Tính ổn định mái dốc của nền đường đắp cao chịu tải trong động khi có và không có vải địa kỹ thuật gia cường

Hà Nội nằm trong vùng đứt gãy sông Hồng - sông Chảy và cận các vùng khác như sông Lô, Đông Triều, Sơn La nên nguy cơ xảy ra là không loại trừ" Đối với TP HCM, tuy không nằm trên vùng đứt

PHẠM NHẤT VIỆT

TÍNH ỔN ĐỊNH MÁI DỐC CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẮP CAO CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG KHI CĨ VÀ KHƠNG CĨ VẢI

ĐỊA KỸ THUẬT GIA CƯỜNG

Chuyên ngành: XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ Mã số ngành : 60.58.30

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2009

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Trà Thanh Phương

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC

BÁCH KHOA ngày tháng năm 2009

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên Phạm Nhất Việt Phái : Nam

Ngày, tháng, năm sinh 10-04-1981 Nơi sinh : Bình Định

Chuyên ngành Xây dựng đường ơtơ và đường thành phố

I – TÊN ĐỀ TÀI

Tính ổn định mái dốc của nền đường đắp cao chịu tải trọng động khi có

và không có vải địa kỹ thuật gia cường

II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Nhiệm vụ: Nghiên cứu xác định sự thay đổi độ ổn định của nền đường đắp

cao trong suốt quá trình xảy ra động đất khi cĩ và khơng cĩ vải địa kỹ thuật gia

cường

2 Nội dung

Chương 1: Khả năng động đất ở việt nam và khu vực trung bộ Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết tính tốn động lực nền đất yếu

Chương 3: Ảnh hưởng của động đất lên độ ổn định cơng trình đắp trong điều kiện

Chương 4 Vải địa kỹ thuật và các dữ liệu phục vụ tính tốn

Chương 5: Khảo sát ổn định và chuyển vị đất nền

III – NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

IV – NGÀY HỒN THÀNH NHIỆM VỤ : / /2009

V – HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS Trà Thanh Phương

có thể học tập, trưởng thành như ngày hôm nay

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy T.S Trà Thanh Phương đã tận tình hướng dẫn, mở ra những hướng đi trên con đường nghiên cứu khoa học của

em Thầy đã hết lòng giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn đúng thời hạn

Lời cảm ơn sâu sắc cũng xin gửi tới: Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh; khoa Kỹ Thuật Xây Dựng; Phòng Đào Tạo Sau Đại Học; các thầy cô giáo đã giảng dạy, giúp đỡ em trong suốt những năm học cao học và hoàn thành luận văn này

Tôi chân thành cảm ơn sự quan tâm, động viên, giúp đỡ của các bạn, các anh, các chị trong khóa cao học khoá 2007 trong suốt thời gian học và thực hiện luận văn Thạc sĩ này

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2009

• Do nước mưa lũ thấm vào đất làm thay đổi trạng thái vật lý của đất dẫn đến giảm sức chịu tải

• Do tác động của gió, của dòng nước chảy làm thay đổi hình dạng của mái dốc dẫn đến mất trạng thái cân bằng cơ học

• Đôi khi do những nguyên nhân gián tiếp như độ ẩm không khí thay đổi

do xây dựng các công trình hồ chứa nước khu vực gây ra,…

Tuy nhiên có một nguyên nhân cũng rất quan trong mà gần đây chúng ta cũng bắt đầu quan tâm thực sự đến nó đó là : tải trọng động trong đó yếu tố được xem xét trong đề tài này là động đất Nó xảy ra trong thời gian rất ngắn khoảng 10 giây, những diễn biến phức tạp và để lại hậu quả rất nặng nề

Để xét đến yếu tố động đất hiện nay có 2 phương pháp đó là : phương pháp tính toán tĩnh và phương pháp tính toán động Ưu điểm của phương pháp tĩnh là tính toán đơn giản, có thể áp dụng cho công trình có hình dạng bất kỳ Tuy nhiên,

nó có nhược điểm là không chú ý đến biến dạng của công trình và đặc biệt là nó không phản ảnh được trạng thái chịu lực thực của công trình khi động đất xảy ra Chính vì vậy, vào những năm 40 của thế kỷ XX, phương pháp tính toán tĩnh đã nhanh chóng nhường chỗ cho phương pháp tính toán động lực Đề tài sẽ đi sâu tính toán sự ổn định mái dốc theo phương pháp tính toán động để cho thấy sự biến đổi

hệ số ổn định mái dốc thay đổi theo thời gian như thế nào trong suốt quá trình xảy

ra động đất

- Họ và tên: Phạm Nhất Việt

- Giới tính: Nam

- Sinh ngày : 10/04/1981

- Nơi sinh : Tỉnh Bình Định

II ĐỊA CHỈ LIÊN LẠC

- Cơ quan : Công ty CP TV- ĐT – Xây dựng Việt (VIET CIC)

- Địa chỉ liên lạc: Số 57 lô B, Trường Sơn, P 15, Quận 10, Tp.HCM

- Điện thoại: 0988.651.793

- Email: vietnhatpham@yahoo.com

III QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

- Năm 1999 – 2004 : Sinh viên trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM

+ Tốt nghiệp đại học : năm 2004

+ Hệ: Chính quy

+ Chuyên ngành : Xây dựng cầu đường

- Năm 2007 : Trúng tuyển cao học Niên Khóa 2007-2008 của trường Bách Khoa

Tp Hồ Chí Minh

+ Mã số học viên : 00107515

IV QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC

- Từ đầu năm 2004 – 2008: công tác tại công ty CP TV – DT xây dựng TDN

- Từ năm 2008 – nay : Công tác tại Công ty CP TV- ĐT – Xây dựng Việt (VIET CIC)

