Đánh giá hóa lỏng của nền cho đê chắn sóng mái nghiêng

Giải NHẤT NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - 53CLC1- ĐH Xây Dựng " Đánh giá hóa lỏng của nền cho đê chắn sóng mái nghiêng. Sử dụng phần mềm plaxis để tính toán "

Đánh giá hóa lỏng của nền cho đê chắn sóng mái nghiêng

Sử dụng phần mềm plaxis để tính toán

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây ở Châu Á động đất liên tục xảy ra gây thiệt hại không nhỏ về tài sản cũng như tính mạng con người (Ngày 28/3/2005 động đất tại Indonesia mạnh 8,7Richter làm 300.000 người thiệt mạng; Ngày 08/10/2005 động đất tại Pakistan mạnh 7,6 Richter làm hơn 87.000 người thiệt mạng; 5/8/2005 tại Vũng Tàu 4 - 5 Richter làm rung chuyển mặt đất ) Việc tính toán thiết kế các công trình xây dựng ở trong vùng có động đất nói chung

và với công trình Cảng nói riêng hầu như mới chỉ xét đến tác động của của động đất theo góc độ kết cấu chịu lực quán tính mà chưa đề cập nhiều đến khả năng xuất hiện hóa lỏng của nền công trình khi có động đất Đối với đất bão hoà nước thì khả năng xảy ra hóa lỏng càng cao đặc biệt là địa chất ven biển Trong xây dựng Cảng - Đường thủy, đê chắn sóng mái nghiêng đặt trên nền địa chất biển và chịu động đất gây nhiều hậu quả xất, một trong những hậu quả xấu đó là sự hóa lỏng của nền mà hiện nay chưa được nghiên cứu một

cách đầy đủ ở Việt Nam Với lý do đó đề tài: “Đánh giá hóa lỏng của nền cho

Đê Chắn Sóng mái nghiêng do động đất” được đặt ra với ý tưởng chính là :

Vận dụng phương pháp được giới thiệu ở phần tổng quan cho việc đánh giá

hóa lỏng nền Đê chắn sóng mái nghiêng (ĐCSMN) để góp phần chính xác

hoá các bước thiết kế đê chắn sóng ở Việt Nam.

Để hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học này, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Đỗ Văn Đệ, người đã trực tiếp chỉ bảo, giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài này Chúng em cũng xin chân thành gửi lời cám ơn tới thầy cô và mọi người trong bộ môn xây dựng cảng đường thủy, khoa Công Trình Thủy viện Cảng- Kỹ thuật hàng hải đã giúp đỡ chúng em, có những ý kiến đóng góp quý giá cho đề tài này.

Do điều kiện có hạn về kinh nghiệm, thời gian và tài liệu nên đề tài nghiên cứu không tránh khỏi những thiếu sót vì vậy tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn.

SVTH: LÊ DUY NHỊ -963353 HOÀNG GIANG ĐÔNG - 2262.53

Đánh giá hóa lỏng của nền cho đê chắn sóng mái nghiêng

Dưới góc độ kỹ thuật xây dựng vì đê chắn sóng luôn đặt trên nền đất bão hoà khi chịu động đất rất dễ hóa lỏng Theo tiêu chuẩn 22 TCN-221-95 Việt Nam cần phải nghiên cứu sâu những bất lợi do động đất gây ra Trong khuôn

khổ một đề tài nghiên cứu khoa học: “Đánh giá hóa lỏng của nền cho Đê

Chắn Sóng mái nghiêng do động đất” đi sâu vào các vấn đề sau:

)2 Mục tiêu nghiên cứu.

- Tổng quan về phương pháp đánh giá hóa lỏng đối với nền công trình

xây dựng nói chung và nền ĐCSMN nói riêng do động đất gây ra.

- Nghiên cứu ứng dụng tính toán hóa lỏng nền móng ĐCSMN ở Việt Nam

do động đất bằng việc khai thác phần mềm.

- Đề xuất giải pháp xử lý trong thiết kế cải tạo nền móng ĐCSMN khi bị

hóa lỏng.

)3 Đối tượng nghiên cứu.

Tập trung vào vấn đề ổn định nền móng công trình khi bị hóa lỏng do động đất gây ra.

)4 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu cho ĐCSMN là chủ yếu ứng với vùng có động đất từ cấp 7 trở lên.

)5 Phương pháp luận nghiên cứu

Nghiên cứu khai thác phầm mềm PLAXIS thông qua các bài toán ứng dụng cụ thể về ĐCSMN ở Việt Nam theo các cấp động đất có ở tiêu chuẩn 22- TCN-221-95, hay nói một cách khác là dùng mô hình toán ứng dụng (phần mềm).

