Bài viết này trình bày sự cần thiết của việc nghiên cứu vấn đề tương tác đất-cọc-kết cấu và tổng quan các nghiên cứu về tương tác đất nền-kết cấu và đất nền-kết cấu cầu khi phân tích phản ứng động của kết cấu cầu trên móng cọc.
Trang 1TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ TƯƠNG TÁC ĐẤT NỀN-KẾT
CẤU VÀ ĐẤT NỀN-KẾT CẤU CẦU KHI PHÂN TÍCH PHẢN ỨNG
ĐỘNG CỦA KẾT CẤU CẦU TRÊN MÓNG CỌC
ThS Đoàn Hữu Sâm
Khoa Cầu đường, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung
Tóm tắt: Hiện nay, cùng với sự phát triển của các phương pháp thiết kế kháng
chấn dựa trên hiệu năng, yêu cầu về đánh giá mang tính định lượng và chính
xác hơn ứng xử phức tạp của kết cấu trong phản ứng động đối với tải trọng
động đất ngày càng được quan tâm Bài báo này trình bày sự cần thiết của
việc nghiên cứu vấn đề tương tác đất-cọc-kết cấu và tổng quan các nghiên cứu
về tương tác đất nền-kết cấu và đất nền-kết cấu cầu khi phân tích phản ứng
động của kết cấu cầu trên móng cọc Từ đó, đưa ra kết luận về các vấn đề cần
phải xem xét khi nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác đất-kết cấu lên phản
ứng động của kết cấu cầu trên móng cọc
Từ khoá: Soil-pile-structure interaction; Seismic response; Pile-supported
bridges; Performance-based design; Nonlinearity of soil; Nonlinearity of
structure
1 Sự cần thiết của việc nghiên cứu
vấn đề tương tác đất-cọc-kết cấu khi
phân tích phản ứng động của kết cấu
cầu trên móng cọc
Hệ thống giao thông đóng một vai
trò quan trọng trong đời sống và sự phát
triển của mỗi quốc gia, đặc biệt góp
phần to lớn trong việc khắc phục kịp
thời các hậu quả của thiên tai Trong hệ
thống đó, các công trình cầu lại đóng vai
trò then chốt góp phần tạo nên sự thành
công của cả hệ thống
Những trận động đất gần đây ở
Sumatra-Indonesia và Nhật Bản đã cho
thấy sức mạnh hủy diệt của các cơn địa
chấn mạnh Những trận động đất này
cung cấp một nguồn dữ liệu địa chấn vô
giá và thúc đẩy các nghiên cứu liên
quan Mục tiêu chính của vấn đề nghiên
cứu được trình bày trong bài báo này là
làm sáng tỏ tầm quan trọng của tương
tác đất-kết cấu (soil-structure
interaction) (SSI) lên phản ứng động của
các kết cấu hạ tầng quan trọng (kết cấu cầu) đối với các cường độ địa chấn khác nhau Hiểu rõ ảnh hưởng của SSI giúp các kỹ sư, đặc biệt là các kỹ sư Việt Nam nhận thức đầy đủ hơn về các kết cấu hạ tầng hiện tại cũng như thiết kế một cách hiệu quả cho các kết cấu hạ tầng trong tương lai
Nghiên cứu về ảnh hưởng của SSI vẫn còn là một khía cạnh đầy thách thức trong phân tích phản ứng động của kết cấu, đặc biệt là kết cấu trên móng cọc khi mà vẫn còn một khoảng cách lớn giữa các nghiên cứu về địa kỹ thuật và nghiên cứu về kết cấu Trong khi các kỹ
sư địa kỹ thuật thường tập trung nhiều hơn ở ứng xử phức tạp của đất nền và đơn giản hóa sự hiện diện của kết cấu, các kỹ sư kết cấu lại quan tâm nhiều hơn đến ứng xử của kết cấu và đơn giản hóa đến mức có thể trong việc mô hình đất nền và sự tiếp xúc nền đất-kết cấu móng (soil-foundation interface) Điều này là
Trang 2do bản chất phức tạp của vấn đề SSI và
những hạn chế thực tế của các công cụ
tính toán có sẵn không cho phép các kỹ
sư thực hành xem xét một cách đầy đủ
các khía cạnh khác nhau của vấn đề SSI,
chẳng hạn như ứng xử phi tuyến của đất
nền, phi tuyến của kết cấu và sự phi
tuyến trong tương tác đất-kết cấu móng