1.2 Một số vấn đề về địa động lực Việt Nam thời đoạn Đệ tứ (Q) đến hiện đại 5

1.3 Các đứt gãy trên lãnh thổ Việt Nam 10

1.4 Các trận động đất đã xảy ra trên lãnh thổ Việt Nam 15

1.5 Tần suất hoạt động động đất ở Việt Nam 17

1.6 Một số các kết quả nghiên cứu động đất đã đạt được 18

1.7 Phân vùng gia tốc nền trên lãnh thổ Việt Nam 20

Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết tính toán động lực nền đất yếu 2.1 Lý thuyết dao động khi nền đường chịu tác dụng của tải trọng động do xe chạy 23

2.1.1 Tổng quan về sóng dao động trong nền đất 23

2.1.2 Phương trình chuyển động của sóng ứng suất 25

2.1.3 Sự tắt dần của sóng theo khoảng cách 37

2.1.4 Các nhận xét 39

Chương 3: Ảnh hưởng của động đất lên độ ổn định công trình đắp 3.1 Đặc trưng của động đất 41

3.1.1 Các khái niệm 41

3.1.2 Sự lan truyền của sóng địa chấn 42

3.1.3 Ảnh hưởng của gia tốc động đất lên ổn định của đất nền 45

3.1.4 Cường độ động đất và chấn cấp động đất 48

3.2 Các đặc trưng của đất khi chịu tải trọng động 52

3.2.1 Độ bền chống cắt của đất dưới tải trọng tức thời 52

3.2.2 Đặc trưng cường độ và biến dạng của đất dưới tác dụng của tải trọng động tức thời 56

3.2.3 Sự gia tăng biến dạng – Các cơ chế biến dạng 56

Chương 4 Vải địa kỹ thuật và các dữ liệu phục vụ tính toán gia cường

4.1 Vải địa kỹ thuật 63

4.1.1 Cấu tạo 63

4.1.2 Ứng dụng 63

4.1.2.1 Chức năng phân cách 63

4.1.2.2 Chức năng gia cường 64

4.1.2.3 Chức năng tiêu thoát/ lọc ngược 65

4.1.3 Vải địa kỹ thuật trong ổn định nền đường 66

4.1.3.1 Khái niệm 66

4.1.3.2 Đặc trưng vật liệu 66

4.1.3.3 Cơ sơ lý luận cho các công trình đất có cốt 66

4.1.3.3.1 Ma sát bề mặt của vải và đất 67

4.1.3.3.2 Sức kháng cắt trực tiếp 69

4.1.3.3.3 Sức kháng kéo 70

4.1.3.4 Mo đun biến dạng dài của sợi vải 71

4.1.3.4.1 Mô đun tiếp tuyến (tagent modulus) 71

4.1.3.4.2 Mô đun cát tuyến (secant modulus) 72

4.1.3 Đặc tính vải địa kỹ thuật dệt- gia cường 73

4.2 Tải trọng xe cộ đưa vào bài toán 73

4.2.1 Tính đổi tải trọng xe cộ 73

4.2.2 Quy đổi thành phần động về tải trọng tĩnh tương đương 75

4.3 Điều kiện địa chất và kết cấu nền đắp 76

4.3.1 Điều kiện địa chất công trình tính toán 76

4.3.2 Kết cấu của vật liệu đắp 78

4.4 Tính toán động đất 79

4.4.2.1.1 Phương trình cơ bản bài tốn động đất trong chương trình Plaxis 81

4.4.2.1.2 Phân tích theo thời gian 82

4.4.3 Phân tích bài tốn bằng phần mềm PLAXIS 84

4.4.4 Nhận xét 89

Chương 5 Phân tích sự ổn định, chuyển vị, ứng suất của nền đường đắp cao…

5.1 Khảo sát ổn định 90

5.1.1 Ổn định mái dốc( Msf) 90

5.1.1.1 Trường hợp cĩ vải địa kỹ thuật 90

5.1.1.2 Trường hợp khơng cĩ vải địa kỹ thuật gia cường 98

5.1.2 Khảo sát ổn định của đất nền 100

5.2 Khảo sát chuyển vị đất nền và đất đắp nền đường 106

5.2.1 Kết luận 113

5.3 Khảo sát ứng suất của đất nền 114

5.4 Khảo sát sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng 117

5.5 Kết luận 119

Chương 6 KIẾN NGHỊ 120

1 Đặt vấn đề nghiên cứu

Trên toàn lãnh thổ Việt Nam, có 30 khu vực có thể phát sinh động đất Mức chấn động mạnh nhất lên tới 6,8 độ Richter, đủ để đánh sập nhà cửa và các công trình khác Tại hội thảo về nguy cơ động đất tại Việt Nam được tổ chức tại Hà Nội trong 2 ngày (12-13/3/2009), nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước đã bày tỏ mối lo ngại về hiểm họa động đất và sóng thần ở khu vực Đông Nam Á, trong đó có Việt Nam

Theo thống kê, từ Bắc chí Nam Việt Nam có tất cả 30 khu vực có thể phát sinh động đất Mức chấn động nằm trong khoảng 5,5 - 6,8 độ Richter (đủ để nhà cửa, công trình khác bị hư hại cho tới phá hủy) Trong đó hai thành phố lớn là Hà Nội và TP HCM cũng nằm trong hoặc cận các khu vực này

Theo giáo sư Cao Đình Triều, Viện Vật lý địa cầu, Việt Nam nằm trong khu vực

có hoạt động địa chất và đứt gãy mạnh Động đất ở nước ta thỉnh thoảng mới xuất hiện với cường độ mạnh như ở Điện Biên năm 1935 (6,7 độ Richter), Tuần Giáo - Lai Châu năm 1983 (6,8 độ Richter) : "Động đất ở Việt Nam tuy ít xảy ra nhưng diễn biến khá phức tạp Hà Nội nằm trong vùng đứt gãy sông Hồng - sông Chảy và cận các vùng khác như sông Lô, Đông Triều, Sơn La nên nguy cơ xảy ra là không loại trừ"