SVTH: LÊ DUY NHỊ -963353 HOÀNG GIANG ĐÔNG - 2262.53

Đỏnh giỏ húa lỏng của nền cho đờ chắn súng mỏi nghiờng

Sử dụng phần mềm plaxis để tớnh toỏn

)6 Nội dung nghiờn cứu

Để đạt được các mục tiêu nghiên cứu đề ra thì nội dung nghiên cứu bao gồm những vấn đề chính sau:

 Nghiên cứu bản chất của hiện tượng hóa lỏng nền công trình khi bị

Nghiên cứu khai thác vận dụng phần mềm PLAXIS cho ổn định

ĐCSMN dưới góc độ hóa lỏng của nền do động đất

 ý nghĩa thực tiễn

- Góp phần xử lý nền dưới ĐCSMN bằng những giải pháp hợp lý khi chịu

động đất, cụ thể sẽ đóng góp vào công tác thiết kế các công trình

ĐCSMN nói riêng và công trình Cảng nói chung của một số cảng sẽ xây dựng ở Việt Nam như: ĐCS cảng Chân Mây, ĐCS đảo Hòn Chuối,

ĐCS cảng Tiên Sa giai đoạn 2, ĐCS cảng Vũng áng giai đoạn 2

- Khai thác tốt hơn phần mềm PLAXIS cho thiết kế công trình

SVTH: Lấ DUY NHỊ -963353 HOÀNG GIANG ĐễNG - 2262.53

Đánh giá hóa lỏng của nền cho đê chắn sóng mái nghiêng

Sử dụng phần mềm plaxis để tính toán

Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ HÓA LỎNG

)1 Giới thiệu chung về đánh giá hóa lỏng đất nền trên Thế giới

Nhật Bản và Mỹ là những nước chịu ảnh hưởng lớn về động đất, đặc biệt là Nhật Bản Những thiệt hại do động đất gây ra là không nhỏ, khi bị động đất các kết cấu công trình bị dao động cùng với đất nền và chịu một lực quán tính có thể gây phá hủy kết cấu cac công trình xây dựng Trên thực tế có nhiều trường hợp các kết cấu công trình vẫn còn nguyên, nhưng công trình đó bị lật hay lún sụt và câu hỏi được đặt ra: Với những giả thiết khác nhau để giải thích về sự làm việc của đất nền khi có động đất.

Từ những năm 70 của thế kỷ XIX đó có rất nhiều nhà khoa học trên thế

giới, điển hình là các nhà khoa học Mỹ đã tìm hiểu về hiện tượng công trình

bị lún sụt sau động đất mà không bị phá hoại Qua nhiều nghiên cứu chi tiết

và quan sát thực tế hiện tượng sau động đất, các nhà khoa học cho kết luận rằng các công trình có hiện tượng như trên thì đều được xây dựng trên nền đất bão hoà nước đó bị mất cường độ kháng cắt và gọi tên hiện tượng đất nền bị

như trên là hóa lỏng nền Khi bình thường địa chất dưới móng công trình vẫn

đủ khả khả năng chịu lực, nhưng dưới tác dụng của tải trọng động đất thì nền móng đó mất khả năng chịu lực và làm việc như một chất lỏng.

Năm 1971 hai nhà khoa học Seed và Idriss đó đưa ra phương pháp đơn giản để đánh giá hóa lỏng của đất nền (Phương pháp xuyên tiêu chuẩn), đây

là phương pháp cơ bản và đặt nền móng cho nghiên cứu hóa lỏng Tiếp theo nhiều nhà khoa học khác cũng đã nghiên cứu đưa ra những phương pháp đánh giá hóa lỏng khác nhau: Phương pháp theo tốc độ sóng cắt (Tokimatsu và Uchida 1990, Robertson 1992, Kayen 1992; Andrus và

Stokoe 1997, Dorby 1981, Robertson 1986); Phương pháp biến dạng

(Dorby 1982, Ladd 1989); Phương pháp xuyên tĩnh (Robertson và

Wride, 1997); Phương pháp phân tich Điểm chung của các phương pháp

đánh giá hóa lỏng trên là chỉ đánh giá sự làm việc của đất cắt, nhưng các

phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong tính toỏn thiết kế công trình tại vùng có động đất như một tiêu chuẩn.

Với đất nền là hạt sét từ nhiều năm qua các nhà khoa học (Ishihara 1993, 1996; Prakash và Dakoulas 1994; Chang 1990; Law và Ling 1992; Koester 1994; Singh 1994; Prakash 1998; Guo và Prakash 1999) đó nghiên cứu các

SVTH: LÊ DUY NHỊ -963353 HOÀNG GIANG ĐÔNG - 2262.53

Đánh giá hóa lỏng của nền cho đê chắn sóng mái nghiêng

+ Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO-98 (USA)

+ Tiêu chuẩn kỹ thuật Nhật Bản về công trình cảng ( OCDI-2009)

Trong tiêu chuẩn này đã chỉ ra rằng hoá lỏng của đất nền là nguyên nhân gây ra thiệt hại chính do việc mất dần khả năng chịu tải của móng dẫn đến chuyển dịch của kết cấu công trình và cần phải xem xét khả năng xảy ra

hoá lỏng đối với các vùng động đất có gia tốc cực đại vượt quá 0,1g Tiêu

chuẩn này chỉ nêu phương pháp đánh giá hoá lỏng một cách sơ lược mà không đưa ra các chỉ dẫn thiết kế cụ thể Về phương pháp đánh giá khả năng hoá lỏng của đất, tiêu chuẩn giới thiệu 2 phương pháp:

- Phương pháp thực nghiệm dựa trên quan sát quá trình trầm tích trong

một trận động đất trước kết hợp với kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn để xác định, đánh giá

- Phương pháp phân tích dựa trên việc xác định bằng thí nghiệm các đặc tính hoá lỏng của các mẫu và sử dụng các phân tích độ nhạy vị trí động

lực để xác định cường độ động đất gây ra các ứng suất cắt

Nói chung các chỉ dẫn ở đây rất sơ lược và khó có thể phục vụ để sử dụng trong thiết kế công trinh tại Việt Nam.

