Tính toán kết cấu cống ngầm có kể tới tải trọng động đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Trên thế giới hiện nay có nhiều quan niệm, tiêu chuẩn quy định tính toán về động đất tác động đến công trình khác nhau. Việc xem xét tính toán cho công trình nếu không phù hợp với thực tế làm việc của công trình sẽ là nguyên nhân gây biến dạng, nứt, phá huỷ công trình. Động đất tác dụng lên công trình là một vấn đề hết sức phức tạp, nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Sóng gia tốc động đất, địa chất nền, hình dạng công trình... Nó khó có thể xác định chính xác được về cường độ, và thời gian xảy ra động đất mà tất cả chỉ là dự báo. Vì vây động đất luôn là mối nguy hiểm đối với các công trình xây dựng. Hậu quả của động đất để lại là rất nặng nề về người và vật chất, để khắc phục hậu quả sau trận động đất phải trong thời gian rất dài. Vì vậy việc thiết kế các công trình nằm trong vùng động đất cần phải nghiên cứu, phân tích đúng đắn để đảm bảo an toàn cho công trình. Khi nghiên cứu tính toán kết cấu một công trình thường chỉ tính toán cho từng cấu kiện nhỏ và tải trọng tác động lên công trình khi xét đến trường hợp có tải trọng động đất thì các tải trọng này chỉ được nhân với các hệ số an toàn “n” để tính toán. Để giải quyết vấn đề trên, trong phạm vi nghiên cứu của luận văn sẽ mô hình hoá cả công trình và các tải trọng tác động lên công trình được sát với thực tế điều kiện làm việc của công trình bằng phương pháp phần tử hữu hạn nhằm giải quyết các vấn đề sau: Về tải trọng tác động: gồm tất cả các lực tác động lên công trình đặc biệt lựa chọn tải trọng động đất để tính tải trọng động. Về mặt hình học: mô tả tổng thể công trình nên xem xét được tương tác giữa các cấu kiện. Về ứng suất biến dạng: phân tích ứng suất và biến dạng cho tất cả các cấu kiện và tổng thể công trình.

Tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và các anh chị đồng nghiệp

đã nhiệt tình trao đổi, đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho luận văn này.

Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Giáo sư, Tiến sĩ Phạm Ngọc Khánh giảng viên trường đại học Thuỷ lợi Hà Nội, là người trực tiếp hướng dẫn tác giả đã tận tình giúp đỡ và cung cấp các thông tin khoa học cần thiết cho luận văn.

Hà Nội, tháng 5 năm 2010

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Cống ngầm đã được sử dụng rất phổ biến và phát triển ngày càng hiện đại Cống ngầm được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau như thủy lợi, thủy điện, cơ

sở hạ tầng đô thị và các công trình có chức năng đặc biệt

Khác với những kết cấu trên mặt đất chỉ có móng chịu tác dụng tương hỗ với đất nền, cống ngầm làm việc trong điều kiện đất bao bọc xung quanh Đất vừa là môi trường nền cống tựa lên, vừa là môi trường áp lực của tải trọng (xe cộ) từ trên mặt đất truyền xuống Môi trường này biến dạng cùng với ống dẫn nên các áp lực từ đất đắp tác dụng vào cống phụ thuộc vào chiều sâu cột đất tác dụng, tính chất cơ lý của đất,

độ cứng của cống, cách tựa cũng như cách đặt cống trên nền Vì vậy cống ngầm chịu tác dụng của trọng lượng bản thân, áp lực đất, áp lực nước trong và ngoài cống, các tải trọng từ trên mặt đất truyền xuống, các tác dụng nhiệt và động đất… Việc tính toán kết cấu cống ngầm để xác định hình dạng kết cấu công trình đảm bảo an toàn ổn định trong quá trình vận hành là cần thiết và có tính ứng dụng thực tế cao

Gần đây sự xuất hiện của động đất xảy ra thường nhật hơn Tuy nhiên những nghiên cứu về ảnh hưởng của động đất đến ứng suất và biến dạng của cống ngầm còn chưa nhiều Việc áp dụng các quy trình tiêu chuẩn dựa trên nguyên tắc chống động đất còn chưa được xem xét đầy đủ

Vì vậy việc “Tính toán kết cấu cống ngầm có kể tới tải trọng động đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn” là cần thiết và bức xúc nhằm giải quyết các tồn tại hiện nay trong công tác nghiên cứu thiết kế cống ngầm ở khu vực có động đất

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Trên thế giới hiện nay có nhiều quan niệm, tiêu chuẩn quy định tính toán về động đất tác động đến công trình khác nhau Việc xem xét tính toán cho công trình nếu không phù hợp với thực tế làm việc của công trình sẽ là nguyên nhân gây biến dạng, nứt, phá huỷ công trình Động đất tác dụng lên công trình là một vấn đề hết sức phức tạp, nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Sóng gia tốc động đất, địa chất nền, hình dạng công trình Nó khó có thể xác định chính xác được về cường độ, và thời

gian xảy ra động đất mà tất cả chỉ là dự báo Vì vây động đất luôn là mối nguy hiểm đối với các công trình xây dựng Hậu quả của động đất để lại là rất nặng nề về người và vật chất, để khắc phục hậu quả sau trận động đất phải trong thời gian rất dài Vì vậy việc thiết kế các công trình nằm trong vùng động đất cần phải nghiên cứu, phân tích đúng đắn để đảm bảo an toàn cho công trình.

Khi nghiên cứu tính toán kết cấu một công trình thường chỉ tính toán cho từng cấu kiện nhỏ và tải trọng tác động lên công trình khi xét đến trường hợp có tải trọng động đất thì các tải trọng này chỉ được nhân với các hệ số an toàn “n” để tính toán Để giải quyết vấn đề trên, trong phạm vi nghiên cứu của luận văn sẽ mô hình hoá cả công trình và các tải trọng tác động lên công trình được sát với thực tế điều kiện làm việc của công trình bằng phương pháp phần tử hữu hạn nhằm giải quyết các vấn đề sau:

- Về tải trọng tác động: gồm tất cả các lực tác động lên công trình đặc biệt lựa chọn tải trọng động đất để tính tải trọng động

- Về mặt hình học: mô tả tổng thể công trình nên xem xét được tương tác giữa các cấu kiện

- Về ứng suất biến dạng: phân tích ứng suất và biến dạng cho tất cả các cấu kiện và tổng thể công trình

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Cống ngầm nói chung và cống qua đê nói riêng (cống ngầm có áp) dưới tác dụng của tải trọng động đất

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Tổng quan các nghiên cứu về động đất nói chung, xem xét đánh giá các phương pháp hiện hành tính toán các tải trọng tác động lên công trình khi có tải trọng động đất

- Sử dụng phương pháp lý thuyết và sử dụng phần mềm tính toán để tiến hành giải các phương trình động học bằng phương pháp số Trong luận văn này dùng phương pháp PTHH, sử dụng phần mềm Sap 2000 Version 12.0.0 mô hình hoá không gian cả kết cấu công trình để giải

- Áp dụng tính toán vào thực tiễn, đề xuất một số giải pháp chống động đất cho công trình.

