 3 - 32 Mô men uốn cực đại trong vỏ hầm (gia tốc đỉnh ag = 0,24g) 75

Hình 3 - 33 Lực cắt cực đại trong vỏ hầm, (gia tốc đỉnh ag = 0,24g) 75

Hình 3 - 34 Biến dạng của hầm dưới tác động của động đất 76

xv

Hình 3 - 35 Mô men uốn tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian 76

Hình 3 - 36 Lực cắt tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian 77

Hình 3 - 37 Lực dọc tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian 77

Hình 3 - 38 Biểu đồ so sánh sai số giữa các phương pháp tính 78

Hình 3 - 39 Chuyển vị đứng uy theo thời gian 78

Hình 3 - 40 Chuyển vị ngang ux theo thời gian tại các điểm tương ứng 79

Hình 3 - 41 Mô hình tính hệ công trình ngầm – nền 79

Hình 3 - 42 Chia lưới PTHH hệ công trình ngầm – nền 79

Hình 3 - 43 So sánh giá trị nội lực giữa 2 phương pháp tính 80

Hình 4 - 1 Các phương pháp xác định tham số động của nền trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường [35] 84

Hình 4 - 2 Bố trí sơ đồ cho phương pháp đo - xuyên 85

Hình 4 - 3 Quan hệ giữa tỷ số cản của cát và biên độ biến dạng cắt  90

Hình 4 - 4 Quan hệ giữa tỷ số cản của sét và biên độ biến dạng cắt  91

Hình 4 - 5 Bản đồ địa chất khoáng sản của khu vực TP HCM C- 48-XI (1995) [14] 94

Hình 4 - 6 Đồ thị giá trị sức kháng mũi qc (MPa), sức kháng thành fs (MPa) để xác định vs (m/s) điển hình tại Km0+900 (HX02) [14] 96

Hình 4 - 7 Các tham số của mô hình Mohr-Coulomb trong Plaxis [23] 101

Hình 4 - 8 Các tham số của mô hình soft soil trong Plaxis [23] 102

Hình 4 - 9 Bản đồ phân vùng đứt gãy và bản đồ phân vùng địa chấn theo các đơn vị gia tốc ngang đạt đỉnh (theo thang MSK 64) 105

Hình 4 - 10 Vị trí địa lí thị trấn Upland 107

Hình 4 - 11 Giản đồ gia tốc tại Upland, quận Delaware, 108

Hình 4 - 12 Bảng nhập giản đồ gia tốc thực theo thời gian [3] 108

Hình 4 - 13 Đồ thị tỷ lệ theo phổ phản ứng đàn hồi trong TCVN 9386: 2012 [3] 109

xvi

Hình 4 - 14 Tạo giả giản đồ gia tốc nhân tạo theo điều kiện gia tốc đỉnh tại

TP HCM (ag = 0,07g) 109

Hình 4 - 15 Giản đồ gia tốc nền nhân tạo theo thời gian được tạo giả ở TP HCM có gia tốc đỉnh ag = 0,07g 109

Hình 4 - 16 Mặt cắt ngang tuyến tại Km0+900 tuyến số 6 – TP HCM 112

Hình 4 - 17 Mặt cắt ngang tuyến tại Km6+700 tuyến số 6 – TP HCM 112

Hình 4 - 18 Mô hình tính phẳng và tải trọng tác động của động đất 113

Hình 4 - 19 Sơ đồ chia lưới PTHH của mô hình 113

Hình 4 - 20 Biểu đồ giá trị nội lực theo chiều dọc tuyến 115

Hình 4 - 21 Nội lực cực đại trong kết cấu hầm tại các lý trình 115

Hình 4 - 22 Chuyển vị của hầm theo phương ngang tại các lý trình 115

Hình 4 - 23 Mô men cực đại và đường bao mô men trong vỏ hầm 116

Hình 4 - 24 Lực cắt cực đại và đường bao lực cắt trong vỏ hầm 116

Hình 4 - 25 Lực dọc cực đại và đường bao lực dọc trong vỏ hầm 116

Hình 4 - 26 Chuyển vị của hầm theo phương ngang và phương đứng 116

Hình 4 - 27 Mô men tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian 117

Hình 4 - 28 Lực cắt tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian 117

Hình 4 - 29 Lực dọc tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian 117

Hình 4 - 30 Nội lực cực đại trong vỏ hầm tương ứng với trường hợp có và không có xét đến mục nước ngầm 118

Hình 4 - 31 Sơ đồ hình học, tải trọng động đất tác dụng lên kết cấu 119

Hình 4 - 32 Chia lưới phần tử PTHH của mô hình 120

Hình 4 - 33 Các dạng tải tĩnh tác dụng lên hệ 120

Hình 4 - 34 Giá trị nội lực của các kết cấu nhà ga mô tả theo tuyến 121

Hình 4 - 35 Giá trị nội lực của kết cấu nhà ga mô tả theo chiều sâu 122

Hình 4 - 36 Mô men tại đỉnh và đáy hầm biến thiên theo thời gian 122

Hình 4 - 37 Lực cắt tại đỉnh và đáy hầm biến thiên theo thời gian 123

xvii

Hình 4 - 38 Lực dọc tại đỉnh và đáy hầm biến thiên theo thời gian 123 Hình 4 - 39 Biến dạng của hầm 124 Hình 4 - 40 Gia tốc nền tại nền đá gốc và mặt đất 124 Hình 4 - 41 Biểu đồ lực cắt và mô men cực đại điển hình tại Km6+635 124

xviii

DANH MỤC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN ÁN

Bảng 1 1 Tình trạng hư hỏng công trình ngầm theo gia tốc đỉnh [28] 6

Bảng 1 2 Thang độ mạnh của động đất theo thang Richter 11

Bảng 1 3 Bảng thống kê các tuyến metro ngầm và nổi ở Hà Nội [16],[18] 16 Bảng 2 1 Tham số môi trường đất nền nhiều lớp trên nền đá gốc 43