(soil-foundation interaction) Đặc biệt,
SSI trong móng cọc là một hiện tượng
rất phức tạp để có thể mô phỏng, do ứng
xử phức tạp của các cọc riêng lẻ, tương
tác cọc-đất (pile-soil interaction), ứng xử
phức tạp của các cọc trong nhóm cọc và
tương tác cọc-đất-cọc (pile-soil-pile
interaction) [42]
Cùng với sự phát triển của các
phương pháp thiết kế kháng chấn dựa
trên hiệu năng (performance based
earthquake engineering methodologies),
yêu cầu về đánh giá mang tính định
lượng và chính xác hơn ứng xử phức tạp
của kết cấu trong phản ứng động đối với
tải trọng động đất ngày càng được quan
tâm Trong khi mục tiêu của các tiêu
chuẩn thiết kế kháng chấn là hướng đến
trạng thái an toàn, các phương pháp thiết
kế gần đây nhấn mạnh đến các mục tiêu
hiệu năng khác nhau và yêu cầu về đánh
giá phản ứng động của kết cấu tương
ứng với các mức độ địa chấn khác nhau
Đánh giá phản ứng động phải xem xét
phản ứng của hệ thống trong miền phi
đàn hồi để có thể xác định được các mức
độ phá hoại của hệ thống Một vấn đề
khác của các phương pháp thiết kế dựa
trên hiệu năng là sự xem xét một cách rõ
ràng những thiếu sót về đánh giá khả
năng và phản ứng của kết cấu để tối ưu
hóa thiết kế, đáp ứng các tiêu chuẩn hiệu
năng khác nhau với những mức độ khác nhau về độ tin cậy (e.g Bertero and Bertero 2002 [1], Krawinkler and Miranda 2004 [2]) [42]
SSI có thể đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong phản ứng của các kết cấu cầu, do dạng kết cấu tương đối đơn giản của chúng và mức độ dư thừa thấp của những kết cấu này làm cho chúng trở nên nhạy cảm với ảnh hưởng của SSI
và chuyển vị gây ra bởi SSI Điều này đặc biệt đúng cho các cầu có trụ dạng cột đơn và dầm nhịp giản đơn SSI có thể ảnh hưởng đáng kể đến tính dẻo dai của trụ cầu hoặc gây ra sự sai khác lớn
về chuyển vị giữa các trụ Điều này có thể gây nguy hại cho các thành phần của kết cấu cầu nhạy cảm với chuyển vị và làm thay đổi tính nguyên dạng của cầu
Các thành phần nhạy cảm với chuyển vị bao gồm cả những thành phần kết cấu và phi kết cấu [42]
Thiết kế kết cấu cầu trên móng cọc dựa vào hiệu năng, yêu cầu phải đánh giá nghiêm ngặt ảnh hưởng của SSI lên phản ứng động của trụ cầu để có thể đánh giá chính xác hơn và hiểu rõ hơn vai trò của SSI Mặt khác, trọng tâm của thiết kế dựa vào hiệu năng là tính toán
và xem xét các chuyển vị phi tuyến như
là một chỉ số thể hiện mức độ phá hoại trong miền phi đàn hồi tốt hơn so với các thông số về lực đạt được từ phân tích đàn hồi tuyến tính thường được sử dụng trong thiết kế kết cấu và nền móng (thiết
kế dựa vào thông số chuyển vị so với thiết kế dựa vào thông số về lực) Vì vậy, xem xét về SSI trong thiết kế dựa vào hiệu năng đòi hỏi phải đánh giá chính xác ảnh hưởng của SSI lên các
Trang 3chuyển vị phi tuyến của hệ; điều này lại
yêu cầu phải xét đến đồng thời ứng xử
phi tuyến của đất nền, phi tuyến của
tương tác nền đất-móng và ứng xử phi
tuyến của kết cấu để có thể đánh giá
chính xác tương tác của các thành phần
khác nhau trong hệ thống nền
đất-móng-kết cấu [42]
2 Tổng quan các nghiên cứu về tương
tác đất nền-kết cấu và đất nền-kết cấu
cầu khi phân tích phản ứng động của
kết cấu cầu trên móng cọc
2.1 Tổng quan về các mô hình thí
nghiệm
Nhiều nhà nghiên cứu đã tiến hành
nghiên cứu trên các mô hình thí nghiệm
thực tế và mô hình thu nhỏ để tìm hiểu