Đối với TP HCM, tuy không nằm trên vùng đứt gãy nào nên rủi ro địa chấn lớn nhất có khả năng phát sinh từ sự lan truyền chấn động từ các trận động đất mạnh ở phạm vi khu vực và sự khuếch đại rung động nền do các hiệu ứng nền địa phương gây

ra dưới tải trọng của động đất Nền đất yếu tại thành phố này là yếu tố góp phần không nhỏ vào sự khuếch đại rung động địa chấn

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Áp dụng lý thuyết dao động trong đất nền đặc biệt là trong nền đất yếu để xem xét sự ổn định, biến dạng của đất yếu

ví dụ như: ở TPHCM

Khẳng định vấn đề tác động của động đất và của tải trọng ôtô lên nền đắp trên đất yếu là cần thiết

1.1 Cấu trúc kiến tạo Việt Nam và vùng lân cận

Về mặt kiến tạo, lãnh thổ Việt Nam nằm ở một vị trí khá đặc biệt Trên bản đồ kiến tạo mảng của vỏ trái đất, lãnh thổ Việt Nam nằm trên một phần lồi của mảng Á –

Âu, bị kẹp giữa ba mảng có mức độ hoạt đông mạnh đó là các mảng Châu Úc, mảng Philipin và mảng Thái Bình Dương (hình 1.1) Phía Tây và phía Nam của nước ta là vành đai động Himalaya và rãnh sâu Java được tạo ra do sự va chạm giữa mảng Châu

Úc với mảng Á – Âu, còn phía Đông là vành đai lửa Thái Bình Dương nổi tiếng được tạo ra do sự va chạm giữa mảng Thái Bình Dương và mảng Philipin với mảng Á – Âu Đặc biệt khu vực rãnh sâu Java nằm ở phía Đông đảo Sumatra (Indonesia) ngày 26 tháng 12 năm 2004 đã xảy ra trận động đất với độ lớn khoảng 9,1 đến 9,3 độ Richter kèm theo sóng thần làm gần 300 người của 12 quốc gia ở Châu Á và Châu Phi chết và mất tích Nhiều tháng sau đó, đến tháng 5 năm 2005, theo thống kê địa lý và khí tượng quốc gia Indonesia đã có 3183 cơn chấn động vẫn tiếp tục xảy ra ở khu vực Aceh và đảo Sumatra, trong đó có trận động đất với độ lớn gần 8 độ Richter Theo một báo cáo khoa học công bố ngày 20 tháng 5 năm 2005, trận động đất xảy ra vào ngày 26 tháng

12 năm 2004 có thời gian kéo dài kỷ lục 500 – 600 giây Nguồn năng lượng được giải phóng ở chấn tiêu tương đương một quả bom chứa 100 tỷ tấn thuốc nổ TNT, làm một mảng vỏ trái đất dài 1300 km rộng 100 km từ Tây Sumatra đến Myanmar bị dịch chuyển Ở nhiều nơi, nền đất đá dưới đáy biển bị nâng cao lên tới 10 m Trận động đất

đã làm trục quay của trái đất bị thay đổi, cả thế giới rung lên vài giờ sau đó như một quả chuông bị đánh [1]

Hình 1.1 Sơ đồ các mảng nền và sự dịch chuyển của chúng

Một số nhà khoa học cho rằng lãnh thổ Việt Nam và khu vực phụ cận đang chịu ảnh hưởng kéo theo của sự va chạm đồng thời của nhiều mảng kiến tạo Sự va chạm này khiến dãy núi Hymalaya nổi tiếng cao dần lên và làm phần phía nam lục địa Đông

Á bị biến dạng và phân chia thành các mảnh nhỏ chuyển động theo các hướng khác nhau chủ yếu là hướng Đông – Đông Nam Kết quả hợp tác nghiên cứu giữa Viện Trắc địa ứng dụng – Cộng hòa liên bang Đức đã cho thấy điều đó Lãnh thổ Việt Nam cùng với khu vực phụ cận đang chuồi dần về phía Đông – Đông Nam với tốc độ khoảng 50 mm/năm Sơ đồ cấu trúc kiến tạo Việt Nam và khu vực phụ cận đã được nhiều nhà khoa học đề cập tới Một trong những sơ đồ thường được sử dụng nhiều là sơ đồ kiến tạo Kainozoi khu vực Đông Á do Tapponier và một số người khác thiết lập (1982) Sự hoạt động kiến tạo nêu trên đã gây ra các chuyển động tích cực và phân dị trên lãnh thổ Việt Nam và vùng lân cận với các đơn vị kiến tạo khác nhau như : Vùng Irabad (Myanma), Vùng uốn nếp Việt Nam – Malaysia, vùng nền Hoa Nam (Nam Trung Hoa), đới Caledonit Katazia, vùng uốn nếp Bắc Việt Nam (bao gồm miền uốn nếp

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

Trong kỷ Kreta muộn (K3)–Kainozoi (Kz), quá trình tạo rift nội động lực tiếp tục diễn ra với cường độ cao và là một quá trình tách giãn mới của vỏ đại dương ở khu vực biển Đông Việt Nam Vỏ lục địa biển Đông Việt Nam bị chia xẻ bởi nhiều hệ thống đứt gãy

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

Các bồn trũng tách giãn (vùng vịnh Dung Quất) tiếp tục phát triển, xác nhận được cả tài liệu về động đất và địa nhiệt [3]

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

Liên quan tới đới sóng lồi Nam Côn Sơn, tài liệu các hố khoan thăm dò của công ty AGIP (1973) tổng kết cho thấy các rìa phía Đông có mặt phức hệ hút chìm Jura – Crêta, tạo bởi trầm tích lục nguyên Ứng với các tài liệu này, theo Hamilton (1970)

và Katili (1980) đã từng tồn tại một đế hút chìm vỏ đại dương biển Đông xuống dưới sống lồi