+ Chỉ dẫn thiết kế cầu đường ôtô JRA-1996 (do Hội đường bộ Nhật Bản) vàTiêu chuẩn kỹ thuật công trình Cảng Nhật Bản OCDI-2009

Theo chỉ dẫn Tiêu chuẩn này việc đánh giá hóa lỏng của nền công trình

dựa trên kết quả thành phần cỡ hạt để phân vùng: Vùng hóa lỏng; vùng có

khả năng hóa lỏng và vùng không hóa lỏng Vùng có khả năng hóa lỏng cần phải xem xét đánh giá tiếp theo và dựa vào kết quả nén 3 trục.

Trên đây là tiêu chuẩn của Mỹ và tiêu chuẩn của Nhật được áp dụng cho nhiều nước trên thế giới Riêng tại Việt Nam việc đánh giá hóa lỏng nền công trình cũng mới chỉ sơ khai áp dụng chúng.

)2 Khả năng động đất ở Việt Nam

Trong lịch sử Việt Nam từ 114 tới 2003, tại lãnh thổ đó xảy ra 1.645 trận động đất mạnh từ 3 Richter trở lên Gần đây nhất từ năm 1900 tới nay có

2 trận động đất cấp 8 (Điện biên - 1935; Tuần Giáo - 1983), hơn 20 trận động SVTH: LÊ DUY NHỊ -963353 HOÀNG GIANG ĐÔNG - 2262.53

Đánh giá hóa lỏng của nền cho đê chắn sóng mái nghiêng

Sử dụng phần mềm plaxis để tính toán

đất cấp 7 và hơn 150 trận động đất cấp 6 - 7 ở khắp các vùng trên lãnh thổ cả nước và gây ra hậu quả nghiêm trọng [8].

Tại khu vực biển Đông và ven bờ thu thập được từ năm 1524 đến 2002 gồm có 231 trận động đất, trong đó có 13 trận động đất cú cường độ lớn hơn 7,5 Richter và 218 trận có cường độ từ 6,8 Richter đến không xác định [7] Như vậy qua số liệu trên, các nhà khoa học đó xác định mối quan hệ giữa

số lần xảy ra động đất và giá trị chấn cấp dưới dạng đồ thị lặp lại theo dạng Guitenber - Richter:

Trong đó:

N - Số trận động đất xảy ra trong 1 năm ứng với cường độ M

x; y - Các hằng số tương ứng thể hiện mức độ hoạt động địa chấn

• Đồ thị lặp lại khu vực biển Đông và ven bờ

Từ phương trình (1-2) ta cú thể tính chu kỳ lặp lại đối với động đất có cường độ M≥6,5 Richter trung bình xảy ra 60 năm 1 lần, M ≥ 6 Richter là 20 năm 1 lần, M ≥ 5,5 Richter là 10 năm 1 lần và M ≥ 5 Richter là 4 năm 1 lần.

• Đồ thị lặp lại với toàn bộ biển Đông và đất liền

Từ phương trình (1-3) ta có thể tính được chu kỳ động đất với M ≥ 6,5 trung bình xảy ra 3 năm 1 lần, M ≥ 6 là 1,5 năm 1 lần, M ≥ 5,5 là 0,5 năm 1 lần và M ≥ 5 là 0,13 năm 1 lần.

SVTH: LÊ DUY NHỊ -963353 HOÀNG GIANG ĐÔNG - 2262.53

Đánh giá hóa lỏng của nền cho đê chắn sóng mái nghiêng

Các kết quả trên cho ta thấy được đồ thị lặp lại của động đất (Hình 1.1)

và so sánh chu kỳ động đất cho các khu vực tại Việt Nam (Bảng 1.1)

Hình 1.1 - Đồ thị lặp lại động đất tại Việt Nam

(1) Khu vực toàn bộ biển Đông và đất liền; (2) Khu vực đất liền; (3) Khu

vực Biển Đông và ven bờ

SVTH: LÊ DUY NHỊ -963353 HOÀNG GIANG ĐÔNG - 2262.53

Đánh giá hóa lỏng của nền cho đê chắn sóng mái nghiêng

Phục vụ cho thiết kế các công trình giao thông, hiện nay tại Việt Nam đã

có bản đồ phân vùng động đất cho các vùng Theo bản đồ thì hầu hết các vùng đều nằm trong phạm vi có động đất cấp 7 (Hình 1.2) Đường bờ biển có khoảng 95% chiều dài nằm trong vùng có động đất từ cấp 7 trở lờn

SVTH: LÊ DUY NHỊ -963353 HOÀNG GIANG ĐÔNG - 2262.53

Đánh giá hóa lỏng của nền cho đê chắn sóng mái nghiêng

Từ kết quả trên cho thấy khả năng lặp lại động đất là không nhỏ, do đó trong tính toán các công trình xây dựng cần phải thiết kế kháng chấn và như vậy việc thiết kế đánh giá hóa lỏng của nền cũng phải xét đến.

)3 Vấn đề đánh giá hóa lỏng đất nền ở Việt Nam

Hiện nay tại Việt Nam trên cơ sở pháp lý của công tác thiết kế công trình xây dựng tại vùng có động đất chỉ có 2 tài liệu liên quan đến vấn đề đánh giá hóa lỏng của đất nền:

- Tiêu chuẩn ngành 22TCN-221-95 về Thiết kế công trình giao thông trong vùng có động đất Trong tiêu chuẩn này vấn đề hoá lỏng nền khi động đất

đó được đề cập tới nhưng ở mức độ “Nếu nền hoặc thân công trình có đất

rời bão hoà nước thì phải đánh giá khả năng hóa lỏng của đất đó khi có

động đất” mà chưa có một chỉ dẫn nào về phương pháp đánh giá hóa

lỏng

- Tiêu chuẩn ngành 22TCN-272-05 về Thiết kế cầu (do Bộ GTVT Việt Nam ban hành trên cơ sở tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO-98) và các chỉ dẫn ở tiêu chuẩn thiết kế này rất sơ lược.