về vấn đề tương tác đất-kết cấu và ảnh
hưởng của tương tác này lên phản ứng
của cả hệ thống kết cấu Các mô hình thí
nghiệm này có thể phân loại thành bốn
nhóm như sau: Thí nghiệm chấn động
của môi trường (Ambient Vibration
Tests), Thí nghiệm chấn động cưỡng
bức (Forced Vibration Tests), Thí
nghiệm bàn lắc (Shake Table Tests), Thí
nghiệm quay ly tâm (Centrifugal Tests)
2.2 Tổng quan về các phương pháp
phân tích
Trong các thập kỷ qua, nhiều tác
giả đã nghiên cứu về vấn đề tương tác
động lực học nền đất-cọc-kết cấu
(seismic soil-pile-structure interaction)
(SSPSI) và ảnh hưởng của hiện tượng
này lên phản ứng của các kết cấu khác
nhau Các phương pháp phân tích đã
được phát triển để nghiên cứu về tương
tác đất-cọc-kết cấu có thể phân loại
thành ba nhóm như sau [3]:
(i) Substructure Methods (Winkler methods), trong đó một chuỗi các lò xo
và cản được sử dụng để mô tả ứng xử của đất Các phương pháp
―substructure‖ có sẵn dùng để mô hình ứng xử động lực học của đất nền có thể được phân loại từ lò xo tuyến tính đơn giản xuất phát từ giả định bán không gian đàn hồi (Gazetas, 1991 [4]) đến các mô hình phức tạp hơn, trong đó môi trường đất được chia thành vùng bên trong, tiếp giáp với cọc để xem xét sự phi tuyến của đất, và vùng bên ngoài ứng với sự lan truyền sóng ở xa cọc và xem xét tính cản của môi trường đất (Mostafa and El Naggar, 2002 [5]) Do tính chất đơn giản nên các phương pháp Winkler thường được sử dụng trong thực tế để mô tả môi trường đất khi phân tích SSI xét đến ứng xử động lực học của đất nền và khả năng phình trồi,
hở hoặc trượt Tuy nhiên, như đã đề cập bởi nhiều nhà nghiên cứu (e.g., Allotey and El Naggar, 2008 [6]; Finn, 2005 [7]; Hokmabadi et al., 2012a [8]), việc
lý tưởng hóa sự liên tục của đất nền bằng các phản lực nền rời rạc và không xét đến sự truyền cắt trượt giữa các lò
xo rõ ràng là những thiếu sót cơ bản về
cơ chế trong các mô hình Winkler
(ii) Elastic Continuum Methods, dựa trên lời giải có nghiệm kín của Mindlin (1936) [10] khi cho tải trọng tập trung tác dụng lên môi trường đàn hồi bán vô hạn Tajimi (1969) [11] là người đầu tiên sử dụng lý thuyết
―elastic continuum‖ để mô tả tương tác động lực học đất nền-cọc Poulos (e.g., Tabesh and Poulos, 2001 [12]) là người tiên phong trong việc sử dụng lời giải
Trang 4đàn hồi cho phản ứng của móng cọc đối
với các tải trọng dọc trục và tải trọng
ngang, và đã trình bày một loạt các
phương pháp phân tích và thiết kế toàn
diện cho móng cọc dựa trên lý thuyết
―elastic continuum‖ Tuy nhiên, trong
các phương pháp ―elastic continuum‖,
độ chính xác của lời giải dựa trên việc
đánh giá các tham số đàn hồi của đất
nền và rất khó để xem xét các tính chất
phi tuyến của đất Vì vậy, các phương
pháp này thích hợp hơn cho các bài
toán liên quan đến biến dạng nhỏ và
trạng thái ổn định
(iii) Numerical Methods (phương
pháp số): sự phát triển mạnh mẽ của
máy vi tính đã làm thay đổi đáng kể khả
năng tính toán và làm cho các phương
pháp này trở nên phổ biến hơn khi
nghiên cứu các ứng xử tương tác phức
tạp Sử dụng các phương pháp này,
chúng ta có thể thực hiện các phân tích
theo thời gian xét đến các ảnh hưởng
như quan hệ ứng suất-biến dạng phi
tuyến của đất nền và kết cấu, vật liệu và
tính cản, các điều kiện biên phức tạp, và
sự tiếp xúc đất-kết cấu Một ưu điểm
khác của việc sử dụng các phương pháp