5 KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC

- Nắm vững phương pháp tính toán kết cấu cống ngầm khi có xét tới tải trọng động đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn

- Rút ra những nhận xét về ảnh hưởng của động đất đến ứng suất và biến dạng của cống ngầm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CỐNG DƯỚI ĐÊ - TÌNH HÌNH ĐỘNG ĐẤT

TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM1.1 TỔNG QUAN VỀ CỐNG DƯỚI ĐÊ [ ]

Nước ta có hơn 3.200 km đê biển, 5.000 km đê sông và hàng ngàn cống dưới

đê Các cống dưới đê có vai trò rất quan trọng trong sự phát triển kinh tế xã hội và có liên quan đặc biết đến an toàn tính mạng và tài sản của hàng triệu dân cư Theo thống

kê chỉ với hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình tổng số đã có 1102 cống (Bảng 1.1)

Bảng 1.1: Cống dưới đê của các tỉnh, thành phố thuộc hệ thống

sông Hồng và sông Thái Bình

1.1.2 Phân loại cống

Theo điều kiện làm việc có thể phân thành 2 loại chính [7] sau đây:

- Cống điều tiết: Xây dựng trên sông để dâng cao đầu nước về mùa kiệt, đảm bảo đưa nước vào cống lấy nước Về mùa lũ mở cống để tháo nước Trên hệ thống kênh nhiều khi nếu cống đầu kênh đảm bảo lưu lượng cho toàn hệ thống thì quá lớn

Vì vậy trên tuyến kênh thường xây dựng một số cống khi đóng có tác dụng giữ và dâng cao đầu nước để tưới cho vùng thượng lưu, khi cần sẽ mở cống để cấp nước cho vùng hạ lưu hoặc có thể tiêu nước

- Cống tiêu: Dùng để tháo nước, chống úng cho một khu vực nhất định Trường hợp trên một hệ thống kênh có các trạm thuỷ điện hoặc cần tháo nước thừa

từ các xí nghiệp ra, người ta cũng dùng cống tiêu để thoát nước khi các nhu cầu khác không dùng lượng nước ấy

- Cống phân lũ: Dùng để tháo một phần lưu lượng về mùa lũ của một con sông đi theo hướng khác hoặc tập trung nước phân lũ này vào một vùng trũng để sau này, nhằm hạ thấp đỉnh lũ, tránh ngập lụt trong thời kỳ lũ lớn

- Cống ngăn triều: Xây dựng bên bờ của các đoạn sông gần biển chịu ảnh hưởng của thuỷ triều Ở một thời kỳ nhất định, khi thuỷ triều dâng làm nước sông ứ lại dâng cao, lúc đó mở cống lấy nước ngọt từ sông vào đồng phục vụ tưới Khi thuỷ triều rút là thời kỳ lợi dụng chân triều thấp nhất để tháo tiêu nước từ đồng ra Ngoài nhiệm vụ lấy nước tưới, ngăn mặn, cống có tác dụng thay đổi nước trong đồng nhằm thau chua rửa mặn cho đất

- Cống tháo cát: Để tháo rửa bùn cát lắng đọng phía trước công trình dâng và điều tiết nước

phÝa cÇu xe cò

c¾t däc khoang cèng

phÝa s«ng th¸i b×nh

Hình 1.1 : Cắt dọc cống lộ thiên 1.1.2.2 Cống ngầm

Là loại công trình đặt dưới đê, đập vật liệu địa phương, dùng vào việc tháo nước và dẫn nước Cống có các bộ phận chính: thân cống, bộ phận lấy nước, cửa vào, cửa ra (hình 1.2)

c¾t däc cèng

Hình 1.2 : Cắt dọc cống ngầm

Cống ngầm được chia làm các loại sau:

- Theo vật liệu xây dựng: Có các loại cống ngầm bằng sành, sứ, bê tông, bê tông cốt thép và ống kim loại Trong thực tế xây dựng sử dụng nhiều nhất là cống

bằng bê tông cốt thép và kim loại, chỉ trong trường hợp cột nước thấp, đường kính ống nhỏ mới sử dụng ống sành, ống bê tông.

- Theo hình dạng kết cấu: cống tròn (hình 1.3a), cống hộp (hình 1.3b), cống vòm (hình 1.3c)

70 450 70 590

1.1.3 Đặc điểm làm việc của cống dưới đê

Cống dưới đê là một công trình nhân tạo có đất đắp bên trên Cống không chỉ chịu tác dụng của đất đắp trên nó, trọng lượng bản thân, trọng lượng nước có trong cống, áp lực nước đáy móng….mà nó còn chịu tác dụng của tải trọng xe chạy trên đê

Cống dưới đê là loại kết cấu nằm khá sâu trong thân đê nên chế độ làm việc của nó rất phức tạp, khi thiết kế phải đảm bảo khả năng chịu lực, chống nứt, chống thấm Tuy cột nước tác dụng không lớn như cống dưới đập nhưng cống dưới đê

thường nằm trên nền mềm yếu nên dòng thấm quanh đáy và vòng quanh công trình

có khả năng gây mất ổn định Ở các chỗ phân đoạn của kết cấu cống đều bố trí khớp nối để đề phòng bị nứt gãy do lún không đều Với thân cống thường cứ 3 ÷ 5m hoặc

5 ÷ 10m phải làm một khớp nối, bố trí cụ thể ra sao phải căn cứ vào địa chất và kết cấu của thân cống Khi tính chất của đất thay đổi, chiều sâu chôn móng không giống nhau hoặc áp lực gây ra trên nền đất thay đổi nhiều, chỗ tiếp giáp giữa hai lớp đất đều phải bố trí khớp nối

Các cống dưới đê thuộc hệ thống sông chủ yếu là các cống đầu mối hệ thống, công tác quản lý đã tuân thủ nghiêm ngặt theo yêu cầu chống lũ, nhưng chưa chú ý đến nội dung quản lý kỹ thuật, chưa tuân thủ quy trình vận hành để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, chưa quan trắc thường xuyên lún, thấm, chưa có đánh giá và lập các căn cứ khoa học để bảo dưỡng, tu sửa

Các cống dưới đê thường chịu tải trọng phức tạp: Sự chênh lệch mực nước giữa mùa kiệt và mùa lũ trên đê khá lớn (trung bình dao động 5 ÷ 10m), ngay trong thời gian diễn ra một trận lũ ở cống đã chịu sự thay đổi của cột nước Các cống tiêu

tự chảy hoặc tưới tự chảy đáy thường đặt ở cao trình thấp, thường xuyên ngập nước Khi có lũ cống chịu tác động của cột nước cao dễ dẫn đến những sự cố do dòng thấm Một số cống sau bể xả của trạm bơm thường đặt trên nền cạn, chỉ khi về mùa

lũ hoặc những lúc cần bơm mới ngập nước, những cống này dễ có sự cố Mặt khác phía trong đồng bể hút được đào sâu tạo ra chênh lệch đầu nước khá lớn gây bất lợi cho nền cống về mặt ổn định thấm, trượt Lũ bão gây ra áp lực lớn đối với kết cấu phần trên như tường ngực, phần lấy nước của cống Do sự tôn cao mở rộng mặt cắt

đê nên có nhiều cống có sự tăng tải trọng phía trên, đáng chú ý là sự thay đổi phân

bố tải trọng theo phương dọc Một số cống còn có sự thay đổi tải trọng tác dụng do yêu cầu phát triển giao thông

1.1.4 Ảnh hưởng của cống dưới đê đến sự an toàn của đê

Sự làm việc không an toàn của cống dưới đê dẫn đến sự cố nghiêm trọng đối với đê Các sự cố thường xảy ra vào mùa lũ, gắn liền với sự dao động lên cao của mực nước sông, đây là trường hợp nguy hiểm

Khi có công trình (cống dưới đê) được xây dựng, trên nền đất thấm nước khi

có chênh lệch cột nước thượng – hạ lưu, sẽ xuất hiện dòng thấm ở nền, dưới đáy cống, đồng thời xuất hiện thấm thân đê tiếp giáp cống Nước thấm qua nền sẽ gây nên áp lực lên đáy công trình có phương thẳng góc với đáy, ta gọi là áp lực đẩy nổi,

áp lực đó làm giảm nhẹ công trình và làm giảm khả năng chống trượt của công trình Nước thấm cũng có thể gây nên phản ứng hóa học, làm hòa tan chất muối trong đất nền và hình thành nên xói ngầm hóa học Nước thấm lại có thể mang đi các hạt đất rất nhỏ về hạ lưu và dẫn đến xói ngầm cơ học Nếu tiếp diễn lâu, các hạt đất bị cuốn đi làm cho độ bền và độ ổn định của đất giảm tới mức nguy hiểm Hiện tượng xói ngầm không những làm giảm sức chịu tải của nền và gây ra lún không đều mà còn làm tăng lưu lượng thấm Tại chỗ ra của dòng thấm ở hạ lưu công trình, phương của dòng thấm hầu như thẳng đứng hướng từ dưới lên Gradient dòng thấm rất lớn có thể di đẩy cả khối đất dẫn đến vỡ đê