Như vậy nghiên cứu nghiêm túc các phương pháp đánh giá hóa lỏng do động đất lên công trình xây dựng ở Việt Nam là chưa có hệ thống cụ thể.

)4 Một số hư hỏng kết cấu công trình khi nền hoá lỏng do động đất

Đối với nền móng công trình, khả năng chịu lực là một yếu tố quyết định và

có ảnh hưởng rất lớn đối với kết cấu phía trên nó Khi nền móng công trình bị hóa lỏng, hậu quả và thiệt lại là không nhỏ Một số tác hại lên công trình khi nền

bị hóa lỏng do động đất gây ra:

(1) Lún sụt và chuyển dịch ngang gây phá huỷ nghiêm trọng đối với móng

công trình.

(2) Lún và áp lực ngang của đất tăng cũng gây nguy hiểm cho kết cấu móng,

tạo ra sự lún sụt và trồi công trình.

(3) Chuyển động của nền móng tạo ra nội lực tại các liên kết và trong kết cấu

phần trên của nền móng công trình.

(4) Một số dạng phá hoại có thể xuất hiện, phụ thuộc vào điều kiện, cách thức liên kết giữa các bộ phận kết cấu

Sau đây là một số hình ảnh kết cấu công trình bị hư hỏng khi đất nền bị hóa lỏng do động đất gây ra:

.4.1 Động đất ở Nhật Bản tháng 3/2011

trận động đất lớn tại Nhật Bản vào tháng 3/2011 với cường độ 9,0 độ Richter đã tàn phá và gây thiệt hại thảm khốc cho người dân và đất nước Nhật Bản Trận động đất đã làm thiệt hại hơn 200 tỷ USD và khoảng 200000 người bị chết và mất tích.

Sự rung lắc mạnh đã được quan sát thấy trên một diện tích rộng với cường

độ 7 độ richter tại thành phố Kurihara của tỉnh Miyagi và cường độ trên 6 độ richter ở quận Miyagi, Fukushima, Ibaraki và Tochigi.

(dữ liệu được công bố bởi cơ quan khí tượng Nhật Bản)

Dư chấn này gây ra hiện tượng nở ngang và các tác động phá hoại đối với các công trình cảng, cầu đường bộ và đường sắt Các công trình cảng và hệ thông bãi chưa hàng hóa bị hư hại nghiêm trọng

Bến cảng số 5 cảng Onahama

Lún nền max tới 75cm

.4.2 Động đất ở Washington năm 2001

Trận động đất ở Washington vào hồi 11giờ ngày 28/2/2001 có cường độ M

= 6,8 đã tàn phá gây ra các hư hỏng lớn, nó kéo dài 45 giây, gia tốc nền lớn nhất khoảng 0,11g tới 0,2g Tâm chấn động đất nằm ở độ sâu 52km.

Dư chấn này gây ra hiện tượng nở ngang và các tác động phá hoại đối với các công trình cảng, cầu đường bộ và đường sắt Trên thực tế, hệ thống bãi chứa hàng cùng các tuyến bờ kè tại khu vực Seattle, Olympia và Tacoma của thủ đô Washington bị nứt và lún sụt.

Sau khi động đất xảy ra các nhà khoa học tập trung nghiên cứu hiện tượng thực tế và thấy: Có nhiều dạng phá hoại của hoá lỏng đối với kết cấu công trình cảng nói riêng và các công trình giao thông khác Hư hỏng lớn nhất xẩy ra ở vùng có các tầng đất hạt rời với chiều dày khá lớn và hoá lỏng có thể đóng vai trò chính trong việc gây ra các biến dạng và phá huỷ kết cấu công trình:

Bờ kè các cảng Washington với kết cấu là đá đổ, khi nền bị hóa lỏng đã lún

và dịch chuyển ngang ra phía biển (Hình 1.3), có vị trí bị lún và dịch chuyển ngang tới 1m Hệ thống đường, bãi nội bộ cũng bị phá hoại, kết cấu mặt đường bãi bị lún và nứt chạy dài, độ rộng vết nứt có chỗ đến vài chục cm (Hình 1.4; 1.5; 1.6) Cầu tàu bị dịch chuyển ra phía biển (Hình 1.7) và nứt gãy mặt cầu dọc theo đường ray cần trục trên bến (Hình 1.8)

Hình 1.3 - Lún và dịch chuyển ngang bờ kè ở Washington

Hình 1.6 - Lún bãi chứa Container ở Washington

(ảnh: Rodolfo Sancio and Jonathan D Bray)

Hình 1.7 – Dịch chuyển cầu tầu ở Washington

(ảnh: Rodolfo Sancio and Jonathan D Bray)

Hình 1.8 – Nứt gẫy toàn bộ dọc tuyến ray cần trục ở Washington

Tại Việt Nam khả năng lặp lại động đất là không nhỏ, như vậy sự cần thiết phải tính đến khả năng hóa lỏng do động đất gây ra cho nền công trình trong thiết kế (Theo 22TCN-221-95, động đất lớn hơn cấp 7 phải có thiết kế).Đặc biệt

đối với công trình ĐCSMN được xây dựng tại vùng bờ biển, có tần suất động đất rất cao (N = 4năm) vì thế đánh giá hóa lỏng là một yêu cầu cần phải được xem xét đến.