số là khả năng thực hiện phân tích
SSPSI cho nhóm cọc một cách đầy đủ và
đồng thời mà không cần đến việc tính
toán độc lập cho cọc hay phản ứng của
kết cấu, hoặc phải sử dụng hệ số tương
tác của nhóm cọc (Meymand, 1998
[13]) Do đó, các phương pháp số có thể
giúp thu thập được các thông số khác
nhau liên quan đến SSPSI sát với thực tế
hơn (e.g., Dutta and Roy, 2002 [14]; Tabatabaiefar et al., 2013 [15])
2.3 Tổng quan về tương tác đất nền-kết cấu và đất nền-nền-kết cấu cầu
Ảnh hưởng của SSI cần phải được xem xét để đánh giá một cách hiệu quả phản ứng của hệ thống đất nền-kết cấu cầu Để đơn giản trong quá trình phân tích động lực học kết cấu, các kỹ sư thường giả định điều kiện ―fixed-base‖
(Hình 1) Trong nhiều trường hợp, điều kiện ―fixed-base‖ không phản ánh đúng thực tế Kết cấu phần trên của cầu được gánh đỡ bởi kết cấu móng bên dưới, và đất nền xung quanh móng có khả năng biến dạng; do vậy cho phép móng có các chuyển vị xoay và/hoặc chuyển vị thẳng
— điều này thường được gọi là điều kiện ―flexible-base‖ Do đó, giả định
―fixed-base‖ thường được sử dụng đã bỏ qua ảnh hưởng của SSI, trong khi giả định ―flexible-base‖ lại xét đến ảnh hưởng này [43]
Mylonakis and Gazetas (2000) [16]
đã kiểm chứng sự khác biệt giữa kết cấu
có ―fixed-base‖ và kết cấu có ―flexible-base‖ Một ví dụ của hai dạng kết cấu này được thể hiện trên Hình 1 Hai kết cấu có đặc điểm dao động khác nhau, vì vậy phản ứng động của chúng cũng khác nhau Đối với kết cấu có ―flexible-base‖,
vị trí tiếp xúc đất nền-móng có thể biến dạng được; do đó, chu kỳ cơ bản T của kết cấu có ―flexible-base‖ sẽ dài hơn và
tỷ số cản của nó sẽ lớn hơn so với kết cấu có ―fixed-base‖ tương ứng [43]
Trang 5Hình 1 Ảnh hưởng của tương tác đất nền-kết cấu (soil-structure interaction) (SSI) đến
chu kỳ cơ bản và tỷ số cản của kết cấu có “flexible-base” theo NEHRP-97 (Mylonakis
and Gazetas, 2000)
Hình 2 mô tả một phổ phản ứng thiết kế trơn lý tưởng tổng quát thường được trình bày
trong các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn Khi xem xét ảnh hưởng của SSI (chẳng hạn
sự gia tăng của chu kỳ cơ bản và cản có hiệu), gia tốc và ứng suất trong kết cấu và
móng thông thường sẽ nhỏ hơn, như được miêu tả bởi đường nét đứt trên Hình 2
Trang 6Hình 3 Sự suy giảm trong lực cắt chân kết cấu do tương tác đất nền-kết cấu (SSI) theo
tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn NEHRP-97 (Mylonakis and Gazetas, 2000)
Mặc dù điều nói trên là đúng cho
nhiều kết cấu và môi trường địa chấn,
tuy nhiên vẫn có nhiều trường hợp
được ghi nhận trong lịch sử đã chứng
minh rằng điều này không phải là luôn
luôn đúng Gazetas and Mylonakis
(1998) [17] đã đưa ra một nhìn nhận
tổng quan về phương pháp phân tích
SSI và tái khám phá vai trò của SSI lên
phản ứng động của trụ cầu trên móng
cọc bằng cách nghiên cứu sự phá hủy
của các cầu trên tuyến cao tốc Hanshin
số 3 ở Higashi-nada, với các cột đơn
tiết diện tròn được gánh đỡ bởi móng
cọc, trong trận động đất mạnh Hanshin
xảy ra vào năm 1995 ở Nhật Bản
(Động đất Kobe) Họ đã phát hiện ra
rằng SSI có thể đã góp phần vào sự phá
hoại các cây cầu này bằng cách làm gia
tăng (kéo dài) chu kỳ tự nhiên của hệ
kết cấu, dẫn đến phổ gia tốc cao hơn ở
chu kỳ đã bị thay đổi Mylonakis and
Gazetas (2000) [18] tiếp tục khám phá
ra ảnh hưởng của SSI bằng cách thảo