Đặc biệt đối với những cống dưới đê đã xây dựng lâu năm, cống có thể phải chịu tác dụng tăng thêm của tải trọng do đắp tôn cao mặt đê, do yêu cầu giao thông…kết cấu thân cống giảm cường độ, bị thủng, nứt, gãy… Tại vị trí kết cấu bị hỏng dòng chảy trong cống lôi đất hai bên mang cống gây ra xói cục bộ, kết hợp với dòng thấm trong thân đê, nền đê trong mùa lũ làm mất an toàn ổn định của đê

Lịch sử nước ta đã ghi nhận nhiều sự cố về cống dưới đê gây thiệt hại lớn về người và của Vì vậy tầm quan trọng của cống dưới đê và độ an toàn của cống luôn luôn là sự quan tâm của các cơ quan quản lý Đê từ Trung ương đến địa phương, của các cơ quan nghiên cứu và của nhiều nhà khoa học

1.1.5 Các hư hỏng phổ biến của cống dưới đê

1.1.5.1 Các hư hỏng của cống dưới đê

Cống dưới đê là hạng mục quan trọng trên hệ thống đê Lịch sử xây dựng các cống dưới đê gắn liền với quá trình nâng cấp đê phục vụ phát triển và bảo vệ sản xuất, tính mạng và tài sản của nhà nước, nhân dân Qua các tài liệu điều tra, những

hư hỏng, tồn tại của cống dưới đê thường gặp có thể tóm tắt như sau:

- Hư hỏng nền cống và đất mang cống: Nguyên nhân chủ yếu của hiện tượng này là do vùng nền đê yếu, tính phân lớp rõ ràng, một số vùng nền có tính thấm nước lớn, dòng thấm đi từ sông vào đồng Do khi thi công xây dựng cống đất đắp mang cống không đảm bảo yêu cầu kỹ thuật

- Hư hỏng bê tông thân cống: Nứt, gãy, giảm cường độ… Đây là loại hư hỏng điển hình và khó kiểm soát nhất Hiện nay vẫn chưa có nhứng giải pháp triệt

để khắc phục loại hư hỏng này Cần phải có những nghiên cứu nghiêm túc, chính xác nhằm đưa ra những biện pháp công trình cụ thể để sửa chữa những hư hỏng trong thân cống

- Hư hỏng phần nối tiếp trước và sau cống: Sân tiêu năng, tường cánh Nguyên nhân hư hỏng có thể nhận thấy qua khảo sát thực tế là chất lượng thi công rất kém hoặc do tính toán kiểm tra lại thiếu chính xác vì các số liệu đầu vào không đưa được một cách hoàn toàn chính xác (do vị trí hố khoan khảo sát địa chất nền không thể bố trí dày đặc, cũng tương tự đối với vị trí lấy mẫu trong một hố khoan không thể bố trí quá nhiều)

- Hư hỏng khớp nối: Đây là hiện tượng hư hỏng khá phổ biến của hầu hết các cống, nguyên nhân chính là do nền bị lún vì các cống hầu hết đặt trên nền mềm Chính do sử dụng vật liệu, kết cấu đơn giản, không phù hợp cũng là nguyên nhân làm cho khớp nối bị hư hỏng dẫn đến dò nước Qua khảo sát thực tế cho thấy các khe tiếp giáp giưuax vật chắn nước và bê tông không đảm bảo, cất lấp nhét hố khớp nối bằng nhựa đường nhanh bị lão hóa gây hở khớp nối

- Hư hỏng cửa cống: Rò rỉ, hỏng thiết bị đóng mở Do cửa cống làm việc với

sự dao động mức nước thường xuyên, liên tục nên chịu ảnh hưởng của các tác động

như song, môi trường thay đổi…Thiết bị đóng mở hiện nay chủ yếu là kiểu vít, là kiểu cố điển nhất, có nhược điểm là đóng mở rất chậm, làm cho việc lấy nước thiếu chủ động Vật liệu chế tạo cửa cống chất lượng thấp nên độ bền kém, han rỉ nhiều Doăng chắn nước thường xuyên hư hỏng Kết cấu cửa hiện nay rất đa dạng nhưng hầu hết trong cống dưới đê đều dùng loại cửa phẳng một lớp kiểu trượt, hình thức này cũng làm cho lực đóng mở tăng cửa van lên đáng kể

- Hư hỏng đoạn kênh dẫn vào, ra như bồi lấp, xói lở: Việc chọn tuyến chưa hợp lý dẫn đến dòng chảy vào cống không thuận lợi Trong quá trình khai thác, cống làm việc không đúng năng lực thiết kế như do diện tích tưới bị thu hẹp, nhu cầu cấp nước ít hơn, cống lại đặt dưới sâu nên vận tốc dòng chảy ở trong cống nhỏ hơn vận tốc không lắng của bùn cát Ngoài ra còn có nguyên nhân do mực nước sông dao động lớn giữa mùa lũ và mùa khô kéo theo lượng bùn cát rất cao Một nguyên nhân quan trọng khác là sạt lở bờ kênh bằng đất dẫn đến bản thân kênh bị bồi lắng nhiều kéo theo sự bồi lắng trong cống

Theo tài liệu điều tra cống dưới đê của hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình trong tổng số 885 cống dưới đê thì có 240 cống bị hư hỏng ở các mức độ khác nhau Các dạng hư hỏng của cống được thể hiện như bảng 1.2

Bảng 1.2: Tổng hợp phân loại các hư hỏng của cống dưới đê

hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình

STT Loại hư hỏng Số lượng

1.1.5.2 Đánh giá chung về nguyên nhân hư hỏng của cống dưới đê

1 Do khảo sát địa chất: Những tồn tại chủ yếu về khảo sát địa chất là:

- Chưa tiến hành khảo sát đã thiết kế thi công

- Tư liệu khảo sát không đầy đủ, không chính xác Khi khảo sát địa chất, khoảng cách các lỗ khoan quá lớn, chiều sâu lỗ khoan không đủ, không phản ánh một cách toàn diện và chính xác tình hình thực tế của nền

- Sức chịu tải của nền mà khảo sát cung cấp quá cao, khiến cho nền bị phá hoại cắt, gây nên nghiêng lệch

2 Do thiết kế: Những tồn tại chủ yếu về mặt thiết kế là:

- Xây dựng trên nền đất yếu hoặc hoàng thổ ướt, thiết kế chưa dùng các biện pháp cần thiết phù hợp, làm cho móng lún quá lớn

- Tính chất của đất nền không đều, tính cơ học vật lý của chúng chênh lệch nhau tương đối lớn, hoặc chiều dày của các lớp đất nền không như nhau, chênh lệch biến dạng nén lớn

- Tải trọng của kết cấu bên trên công trình chênh lệch nhau làm cho lún không đều

- Độ cứng toàn khối của công trình kém

- Thiết kế dập khuôn, không dựa vào điều kiện thực tế: Vì điều kiện địa chất công trình ở các nơi khác nhau rất xa, rất phức tạp, dù ở cùng một địa điểm cũng không giống nhau Vì vậy rất khó tìm được một ví dụ hoàn toàn giống nhau, cũng không thể làm được một bản vẽ điển hình cho tất cả các hiện tượng Chính vì thế, dẫn đến tiến hành thiết kế nền móng một cách mù quáng, hoặc sao chép một cách cứng nhắc sẽ không tránh khỏi thất bại

- Tính toán thiết kế sai, tải trọng không chính xác, kết cấu chống thấm chưa đạt yêu cầu, không phù hợp với điều kiện địa chất: loại sự cố này phần lớn do người

thiết kế không đủ trình độ thiết kế tương ứng, thiết kế lại không được qua kiểm tra thẩm định tương ứng.