Chương 2 : LÝ THUYÊT HÓA LỎNG CỦA NỀN DO ĐỘNG

Hóa lỏng được xem như sự chuyển trạng thái, do áp lực lên nước lỗ rỗng

tăng lên và ứng suất có hiệu giảm, làm cho nền đất biến từ trạng thái cơ rời sang trạng thái cơ lỏng Có trường hợp phá hoại đất nền nhìn tương tự như hóa lỏng

nhưng khác với hóa lỏng ở chỗ nền đất bị biến dạng thôi mà không chảy ra như chất lỏng Một định nghĩa chính xác về hóa lỏng là chủ đề gây tranh cãi đối với các chuyên gia địa chất công trình trên thế giới và đã có rất nhiều định nghĩa nhằm mô tả hiện tượng đất bão hoà nước bị phá hoại khi động đất, tuy nhiên hiện nay định nghĩa đang được sử dụng rộng rãi nhất là do Ban Nghiên cứu Quốc gia về Động đất của Mỹ đưa ra (1985): “Hóa lỏng đất là các hiện tượng

đất dạng rời bão hoà nước bị mất sức kháng cắt hoặc bị biến dạng quá mức do

sự xáo trộn đất tức thời hoặc lặp lại”.

Như vậy hóa lỏng được mô tả qua hiện tượng ứng suất cắt của khối đất rời bão hoà nước giảm đột ngột xuống bằng ứng suất cắt do tải trọng tác động tạo

ra làm cho nền đất chuyển sang trạng thái lỏng.

.1.2 Bản chất hiện tượng hóa lỏng

Hiện tượng hóa lỏng được mô tả như sau: Mỗi hạt đất đều có sự tương tác với các hạt bên cạnh, lực tương tác đó là do áp lực tải trọng trên mặt đất và trọng lượng bản thân của các hạt lớp trên Lực này làm cho các hạt tương tác với nhau ở một vị trí mà không bị dịch chuyển và tạo cho đất nền một khả năng chịu lực, đối với đất bão hoà nước thì lực tương tác tác dụng lên đất một phần được chuyền lên các hạt và phần còn lại lên nước lỗ rỗng (Hình 2.1a) Lúc đầu độ lớn của lực tương tác giữa các hạt là lớn và áp lực nước lỗ rỗng là nhỏ (Hình 2.1b) Trong quá trình động đất, sóng địa chấn truyền qua các lớp đất bão hoà làm cho

có sự xáo động vị trí của các hạt và chúng được sắp xếp lại theo trật tự mới Các hạt rời rạc, các hạt đất có xu thế gần nhau, làm cho đất chặt hơn Vào thời điểm

đó chính sự chiếm chỗ của các hạt đã đẩy nước trong lỗ rỗng đi chỗ khác và làm

cho áp lực nước trong lỗ rỗng tăng lên, nước có xu hướng tiêu tán ra xung quanh nơi có áp lực nước nhỏ hơn (Hình 2.2).

Khi động đất thời gian tải trọng động đất ngắn và nhanh làm cho nước không kịp thoát ra xung quanh được, như vậy áp lực lên nước lỗ rỗng sẽ tăng lên đồng thời làm giảm lực tương tác giữa các hạt đất (Hình 2.1c) Khi áp lực nước

lỗ rỗng tăng đến một giá trị nào đó thì lực tương tác giữa các hạt đất là không còn nữa và lúc đó đất làm việc như một chất lỏng; người ta gọi đó là hóa lỏng.

Hình 2.1 - Cơ chế xảy ra hóa lỏng

a – Lực tương tác các hạt ở trạng thái cân bằng tĩnh; b – Lực tương tác các hạt tăng, áp lực nước lỗ rỗng nhỏ; c – Lực tương tác các hạt giảm, áp lực nước lỗ

rỗng tăng.

Hình 2.2 - Mô phỏng sự dịch chuyển hạt đất.

Như vậy bản chất hiện tượng hóa lỏng do động đất là chỉ các hạt rời bão hoà nước bị giảm độ bền và độ cứng đột ngột, dẫn tới mất khả năng chịu tải và tăng biến dạng.

)2 Các yếu tố ảnh hưởng tới hoá lỏng

Ba yếu tố chính ảnh hưởng đến hóa lỏng: Đặc trưng đất nền; Đặc tính động đất và mực nước ngầm.

(1) Đặc trưng đất nền (theo Seed 1992)

Sáu đặc trưng sau đây của đất ảnh hưởng trực tiếp tới hóa lỏng:

• Độ chặt tương đối: Đây là yếu tố quan trọng nhất, nó ảnh hưởng tới khả năng hóa lỏng của đất rời Đối với đất càng xốp, khi chịu tải trọng sẽ bị giảm thể tích và lúc đó áp lực nước lỗ rỗng sẽ tăng tức là làm cho khả năng hóa lỏng càng cao.

• Tuổi thọ: Thời gian chịu tải trọng đè trên ảnh hưởng tới khả năng hóa lỏng của đất Đất có tuổi thọ cao thì sức kháng hóa lỏng càng cao.