: rõ : không rõ

Hình 1.2 Bình đồ cấu trúc kiến tạo Kainozoi của biển Đông

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

110o) ranh giới ở phía Đông và Đông Nam của biển toát lên sự rõ nét nhờ các rãnh sâu, thuộc cấu tạo hình thái của đới hút chìm ở đại dương Dựa vào số liệu địa vật lý vỏ đại dương biển Đông có độ truyền sóng trung bình 6km/s và chiều dày mỏng khoảng 6km – 7km Trầm tích hiện đại phủ lên vỏ bazan biển Đông có bề dày mỏng (0,2 – 2,2 km)

và độ truyền sóng nhỏ: từ 1-3 km/s (hình 1.3)

Đứt gãy á kinh tuyến

110 0

Hình 1.3 Sơ đồ thành hệ kiến trúc thời đoạn Đệ Tứ giữa–muộn (QII – QIV)

b

a

: Trục tách giãn vỏ đại dương

Hình 1.4 Sơ đồ mô hình địa động lực biển Đông

Hình 1.5 Bản đồ khu vực động đất theo Quy chuẩn XDVN [11]

động cho khu vực này là đứt gãy Thuận Hải – Minh Hải (cách bờ biển 20 km), đứt gãy Nam Côn Sơn và đứt gãy kinh tuyến 110o (cách bờ biển 100km) Tháng 11/2005, xuất phát từ hoạt động của đứt gãy kinh tuyến 110o, chấn động khu vực này xác định được

là 5,1-5,5 độ Richter gây động đất khu vực gần bờ với cường độ cấp 5, cấp 6

1.3 Các đứt gãy trên lãnh thổ Việt Nam

Kết quả các công trình nghiên cứu khoa học gần đây cho thấy, trên lãnh thổ Việt Nam tồn tại một mạng lưới đứt gãy phức tạp, đa dạng về phương, về kiểu trượt, về cấp

độ và lịch sử phát triển Phần lớn đó là các đứt gãy sâu giới hạn các miền kiến tạo hoặc các đơn vị kiến tạo chính trong các miền; một số ít là các đứt gãy lớn phát triển trong phạm vi một vài đơn vị kiến tạo

• Thuộc về nhóm đứt gãy phân miền kiến tạo có các đứt gãy sau (đứt gãy cấp I):

- Đứt gãy Sông Hồng phân chia miền nền hoạt động Hoa Nam (Trung Quốc) với đới uốn nếp Tây Bắc Việt Nam Đây là đới đứt gãy lớn nhất, hoạt động nhất trên lãnh thổ Việt Nam Ở đứt gãy này đã quan sát thấy các trận động đất có cường độ đến cấp VIII (cường độ động đất được giới thiệu trong đề tài tính theo thang MSK-64), độ lớn Ms = 5,4 (Ms: thang độ lớn sóng mặt đất [1]), ví dụ các trận động đất quan sát thấy ở Hà Nội vào các năm 1276, 1277, 1285, động đất Lục Yên 1953, 1954 Độ sâu chấn tiêu của các trận động đất trong khu vực này không vượt quá 25km

- Đứt gãy Sông Mã ngăn cách đới phức nếp lồi Sông Mã với miền uốn nếp Hecxinit Trường Sơn

- Đứt gãy Sơn La là đứt gãy xung yếu sâu, cổ, có đường phương uốn lượng, phân cách phức nếp lõm Sông Đà với phức nếp lồi sông Mã

Đứt gãy Sông Mã và đứt gãy Sơn La là những vùng phát sinh động đất mạnh nhất ở vùng uốn nếp Tây Bắc Việt Nam nói riêng và Việt Nam nói chung Chúng thuộc kiểu

phân dị cao Chuyển động ngang ở đây có thể rất mạnh nhưng chưa được đánh giá một cách định lượng Bề dày tầng sinh chấn đạt trị số lớn nhất, đến 30 - 35 km Những trận động đất mạnh nhất đã từng xảy ra ở đây, ví dụ trận động đất Yên Định – Thanh Hóa (1635) Ms = 6,7 – 6,8, Điện Biên (1935) Ms = 6,75, Tuần Giáo (1983) Ms = 6,7, …

- Đứt gãy Lai Châu – Điện Biên phân chia miền uốn nếp Thái Lan – Malaysia với các đới uốn nếp Bắc Việt Nam và địa khối Indosini Đứt gãy này thuộc kiểu trượt bằng – thuận Đây là nơi xuất phát của các đứt gãy Sông Mã, Sơn La và một số đứt gãy sâu khác Đặc điểm của đứt gãy này là bề dày tầng sinh chấn mỏng, độ sâu chấn tiêu không vượt quá 20 km Nhiều trận động đất có cường độ đến cấp VII đã xảy ra trên chiều dài đứt gãy, mạnh nhất là trận động đất Tây Điện Biên (2001) Ms = 5,3

- Đứt gãy Thà Khẹt (Lào) – Trà Bồng phân chia đới uốn nếp Bắc Việt Nam với địa khối Indosini

- Đứt gãy Sông Hậu phân chia miền kiến trúc Hecxinit Tây Nam Bộ và địa khối Indosini, khống chế địa hào sông Mekong ở phía tây Nam Bộ;

- Các đứt gãy á kinh tuyến Tây Biển Đông (đứt gãy Kinh tuyến 1100E) chạy dọc chân sườn lục địa và đới đứt gãy Thuận Hải, Minh Hải (đứt gãy Vũng Tàu – Mũi Dinh) giới hạn địa khối Indosini từ phía đông và đông nam Các đứt gãy này có bề dày tầng sinh chấn xấp xỉ 15km

• Thuộc về nhóm đứt gãy phân chia các đơn vị cấu trúc chính trong các miền kiến tạo có các đứt gãy sau (đứt gãy cấp II):