luận về những quan niệm sai lầm liên
quan đến việc bỏ qua SSI như một giả
định bảo thủ và giải thích các đặc trưng
phổ địa chấn phụ thuộc vào cả thông số
đầu vào địa chấn và điều kiện đất nền
có thể dẫn đến những phản ứng động
cao hơn ở chu kỳ tự nhiên được kéo dài
của kết cấu như thế nào khi xem xét
ảnh hưởng của SSI, mặc dù lúc này đặc
trưng cản có thể gia tăng do SSI Họ
chứng minh rằng SSI có thể dẫn đến sự
gia tăng đặc trưng dẻo dai của trụ cầu
trên đất yếu và đã kết luận rằng điều
này không thể thấy được nếu các phổ
thiết kế thông thường (trái ngược với phổ phản ứng thực tế) được sử dụng khi đánh giá phản ứng động xét đến SSI Khả năng gia tăng phản ứng do SSI cũng đã được đề cập trước đó bởi Jennings and Bielak (1973) [19], and Veletsos (1993) [20] và gần đây đã được chứng minh bởi nhiều nhà nghiên cứu khác như Sextos et al (2002) [21]
and Jeremic et al (2004) [22] Martin and Lam (2000) [23] giải thích rằng việc thiết kế kết cấu theo truyền thống dựa vào lực, giả định các thành phần của kết cấu móng là tuyệt đối cứng hoặc đàn hồi và phải đảm bảo là hiệu ứng của tải trọng lên kết cấu phải nhỏ hơn sức kháng của nền móng Họ đề cập đến một sự thay đổi lớn trong triết lý thiết kế theo truyền thống của lĩnh vực địa kỹ thuật đó là khái niệm về cho phép huy động sức kháng cực hạn của nền móng trong quá trình xảy ra địa chấn và phát biểu rằng các phương pháp thiết kế cần phải xét đến hiệu năng của nền móng và ảnh hưởng của nó lên phản ứng tổng thể của cầu Martin and Lam (2000) cùng với Fenves (1998) [24] đã thực hiện các nghiên cứu về độ nhạy cảm của phản ứng động lực học của mô hình cầu tổng thể với sự mô tả cải tiến về đặc trưng của nền móng bằng cách sử dụng các lò xo phi tuyến (nonlinear springs) với các phần tử hở (gapping elements)
và họ đã kết luận rằng các nghiên cứu trong tương lai nên chú trọng vào việc tìm hiểu và mô hình ứng xử phi tuyến của nền móng và tích hợp những mô hình như thế với phân tích phi tuyến kết
Trang 7cấu để cho phép đánh giá hiệu năng một
cách tổng thể
Finn (2004a, 2004b) [25, 26]
nghiên cứu thực tế về đặc điểm làm việc
của nền móng ảnh hưởng lên phản ứng
của kết cấu và đã đánh giá tính hiệu quả
của các phương pháp xấp xỉ khác nhau
Ông cho rằng một điểm yếu trong việc
mô hình kết cấu trên móng cọc đó là sự
mô tả không đầy đủ về nền móng do bỏ
qua sự kết hợp giữa độ cứng chống trượt
và xoay của nền và thay nền bằng các lò
xo đơn giản Ông cho biết thêm rằng hầu
hết các phương pháp xấp xỉ được sử
dụng để đánh giá độ cứng của nền đều
dựa trên phân tích cho cọc đơn và các
giả định khác được đưa ra để xem xét
phản ứng của nhóm cọc Ông cho rằng
các yếu tố như sự phi tuyến của đất nền,
tương tác động học (kinematic
interaction) giữa các cọc và đất nền,
tương tác quán tính (inertial interaction)
của kết cấu với đất nền và các cọc,
tương tác động lực học (dynamic
interaction) giữa bản thân các cọc với
nhau, và áp lực nước lỗ rỗng do chấn
động phải được xem xét đồng thời để có
thể có được một cái nhìn hoàn chỉnh về
ảnh hưởng của nền móng lên phản ứng
động của kết cấu Ông cũng đã khảo sát
độ tin cậy của các phương pháp xấp xỉ
trong việc mô tả độ cứng chống trượt và
xoay của móng cọc trong các mô hình số
của trụ cầu trên móng cọc bằng cách sử
dụng một mô hình đất nền liên tục ba
chiều giả lập phi tuyến (a