• Lịch sử tải trọng: Đới địa chất nằm trong vùng trước đây đã bị động đất thì sức kháng hóa lỏng tăng do trong đất các hạt đất đã được sắp xếp lại

và chặt hơn chính vì vậy khả năng hóa lỏng của nền là thấp.

• Sự cố kết: Đất quá cố kết thì hệ số áp lực ngang (K o ) của đất tăng, làm tăng ứng suất hữu hiệu trung bình và sức kháng hóa lỏng của đất tăng.

• Kết cấu đất: Trong kết cấu đất tỉ lệ thành phần hạt sét càng cao, khi động đất quá trình thoát nước lỗ rỗng diễn ra chậm hơn và như vậy khả năng chống hóa lỏng càng cao.

• Đặc điểm thoát nước: Đất có khả năng tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng có ảnh hưởng lớn tới khả năng hóa lỏng của đất Các lớp đất dày và rộng thì khả năng thoát nước là kém do đó tăng áp lực nước lỗ rỗng và khả năng hóa lỏng đất nền cao.

(2) Đặc tính của động đất

Đặc tính động đất được đặc trưng bởi gia tốc động đất a và cường độ động đất M Gia tốc và cường độ động đất càng lớn thì khả năng hóa lỏng của nền càng cao.

(3) Mực nước ngầm

Khi mực nước ngầm tăng thì áp lực nước lỗ rỗng tăng và làm giảm ứng suất có hiệu dẫn đến ứng suất kháng cắt của đất nền giảm và khả năng kháng hóa lỏng giảm.

Trong các yếu tố trên thì đặc trưng của đất nền đại diện cho sức chống khả năng hóa lỏng của nền Yếu tố đặc tính động đất đóng vai trò là tác nhân gây ra hóa lỏng nền và mực nước ngầm chỉ là yếu tố gián tiếp làm giảm sức kháng hóa lỏng của nền Khi tính toán thiết kế đánh giá hóa lỏng, đặc trưng đất nền và đặc tính động đất là các yếu tố chính, mực nước ngầm chỉ được xem xét đến khi vị trí tính toán nằm tại khu vực có nước ngầm Đặc biệt đối với các công trình ĐCSMN thì yếu tố mực nước ngầm không thể không xét đến khi tính toán thiết kế đánh giá khả năng hóa lỏng nền công trình

)3 Các loại đất có khả năng hoá lỏng

Để đánh giá hóa lỏng của nền các phương pháp đều xét cho đất cát, đối với đất cát có pha hạt sét thì thành phần hạt sét có ảnh hưởng đến khả năng xảy

ra hóa lỏng Thời gian qua các nhà khoa học trên thế giới vẫn không ngừng nghiên cứu sự ảnh hưởng đó, nhưng kết quả thu được không nhiều.

Theo các học giả không những đất cát, phù sa mà cuội sỏi và đá đắp cùng

có khả năng hóa lỏng Mặc dù đất cuội, sỏi có khả năng thoát nước tương đối cao nhưng nếu trong đất có lẫn các hạt sét thì sự thoát nước kém đi và áp lực nước lỗ rỗng tăng, khả năng hóa lỏng tăng.

Đối với địa chất nền có chiều dày và chiều rộng tương đối lớn làm mất khả năng tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng cũng dẫn đến hóa lỏng nền Các loại cát có tuổi thọ địa chất thấp thì khả năng hóa lỏng cao, các loại trầm tích này thường gặp ở khu vực xa bờ biển, ven biển hoặc đồng bằng ven biển Khi các trầm tích được hình thành do các bồi lắng hạt đất trong nước và ở trạng thái rời rạc rất dễ hóa lỏng nhất.

Tóm lại khả năng hóa lỏng phụ thuộc vào loại đất trầm tích (Bảng 2.1), địa hình (Bảng 2.2) và độ sâu (Bảng 2.3).

Loại địa chất Sự phân bố trong địa tầng

Trầm tích rời rạc khi bão hòa nước

<500 năm

<10.000 năm

10.000 -2,5tr năm

>2,5tr năm

Trung

Rất thấp

thấp thấp

Lở tích Rộng lớn Thấp Thấp Rất thấp Rất thấp

Sét băng Thay đổi Thấp Rất thấp Rất thấp Rất thấp

Đá tro núi lửa Hiếm Thấp Rất thấp Rất thấp Rất thấp

Rất thấp

Rất thấp

Xa bờ Có thể thay đổi cục bộ Cao Trung bình Thấp Rất thấp

III- Nhân tạo

A Đáy sông hiện tại,đáy sông cũ,đầm lầy ,vùng đất trũng Dễ xảy ra

B Cồn cát,đồng bằng ngập lụt,bờ biển,các đồng bằng khác Có thể xảy ra

Bảng 2.2 - Khả năng hoá lỏng của đất theo điều kiện địa hình

Kỷ

Pleistocence

Cuối Thấp Thấp Rất thấp Rất thấp Giữa và

đầu Rất thấp Rất thấp Rất thấp Rất thấp

Kỷ thứ ba và trước nữa Rất thấp Rất thấp Rất thấp Rất thấp

Bảng 2.3 - Khả năng hoá lỏng của đất theo chiều sâu

(Tinsley và cộng sự, 1985)

Kỷ Holocence : Từ (500 ữ 10.000)năm; Kỷ Pleistocence: >0.000năm

)4 Ảnh hưởng của hóa lỏng đối với công trình

Khi động đất làm cho áp lực nước lỗ rỗng tăng lên đột ngột và giảm cường độ của đất Đây là nguyên nhân gây ra hóa lỏng phá hoại của kết cấu Sự

phá hoại công trình do hóa lỏng gây ra được thể hiện như: Mất ổn định tổng thể, hóa lỏng cục bộ dẫn đến nở ngang, lún dịch chuyển ngang:

Dưới tác dụng của động đất nền công trình bị hóa lỏng, đất nền mất cường độ và chịu tác động lực của lực động đất ngang làm cho công trình trượt tịnh tiến, xoay gây mất ổn định tổng thể (Hình 2.3).