- Đứt gãy Đông Triều, Mạo Khê, Yên Tử là đứt gãy hình vòng cung, kiều trượt bằng nghịch, độ sâu chấn tiêu lớn, khoảng 30km Tại các đứt gãy này đã xãy ra trận động đất

có cường độ cấp VII, độ lớn Ms = 5,6 ở Bắc Giang 1961 và các trận động đất cấp VI – VII như ở Mạo Khê (1903), Yên Thế (1987),…

- Đứt gãy Cao Bằng – Tiên Yên kéo dài theo phương Tây Bắc – Đông Nam từ Trung Quốc đi vào lãnh thổ Việt Nam, đóng vai trò khống chế sự phát triển của Mezozoi

sâu chấn tiêu của các trận động đất nhỏ hơn 20km

- Đứt gãy Linh Sơn – Hạ Long từ Quảng Tây (Trung Quốc) sang Việt Nam chạy dọc

từ bờ vịnh Hạ Long từ Móng Cái qua Cẩm Phả Đây cũng một vùng phát sinh động đất vừa mà trận động đất mạnh nhất đã quan sát thấy là trận động đất Cẩm Phả năm 1988,

- Đứt gãy Sông Cả là đứt gãy sâu xuyên vỏ, dài 300 km , có phương chính là Tây Bắc – Đông Nam kéo về phía biên giới Việt - Lào, có cơ chế trượt bằng-phải;

- Đứt gãy Rào Nậy là ranh giới giữa đới phức nếp lõm Sông Cả và đới phức nếp lồi Trường Sơn, cơ chế trượt bằng – phải

Đứt gãy Sông Cả – Rào Nậy là biểu hiện hoạt động tân kiến tạo như trong hệ đứt gãy Sông Hồng – Sông Chảy có tầng sinh chấn tương tự và độ sâu chấn tiếu không quá

25 km Nhiều trận động đất mạnh đã xảy ra trong khu vực các đứt gãy này Đó là các

khu vực hoạt động địa chấn này, ngày 7 và 12 tháng 1 năm 2005 đã xảy ra các trận động đất có cường độ cấp VI – VII, độ lớn M = 4,6 độ Richter và độ sâu chấn tiêu 5 –

15 km (lần đầu 5 km và lần sau 15 km) gây chấn động hạn chế ở các huyện Tân Kỳ,

Đô Lương, Yên Thành, Diễn Châu, Nghi Lộc và Thành phố Vinh nằm ở tả ngạn Sông

Ba và Ba Tơ – Củng Sơn thuộc khối nhô Công Tum

Bảng 1.1 giới thiệu một số các đứt gãy kiến tạo hoạt động chính trên lãnh thổ Việt Nam và các đặc trưng của chúng

Bảng 1.1 Đưt gãy kiến tạo hoạt động chính trên lãnh thổ Việt Nam

và một số đặc trưng của chúng

TT Tên đứt gãy Hướng Hướng cắm Góc

cắm

Độ cắm sâu (km)

5 Sông Chảy TB – ĐN ĐB 200 30-35 Trượt bằng

và động đất cắm về TN)

15 Sông Hậu TB – ĐN ĐB 100-200 60 Trượt bằng

phải – thuận

1.4 Các trận động đất đã xảy ra trên lãnh thổ Việt Nam

Trong lịch sử, các văn bản ghi chép còn giữ được đã cho thấy từ năm 114 đến năm

2003 đã có 1.645 trận động đất mạnh từ 3 độ Richter trở lên đã xảy ra trên lãnh thổ nước ta Đó là các trận động đất cấp VIII (6 độ Richter) ở quận Nhật Nam (Bắc Đồng Hới) vào năm 114, các trận động đất cấp VII và cấp VIII (5,5 – 6 độ Richter) ở Yên Định – Vĩnh Lộc – Nho Quan vào năm 1635, động đất cấp VIII (6 độ Richter) ở Nghệ

An vào năm 1821, động đất cấp VII ở Hải Dương vào năm 1137, động đất cấp VII ở Tỉnh Gia – Thanh Hóa vào năm 1767, các trận động đất cấp VII (5,5 độ Richter) ở Phan Thiết vào các năm 1882 và 1887…

Trong thế kỷ 20 từ năm 1903 đến năm 1961 đã xảy ra 46 trận động đất từ cấp V trở lên trên lãnh thổ nước ta Riêng tại khu vục Lai Châu, Sơn La, Điện Biên từ năm

- Trận động đất xảy ra vào ngày 14 tháng 6 năm 1983 có chấn tâm nằm ở huyện Tuần Giáo (Lai Châu) Trận động đất này có độ lớn M = 6,7 (theo thang Richter) và cường độ ở vùng chấn tâm khoảng cấp VIII Trận động đất đã gây ra sụt lở lớn ở các dãy núi, vùi lấp 200 ha ruộng, làm chết và bị thương hàng chục người Một số các công trình xây dựng nằm ở vùng chấn tâm đã bị phá hoại Nền đất bị nứt rộng 10 cm và dài tới 20 km Chấn động của trận động đất này đã lan sang các khu vực khác như thị xã Lai Châu, Thuận Châu, Tủa Chùa, Quỳnh Nhai, thị xã Sơn La Tại Hà Nội trận động đất này đã gây ra chấn động với cường độ khoảng cấp V – VI, gây ra rạn nứt nhà cửa ở một vài khu vực

- Trận động đất Điện Biên Phủ xảy ra vào hồi 22 giờ 52 phút 33,9 giây ngày 19 tháng

2 năm 2001 có độ lớn M = 5,3 độ Richter Chấn tâm của trận động đất nằm tại vùng núi Nam Oun thuộc Lào, cách thị xã Điện Biên khoảng 15km, với độ sâu chấn tiêu khoảng 12 km Chấn động ở vùng chấn tâm đạt tới cấp VII – VIII theo thang MSK-64