3 Do thi công:

- Do thi công bê tông không đúng quy trình, vật liệu không đảm bảo chất lượng, không đảm bảo cường độ thiết kế

- Do đất đắp mang cống không đạt dung trọng, độ dính bám giữa đất đắp với

bề mặt bê tông không đảm bảo

- Thi công thiết bị chống thấm không đảm bảo sự làm việc như mong muốn của thiết kế

- Khi thi công làm xáo trộn hoặc phá hoại kết cấu đất của lớp nền đỡ móng, làm giảm cường độ chống cắt

- Không thi công đầy đủ như bản vẽ, không thi công đúng theo yêu cầu của quy trình thao tác kỹ thuật, quản lý thi công không tốt

Ngoài ra còn có rất nhiều nguyên nhân khác dẫn đến hư hỏng các cống dưới

đê Những thiếu sót trong quá trình thiết kế, xây dựng công trình ảnh hưởng xấu đến

an toàn công trình Đặc biệt, khi cống có sự cố như nứt gãy bê tông thân cống, hư hỏng khớp nối…, nếu các sự cố này kéo dài sẽ gây nên những khuyết tật trong thân

đê tạo nên khả năng mất an toàn cho công trình

1.2 CÁC BỘ PHẬN CỦA CỐNG QUA ĐÊ

1.2.1 Bộ phận cửa vào, cửa ra

Hai bộ phận này có tác dụng nối tiếp thân cống với mái đê và hướng dòng chảy vào ra được thuận

Cửa vào của cống qua đê (cống ngầm có áp) sử dụng các hình thức thẳng, lượn cong dạng tròn hoặc elip

Để dòng chảy vào ra được thuận lợi và sự phân bố lưu tốc đều đặn ở cửa vào hoặc cửa ra, thường bố trí tường hướng dòng theo hình thức mở rộng dần (hình 1.5) Góc chụm của hai tường hướng dòng ở cửa vào thường lấy khoảng 18o ÷ 23o Góc chụm ở cửa ra khoảng 8o ÷ 12o Cấu tạo cửa ra thường kết hợp với việc bố trí các thiết bị tiêu năng

4 2

1

4

3

b) a)

c)

Hình 1.6: Khe nối giữa các đoạn cống

1 Bao tải tẩm nhựa đường; 2 Dây thừng tẩm nhựa đường;

3 Nhựa đường; 4 Tấm kim loại

1.3 MỘT SỐ HÌNH ẢNH CỦA CỐNG QUA ĐÊ ĐÃ ĐƯỢC XÂY DỰNG

Hình 1.7: Cống tiêu Trại Nứa (huyện Quốc Oai) 2 cửa (1,8 x 1,5m)

Hình 1.8: Cống Thống Nhất (huyện Quảng Xương, Thanh Hóa)

3 cửa (2,5 x 2,5m)

Hình 1.9: Cống Bara-Quỳnh Thuận (Nghệ An) 1 cửa (1,6 x 2m)

Hình 1.10: Cống Xuân Phương (huyện Quảng Xương, Thanh Hóa)

1 cửa 2,5 m + 2 cửa 1,2 m

Hình 1.11: Cống Mộc Nam (tỉnh Hà Nam) 3 cửa (1,5x2,8)m

Hình 1.12: Cống Vũ Xá (huyện Lý Nhai, Hà Nam) 3 cửa (1,05x1,2m)

Hình 1.13: Cống tiêu trạm bơm Đào Xá (huyện Phú Xuyên, Hà Nội)

xa, thậm chí tại Matxcơva cũng bị rung động với cường độ động đất cấp 4(MSK 64) Trong năm 1999 tổng cộng 22.110 người chết do động đất, năm 2001 số người chết lên đến 21.357 người Không thể không nhắc tới trận động đất mạnh gần đây làm kinh hoàng cả thế giới là trận động đất kèm theo sóng thần ngày 26/12/2004 ở

bờ biển phía Tây Bắc của Sumatra(Indonesia) mạnh 9.0 richter, sâu 30 km, làm chết hơn 283.100 người, 14.100 người mất tích, 1.126.900 người mất nhà cửa v.v… Đây được xem là trận động đất lớn thứ 4 tính từ năm 1900 và là trận động đất lớn nhất tính từ năm 1964 Một trận động đất mạnh khác vừa mới xảy ra cách đây ít lâu, ngày 28/3/2005 cũng tại phía Sumatra(Indonesia) mạnh 8,7 độ richter làm chết

1313 người Và gần đây nhất là 2 trận động đất lớn xảy ra tại Haiti ngày 13/1/2010 mạnh 7 độ richter làm chết 200.000 người (hình 1.14) và trận động đất xảy ra tại Chile 8,8 độ richter làm chết hơn 300 người (hình 1.15)

Theo số liệu thống kê gần đây, nơi có nhiều động đất nhất là vành đai động đất Thái Bình Dương (chiếm khoảng 75%), sau đó là vành đai Địa Trung Hải, Hymalia, biển Đông, Inđônêxia, Philipin (chiếm khoảng 23%) và còn khoảng 2% xảy ra ở các nơi khác trên đất liền Ở Liên Xô cũ có hơn 13% đất đai nằm trong vùng có động đất từ cấp 7 đến cấp 12

Châu Á là nơi hay xảy ra động đất, trận động đất ở Islamabad ngày 8/10/2005 với cường độ 7,6 độ richter đã huỷ hoại cả một vùng rộng lớn trên lãnh thổ Pakistan, Afghanistan và Ấn Độ Các nước khác trong khu vực Châu Á cũng từng chịu các trận động đất huỷ diệt như ở Iran, Thổ Nhĩ Kỳ, Indonesia Nguyên nhân của loại động đất này là do quá trình xô húc giữa các mảng thạch quyển Một mảng chúc xuống và húc vào mảng khác Tại mảng bị húc, xảy ra quá trình hình thành các dãy núi, ở đây là các dãy Hindu Kusk, Karakoram và Himalaya

Theo chiều sâu (từ mặt đất vào tâm), trái đất bị phân chia thành nhiều lớp, trên cùng là vỏ trái đất với bề dày trung bình 40 km, kế đến là lớp manti trên phát triển ở độ sâu trung bình 40-900 km Trong lớp manti này lại phân làm hai phần, lớp trên cứng và lớp dưới mềm (quyển mềm) Vỏ trái đất và phần Manti cứng ở trên hợp thành lớp giữa thạch quyển Các bộ phận của thạch quyển chuyển động theo các hướng khác nhau và bị phân cắt thành các yếu tố riêng biệt mà người ta gọi là mảng kiến tạo Các mảng kiến tạo này chuyển động (trôi) trên quyển mềm

Hình 1.14: Hình ảnh sau trận động đất ở Haiti năm 2010

Hình 1.15: Hình ảnh sau trận động đất ở Chile năm 2010

Ở Nam Á và Đông Nam Á phát triển ranh giới tiếp xúc của 3 mảng: Mảng

Âu - Á, mảng Ấn - Australia và mảng Thái Bình Dương, với hai kiểu là đới hút chìm và đới đụng độ Ở ranh giới tiếp xúc này xảy ra quá trình một bộ phận của mảng này chúc chìm xuống dưới mảng kia, gây ra một quá trình nén ép cực mạnh,

khi đạt đến ngưỡng tới hạn sẽ gây ra các hiện tượng động đất, núi lửa, sóng thần

Độ sâu của tâm động đất có thể từ 60-70 km đến 100-120 km Động đất ở Nam Á

và Đông Nam Á bị chi phối bởi quá trình đụng độ và hút chìm này Động đất mạnh

ở Nam Á đã và sẽ còn xảy ra

Số liệu đo vận tốc va chạm của các mảng cho thấy khả năng xảy ra ngày một mạnh lên, chưa có biểu hiện gì của sự ngừng nghỉ Cường độ động đất trong các thập kỷ vừa qua dường như chỉ ra rằng, đới động đất ở Tây Nam Á (khu vực Hindu Kush) mạnh hơn đới phía Đông (khu vực Himalaya)

Bảng 1.3: Thống kê các trận động đất lớn gần đây trên thế giới

Ngày/tháng/năm Nước bị động đất Magnitude Số người chết

6,2M7,6M7,7M7,9M7,7M6,2M6,8M9,0M8,7M7,8M

1.88517.1182.29710320.0051.0002.000283.1001.31378.000

1.4.2 Tình hình động đất ở Việt Nam

Tại Việt Nam, động đất tập trung ở phía Đông Bắc trũng Hà Nội, dọc theo Sông Hồng, sông Chảy, sông Đà, sông Mã, sông Cả, ven biển Nam Trung bộ Trước năm 1930 thì ở Việt Nam chưa có các thiết bị quan trắc và cũng ít quan tâm, thống kê đến các trận động đất vì vậy không có số liệu về động đất