Bảng 2 2 Giá trị gia tốc, vận tốc và chuyển vị được tính từ chương trình SCV – 2015 44

Bảng 3 1 Các tham số môi trường nền và hầm 55

Bảng 3 2 Kết quả nội lực tương ứng các trường hợp 56

Bảng 3 3 Kích thước hình học và các tham số vật liệu của hầm 58

Bảng 3 4 Kết quả nội lực theo phương pháp giải tích và phương pháp số (ISGD) 59

Bảng 3 5 Kết quả tính toán nội lực trong kết cấu hầm 61

Bảng 3 6 Các tham số môi trường 68

Bảng 3 7 Kích thước hình học và các chỉ tiêu vật liệu của hầm 69

Bảng 3 8 Kết quả nội lực trong vỏ hầm do tải trọng của động đất 70

Bảng 3 9 Kết quả tính theo phương pháp giải tích và phương pháp số 75

Bảng 3 10 Giá trị nội lực cực đại trong vỏ hầm 80

Bảng 4 1 Bảng thống kê các tuyến Metro tại TP HCM 82

Bảng 4 2 Các phương trình xác định vs cho môi trường nền đất [50] 87

Bảng 4 3 Bảng xác định hệ số ASF tương ứng với CPT cho nền đất [50] 88

Bảng 4 4 Các tham số ảnh hưởng đến tỷ số cản [24], [39] 89

Bảng 4 5 Tỷ số tương quan giữa vận tốc đạt đỉnh, chuyển vị đạt đỉnh với gia tốc đạt đỉnh [45] 92

Bảng 4 6 Hệ số xét đến sự giảm dần của các tham số đặc trưng chuyển động của đất theo chiều sâu [44] 93

Bảng 4 7 Phương trình hồi qui xác định vS cho các lớp đất theo độ sâu dọc tuyến metro 6 97

xix

Bảng 4 8 Bảng kết quả các tham số động điển hình tại tuyến metro số 6 98 Bảng 4 9 Các vùng phát sinh động đất mạnh trên lãnh thổ Việt Nam [13] 104 Bảng 4 10 Kích thước hình học của hầm tuyến metro số 6 110 Bảng 4 11 Các chỉ tiêu cơ lý của nền đất tuyến metro số 6 (km 0+900) 111 Bảng 4 12 Giá trị nội lực và chuyển vị của kết cấu hầm tròn chạy tuyến theo

các mặt cắt ngang dọc theo tuyến 114

Bảng 4 13 Giá trị nội lực, chuyển vị của hầm theo chiều dài tuyến 121

1

MỞ ĐẦU

Công trình giao thông ngầm của Việt Nam những năm vừa qua có sự phát triển mạnh mẽ đặc biệt ở Hà Nội và TP Hồ Chí Minh Khi khai thác cơ sở hạ tầng giao thông đô thị ngầm sẽ hạn chế tình trạng tắc nghẽn, lưu lượng xe trên mặt đất giảm đáng kể Do đó, có nhiều giải pháp đã được nghiên cứu, điển hình

là Hà Nội và TP HCM đã quy hoạch xây dựng mạng tàu điện đô thị hiện đại kết hợp với nhiều giải pháp khác như trên cao và ngầm trong lòng đất

Động đất là một dạng thiên tai, thảm họa tự nhiên cực kỳ nguy hiểm có thể gây thương vong đối với con người đồng thời phá hủy nghiêm trọng các công trình Việt Nam tuy không nằm trong vành đai lửa của những khu vực có động đất lớn trên thế giới, nhưng không loại trừ bị ảnh hưởng bởi những trận động đất mạnh do trên lãnh thổ Việt Nam tồn tại nhiều đứt gãy hoạt động phức tạp như đứt gãy Lai Châu - Điện Biên, đứt gãy Sông Mã, đứt gãy Sơn La, đới đứt gãy Sông Hồng, đứt gãy Sông Cả [4],[8]

Gần đây ở Việt Nam một số công trình thủy điện, hồ chứa nước lớn được xây dựng đã làm xảy ra các các trận động đất kích thích như: khu vực thủy điện Sông Tranh 2- Bắc Trà Mi, Quảng Nam Để thực hiện sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước chúng ta sẽ xây dựng các công trình có tầm quan trọng đặc biệt như nhà máy điện hạt nhân, các công trình hạ tầng kỹ thuật lớn, các nhà siêu cao tầng…, các công trình nói trên đặt ra cho các cơ quan quản lý nhà nước cần phải xây dựng biện pháp phòng tránh và giảm nhẹ hậu quả động đất ở Việt Nam Yêu cầu về thiết kế kháng chấn cho các công trình xây dựng phải được quan tâm đặc biệt để đảm bảo sự an toàn cao nhất cho công trình và cuộc sống của người dân Khi đó đòi hỏi cần phải xem xét lại một số vấn đề như hoàn chỉnh tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn, dữ liệu động đất; mô hình, phương pháp tính toán thiết kế Hiện tại TCVN 9386: 2012 được ban hành chủ

giao thông Vì vậy luận án “Nghiên cứu phương pháp tính kết cấu công trình ngầm đô thị trong nền đất yếu chịu tác dụng của động đất” là vấn đề có ý

nghĩa khoa học và thực tiễn

* Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án:

- Phân tích và lựa chọn phương pháp xác định các tham số động của nền đất theo điều kiện thực tế ở Việt Nam, sử dụng kết quả làm cơ sở giải quyết bài toán tương tác kết cấu công trình ngầm – nền phù hợp với điều kiện đất mềm tại TP HCM

- Nghiên cứu bài toán truyền sóng trong môi trường đất nhiều lớp, tính toán biến dạng của nền đất do tải trọng động của động đất gây ra bằng phương pháp phần tử hữu hạn, trên cơ sở bài toán phẳng và phân tích ảnh hưởng của biến dạng nền đất đến kết cấu công trình ngầm trong môi trường nền đất yếu

- Phân tích tính toán công trình ngầm đô thị trong môi trường đất yếu theo các phương pháp giải tích, phương pháp phân tích tích phân trực tiếp phương trình chuyển động theo thời gian (Full dynamic method) và phương pháp áp đặt chuyển vị của nền đất vào tính toán kết cấu công trình ngầm chịu tác dụng của động đất (Imposed Seismic Ground Deformation - ISGD)

* Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận án:

Đối tượng nghiên cứu:

Hệ kết cấu công trình ngầm và nền đất xung quanh trong đô thị chịu tác động của tải trọng động đất

3

Phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu bài toán tương tác tĩnh học và động lực học của công trình ngầm – nền đất yếu trên sơ đồ bài toán biến dạng phẳng có sự tách trượt giữa kết cấu và nền đất chịu tác động của động đất

Công trình ngầm nằm trong tầng đất mềm khi xảy ra động đất sẽ chịu tác động của sóng nén (sóng P), sóng cắt (sóng S) và đối với công trình đặt nông còn chịu tác động của sóng bề mặt (sóng Rayleigh, sóng Love) Trong phạm vi luận án chỉ nghiên cứu sóng cắt là sóng có vai trò chủ đạo gây nên phá hoại đối với công trình ngầm

* Phương pháp nghiên cứu của luận án

Nghiên cứu lý thuyết, sử dụng phương pháp PTHH tiến hành thử nghiệm

số tính toán hệ “kết cấu công trình ngầm – nền đất” và lập trình tính toán số liệu đầu vào theo ngôn ngữ lập trình Pascal trong môi trường Window để ứng dụng phần mềm Plaxis 2D version 2010.01 (code DP11 – 1208 – f12a – 2cfd – 6c81 – 34e0) tính toán

* Nội dung và bố cục của luận án

Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết của luận án, và bố cục của luận án Chương 1: Tổng quan tính toán công trình ngầm đô thị chịu tác dụng của động đất Chương 2: Tác dụng chấn động của động đất và dao động của tầng đất nhiều lớp trên nền đá cứng

Chương 3: Tính toán công trình ngầm chịu tác dụng của động đất

Chương 4: Tính toán các công trình giao thông ngầm tại thành phố Hồ Chí Minh chịu tác dụng của động đất

Kết luận chung: Trình bày các kết quả chính và những đóng góp mới của luận án

Phụ lục: chương trình tính và các bài báo của tác giả

4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH NGẦM ĐÔ THỊ

1.1.1 Động đất và nguồn gốc

Động đất là sự dao động của bề mặt trái đất do các sóng truyền đến từ một nguồn gây ra trong lòng quả đất Trung tâm của chuyển động của động đất nơi phát ra năng lượng được gọi là chấn tiêu Hình chiếu của chấn tiêu lên bề mặt trái đất gọi là chấn tâm Khoảng cách từ chấn tâm đến chấn tiêu được gọi là độ sâu chấn tiêu (H) Khoảng cách từ chấn tâm đến điểm quan trắc được gọi là tâm

cự hoặc là khoảng cách chấn tâm (L) Khoảng cách từ chấn tiêu đến điểm quan trắc được gọi là tiêu cự hoặc là khoảngcách chấn tiêu (R)

Hình 1 - 1 Mô tả các yếu tố của động đất

5

Nguồn gốc của động đất xuất hiện từ các yếu tố sau:

- Động đất do từ đứt gãy kiến tạo Nguyên nhân do năng lượng biến dạng được tích lũy trong các đứt gãy, nó sẽ giải phóng năng lượng khi nó vượt quá giới hạn đàn hồi của vật liệu

Hình 1 - 2 Các dạng đứt gãy trượt theo đường dốc và trượt ngang, dãn nở

- Động đất xảy ra do các hoạt động kiến tạo mảng: do các mảng lớn như Châu Phi, Châu Mỹ, Châu Úc - Ấn, Châu Á – Âu, Châu Nam cực và các mảng khác bị tách đứt thành các mảng nhỏ hơn Sự tách làm giải phóng năng lượng biến dạng làm xảy ra động đất Thông thường các trận động đất này xảy ra gần biên của các mảng

Hình 1 - 3 Mô tả các dạng trượt giữa các mảng

- Động đất phát sinh từ các nguồn khác như các vụ nổ lớn của thuốc nổ, các hoạt động của núi lửa, do bị kích thích bởi xây dựng công trình như đập thủy điện tích nước, v.v

1.1.2 Những tác động và mức độ thiệt hại do động đất đối với công trình ngầm

Dowding C.H., và Rozen A (1978), thống kê các trận động đất mạnh

Mảng trườn lên

Mảng rúc xuống Vùng đứt gãy

Dung nham trào lên

6

làm ảnh hưởng đến một số công trình ngầm bị thiệt hại nghiêm trọng và bị hư hỏng nặng Các nhà khoa học đưa ra các quan điểm về tình trạng tác hại động đất gây hư hỏng công trình ngầm tương ứng với gia tốc đạt đỉnh của các hạt môi trường nền đất đá như Bảng 1 1,[28],[47]