Ở Hua Pe (thuộc tỉnh Lai Châu) gần biên giới Việt – Lào chuyển động địa chấn làm sập mái hầm kèo, gây nứt ở sườn dốc, sân nhà và lở các bậc thềm xếp bằng đá hôc Đập Pe Luông cách chấn tâm 10 km về phía đông bị nứt vai đập và phần tiếp xúc giữa đập với tràn Suối nước nóng Hua Pe nóng lên và có sự thay đổi về khoáng chất Tại thị

xã Điện Biên nằm trong vùng động đất cấp VII theo thống kê có hơn 130 ngôi nhà phải xây dựng lại, 1044 ngôi nhà phải sửa chữa và 2044 ngôi nhà bị hư hỏng nhẹ, chiếm khoảng 98% các công sở và 80% nhà dân Động đất gây chấn động cấp VI ở Tây Trang, Na Pheo, Tuần Giáo và các địa phương nằm trong bán kính 15-30 km kể từ chấn tâm Sau chấn động chính có hàng trăm dư chấn tiếp tục xảy ra, trong đó có nhiều dư chấn mạnh từ 4,1 – 4,9 độ Richter gây chấn động cấp V – VI tại thị xã Điện Biên Trận động đất này được gây ra bởi hoạt động của đới đứt gãy sâu Lai Châu – Điện Biên, chạy theo hướng Á kinh tuyến từ Phong Thổ đến Lai Châu sang lào đi qua phía Tây Điện Biên Phủ Chính hoạt động của đứt gãy này cũng đã gây ra động đất Lai Châu tháng 7 năm 1914 (5,1 độ Richter), động đất Điện Biên Phủ tháng 2 năm 1920

Theo thống kê, từ trước đến nay ở Việt Nam đã xảy ra 2 trận động đất cấp VIII, 11 trận động đất cấp VII và 60 trận động đất cấp VI Phần lớn các trận động đất đó đều xảy ra ở các tỉnh phía Bắc, dọc theo các vết đứt gãy vùng Sông Hồng, Sông Chảy, Sông Đà, Sông Mã, Sông Cả, Lai Châu-Điện Biên và nói chung đều có độ sâu chấn tiêu nông (H = 10 ÷ 20 km) nên vùng ảnh hưởng hẹp

1.5 Tần suất hoạt động động đất ở Việt Nam

Bảng 1.2 Tần suất động đất tại các vùng lãnh thổ Việt Nam Vùng lãnh thổ Ms ≥ 4,5 Ms ≥ 5 Ms ≥ 5,5 Ms ≥ 6,0 Ms ≥ 6,5 Miền Bắc 0,6017 0,2254 0,0873 0,0338 0,0136 Miền Nam (địa khối

- Khu vực miền Bắc (từ vùng Sông Cả trở ra):

log (M ≥ Ms) = 3,56 – 0,86 Ms

- Khu vực miền Nam (địa khối Indosini):

log (M ≥ Ms) = 3,52 – 0,96 Ms

log (M ≥ Ms) = 2,8 – 0,877 Ms

- Vùng Tây Bắc Việt Nam (vùng uốn nếp Bắc Việt Nam từ đứt gãy Sông Hồng đến đứt gãy Trà Bồng):

log (M ≥ Ms) = 3,35 – 0,81 Ms

1.6 Một số các kết quả nghiên cứu động đất đã đạt được

Ở Việt Nam, tới năm 1986 có tất cả 8 trạm quan trắc địa chấn Các trạm quan trắc địa chấn này được xây dựng và hoạt động ở những thời điểm khác nhau: Phù Liễn (1924), Nha Trang (1957), Sapa (1961), Bắc Giang (1967), Hòa Bình (1972), Tuyên Quang (1975), Đà Lạt (1980), Hà Nội (1986), … Từ năm 1986 đến năm 1995 mạng lưới trạm địa chấn Việt Nam đã được tăng cường và hiện đại hóa Đến nay chúng ta đã

có 26 trạm địa chấn chu kỳ ngắn, ghi số trong đó có hệ thống trạm địa chấn đo xa (seismic telemetry system) gồm 8 trạm xung quanh Hà Nội Có thể nhận xét, trước năm 1975 mạng lưới trạm quan trắc động đất còn thưa, hoạt động không đồng bộ nên chưa có hiệu quả cao trong quan sát động đất ở nước ta Do đó việc ghi các trận động đất xảy ra trên lãnh thổ nước ta chưa đầy đủ và có chất lượng Các máy đo chỉ ghi được các trận động đất yếu hoặc dư chấn của các trận động đất mạnh Vì vậy, phần lớn các

số liệu địa chấn được thu thập từ việc điều tra thực địa và tài liệu lịch sử Từ năm 1976

về sau, mạng lưới quan trắc địa chấn ngày càng được tăng cường và bố trí một cách khoa học Chúng ta đã có khả năng quan sát đầy đủ các trận động đất có độ lớn Ms ≥ 3,0 ở miền Bắc và Ms ≥ 4,0 trên toàn lãnh thổ Việt Nam Các trạm quan trắc địa chấn này hoạt động tương đối liên tục và đồng bộ hơn, số liệu đo có độ tin cậy và chính xác cao hơn trước

Để phục vụ cho các yêu cầu về thiết kế kháng chấn các công trình xây dựng, cơ

sở dữ liệu động đất trên lãnh thổ nước ta đã được xây dựng và từng bước hoàn thiện