Trong lịch sử từ năm 114 đến năm 2003 Việt Nam đã ghi nhận được 1645 trận động đất mạnh từ 3,5 độ Richter trở lên Đó là trận động đất cấp 8 xảy ra vào năm 114 ở bắc Đồng Hới, các trận động đất cấp 7, cấp 8 xảy ra ở Hà Nội vào các năm 1277, 1278, 1285 ; động đất cấp 8 ở khu vực Yên Định - Vĩnh Lộc - Nho Quan vào năm 1635 ; động đất cấp 8 vào năm 1821 ở Nghệ An, cấp 7 ở Phan Thiết vào

các năm 1882, 1887… Trận động đất lớn nhất ở Việt Nam trong vòng 100 năm qua

là trận động đất 6,8 độ Richter ở Tây Nam - Điện Biên Phủ vào năm 1935 với cấp động đất bề mặt là 8÷9 Tiếp theo là trận động đất 6,7 độ Richter ở Tuần Giáo năm

1983 làm nhiều nhà sụp đổ

Bảng 1.4: Thống kê các trận động đất ở Việt Nam

chết 18 người

làm chết 61 người

2001 Biên giới Việt - Lào 5,3

Đáng lưu ý, qua nghiên cứu các nhà khoa học đã phát hiện Thủ đô Hà nội nằm trong vùng đứt gãy sông Hồng - sông Chảy, nơi xảy ra các trận động đất mạnh 5,1÷5,5 độ Richter Chu kỳ lặp lại động đất mạnh 5,4 độ Richter ở Hà nội là 1100 năm và trận động đất mạnh cuối cùng xảy ra cách đây đã hơn 700 năm (1285) Hiện

Hà Nội đang trong thời kỳ yên tĩnh nhưng trong tương lai hoạt động động đất có thể tăng lên và động đất có thể xảy ra Ngoài ra, Hà Nội còn phải chịu tác động của động đất mạnh xảy ra ở những vùng đứt gãy lân cận như đứt gãy sông Lô, Đông Triều, Sơn La…

Một kiểu động đất ở Việt Nam là tiếp nhận năng lượng từ vận động dồn mảng giữa mảng Ấn Độ Dương (có phần Đại Dương và phần tiểu lục địa Ấn Độ) xô vào mảng châu Á Các nhà địa chấn học theo thuyết "kiến tạo mảng" đã chứng minh rằng hầu hết biến động của lục địa châu Á ngày nay có liên quan đến hành vi của đới ranh giới giữa hai mảng thạch quyển nói trên Đới này có hình vòng cung từ nơi tiếp giáp giữa tiểu lục địa Ấn Độ với dãy Himalaya, vòng xuống vùng biển phái Tây bán đảo Mã Lai rồi chạy xuống biển phía Tây Nam các đảo Sumatra và Java của Indonesia, là nơi xảy ra động đất Aceh tạo ra thảm hoạ sóng thần ở Ấn Độ Dương vừa qua Vì mối liên hệ này, các biến vị nội lục địa ở châu Á luôn gắn liền nhưng xảy ra muộn hơn các biến vị của đới ranh giới mảnh nói trên Nên sau động đất

Aceh, đã xảy ra dồn dập các động đất yếu hơn, muộn hơn và phân tán trên lãnh thổ Việt Nam Thời gian lan truyền và giải toả năng lượng này còn tiếp diễn và động đất còn có thể xuất hiện ở nước ta trong thời gian tới.

Nghiên cứu địa chấn và địa vật lý cho thấy ở Việt Nam có 23 đứt gãy sâu có tiềm năng động đất lớn nhất, 22 trong số đó nằm trên đất liền, 1 nằm ở ngoài biển, tạo ra sườn lục địa của Biển Đông Trên mặt địa hình, các đứt gãy sâu này có dạng tuyến thẳng, trùng với các dải thung lũng phân chia các dãy núi cao và thường có các dòng sông Vì vậy phần lớn các đứt gãy sinh động ở Việt Nam đều mang tên sông như đới động đất sông Hồng, sông Chảy, sông Mã, sông Đà, Hà Tĩnh và một

số đới ở Miền Nam

Vùng Tây Bắc là nơi xảy ra động đất nhiều nhất ở Việt Nam Đứt gãy Điện Biên - Lai Châu và Điện Biên - Sơn La có thể gây ra động đất nguy hiểm nhất Việt nam Sau đó là đứt gãy sông Mã có thể gây ra động đất cấp 9 Đứt gãy sông Hồng

có thể gây ra động đất cấp 8 Các đứt gãy khác có thể gây ra động đất cấp 7 trở xuống Miền Nam nước ta là nơi có động đất yếu và ít gây hại

Dựa trên các tài liệu phân vùng động đất của trung tâm địa lý địa cầu thuộc viện khoa học Việt Nam những vùng có khả năng động đất mạnh có liên quan đến đặc điểm kiến tạo, mỗi vùng gắn liền với một đới đứt gãy sâu và các thông số địa chấn, cụ thể như sau:

- Vùng Đông Bắc trung Hà Nội : Cấp 7

- Vùng Sông Hồng, Sông Chảy : Cấp 7-8

1.4.3 Nguyên nhân gây ra động đất

Động đất là kết quả của sự gãy đột ngột và sự chuyển dịch ngang của các lớp đất đá trong vỏ trái đất ở độ sâu vài kilomet đến vài trăm kilomet

Nguyên nhân gây ra động đất là sự rung động đột ngột mạnh mẽ của vỏ trái đất do sự dịch chuyển của các mảnh thạch quyển hoặc các đứt gãy vỏ trái đất và được truyền qua những khoảng cách lớn dưới dạng các dao động đàn hồi Bất kỳ một trận động đất nào cũng toả ra năng lượng từ một nơi nhất định Động đất có nhiều nguyên nhân: nội sinh, ngoại sinh và nhân sinh

- Nội sinh: Liên quan đến vận động phun trào núi lửa, sự vận động kiến tạo của trái đất (95%) do sập đổ trần các hang động ngầm, do sự cọ xát của các mảng thạch quyển đại dương đang bị hút chìm xuống dưới một mảng khác, do hoạt động đứt gãy địa chấn bên trong các mảng lục địa

- Ngoại sinh: do thiên thạch va chạm vào trái đất, các vụ trượt lở đất đá với khối lượng lớn

- Nhân sinh: Các hoạt động làm thay đổi ứng suất đá gần bề mặt hoặc áp suất chất lỏng đặc biệt do các vụ thử hạt nhân ngầm dưới đất, các hoạt động xây dựng hồ chứa làm mất cân bằng trọng lực môi trường, do bơm hút nước ngầm khí đốt gây sụp đổ ngầm dưới đất

1.4.4 Khái niệm động đất và các thông số đo động đất

1.4.4.1 Chấn tâm, chấn tiêu

Nơi phát sinh ra dịch chuyển của động đất được gọi là chấn tiêu (hoặc lò động đất), hình chiếu của chấn tiêu lên mặt đất gọi là chấn tâm của động đất

Độ sâu chấn tiêu H là khoảng cách từ chấn tiêu lên mặt đất, tức là khoẳng cách

từ chấn tiêu đến chấn tâm Khoảng cách chấn tiêu là khoảng cách từ một điểm bất kỳ trên mặt đất tới chấn tiêu (còn gọi là tiêu cự, ký hiệu là ∆) Khoảng cách chân tâm của một điểm là khoảng cách từ điểm đó đến chấn tâm(còn gọi là tâm cự, ký hiệu là D) xem hình 1.16

Hình 1.16: Chấn tâm, chấn tiêu

Chấn tiêu ở độ sâu 300÷700Km gọi là chấn tiêu sâu, chấn tiêu trung bình từ

60÷300km, chấn tiêu bình thường <60Km, chấn tiêu nông <15Km Chấn tiêu sâu nhất

đo được là 720Km ở Florida – Mỹ Động đất có sức tàn phá lớn nhất là động đất có chấn tiêu nông, toàn bộ năng lượng được giải phóng là 75% năng lượng đàn hồi tích luỹ Động đất ở khu vực đồng bằng trũng Hà Nội có chấn tiêu 15÷20Km, thuộc loại động đất có chấn tiêu nông