Bảng 1 1 Tình trạng hư hỏng công trình ngầm theo gia tốc đỉnh [28],[47] Gia tốc đạt đỉnh của các

ag > 0,5g Hầm có thể bị hư hại nghiêm trọng

1.1.2.1 Các biến dạng của công trình ngầm khi bị động đất

Khi động đất xảy ra sóng cắt lan truyền vuông góc với trục hầm làm cho hầm tròn bị biến dạng thành hình o van và hầm hình chữ nhật biến dạng thành hình bình hành Đồng thời công trình ngầm cũng bị các biến dạng dọc trục (chịu kéo dãn, nén) hay biến dạng uốn, biến dạng trượt do sóng truyền dọc theo trục hầm

Theo Dowding và Rozen (1978), Owen và Scholl (1981), Sharma và Judd, và Power (1998) [47] đã mô tả các biến dạng này bởi do một hay tổ hợp các nguyên nhân:

- Các thiệt hại xuất hiện bởi sự phá hủy môi trường xung quanh như sự kéo dãn hay trượt;

- Các thiệt hại do chuyển dịch trong vùng đứt gãy;

- Các thiệt hại do xuất hiện dao động của đất môi trường khi lan truyền sóng địa chấn v v

1.1.2.2 Các dạng phá hủy của công trình ngầm khi bị động đất [31],[37]

a Dạng hầm bị phá hủy khi bị trượt

Trường hợp này xảy ra khi hầm xuyên ngang qua vùng đứt gãy thể hiện trên Hình 1 - 4

7

Hình 1 - 4 Phá hủy hầm khi trượt đất ở vùng đứt gẫy

b Công trình ngầm bị sụt trượt mái dốc

Xuất hiện khi hầm được bố trí song song với mái dốc và mái dốc có khả năng trượt khi xảy ra động đất

Tách bóc

Khe nứt

8

d Công trình ngầm bị nứt ngang hầm

Xuất hiện khi sóng dọc lan truyền dọc trục hầm trong các tiết diện ngang xuất hiện ứng suất kéo – nén, các ứng suất này gây nên các khe nứt hoặc các mối nối giữa các đốt hầm không đủ khả năng chịu lực

Hình 1 - 7 Dạng thiệt hại – Các khe nứt ngang

e Công trình ngầm bị nứt nghiêng

Ngoài các khe nứt dọc, nứt ngang, có các khe nứt nghiêng một góc 300 –

600 với mặt cắt ngang, thường xuất hiện một bên và kết thúc tại các liên kết giữa các vành tròn kết cấu như Hình 1 - 8

Hình 1 - 8 Dạng thiệt hại – Các khe nứt nghiêng

f Công trình ngầm bị nứt phần mở rộng

Vết nứt phần mở rộng xảy ra khi có sự sụp đổ một phần của hầm do biến dạng địa chấn lớn; thường xảy ra tại các vị trí giao nhau như buồng thiết bị thông gió, buồng cứu hỏa,.v v

Hình 1 - 9 Dạng thiệt hại do nứt phần mở rộng

Các khe nứt

k Dạng thiệt hại của các hầm có mặt cắt ngang hình chữ nhật

Hầm hình chữ nhật thường được đặt nông và thi công bằng phương pháp

lộ thiên (đào hở) Khi động đất xảy ra, các cột đỡ, các liên kết ở các góc trên và góc dưới mặt cắt bị phá hỏng

Hình 1 - 12 Hình dáng thiệt hại của hầm hình chữ nhật

(ga metro Daika ở Kobe - Nhật Bản, năm 1995) [31]

Biến dạng tường

Tường nguyên trạng

Bong tróc

vỏ hầm Vết nứt

10

1.2 Tiêu chí đánh giá độ mạnh của động đất và Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của các nước và Việt Nam

1.2.1 Các tiêu chí đánh giá độ mạnh của động đất [8]

Sức mạnh của động đất được đánh giá thông qua thang cường độ động đất và thang độ lớn động đất

1.2.1.1 Đánh giá độ mạnh của động đất theo thang cường độ động đất của thế giới

a Đánh giá độ mạnh động đất theo thang cường độ động đất ở Châu Âu

Từ 1883 Rossi Forel [8] xác định 10 cấp, đến đầu thế kỷ 20 nhà địa chấn Mercalli đã sửa đổi thành thang cường độ Mercalli Thang Mercalli cải tiến đánh giá độ mạnh của động đất dựa hoàn toàn vào hậu quả của động đất tác động đến con người, đồ vật, công trình xây dựng Hiện đang được sử dụng rộng rãi ở các nước Châu Âu, Bắc Mỹ và nhiều khu vực khác trên thế giới

b Đánh giá độ mạnh động đất theo thang JMA, Nhật bản [8]

Đến năm 1949, cơ quan khí tượng Nhật Bản đưa ra thang đánh giá cường

độ động đất theo định tính Đánh giá độ mạnh của động đất dựa hoàn toàn vào hậu quả của nó tác động đến con người, đồ vật, công trình xây dựng và trên cơ

sở cảm giác chủ quan của con người Thang JMA có 8 cấp và được sử dụng ở Nhật Bản cho tới nay

c Thang cường độ động đất MSK – 64

Được sử dụng rộng rãi ở Nga, các nước thuộc khối SNG (cộng đồng các quốc gia độc lập), một số nước XHCN cũ và Việt Nam Cường độ động đất theo thang MSK - 64 được đánh giá dựa hoàn toàn vào hậu quả của nó tác động đến con người, đồ vật, công trình xây dựng và trên cơ sở cảm giác chủ quan của con người, được đánh giá qua biên độ dao động tương đối của con lắc chuẩn

mô tả chuyển động địa chấn

Vào khoảng năm 1964, ba nhà khoa học Medvedev, Sponhauer và Karnic

đề xuất thang cường độ động đất MSK – 64 và được chia thành 12 cấp

11

1.2.1.2 Đánh giá sức mạnh của động đất theo thang độ lớn của thế giới

Thang độ lớn động đất cho ta biết thông tin về độ lớn tổng thể hoặc quy

mô của nó

a Thang độ lớn của động đất theo thang Richter (1935)