Khí tượng Việt Nam đã cho công bố “Sơ đồ phân vùng động đất miền Bắc Việt Nam” Trong nhiều năm, bản đồ này đã trở thành tài liệu quan trọng phục vụ cho công tác quy hoạch và xây dựng các công trình kinh tế và quốc phòng Năm 1974, Nguyễn Khắc Mão dựa trên các số liệu ghi được bằng thiết bị đặt từ xa và các tài liệu lịch sử đã đưa

ra sơ đồ phân vùng động đất cho khu vực miền Nam Việt Nam Tiếp theo đó một số các nhà khoa học khác cũng đã công bố một số công trình nghiên cứu về tình hình hoạt động động đất trên lãnh thổ Việt Nam và đề cập tới vấn đề phân vùng động đất Việt Nam Các sơ đồ phân vùng động đất Việt Nam đã được thiết lập theo nguyên tắc “địa chấn thống kê”, chỉ nghiên cứu và thể hiện trên bản đồ hệ quả chấn động do động đất gây ra trên mặt đất mà không cho biết các nguồn phát sinh cũng như các thông số của chuyển động nền đất rất cần cho việc thiết kế kháng chấn công trình Để khắc phục các nhược điểm này, năm 1976 Nhà nước đã đưa đề tài phân vùng động đất trên lãnh thổ Việt Nam vào chương trình Atlas quốc gia và năm 1980 lại đưa vào chương trình hợp tác khoa học giữa Viện Khoa học Việt nam và Viện Hàn lâm khoa học Liên Xô và giao cho Viện Vật lý địa cầu – Viện Khoa học Việt Nam thực hiện Công trình đã hoàn thành vào năm 1985 và năm 1989 cho công bố bản đồ phân vùng động đất Việt Nam tỷ

lệ 1:2000000 Để tiếp tục hoàn thiện bản đồ phân vùng động đất, năm 1992 Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường đã giao cho Viện Vật lý địa cầu thực hiện đề tài cấp nhà nước “Cơ sở dữ liệu cho các giải pháp giảm nhẹ hậu quả động đất ở Việt Nam” Kết quả nghiên cứu của đề tài này là các bản đồ phân vùng động đất với chu kỳ lặp lại T –

200, 500, 1000 năm và bản đồ phân vùng chấn động cực đại Imax (MSK-64) trên lãnh thổ Việt Nam tỷ lệ 1:1000000 (1996) Theo bản đồ này lãnh thổ Việt Nam được phân chia thành các vùng có cấp động đất cực đại dự đoán như sau:

- Các vùng động đất cấp VIII – IX Đó là các vùng Pu Sam Sao – Pu Mây Tun, Sông

Mã, Sơn La gắn liền với các hệ đứt gãy cùng tên (bảng 1.1)

- Các vùng động đất cấp VIII Các vùng động đất cấp VIII gồm hai loại: các vùng phát sinh động đất cấp VIII và các vùng có chấn động cấp VIII được gây ra bởi động

lớn động đất cực đại dự đoán của các vùng động đất này M max = 6,1 Thuộc loại vùng thứ hai là các vùng có chấn động cấp VIII nằm kề hai phía các vùng nguồn Pu Sam Sao – Pu Mây Tun, Sông Mã, Sơn La có Imax = VIII – IX Trong các vùng này, nhiều nơi có khả năng phát sinh động đất cấp VII, đặc biệt là vùng Sông Đà với các đặc trưng địa chấn dự đoán Mmax = 5,1 – 5,5, độ sâu chấn tiêu H = 10 – 15 km

- Các vùng có động đất cấp VII Các vùng có động đất cấp VII cũng bao gồm hai loại: các vùng phát sinh động đất cấp VII và các vùng chấn động lan truyền từ các vùng phát sinh động đất còn lại như vùng biên giới Đông Bắc, Sông Lô

kề với vùng Sông Hồng, Sông Chảy, ven rìa vùng Sông Cả – Rào Nậy, Huế – Đà Nẵng, duyên hải Trung bộ, duyên hải Nam bộ, Sông Hậu và vùng động đất núi lửa ở vùng biển tỉnh Bình Thuận Vùng ranh giới đông bắc vùng trũng Hà Nội là một vùng đặc biệt trong loại này Động đất lớn nhất ở đây có độ lớn Mmax = 5,6 – 6,0 và độ sâu chấn tiêu lớn (H = 25-30 km)

Thuộc loại vùng động đất cấp VII do chấn động lan truyền từ các vùng có động đất mạnh hơn là những vùng nằm ở hai phía các vùng Pu Sam Sao – Pu Mây Tun, Sông

Mã, Sơn La (cấp VIII - IX) Sông Hồng – Sông Chảy, Sông Cả – Rào Nậy (cấp VIII) Trong các vùng này nhiều nơi là các vùng ảnh hưởng của các vùng phát sinh động đất

có cùng cấp độ mạnh, ví dụ các vùng Sông Lô, hai phía Sông Cả và duyên hải Trung

bộ

1.7 Phân vùng gia tốc nền trên lãnh thổ Việt Nam

Thông thường, vùng có độ mạnh động đất xấp xỉ nhau thường nằm trong một đơn vị cấu trúc địa chất Theo Phụ Lục H: Bản đồ phân vùng gia tốc nền lãnh thổ Việt Nam của TCXDVN 375:2006, đỉnh gia tốc nền tham chiếu agR trên lãnh thổ Việt Nam được biểu thị bằng các đường đẳng trị Giá trị agR giữa hai đường đẳng trị được xác

Hình 1.6 Bản đồ phân vùng gia tốc nền theo TCXDVN 375:2006

Chương 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT, TÍNH TOÁN ĐỘNG

LỰC HỌC

2.1 Lý thuyết dao động khi nền đường chịu tác dụng của tải trọng động do

xe chạy

2.1.1 Tổng quan về sóng dao động trong nền đất

Khi xe chạy tạo ra một va chạm, một lực nén sẽ gây ra xung động trong nền đất và tạo ra một tần số dao động – sóng dao động trong đất

Có ba loại sóng chính được sinh ra khi xe chạy tạo ra một xung động Chúng bao gồm: sóng nén P (compression waves), sóng cắt S (shear waves), và sóng bề mặt R (còn gọi là sóng Rayleigh – surface waves) Những loại sóng này có thể gộp chung thành sóng thân (body waves) và sóng bề mặt R Sóng thân bao gồm sóng nén P và sóng cắt S, truyền qua thân của đất, đá, trong khi đó sóng bề mặt R thông thường truyền dọc theo bề mặt đất