Hình 1.17: Mô hình động đất

1.4.4.2 Các sóng của động đất

Khối lượng bị phá hoại đầu tiên được giả thiết là một điểm từ điểm đó bắt đầu truyền sóng chấn động Trong mỗi phần của khối lượng bật nẩy theo một chiều, còn các phần khác bật nẩy theo chiều ngược lại, phần tử kề bên xảy ra dao động Các sóng chấn động tạo thành được truyền đi theo tất cả các chiều từ chấn tiêu Các sóng này phản xạ và khúc xạ đi từ lớp này đến lớp khác theo các định luật của sóng và làm thay đổi các đặc tính của sóng, sự thay đổi đó phụ thuộc vào đặc tính của các lớp vật chất

mà sóng truyền qua Các sóng động đất rất đa dạng trong tính toán công trình chịu tải trọng động đất người ta thường quan tâm đến các loại sóng sau: Sóng dọc P, Sóng ngang S, Sóng bề mặt Rayleigh

- Sóng dọc P: Là sóng gây ra kéo nén tuần hoàn làm đất đá dao động theo chiều

chuyển động của sóng Vận tốc chuyển đông của sóng có thể tính theo:

)21)(

1(

)1(E

Vp

µ

−µ+ρ

µ

−

=

(1-1)Trong đó: E: là mô duyn đàn hồi

ρ: là tỷ trọng của môi trường đất đá có sóng truyền qua

µ: là hệ số Poisson

Thường giá trị Vp = 5÷6 Km/s các trạm quan trắc nhận được các sóng này đầu tiên

- Sóng ngang S: Là sóng gây ra dao động tuần hoàn là các phần tử đất đá dao

động theo phương Oy vuông góc theo phương truyền sóng Ox Dao động có thể ở trong mặt phẳng nằm nghiêng một góc xác định Vận tốc sóng ngang Vt có thể tính:

)1(2

E

Vs

µ+ρ

=

(1-2)Khi m=0,25, Cp=1,73 thường giá trị của Ct vào khoảng 3 đến 4 km/s sóng này đến trạm quan trắc chậm hơn sóng dọc Nhờ đặc điểm này người ta xác định được khoảng cách từ chấn tiêu đến trạm quan trắc

- Sóng bề mặt Rayleigh: Là sóng xuất hiện ở bề mặt quả đất, tác động phá hoại

lớn nhất bề mặt và tắt dần theo chiều sâu Vận tốc sóng nhỏ hơn sóng dọc 2 lần, còn chu kỳ dao động thì lớn hơn Các sóng bề mặt Rayleigh gây ra các chuyển dời rất nhẹ ở

bề mặt quả đất và là nguyên nhân gây ra những phá hoại lớn khi có động đất Giá trị của vận tốc này gần đúng bằng 0,9 Cs

1.4.4.3 Biểu đồ của động đất

Biểu đồ ghi lại quỹ đạo chuyển động nền theo thời gian gọi là biểu đồ động đất, bao gồm các loại biểu đồ: Chuyển vị(mm), gia tốc( m/s2), vận tốc(m/s) xem hình 1.18 Biểu đồ động đất là tài liệu quan trọng để đánh giá tính chất của một trận động đất đồng thời là số liệu để suy ra các thông số quan trọng trong thiết kế kháng chấn cho công trình xây dựng

Hình 1.18: Biểu đồ gia tốc động đất được ghi lại theo thời gian

1.4.4.4 Thang động đất và cấp động đất

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều thang đo động đất, nhưng phổ biến nhất vẫn

là thang đo cơ bản sau đây:

- Thang Richter - Thang đo Năng lượng động đất được tính bằng Magnitude (M) Một Magnitude bằng một độ Richter

- Các thang đo cường độ động đất được tính bằng cấp động đất đại diện là các thang: MNI (12 cấp), MSK (12 cấp), JMA (8 cấp)

Thang động đất theo cường độ được thành lập trên ba tiêu chí:

- Con người có thể nhận biết được sự tác động đến môi trường xung quanh.

- Sự tác động của động đất đến công trình

- Các hiện tượng thay đổi trong đất như hiện tượng tăng mực nước ngầm

Magnitude và cường độ động đất là hai đại lượng khác nhau đặc trưng cho sức mạnh của động đất Magnitude là đơn vị đo năng lượng động đất, còn cường độ động đất được đặc trưng bởi trị số gia tốc địa chấn a, mô tả hiện tượng động đất thông qua chuyển vị, gia tốc, vận tốc của mặt đất khi động đất đi qua Với cùng một trận động đất, năng lượng của động đất có giá trị Magnitude giống nhau tại mọi nơi trên thế giới (không phụ thuộc vào khoảng cách đến chấn tâm), còn cường độ động đất có giá trị khác nhau tại các điểm đo khác nhau (càng gần chấn tâm cường độ động đất càng lớn)

Theo thang quốc tế MSK con người không thể nhận biết chấn động cấp 1-2, cấp 3-4 sẽ gây rung động nhỏ và cấp 6-7 làm chao đảo mặt đất, chấn động cấp 7 trở lên sẽ gây thiệt hại lớn Sự tương đương giữa các thang động đất xem Bảng 1.5

Bảng 1.5: Bảng chuyển đổi tương đương giữa các thang động đất

1.4.4.5 Gia tốc cực đại PGA

Gia tốc cực đại của một trận động đất là gia tốc lớn nhất của chuyển động nền trong trận động đất đó Gia tốc cực đại - đại lượng rất quan trọng được dùng trong các tiêu chuẩn kháng chấn hiện nay

Xác định chính xác gia tốc cực đại ở một điểm nào đó là điều không dễ dàng vì thiếu biểu đồ gia tốc động đất mạnh và vì tính đa dạng của dao động địa chấn Vì vậy người ta thường sử dụng các băng ghi gia tốc dao động nền đất đã có để thiết lập mối tương quan thống kê giữa gia tốc cực đại trung bình và các đặc trưng khác của động đất, chẳng hạn như cấp động đất (bảng 1.6)

Bảng 1.6: Bảng chuyển đổi đỉnh gia tốc sang cấp động đất

VIII 0.12÷0.24 VIII 0.25÷0.30 VIII

1.4.4.6 Ảnh hưởng của động đất đến xây dựng công trình

Theo kết quả nghiên cứu gần đây nhất của các nhà khoa học cho thấy có hai dạng phá huỷ chính của công trình do động đất là:

- Sự phá huỷ do ảnh hưởng của sóng địa chấn, nền đất phải chịu các lực kéo, nén, xoắn Kết quả nền đất có thể bị lún, sụt và hoá lỏng Các công trình đặt trên nền đất bị phá hoại do động đất cũng sẽ bị hư hỏng theo

- Sự phá huỷ do ảnh hưởng của sóng địa chấn, nếu nền chưa bị mất ổn định thì công trình đặt trên nền sẽ xuất hiện các phản ứng (chuyển vị, vận tốc, gia tốc) Như vậy nội lực công trình sẽ vượt quá các trị số nội lực, chuyển vị tĩnh trước lúc xảy ra động đất, nếu công trình không được tính toán đầy đủ về kháng chấn thì đây là nguyên nhân trực tiếp dẫn đến sự phá hoại các công trình nằm trong vùng động đất

Các trận động đất xảy ra đã gây nên một tác hại to lớn đối với công trình, vậy nên hiện nay khi thiết kế các công trình xây dựng trong vùng có nguy cơ xảy ra động

đất người ta đã đưa ra nhiều phương pháp tính toán với mục đích nhằm đảm bảo an toàn cho công trình.