Gọi M là độ lớn của 1 trận động đất Khi đó độ lớn của động đất được xác định là:

M lgA lgA  0 (1.1) trong đó:

A: biên độ lớn nhất của trận động đất đang xét do địa chấn kế Wood - Anderson ghi được tại trạm quan trắc (mm)

A0: biên độ lớn nhất của trận động đất chuẩn có cùng khoảng cách chấn tâm (mm) Trường hợp địa chấn kế chuẩn đặt cách chấn tiêu tương đương 100 km thì độ lớn của trận động đất là:

Bảng 1 2 Thang độ mạnh của động đất theo thang Richter

Không đáng kể nhỏ hơn 2,0 Động đất thật nhỏ, không cảm nhận được

Thật nhỏ 2,0-2,9 Thường không cảm nhận nhưng đo được

Nhỏ 3,0-3,9 Cảm nhận được nhưng ít khi gây thiệt hại

Nhẹ 4,0-4,9 Rung chuyển đồ vật trong nhà Thiệt hại khá nghiêm trọng

Trung bình 5,0-5,9

Có thể gây thiệt hại nặng cho những kiến trúc không theo tiêu chuẩn phòng ngừa địa chấn Thiệt hại nhẹ cho những kiến trúc xây cất đúng tiêu chuẩn

Mạnh 6,0-6,9 Có sức tiêu hủy mạnh trong những vùng đông dân trong

chu vi 180 km bán kính

Rất mạnh 7,0-7,9 Có sức tàn phá nghiêm trọng trên những diện tích to lớn

Cực mạnh 8,0-8,9 Có sức tàn phá vô cùng nghiêm trọng trên những diện

tích to lớn trong chu vi hàng trăm km bán kính

Cực kỳ mạnh 9,0-9,9 Sức tàn phá vô cùng lớn

Ngoại lệ 10+ Chưa được ghi nhận

12

Thang độ lớn Richter có các tính chất đặc trưng sau:

- Được đề xuất cho vùng phía nam của California, nên đối với vùng khác phải có các hiệu chỉnh xét đến các yếu tố cấu trúc của vỏ quả đất;

- Độ sâu của chấn tiêu không được xét đến;

- Thang Richter này chỉ có giá trị cho địa chấn kế Wood – Anderson;

- Thang Richter không xét tới các tính chất địa chất cục bộ

Công thức (1.1) xác định độ lớn động đất M do Richter đề xuất cho vùng California không thể áp dụng trực tiếp cho các vùng khác Nhằm áp dụng cho các vùng khác cần có những hiệu chỉnh C Tsuboi, Nhật đã kiến nghị xác định

độ lớn động đất với bất cứ loại địa chấn kế nào để xác định chuyển vị Am theo công thức sau [48]:

M lgA  m , lgL – , 1 73 0 83 (1.3) trong đó: Am- chuyển vị lớn nhất của nền đất, µm;

L - khoảng cách chấn tâm của địa chấn kế, tính theo độ

b2 Thang độ lớn sóng khối được xác định:

Mb lgA – lgT 0,01.L 5,9   (1.5) trong đó: A - biên độ của sóng P, µm;

T - chu kỳ của sóng P, (thường khoảng 1s)

b3 Thang độ lớn momen động đất được Hank và Kanamori đề xuất như sau:

w 2 0

M lgM – 10,7

3

13

trong đó:

Mo: Mô men động đất và được xác định thông qua biểu thức sau:

Với: G - môdun cắt của môi trường, thường lấy bằng 3.107 kPa;

s - chuyển vị trung bình của đứt gãy, m;

A - diện tích mặt phá hủy hay mặt đứt gãy, m2

1.2.2 Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của các nước và ở Việt Nam

Hiện tại trên thế giới có các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của một vài nước như: Nga có tiêu chuẩn kháng chấn SNiP II – 7 – 1981* , Mỹ có tiêu chuẩn tính toán thiết kế động đất Uniform Building code -1997, ngoài ra còn có Trung Quốc , v v hiện tại Việt Nam chỉ ban hành tiêu chuẩn áp dụng cho dạng công trình dân dụng, công nghiệp, nhà cao tầng và chưa có tiêu chuẩn áp dụng cho công trình ngầm đô thị, nhất là trong nền đất yếu

Ở Việt Nam có TCVN 9386:2012 được chuyển đổi từ TCXDVN 375:2006 thành Tiêu chuẩn Quốc gia, yêu cầu thiết kế công trình chịu động đất được biên soạn trên cơ sở chấp nhận Eurocode 8 có bổ sung hoặc thay thế các phần mang tính đặc thù Việt Nam đồng thời kết hợp bản đồ phân vùng động đất chu kỳ lặp 500 năm do Viện Vật lý địa cầu lập [15] Tuy nhiên, trong Tiêu chuẩn đó vẫn thiếu phần quy định về tính toán công trình ngầm