pseudo-3-dimensional nonlinear continuum soil
model) (Wu and Finn 1997a and 1997b
[27, 28], Thavaraj and Finn 2001 [29]),
và nêu bật tầm quan trọng của độ cứng
tương đối của tương tác kết cấu và nền móng, và phải xem xét cả tương tác động học và tương tác quán tính khi phân tích
Crouse and McGuire (2001) [30]
đề cập đến ảnh hưởng của SSI bằng quan điểm tiêu tán năng lượng Họ đã trình bày tình trạng chung của việc đánh giá SSI bởi các kỹ sư kết cấu liên quan đến sự tiêu tán năng lượng và cho rằng
sự tiêu tán năng lượng trong SSI thường
bị bỏ qua hoặc áp dụng sai khi thiết kế kết cấu Họ đã đề cập đến những lỗ hổng kiến thức trong việc đánh giá SSI,
và đã trình bày các phương pháp thực hành nhận dạng hệ thống để đánh giá tỷ
số cản kết hợp cho những mode dao động quan trọng của kết cấu xem xét cả
về đặc trưng vật liệu và đặc trưng cản của SSI
Kim and Roesset (2004) [31] đã nghiên cứu tính chất quan trọng của việc xét đến ứng xử phi tuyến của đất nền trong quá trình đánh giá ảnh hưởng của SSI lên phản ứng phi đàn hồi của kết cấu Họ đã chứng minh sự khác biệt đáng kể giữa phản ứng với đất nền đàn hồi và phản ứng với đất nền phi đàn hồi,
và cho thấy tầm quan trọng của việc xét đến sự phi tuyến của phản ứng đất nền, đặc biệt là đối với móng cọc
Shamsabadi et al (2007) [32] đã phát triển một mô hình động lực học phi tuyến ba chiều cho công trình cầu (3D nonlinear dynamic bridge model) để phân tích các mô hình hyperbolic của đất đắp ở hai mố cầu Dữ liệu của hai trận động đất với xung vận tốc mạnh đã được sử dụng để phân tích cho mô hình cầu bao gồm: 1994 Northridge,
Trang 8California, Rinaldi Station và 2005
Kobe, Japan, Takarazu Station
Shamsabadi et al (2007) kết luận rằng
sức kháng của đất đắp ở mố cầu có ảnh
hưởng đáng kể lên chuyển vị cực đại của
kết cấu phần trên của cầu Do đó, khi
đánh giá phản ứng của cầu đối với địa
chấn thực tế theo các phân tích và thiết
kế dựa trên hiệu năng cần phải có sự
phân tích các mố cầu
Zhang et al (2008) [33] đã phát
triển một mô hình phần tử hữu hạn phi
tuyến hai chiều tiên tiến (2D advanced
nonlinear finite-element model) cho
công trình cầu Humboldt Bay Middle
Channel (HBMC) trong chương trình
phần tử hữu hạn OpenSees để đánh giá
phản ứng động của cầu xét đến ảnh
hưởng của SSI Mô hình phần tử hữu
hạn bao gồm kết cấu, nhóm cọc, nền đắp
đường đầu cầu, và đất nền Dựa trên kết
quả mô phỏng, Zhang et al (2008) đã
kết luận rằng phản ứng của kết cấu phần
trên của cầu chịu ảnh hưởng đáng kể bởi
biến dạng phi đàn hồi của đất nền
Những phát hiện này phù hợp với những
nghiên cứu phân tích khác đã được thực
hiện bởi nhiều tác giả cho các cầu vượt
nhịp ngắn và chỉ ra rằng phản ứng động
của kết cấu phần trên của cầu cùng với
phản ứng của mố và đất đắp chịu ảnh
hưởng chủ yếu bởi ứng xử của đất nền
(Werner et al., 1987, 1990, 1994 [34, 35,
36]; Wilson and Tan, 1990a,b [37, 38])
Aygün et al (2010) [39] đã phát
triển những mối tương quan mới nhằm
thu thập dữ liệu xác suất có điều kiện
của các thành phần của hệ kết hợp kết
cấu cầu-đất nền-móng (coupled
bridge-soil-foundation) (CBSF) đạt tới hoặc
vượt các quá mức hiệu năng xác định trước như là một hàm của cường độ địa chấn nguy hiểm và tiềm năng hóa lỏng cho vùng trung và đông nước Mỹ Hệ thống CBSF bao gồm các thành phần kết cấu cầu 3D và đất nền 2D được kết nối bởi các phần tử đất đặc trưng bằng các