1.4.4.7 Các biện pháp giảm thiểu thiệt hại do động đất

Những nghiên cứu gần đây cho thấy, Hà Nội và một số địa phương phía bắc, động đất được dự báo ở cấp 7, cấp 8 Bởi thế việc phòng, chống (chủ yếu là phòng) các

hệ lụy từ động đất, nhất là trong lĩnh vực xây dựng các công trình thủy lợi, các công trình quốc kế dân sinh phải được đặt đúng tầm nghiêm trọng của nó

Lý tưởng nhất là quy hoạch phát triển cho phù hợp Trong đới nguy cơ động đất, các công trình xây dựng phải được kháng chấn phù hợp với cấp động đất tương ứng với bản đồ phân vùng động đất của từng khu vực Mật độ các công trình phải thưa thoáng Tuy nhiên các biện pháp này hay bị “lãng quên” ở những vùng đất chật người đông và thiếu khả năng tài chính cho kháng chấn Tập dượt nhằm tạo thói quen ứng xử của cộng đồng khi động đất xảy ra (như chạy ra chỗ trống, tránh xa các tòa nhà và dây điện, ngừng lái xe, nếu trong công sở thì chui ngay xuống gầm bàn, tập dượt cứu thương chữa cháy, cứu sập,…) nhưng biện pháp này chỉ phù hợp với những nơi hay có động đất như ở Nhật Bản Nâng cao hiểu biết của người dân về ứng xử động đất để họ

tự thích ứng cũng là một giải pháp hiệu quả

Các chương trình dự phòng, chuẩn bị khi động đất xảy ra - phương tiện y tế thuốc men, kho dự trữ thực phẩm, phương tiện trú ẩn, hệ thống điện nước, hệ thống phòng cháy chữa cháy cho một số lượng hàng triệu cư dân trong điều kiện thiên tai xảy ra Đào tạo chuyên viên hoặc kết hợp hay thuê mướn các cơ quan nhiều kinh nghiệm làm các công tác nghiên cứu Cổ địa chấn để đưa đến kết quả xác suất, thống kê

về khả năng xuất hiện cùng cường độ của địa chấn trong vùng Việt Nam, để có được một kết quả thuyết phục và thống nhất

Đặt các trạm quan trắc trên toàn quốc Mặc dù Việt Nam có 26 trạm đo động đất nằm rải rác khắp lãnh thổ (do miền Bắc thường xảy ra động đất mạnh hơn nên có 23 trạm) nhưng chỉ 8 trạm có thể truyền trực tiếp thông tin về Viện Vật Lý Địa Cầu, thông tin của các trạm còn lại được ghi vào đĩa mềm và gửi về qua đường bưu điện Với thực trạng này khó có thể dò động đất và xác định tâm chấn một cách chính xác Ở các nước

tiên tiến tất cả các trạm đo địa chấn đều truyền dữ liệu về trung tâm qua vệ tinh hoặc đường điện thoại và số lượng trạm quan trắc cũng rất lớn Hiện nay trên thế giới cũng như ở Việt Nam chỉ xác định được vị trí và cường độ động đất xảy ra, còn dự báo thời gian động đất xảy ra thì vẫn còn là vấn đề nan giải.

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU CỐNG NGẦM

CÓ XÉT TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT2.1 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH CÓ XÉT TỚI TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT [12], [16], [25]

Tác dụng của động đất lên công trình xây dựng được hiểu là sự chuyển động kéo theo của công trình khi mặt đất chuyển động hỗn loạn theo thời gian Khi công trình chuyển động sẽ xuất hiện các lực quán tính, người ta gọi đó là lực động đất Khi có lực động đất tác dụng, công trình sẽ xuất hiện các phản ứng động lực (chuyển vị, vận tốc, gia tốc, ứng suất, biến dạng…), gọi tắt là phản ứng Để dự đoán một cách chính xác phản ứng của công trình dưới tác dụng của động đất là một công việc hết sức phức tạp, vì có quá nhiều yếu tố ảnh hưởng như:

- Cường độ (Magnitude) của động đất, độ sâu chấn tiêu H, tiêu cự ∆, tâm cự

- Đặc trưng chuyển động của nền khi xảy ra động đất (gia tốc, chuyển vị nền…)

- Các yếu tố động học của công trình (các chu kỳ, tần số, dạng dao động riêng của công trình)

- Các tính chất biến dạng của vật liệu và nền công trình dưới tác dụng của tải trọng động đất

- Tầm quan trọng của công trình

- Trình độ thi công và hàng loạt các yếu tố ngẫu nhiên khác…

Tuy vậy, cho đến nay trong tất cả các tiêu chuẩn kháng chấn trên thế giới người ta mới đề cập đến một số yếu tố kể trên, trong đó lại có một số tham số cũng chỉ được quan tâm về mặt định tính

Việc xác định tải trọng động đất tác dụng lên công trình lần đầu tiên được nhà báo người Nhật Omori đề xuất năm 1900 và sau đó Mononobe (1920) phát triển thêm đã tồn tại hơn một thế kỷ Cho đến nay các phương pháp tính toán tải trọng động đất có thể chia thành hai nhóm phương pháp chính:

- Phương pháp tĩnh lực tương đương

- Phương pháp động lực

2.1.1 Phương pháp tĩnh lực tương đương

Cơ sở của phương pháp là xác định gia tốc lớn nhất và các lực quán tính phá hoại Theo phương pháp này thì không chú ý đến biến dạng của công trình và xem dao động của mọi điểm trên công trình bằng nhau, sự phân bố lực quán tính động đất phụ thuộc vào khối lượng phân bố ở công trình Các lực động đất được xem như

là lực ngang tính tỷ lệ với khối lượng của kết cấu nhằm đơn giản cho việc tính toán Các phương pháp thuộc nhóm này bao gồm:

Qy.m

F= 0 = 0 = 0 (2-1)Trong đó: m, Q: là khối lượng, trọng lượng của công trình

yo: là gia tốc động đất lớn nhất của đất nền

g: là gia tốc trọng trườngKo: là hệ số động đất, được xác định trên cơ sở thực nghiệm.Như vậy, nếu biết ymax và trọng lượng của công trình ta có thể dễ dàng xác định được lực quán tính cực đại, tức là lực động đất tác dụng lên công trình

Nhược điểm của phương pháp này là không xét đến biến dạng cũng như các tính chất động học của công trình (tần số, hình dạng dao động riêng,…) và coi gia tốc tại một điểm trên công trình bằng nhau và bằng ymax của nền

Tuy vậy, ưu điểm cơ bản của phương pháp hệ số động đất là tính toán đơn giản và có thể áp dụng cho các công trình có hình dáng bất kỳ Công thức này sau

đó được Omori điều chỉnh bằng cách bổ sung hệ số điều chỉnh α:

F= α.Ko.Q (2-2)Công thức trên được áp dụng ở nhiều nước trong một thời gian dài Ở Liên

Xô trước đây, công thức này được áp dụng đến năm 1957

Phương pháp này cho ta khái niệm gần đúng về lực xuất hiện trong các kết cấu cũng có biến dạng nhỏ trong thời gian động đất.

2.1.1.2 Phương pháp dao động điều hoà (phương pháp tựa động)

Năm 1920 một nhà khoa học khác của Nhật là N.Mononobe đã đề nghị đưa các tính chất biến dạng của kết cấu vào trong tính toán tải trọng động đất Ông đã xem xét kết cấu như hệ một bậc tự do và giả thiết trong thời gian xảy ra động đất nền đất chuyển động theo quy luật điều hoà hình Sin Tuy nhiên, lực cản không được xét đến trong dao động của kết cấu Với giả thiết như vậy, phương trình chuyển động có dạng:

]tSin.a[m)t(g.u.m)t(k)t(

T(1

1

−

=β

(2-4)

Trong đó: T: chu kỳ dao động của công trình;

To: chu kỳ dao động của nền đất, có giá trị từ 0,8-1s

T(1

1.Q.g

aF

2 o

qt max

(2-5)

Lực F có phương nằm ngang và tác động tại điểm có khối lượng tập trung m

Về bản chất động đất theo (2-5) là lực tĩnh do có hệ số β đặc trưng cho tính chất động học của công trình nên được xem lực tựa động Trong trường hợp T = 0 (kết cấu tuyệt đối cứng), β = 1 công thức trên trùng với công thức (2-1)

Mặc dù lý thuyết của Mononobe đã có một bước tiến quan trọng trong khoa học kháng chấn, nhưng phạm vi áp dụng đã bị hạn chế do những nhược điểm của nó:

- Phức tạp trong sử dụng, không mô tả chính xác các qui luật chuyển động của nền công trình khi xảy ra động đất thực

- Lực cản của kết cấu được giả thiết bằng 0 Trong lý thuyết của mình Mononobe chưa đưa ra giải pháp cho vấn đề quan trọng là lực trong miền cộng

hưởng Khi To ≅ T, theo (2-4) và (2-5) lực F bằng vô cùng, điều này là mâu thuẫn với thực tế vì với các hệ số cản thường gặp ở các công trình xây dựng không thể xảy ra hiện tượng này được một thời gian tương đối ngắn khi động đất xảy ra.