1.3 Tiêu chí đánh giá môi trường nền đất yếu

Môi trường nền đất yếu thường gặp ở khu vực miền duyên hải (bãi bồi ven sông, biển) hoặc ở các thung lũng thuộc vùng núi… hình thành từ các khu vực châu thổ Bắc Bộ, Thanh - Nghệ Tĩnh, ven biển Trung Bộ, đến đồng bằng Nam bộ đều có những vùng đất yếu

Đất yếu là một trong những đối tượng nghiên cứu và xử lý rất phức tạp, đòi hỏi công tác khảo sát, điều tra, nghiên cứu, phân tích và tính toán rất công phu Nói chung đất yếu là loại đất có khả năng chịu tải nhỏ (áp dụng cho đất có

14

cường độ kháng nén quy ước dưới 50 kPa), hầu như bão hòa nước, khi xây dựng công trình trên loại đất này dễ bị lún sụt, cần các biện pháp xử lý thích đáng và hợp lý nếu không sẽ phát sinh biến dạng, thậm chí gây hư hỏng công trình Cách phân biệt nền đất yếu ở trong nước cũng như ở nước ngoài đều có các tiêu chí cụ thể để phân loại nền đất yếu như sau:

* Theo nguyên nhân hình thành: loại đất yếu có nguồn gốc khoáng vật hoặc

nguồn gốc hữu cơ

- Loại có nguồn gốc khoáng vật: thường là sét hoặc á sét trầm tích trong nước

ở ven biển, vũng vịnh, đầm hồ, thung lũng

- Loại có nguồn gốc hữu cơ: hình thành từ đầm lầy, nơi nước tích đọng thường xuyên, mực nước ngầm cao, tại đây các loại thực vật phát triển, thối rữa phân huỷ tạo ra các vật lắng hữu cơ lẫn với trầm tích khoáng vật

* Theo sức kháng cắt không thoát nước (s u ), và trị số xuyên tiêu chuẩn (N) tương ứng:

- Đất rất yếu: su ≤ 12,5 kPa hoặc N ≤ 2

- Đất yếu: su ≤ 25 kPa hoặc N ≤ 4

* Phân biệt theo chỉ tiêu cơ lý (trạng thái tự nhiên): Thông thường phân

biệt theo trạng thái tự nhiên và tính chất cơ lý như hàm lượng nước tự nhiên, nếu ở trạng thái tự nhiên độ ẩm gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, độ lún cao, có tính nén lún lớn, hệ số rỗng lớn (e >1), độ sệt lớn (B>1), có môđun biến dạng thấp (Eo < 50.102 kPa), góc nội ma sát từ 00

đến 100 và có sức kháng cắt nhỏ (<35kPa), dung trọng bé, hàm lượng nước trong đất cao và độ thoát nước kém

* Theo các tham số động lực học: thường đất yếu có tốc độ truyền sóng vs < 180 m/s Đất yếu được phân bố trải dài từ Bắc vào Nam, như khu vực Đồng bằng sông Cửu Long và nam bộ thuộc vùng châu thổ của hệ thống sông Cửu Long nên được bồi tích với nguồn gốc sông, đầm lầy, sông biển, vũng vịnh hổn hợp

15

Tầng trầm tích biến đổi khá lớn và phức tạp, chiều dày một vài mét đến trăm mét tùy thuộc vào từng khu vực [12]

1.4 Công trình ngầm đô thị, hiện trạng và xu hướng phát triển tại Việt nam

Hiện nay ở Việt Nam có tới 747 đô thị với tỷ lệ đô thị hóa là 30,5% và dự báo còn phát triển mạnh hơn rất nhiều trong thời gian tới Ở các đô thị lớn như

Hà Nội và TP HCM, do tốc độ phát triển nóng, quỹ đất bề mặt gần như đã ở tình trạng cạn kiệt, các không gian xanh, công trình công cộng ngày càng bị thu hẹp

Để phát triển công trình ngầm cũng đòi hỏi phải có những bước đột phá Quy hoạch dưới lòng đất rất phức tạp bởi ngoài chuyện phải sử dụng kỹ thuật hiện đại của nhiều chuyên ngành như: địa chất, thủy văn, xây dựng, văn hóa, lịch sử… còn phải có nguồn lực tài chính lớn và quan trọng nhất là tầm nhìn quy hoạch

Ở tầm vĩ mô và xu hướng phát triển công trình ngầm như hiện nay, Nhà nước và các bộ, ngành cần có chiến lược tổng thể, quy hoạch một cách bài bản nhằm tạo điều kiện cho việc phát triển không gian ngầm trong tương lai, đặc biệt tại các đô thị lớn có kế hoạch hợp lý trong đầu tư, khai thác không gian ngầm phục vụ hài hòa cho các mục đích phát triển đô thị Việc quy hoạch, thiết kế công trình ngầm phải được tính toán hợp lý như khi đấu nối vào các đầu mối giao thông, đồng thời tạo ra sự tiện dụng nhất trong việc kết nối các chức năng khác, kết cấu công trình ngầm phù hợp với địa chất của từng vùng cũng như các tải trọng tác động lên công trình ngầm ở những vùng có khả năng xảy ra động đất, đặc biệt vùng đất yếu

Trong các năm vừa qua, quá trình phát triển ở các đô thị lớn như Hà Nội

và TP Hồ Chí Minh tạo ra một áp lực lớn đối với cơ sở hạ tầng giao thông đô thị Từ đây có nhiều giải pháp đã được nghiên cứu đưa vào áp dụng và thực hiện Điển hình là Hà Nội và TP HCM đã quy hoạch xây dựng mạng lưới đường sắt đô thị hiện đại kết hợp với nhiều giải pháp khác