lò xo 1D p-y Hệ thống phần tử hữu hạn của cầu được mô hình trong chương trình OpenSees như một cầu dầm thép liên tục nhiều nhịp Các kết quả nghiên cứu của Aygün et al (2010) đã chứng minh tầm quan trọng của việc xem xét ảnh hưởng của SSI lên phản ứng động của hệ thống CBSF (3D bridge-foundation system with 2D soil mesh connected by 1D p-y soil springs) và đã đưa ra một cơ sở lý thuyết đầy đủ và hiệu quả để đánh giá các cơ chế phá hoại cầu Sử dụng phương pháp này để phát triển các phân tích xác suất chi tiết của một hệ đất nền-kết cấu cầu cho phép chúng ta xác định một cách hiệu quả nguy cơ địa chấn và có thể đưa tính chất mỏng manh của hệ thống vào các nghiên cứu độ tin cậy trong tương lai
Khosravifar (2012) [40] đã phát triển một mô hình phần tử hữu hạn 2D trong chương trình OpenSees để đánh giá ảnh hưởng của sự nở ngang và hóa lỏng lên phản ứng phi đàn hồi của kết cấu trên móng cọc đài bè Hệ thống đất nền-kết cấu bao gồm một móng cọc đơn đài bè phi tuyến, trụ cầu dạng cột phi tuyến, bản mặt cầu, và cột đất một lớp phi tuyến kết nối với cọc bằng các phần
tử đất đặc trưng bởi các lò xo nằm ngang, thẳng đứng và bên dưới mũi cọc
Khosravifar (2012) đã đánh giá một cách
cụ thể phản ứng của cọc theo phương
Trang 9ngang và một nghiên cứu về tham số đã
được tiến hành để xác định độ nhạy cảm
của hệ thống với các tham số khác nhau
Các kết quả nghiên cứu của Khosravifar
(2012) mặc dù chủ yếu liên quan đến
ảnh hưởng của sự nở ngang và hóa lỏng
nhưng đã làm nổi bật ảnh hưởng của SSI
lên phản ứng động của hệ thống đất
nền-kết cấu cầu
Chiaramonte (2011) [41] đã phát
triển một loạt các mô hình phân tích
phần tử hữu hạn 2D trong chương trình
OpenSees của một kết cấu cầu cảng trên
móng cọc ở Oakland, California Kết
cấu bao gồm một bản mặt cầu bê tông
cốt thép được gánh đỡ bởi hệ các cọc bê
tông cốt thép dự ứng lực So sánh với
kết quả từ phân tích tĩnh pushover (static
pushover analysis) (no soil column) và
phân tích động lực học tương ứng với 13
dữ liệu địa chấn khác nhau đã cho thấy
được ảnh hưởng của SSI
3 Kết luận
Tổng quan các nghiên cứu liên
quan nói trên cho thấy sự cần thiết phải
đánh giá chính xác ảnh hưởng của SSI
lên phản ứng động của kết cấu cầu trên
móng cọc và cần phải xem xét các vấn
đề sau:
Cần phải có một nhìn nhận mang
tính định lượng về ảnh hưởng của SSI
lên phản ứng của kết cấu cầu trên móng
cọc để có thể xác định được các trường hợp chịu ảnh hưởng đáng kể của SSI và
có thể định lượng được các ảnh hưởng của SSI là gì và chúng ảnh hưởng như thế nào đến hiệu năng tổng thể của kết cấu cầu
Để đánh giá chính xác SSI yêu cầu phải có một phương pháp tiếp cận hệ thống trong phân tích SSI với sự mô tả kết hợp đầy đủ các thành phần chính của
hệ thống và với sự xem xét xác đáng ứng xử phi tuyến của đất nền, kết cấu và
sự tiếp xúc đất nền-kết cấu Đặc trưng cản của hệ thống cũng cần phải được xem xét một cách thích hợp
Đánh giá ảnh hưởng của SSI phải xem xét các mục tiêu hiệu năng khác nhau và các mức độ địa chấn khác nhau
Đánh giá SSI phải phù hợp với các phương pháp thiết kế dựa trên chuyển vị, tức là phù hợp với mục tiêu đánh giá các chuyển vị phi đàn hồi của kết cấu cầu và nền móng như là những tham số yêu cầu chính