Sóng P liên quan đến sự nén lại và nở ra của vật liệu mà nó truyền qua Chúng tương tự sóng âm thanh, hướng chuyển động của các hạt chính là hướng chuyển động và hướng theo chiều dọc Sóng nén P có thể truyền qua cả thể rắn và thể lỏng

Sóng cắt S gây ra những biến dạng cắt khi chúng truyền qua một môi trường nào đó Không giống như sóng P, chuyển động của các hạt theo phương chiều ngang hoặc vuông góc với hướng truyền sóng Sóng cắt S không truyền qua được thể lỏng vì thể lỏng không có lực kháng cắt

Sóng bề mặt R là kết quả của sự tương tác giữa sóng thân (P,S) và bề mặt đất Sóng bề mặt tạo ra sự chuyển lớn với nền đất và truyền một lượng năng lượng lớn nếu so sánh với sóng thân Sóng bề mặt R có cả các thành phần chuyển động dọc và ngang của hạt [11], nó tương tự với trường hợp sóng lan tỏa khi ném hòn đá vào hồ nước

Hướng truyền của sóng

Hình 2-1 Các dạng sóng (từ trên xuống, sóng P, sóng S, sóng Rayleigh)

Tương tự như dao động của sóng âm thanh, dao động trong đất cũng được diễn tả qua tần số dao động, gia tốc dao động và biên độ dao động Đất như là một môi trường đàn hồi tuy nhiên dao động truyền qua đất rất phức tạp

Có rất nhiều hệ số ảnh hưởng tới mức độ dao động: điều kiện nền đường, tốc

độ xe chạy, trọng lượng xe, hệ thống trục xe, điều kiện địa chất, mùa trong năm

Loại đất và sự phân tầng có thể ảnh hưởng đến mức độ dao động Mức độ dao động tăng lên khi đất cứng và mức độ phá huỷ sẽ giảm xuống Dao động do xe

cộ xuất hiện tồi tệ nhất sâu đến 7-15m dưới lớp đất yếu Dao động theo mùa và độ

ẩm của đất cũng được đề cập đến khi đo đạc dao động

2.1.2 Phương trình chuyển động của sóng ứng suất [12],[8]

Xét phần tử lập phương có các cạnh là dx, dy, dz như hình vẽ Ta sẽ thiết lập các phương trình chuyển động theo các phương x, y, z bằng cách tổng các hợp lực theo các phương này

Hình 2-2 Ứng suất trong phần tử đàn hồi

Xét theo phương x:

( )( ) ( )( )( ) 22yx

yx yx

zx

zx zx

x

x x

t

udzdydxdz

dxdy

y

dydxdz

zdz

dydx

x

∂

∂ρ

yx x

t

uz

y

∂ρ

=

∂

τ

∂+

∂

τ

∂+

∂

σ

∂

(2.2)

Tương tự theo các phương y và z ta cũng được các phương trình sau:

2

2 zy

xy y

t

vz

x

∂ρ

=

∂

τ

∂+

∂

τ

∂+

xz z

t

wy

x

∂ρ

=

∂

τ

∂+

∂

τ

∂+

xt

∂

τ

∂+

GyG

2x

t

∂

∂+γ′

∂

∂+ε+ελ

∂ +

u

∂ +

∂

∂

∂

∂+

∂

∂

∂

∂+ε+ελ

uz

Gy

ux

vyGG

2x

t

u

x 2

∂

∂ +

∂

∂ +

∂

∂

∂ +

∂

∂

∂ +

∂

∂ +

∂

ε

∂ λ

u x

u y

x

w y

x

v x

u G x t

u

(2.8)

Nhưng ta có:

wy

x

vx

∂

∂

∂+

2

2

∇ +

∂

ε

∂ + λ

∂ +

∂

∂ +

2

2

∇+

∂

ε

∂+λ

2

2

∇ +

∂

ε

∂ + λ

∂

∂ +

∂

∂

∇ +

∂

ε

∂ +

∂

ε

∂ + λ

∂

∂ +

v x

u G

z y

x

G z

w y

v x

u

t

2 2

2 2

2 2

2 2

ε

∇

=ε

∇ρ

+λ

2

vG

2

t (2.14) trong đó:

ρ

+ λ

=

2(1 )

E G

ν

=+

Sóng cắt S

Lấy đạo hàm phương trình (2.11) và (2.12) lần lượt theo z và y, ta có:

vGzy

Gz

vt

2 2

∂

∂

ε

∂+

zy

Gy

wt

2 2

∂

∂

ε

∂+

z

vy

wG

z

vy

wt

2 2

x 2 2 s x

∂

Sóng Rayleigh

Thành phần đứng

Biên độ tương đối

Thành phần ngang

Sóng nén Cung cắt

Biến dạng cắt, γ’

u

∂

ψ

∂+

z

wy

vx

uz y x

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂

=ε+ε+ε

=ε

∂

φ

∂+

2 2

2

2 2

2

2

zxz

xz

0yx

2 y

zx

z

wz

u

2 (2.23)

Thay (2.20) và (2.22) vào (2.10) ta cĩ:

φ

∂

∇+φ

∇

∂

∂+λ

zx

Gx

Gz

xt

2 2

2 2

∂

∂+φ

∇

∂

∂+

2

z

Gx

G2t

zt

∇

∂

∂+

2

z

Gz

G2t

xt

Biên sóng

Hình 2-4 Mặt phẳng sĩng trong mơi trường đàn hồi cĩ một biên giới hạn

Phương trình (2.24) và (2.25) thỏa mãn khi:

hay

∇

=φ

+λ

2

vG

hay

ψ

∇

=ψ

∇ρ

2

v

G

t (2.27) Xét một sóng hình sin lan truyền theo phương x Chọn các hàm φ và ψ như sau:

i= − 1Thay phương trình (2.28) vào (2.26)

( ) [ ( ) ] {F z expi t x } v {F( )z exp[i( t x ] }t

2 2 p 2

2

ƒ

−ω

∇

=ƒ

−ω

( )2

2 z

z F )

z (

2 z

z G )

z (