16

Hệ thống metro Hà Nội được quy hoạch gồm 6 tuyến với lưu lượng vận chuyển khoảng 10~15 vạn khách/ngày trong giai đoạn đầu và 40~45 vạn khách/ngày trong giai đoạn sau [14] Dự kiến xây dựng các tuyến vành đai và hướng xuyên tâm với mục đích giải quyết giảm ùn tắc Quy hoạch giao thông

Hà Nội với 8 tuyến đường sắt đô thị, 6 tuyến đường ô tô, 9 tuyến đường bộ trên cao đã được phê duyệt

Mặt bằng quy hoạch tổng thể hệ thống giao thông đô thị thành phố Hà Nội thể hiện theo Hình 1 - 13 và chi tiết theo Bảng 1 3

Hình 1 - 13 Bản đồ quy hoạch các tuyến metro ở Hà Nội [14], [18] Bảng 1 3 Bảng thống kê các tuyến metro ngầm và nổi ở Hà Nội [16],[18]

1 Tuyến 1 Ngọc Hồi – Yên Viên 38,7 km

2 Tuyến 2 Nội Bài – Thượng Đình 35,2 km

3 Tuyến 2a Cát Linh – Hà Đông 14,0 km

4 Tuyến 3 Trôi - Nhổn – Yên Sở 21,0 km

5 Tuyến 4 Liên Hà – Bắc Thăng Long 53,1 km

6 Tuyến 5 Nam Hồ Tây – Hòa Lạc (Cổ Loa-An Khánh) 34,5 km

17

7 Tuyến 6 Nội Bài – Ngọc Hồi 47,0 km

8 Tuyến 7 Mê Linh – Ngọc Hồi 35,0 km

9 Tuyến 8 Cổ Nhuế – Trâu Quỳ 28,0 km Mạng lưới metro đô thị TP HCM [17] theo quy hoạch có 6 tuyến với tổng chiều dài 107 km, cùng với ba tuyến metro trên mặt đất và monorail có tổng chiều dài 35km nhằm mục tiêu thay thế 25% lượng xe gắn máy lưu thông trên đường vào giai đoạn cuối 2020 sẽ giảm một nửa lượng xe gắn máy lưu thông trên đường Năng lực chuyên chở ước tính trong điều kiện chạy 5 phút/chuyến tàu 5-6 toa là 1,644 triệu lượt hành khách/năm [17]

Hình 1 - 14 Bản đồ quy hoạch các tuyến metro ở TP HCM [17]

Hiện tại tuyến số 1 có điểm đầu ga là khu vực vòng xoay Quách Thị Trang và điểm cuối bến xe quận 9, tổng chiều dài 19,7 km, trong đó có 2,6 km

đi ngầm và 17,1 km đi trên cao đang được xây dựng Các đoạn ngầm được xây dựng trong phần đất yếu TP Hà nội và TP Hồ Chí Minh là khu vực có nền đất

18

yếu, tuy không nằm trong vùng có hoạt động động đất mạnh tuy nhiên nguy cơ

về động đất vẩn tồn tại, nếu xảy ra động đất thì thiệt hại sẽ lớn hơn rất nhiều lần so với thiên tai như bão lũ Chính vậy, việc nghiên cứu các công trình công trình ngầm chịu tác động động đất trong nền đất yếu là cần thiết

1.5 Tổng quan về các phương pháp tính toán công trình ngầm chịu tác động động đất

Hiện nay, khi thiết kế xây dựng công trình ngầm trong các vùng có động đất thường dựa trên ba phương pháp tính toán, mỗi phương pháp đều có ưu khuyết điểm, cụ thể

- Nhóm phương pháp giải tích;

- Nhóm phương pháp áp đặt biến dạng của nền đất bị tác động của động

đất vào biên (Imposed Seismic Ground Deformation - ISGD);

- Phương pháp dựa vào giản đồ gia tốc nền, nghĩa là tích phân trực tiếp phương trình chuyển động hay còn gọi là phương pháp động lực học

1.5.1 Nhóm phương pháp giải tích [40], [52]

Nhóm phương pháp này tính toán kết cấu tiếp xúc với môi trường nền được tách ra tính toán độc lập, kết cấu trực tiếp chịu tải trọng, xem như đặt trên các liên kết cứng Sau đó tiến hành tính toán các trạng thái ứng suất, chuyển vị, biến dạng của kết cấu và phản lực của các liên kết Tiếp tục đặt các phản lực lên nền xem như tải trọng tính toán cho nền Nhóm phương pháp giải tích có 2 phương pháp:

1.5.1.1 Phương pháp tĩnh tải tương đương

Phương pháp này mô tả lực của động đất hoạt động dưới dạng tải trọng tĩnh tương đương với giá trị trung bình đặt tương ứng với chiều sâu hầm và các tải trọng động khác qui đổi dưới dạng tĩnh tương đương như mô tả Hình 1 - 15 Phương pháp này chưa đánh giá sự làm việc thực tế của hệ kết cấu chịu tải trọng động đất biến đổi theo thời gian

xạ của sóng tại biên các lớp đất vì quy đổi về một lớp đàn hồi, đồng nhất và đẳng hướng nên phương pháp này chủ yếu sử dụng trong việc ước tính sơ bộ với mức sai số chấp nhận được

1.5.2 Phương pháp áp đặt biến dạng của đất nền chịu tác động của động đất vào biên (Imposed Seismic Ground Deformation - ISGD) [32], [43]