Đánh giá SSI phải xem xét những thiếu sót liên quan đến thông số đầu vào địa chấn, các điều kiện đất nền và các đặc trưng của hệ để hệ có thể được thiết
kế tối ưu, đáp ứng các tiêu chuẩn hiệu năng khác nhau với các mức độ khác nhau về độ tin cậy thiết kế cho một công trình cụ thể
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bertero, R.D and Bertero, V.V (2002) Performance-Based Seismic
Engineering: the Need for a Reliable Conceptual Comprehensive Approach,
Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol 31, No 3, pp 627-652
[2] Krawinkler, H and Miranda E (2004) Performance-Based Earthquake
Engineering, Earthquake Engineering from Engineering Seismology to Performance
Based Design, Ed Bozorgnia, Y and Bertero V.V., CRC Press, FL
Trang 10[3] A.S Hokmabadi, B Fatahi , B Samali(2014) ―Seismic Response of Mid-rise
Buildings on Shallow and End-bearing Pile Foundations in Soft Soil, ‖Soils and
Foundations ,Vol.54, No.3, pp 345–363
[4] Gazetas, G., 1991 Formulas and charts for impedances of surface and embedded
foundations J Geotech Eng 117, 1363–1381
[5] Mostafa, Y.E., El Naggar, M.H., 2002 Dynamic analysis of laterally loaded pile
groups in sand and clay Can Geotech J 39, 1358–1383
[6] Allotey, N., El Naggar, M.H., 2008 Generalized dynamic Winkler model for
nonlinear soil–structure interaction analysis Can Geotech J 45, 560–573
[7] Finn, W.D., 2005 A study of piles during earthquakes: issues of design and
analysis Bull Earthquake Eng., 3 Springer, pp 141–234
[8] Hokmabadi, A.S., Fakher, A., Fatahi, B., 2012a Full scale lateral behaviour of
monopiles in granular marine soils Mar Struct 29, 198–210
9] Hokmabadi, A.S., Fatahi, B., Samali, B., 2012b Recording inter-storey drifts of
structures in time-history approach for seismic design of building frames Aust J
Struct Eng 13, 175–179
[10] Mindlin, R.D., 1936 Force at a point in the interior of a semi-infinite solid
Physics 7, 195–202
[11] Tajimi, H., 1969 Dynamic analysis of a structure embedded in an elastic stratum
In: Proceedings of Fourth World Conference on Earthquake Engineering, Santiago,
USA, 53–69
[12] Tabesh, A., Poulos, H.G., 2001 The effects of soil yielding on seismic response
of single piles Soils Found 41, 1–16
[13] Meymand, P.J., 1998 Shaking Table Scale Model Tests of Nonlinear Soil–Pile–
Superstructure in Soft Clay University of California, Berkley
[14] Dutta, S.C., Roy, R., 2002 A critical review on idealization and modeling for
interaction among soil–foundation–structure system Comput Struct 80, 1579–1594
[15] Tabatabaiefar, H.R., Fatahi, B., Samali, B., 2013 Seismic behavior of building
frames considering dynamic soil–structure interaction Int J Geomech 13, 409–420
[16] G Mylonakis and G Gazetas Seismic soil-structure interaction: beneficial or
detrimental? Journal of Earthquake Engineering, 4(03):277–301, 2000
[17] Gazetas, G and Mylonakis, G (1998) Seismic Soil-Structure Interaction: New
Evidence and Emerging Issues, Proceedings of the Specialty Conference on
Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics III, Vol 1, pp 1119-1174,
Edited by Dakoulas, P., Yegian, M and Holtz, R.D ASCE Geotechnical Special
Publication No.75
[18] Mylanokis G., and Gazetas G., (2000) Seismic Soil-Structure Interaction:
Beneficial or Detrimental?, Journal of Earthquake Engineering, Vol 4, No 3, pp
277-301, Imperial College Press