Hình 2.3 - Mất ổn định kè bảo vệ cảng Navlakhi

(ảnh: Captain Agarwal, 1/26/01) Hóa lỏng cục bộ nền công trình được thể hiện qua các dạng chính như lún nền, mất sức chịu tải của nền, dịch chuyển ngang cục bộ nền và nở ngang Khi động đất làm cho áp lực nước lỗ rỗng tăng quá mức bị tiêu tán thông qua thoát nước làm cho đất cố kết và giảm thể tích gây ra lún sụt và dịch chuyển nền công trình (Hình 2.4) Nền công trình bị hóa lỏng sẽ mất cường độ, các thành phần hạt đất được sắp xếp lại làm thay đổi một số chỉ tiêu cơ lý của đất, từ đó dẫn đến sức chịu tải của nền thay đổi.

Trong thực tế nhiều trường hợp lớp địa chất không có khả năng hóa lỏng nằm ở trên lớp địa chất bị hóa lỏng Dưới tác động của lực quán tính khối đất trên lớp đất bị hóa lỏng dịch chuyển theo phương ngang và phát triển trên bề mặt

có độ dốc hoặc phát triển về phía mặt thoáng (bờ kênh, bờ sông, bờ biển) Dịch chuyển ngang có thể rất lớn tùy theo cấu tạo địa tầng, cấp động đất và nó gây ra phá huỷ nghiêm trọng đối với kết cấu đặt trên và ngang nó (Hình 2.5)

Hình 2.5 - Đoạn kè bờ cảng Navlakhi bị dịch chuyển ngang

(ảnh: Captain Agarwal, 1/26/01)

)5 Phương pháp đánh giá hóa lỏng

Theo tiêu chuẩn ngành 22TCN-221-95 về thiết kế công trình giao thông trong vùng có động đất mới chỉ đề cập đến vấn đề cần phải đánh giá khả năng hóa lỏng của nền công trình mà chưa có chỉ dẫn cụ thể Hiện nay trên thế giới, phương pháp được sử dụng nhiều để đánh giá hóa lỏng nền do động đất gây ra: Phương pháp mô hình; Phương pháp gần đúng; Phương pháp kinh nghiệm.

.5.1 Phương pháp mô hình

Phương pháp mô hình dựa trên các kết quả thí nghiệm trong phòng để xác định sức kháng hóa lỏng, do lấy mẫu nguyên dạng đối với các hạt rời để thí nghiệm khá khó khăn và phức tạp vì vậy xác định các điều kiện biên của bài toán

là khó Phương pháp mô hình hiện nay chỉ có thể sử dụng phục vụ cho các dự án

hoặc các nghiên cứu, có hai phương pháp mô hình: Phương pháp mô hình phân tích và Phương pháp mô hình vật lý.

.5.2 Phương pháp gần đúng

Phương pháp gần đúng được vận dụng trong tính toán thiết kế sơ bộ hoặc địa chất nền công trình có sức kháng hóa lỏng rõ ràng (rất cao; rất thấp) Trong trường hợp ngược lại cần sử dụng thêm phương pháp khác để có kết luận một

cách chính xác, có 2 phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất: Phương pháp đo tốc độ sóng cắt (Vs); Phương pháp biến dạng.

.5.3 Phương pháp kinh nghiệm

Đánh giá khả năng hóa lỏng của nền theo mô hình vật lý, mô hình phân tích hiện nay rất khó khăn và khó mô tả được đầy đủ các điều kiện của địa chất

do vậy phương pháp kinh nghiệm hiện nay vẫn đang được sử dụng rộng rãi Có hai phương pháp chính trong việc đánh giá khả năng hóa lỏng của đất nền:

Phương pháp phân tích dựa trên thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT); Phương pháp phân tích dựa trên thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT).

Đánh giá khả năng hóa lỏng nền công trình có nhiều phương pháp, mỗi phương án được lựa chọn tuỳ thuộc vào số liệu địa chất có được Với phương pháp SPT và CPT sẽ cho chúng ta kết quả tính toán chính xác hơn bởi các phương pháp này đều dựa trên cơ sở là số liệu địa chất tại hiện trường.

)6 Biện pháp cải tạo hạn chế nền bị hóa lỏng

- Làm chặt đất dạng hạt ở trạng thái rời.

- Làm giảm áp lực dư của đất.

- Khống chế không cho áp lực nước lỗ rỗng của đất tăng

Các phương pháp cải tạo, xử lý nền đất của công trình bao gồm: các phương pháp cơ học, vật lý, hoá học.

- Phương pháp vật lý: Nhiệt, điện hóa, điện thấm

- Phương pháp hoá học: Xi măng hoá, vôi hoá

- Phương pháp cơ học: Đầm chặt, đầm rung, thay thế nền bằng đất tốt hơn (đệm đất, đệm cát), nén chặt sâu bằng cọc cát, cọc đá dăm, hạ mực nước ngầm, giếng cát, vật thoát nước đứng kết hợp với gia tải trước.