1.5.2.1 Phương pháp dùng lò xo thay thế tương tác của kết cấu – môi trường

Năm 1984, Hamada [32] dùng lò xo thay thế tương tác của kết cấu – môi trường Ưu điểm của phương pháp này là mô phỏng dể dàng và tính toán đơn giản (Hình 1 - 16)

T/lượng kết cấu +lực quán tính T/lượng kết cấu+lực quán tính

20

Hình 1 - 16 Sơ đồ tính dùng các lò xo thay thế tương tác của kết cấu với

môi trường [32]

1.5.2.2 Phương pháp áp đặt biến dạng “trường tự do“ của nền vào biên

Phương pháp này đặt biến dạng cực đại “trường tự do“ (max) của nền đất vào miền biên của miền khảo sát để xác định biến dạng trượt của kết cấu hầm thông qua phương pháp phần tử hữu hạn nên không cần thiết xác định và thiết lập các lo xo thay thế đất nền xung quanh

Để xác định biến dạng trượt cực đại của trường tự do (max) có thể sử dụng theo công thức đơn giản cho trường hợp nền đồng nhất và thông qua phương pháp số cho trường hợp nền nhiều lớp phức tạp Sau đó đặt chuyển vị tương đối (diff ) thu được vào miền biên ngoài của mô hình FEM thể hiện đất xung quanh hầm Đất xung quanh được mô hình hóa bằng các phần tử hữu hạn

để nghiên cứu sự ổn định với tác động động đất của đất xung quanh cũng như kết cấu hầm Mô hình có thể mô tả như Hình 1 - 17

ứng suất cắt của địa chấn

ứng suất cắt của địa chấn

Hình 1 - 18 Sơ đồ tính hầm chịu động đất theo giản đồ gia tốc nền

Một số phương pháp được sử dụng phổ biến nhất khi nghiên cứu bài toán truyền sóng như phương pháp sai phân hữu hạn (FDM), phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), phương pháp phần tử biên (BEM) và các biến thể khác nhau của các phương pháp đó

Ở Việt Nam, vấn đề nghiên cứu tương tác kết cấu với môi trường chịu các tác động của tải trọng động đang rất được quan tâm, nhưng so với thế giới còn nhiều hạn chế do nhu cầu và trình độ phát triển của đất nước Trong đó, vấn đề tương tác giữa công trình ngầm – môi trường nền đất dưới tác động của các loại tải trọng động xuất phát từ bên ngoài hầm đang được nghiên cứu và thực hiện một cách có hệ thống và đã đạt được nhiều kết quả như: nghiên cứu tương tác giữa kết cấu hầm công sự và nền đất dưới tác dụng của tải trọng bom đạn có xét đến tính phi tuyến của nền của Nguyễn Trí Tá [10], tác giả đã tính toán sử dụng mô hình mũ cho nền và xây dựng thành công chương trình tính toán nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số nền, tham số tải trọng nổ đến ứng

xử động của kết cấu hầm công sự Nghiên cứu tương tác động lực học phi tuyến của kết cấu và nền biến dạng của Nguyễn Tương Lai [5] đã nghiên cứu tính toán tương tác của kết cấu công trình và nền biến dạng có xét tính phi tuyến của môi trường dưới tác dụng của tải trọng điều hòa đơn giản Ngoài ra còn có

Võ Thanh Lương nghiên cứu kết cấu thanh chịu tác dụng động đất có kể đến tính dẻo của vật liệu v.v và một số nghiên cứu khác thuộc Học viện Kỹ thuật Quân

sự Trong lĩnh vực tính toán công trình ngầm chịu động đất nhóm nghiên cứu của GS.TS Nguyễn Quang Phích đã công bố hiện trạng nghiên cứu thiết kế công

23

trình ngầm có xét đến động đất [9] Các nghiên cứu nêu trên đã đạt được những kết quả mới, ứng dụng trong tính toán thiết kế, thi công các công trình ngầm và từng bước hoàn thiện phương pháp tính toán với điều kiện thực tế của Việt Nam Nghiên cứu tương tác của công trình ngầm chịu tác động động đất trong nền đất yếu ở Việt Nam còn rất mới do vậy tác giả tiếp tục nghiên cứu

1.6 Các kết quả đạt được của các công trình nghiên cứu đã công bố

Từ các kết quả nghiên cứu tổng quan về tính toán công trình ngầm chịu động đất trong đất yếu và những kết quả nghiên cứu trước đây của các nhà khoa học, có thể rút ra nhận xét như sau:

- Trên thế giới phương pháp tính toán công trình ngầm chịu động đất như phương pháp giải tích, tựa tĩnh, phương pháp số đã được nghiên cứu và áp dụng vào thực tiễn Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng riêng

- Nhiều nghiên cứu xem môi trường đất là một lớp với các tham số nền được tính toán là trung bình của các lớp hoặc nhiều lớp đàn hồi tuyến tính Điều này chưa sát thực tế vì nền đất là môi trường rời rạc có nhiều lớp và mỗi lớp

có các thông số khác nhau Chính vì vậy việc quy đổi về 1 lớp trung bình khi đặc tính các lớp đất khác nhau nhiều sẽ dẫn đến kết quả chưa phù hợp

- Tải trọng động của động đất biến thiên theo thời gian nên rất phức tạp và

bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố liên quan

- Các nghiên cứu trước đây phần lớn tiến hành tính toán cho các dạng công trình trong khu vực có môi trường nền đất khá tốt đến tốt như đất trung bình

và nền đất đá Vì vậy việc áp dụng vào điều kiện đất yếu đô thị Việt Nam

sẽ không phù hợp, và đồng thời cũng chưa nghiên cứu sự ảnh hưởng của các tham số của đất yếu đến kết cấu công trình chịu động đất