- Cuối cùng, do quan niệm mô hình tính toán là hệ một bậc tự do nên cũng theo Omori, phương pháp của Mononobe chưa đưa ra giải pháp phân bố tải trọng địa chấn trên chiều cao công trình khi chúng là hệ có nhiều bậc tự do

2.1.1.3 Nhận xét

Các phương pháp tính toán tính toán tĩnh không xét đến tính chất biến dạng của công trình (phương pháp hệ số động đất), hoặc cũng chỉ cho các hệ kết cấu đơn giản thanh Conson không xét đầy đủ dao động thực của nền (giả thiết nền dao động điều hoà)

Các phương pháp tĩnh lực có ưu điểm là dễ sử dụng, tuy nhiên việc cố gắng đưa các hiện tượng động học mang đầy đủ tính ngẫu nhiên về tĩnh học đã làm sai lệch trị số, tính chất biến dạng và do đó làm sai lệch cả mức độ chống động đất của công trình Trận động đất ở Nhật Bản vào năm 1923 đã cho ta thấy rõ lý thuyết này không thể giải thích những điểm đặc biệt về khả năng chịu động đất của công trình Những đặc biệt ấy là: hàng loạt các công trình đã bị phá huỷ tại các mặt cắt nằm cao hơn khoảng 1/3 chiều cao công trình; các vật dụng cứng và nhẹ trong thời gian xảy

ra động đất đã bị nhảy lên hay có chuyển vị ngang (theo nền), mặc dù lực quán tính

Trên cơ sở phân tích các trận động đất ở San-Fransico năm 1923 và Laybich năm 1933 nhiều tác giả đã thiết lập được dạng mới của phương pháp động lực học

để tính toán công trình, đó là phương pháp phổ hay phương pháp đường cong phổ

Phương pháp phổ được M.BIO đề suất năm 1933 và sau đó được Contrinski

đã nghiên cứu hoàn thiện Nội dung của phương pháp phổ là xác định gia tốc, vận tốc và chuyển vị cực đại của các dao động Khi phân tích người ta đã sử dụng sự tượng tự của hệ phức tạp với hệ có một bậc tự do Phương pháp tính toán theo đường cong phổ đã được ứng dụng rộng rãi trong các tiêu chuẩn qui phạm của các nước để xác định lực động đất

Cơ sở của phương pháp này là dựa vào các biểu đồ gia tốc thực tế của các trận động đất đã quan trắc được để phát triển cùng với phổ Các phương trình vi phân được viết ra là các phương trình có vế phải là các lực gây ra các dao động cưỡng bức được biểu thị bằng biểu đồ gia tốc ghi được bằng máy móc ở các trận động đất trên thế giới

Nội dung cơ bản của phương pháp động lực trong bài toán kháng chấn là xem công trình như một hệ cơ học đàn hồi có n hay vô hạn bậc tự do bị di chuyển theo nền đất Ug(t), các tính chất cơ lý của công trình được biểu diễn qua độ cứng K

và hệ số cản C của từng bộ phận công trình Sau đó, mô hình hoá các kết cấu công trình chịu tác dụng động đất bằng hệ phương trình vi phân toán học:

)t(guz}

Ez{)t(gu}

Ex{}r]{

K[}r]{

C[}r]{

+ {Ex}, {Ez}: Các ma trận cột khối lượng tương ứng để xác định

chuyển vị theo các phương (x, z) của các nút

+ x u g(t), z u g(t): các thành phần gia tốc nền theo phương ngang (x)

và đứng (z)

Khi chỉ xét lực động đất tác dụng theo 1 phương, (2-6) được viết dưới dạng ma trận:

)}

t(u}{

1]{

M[}r]{

K[}r]{

C[}r]{

+ [M]{ r }, [C]{ r }, [K]{r}: lần lượt đóng vai trò: lực quán tính, lực

cản nhớt, lực đàn hồi;

+ [M]{1}{ug(t)}: đóng vai trò lực cưỡng bức, là hàm của thời gian

Để giải (2-7) có nhiều phương pháp với độ phức tạp khác nhau đó là:

- Phương pháp phân tích trực tiếp phương trình (2-7)

- Phương pháp chồng dạng dao động hay chồng Mode (Mode Superposition

Method)

Trong đó phương pháp chồng Mode hiện nay được sử dụng rộng rãi trong tiêu chuẩn của nhiều nước cũng như trong các phần mềm phân tích kết cấu Theo phương pháp này trước khi phân tích các phản ứng của công trình chịu tải trọng động đất theo các dạng dao động riêng theo một nguyên tắc nào đó sẽ tính được phản ứng toàn phần công trình

Nghiệm riêng của (2-7) biểu diễn dao động bình ổn của khối lượng mk theo dạng dao động thứ i có dạng:

ττ

−ϖτ

ϖ

ΦΦ

)(u

1

m

.m)

t

(

0 g

* i ki n

1 k

2 ki k

+ φki: là toạ độ tương đối của khối lượng.

+ mk: trong dạng dao động riêng chính thứ i

Tập hợp các giá trị (k = 1…n) miêu tả hình dạng dao động riêng thứ i của

m

m

ki n

1 j

2 ji j

n

1 j

ji j

Φ

Φ

= η

Hình 2.1: Hình dạng dao động riêng

τ τ

− ϖ τ

ϖ η

= τ − νϖ − τ

1 ) t (

0 g

* i ki

Trong công thức (2-10) miêu tả chuyển vị tương đối của khối lượng mk trong dạng dao động thứ i trong thời gian xảy ra động đất Hình (2.1) là tính toán được triển khai từ công thức (2-10) (biểu đồ gia tốc động đất thiết kế, ứng với chu kỳ dao động riêng T = 0.2s, hệ số cản υ=5%)

Hình 2.2: Phản ứng của công trình trong thời gian động đất

Từ (2-10) xác định hàm gia tốc tuyệt đối của khối lượng mk theo thời gian:

τ τ

− ϖ ν + τ

− ϖ ν

− τ

ϖ η

* ki

(

.2)()

1[(

Giá trị lực động đất lớn nhất tác dụng của khối lượng mk ở dạng dao động thứ i

Fki(t) = ηki.mk.Sai (2-13)Sai được gọi là phổ gia tốc của công trình theo dạng dao động thứ i, phụ thuộc vào gia tốc nền xo(t), tần số dao động riêng của công trình ωi và hệ số cản υ Sai biểu thị phản ứng cực đại của công trình dưới tác dụng của tải trọng động đất và không phụ thuộc vào thời gian Đối với một trận động đất cụ thể người ta có thể xây dựng được đường cong các giá trị phổ gia tốc theo các chu kỳ dao động riêng khác nhau tương ứng với hệ số cản υ cho trước (thường lấy 5%)

Như vậy nếu biết được chu kỳ dao động riêng của công trình từ phổ gia tốc xác định được Sai từ đó dễ dàng tính được lực động đất theo công thức (2-13)

Việc xác định các phản ứng động đất cực đại dựa theo đường cong phổ chính là nội dung của phương pháp Phổ phản ứng (hay phổ tuyến tính) Phương pháp Phổ được M.Bio đề xuất năm 1933, sau đó được nhiều nhà nghiên cứu bổ sung và hoàn thiện

Đường phổ gia tốc do M.Bio xây dựng dựa trên phản ứng cực đại của hệ các conson đơn có chu kỳ dao động riêng khác nhau đặt trên bàn rung