- Sử dụng hỗn hợp các phương pháp trên.

Mỗi biện pháp cải tạo trước khi được xem xét vận dụng đều phải xem xét nhiều chỉ tiêu (qui mô công trình, tải trọng tác dụng, thời gian thi công ), việc

lựa chọn phương pháp thích hợp là vô cùng quan trọng và được hệ thống hoá trong bảng 2.4.

Cơ chế cải tạo Tạo cốt Trộn hổn hợp hay

bơm phụt vữa

Đầm chặt

Dung trọng tăng cao do giảm hệ số

rỗng Không thay

đổi trạng thái của đất

Thay đổi trạng thái của đất

Bảng 2.4 – Phạm vi áp dụng phương pháp kỹ thuật cải tạo các loại đất

khác nhau (Nguyễn Ngọc Bích, 2005)

Đối với đê chắn sóng thì nền móng được đặt sâu dưới mực nước biển, chiều dày lớp đất cần gia cố cải tạo lớn chính vì vậy hiện nay để cải tạo nền chống hóa lỏng cần sử dụng các biện pháp gia cố sâu (Bảng 2.5).

Biện pháp Nguyên tắc Loại đất phù hơp

nhất

Chiều sâu

xử lý có hiệu quả nhất

Giá thành tương đối

Nổ mìn Sóng xung kích sẽ gây ra

hóa lỏng cục bộ,làm đất chặt hơn

Cát bảo hòa, cát bảo hòa một phần

Trung bình

rung hạ cọc

Đất cát rời,đất sét bảo hòa không hoàn toàn

>20m Trung

bình tới cao Đầm chấn

động

Tác động lực xung kích lớn lên bề mặt

Đất không dính, các loại khác củng

có thể áp dụng

30m hoặc sâu hơn

Tất cả các loại đất Không giới

hạn

Thấp tới trung bình Gia tải Trọng lượng gia tải làm

tăng sức kháng hóa lỏng nhơ việc tăng ứng suất

có hiệu

Tất cả các loại đất Phụ thuộc

vào kích thước của gia tải

Trung bình

Cột thoát

nước

Hạn chế sự tăng áp lực nước bằng cuội, đá, cát, bấc thấm, giếng

Cát, bụi, sét >30 m Trung

bình tới cao Vữa dạng

hạt

Vữa thấm vào đất và lấp cac lổ chống của đất bằng xi măng hoặc sét

Các hạt trung tới thô và cuội

Không giới hạn

Thấp

Bảng 2.5 - Các biện pháp hạn chế tác hại của hoá lỏng (Professor

Whitman, 1985)

pháp Nguyên tắc

Loại hoặc điều kiện đất phù hợp nhất

Chiều sâu

xử lý có hiệu lớn nhất

Giá thành tương đối

Không giới hạn Cao

Không giới hạn Thấp Bơm

Cọc và

tường

hỗn

hợp

Vôi,xi măng hoặc nhựa

đường được đưa vào đất

bằng máy khoan xoay hoặc

máy trộn đặc biệt

Cát,bụi,sét , các loại đất phi hữu cơ rời hoặc yếu

>20m(có thể tới 60m)

bị rung)

Trung bình

Trung bình tới cao

Bảng 2.5 - Các biện pháp hạn chế tác hại của hoá lỏng (tiếp theo)

(Professor Whitman, 1985)

Giải pháp công nghệ gia cố sâu cải tạo đất được ứng dụng trên thế giới rộng rãi và bắt đầu áp dụng vào thực tế thi công tại Việt Nam, sau đây là một số biện pháp thường được sử dụng:

.6.3 Cọc cát đầm chặt

Dưới tác dụng của tải trọng, cọc cát và đất nền được nén chặt xung quanh cọc cùng làm việc đồng thời và đất nền được nén chặt đều ở khoảng giữa các cọc

(Hình 2.6)

Hình 2.6 - Sơ đồ trình tự thi công cọc cát đầm chặt

a - Hạ đầm rung; b - Đổ cát xuống; c - Di chuyển đầm lên, xuống để đầm

Nền đất sau khi được nén chặt bằng cọc cát có độ ẩm và độ rỗng giảm đi, trọng lượng thể tích, mô đun biến dạng, lực dính và góc ma sát trong tăng lên Đất được nén chặt, tăng sức chịu tải của đất, giảm độ lún và biến dạng không đồng đều của đất nền.

Cọc cát làm việc như các giếng thoát nước nên nước trong đất có điều kiện thoát ra nhanh theo chiều dài cọc dưới tác dụng của tải trọng ngoài Bởi vậy quá trình cố kết của nền đất diễn ra nhanh hơn.

.6.4 Rung đầm chặt

Các đặc trưng kỹ thuật của đất rời như tính chịu nén, sức chống cắt và tính thấm hoàn toàn phụ thuộc vào trạng thái đầm chặt hay tỷ trọng của đất Tỷ trọng cao dẫn đến tăng sức chịu tải, lún chênh lệch và sức kháng hoá lỏng cao Rung đầm chặt là một biện pháp đầm chặt cát cổ điển dựa trên việc bố trí lại các hạt rời vào một trạng thái chặt hơn nhờ tác động của một máy rung chuyên dụng Tác dụng của máy đầm thường đi kèm với phun nước, làm giảm các lực giữa các hạt đất, cho phép các hạt đất dịch chuyển và trạng thái đất chặt lại Độ chặt đạt được là hàm số của khoảng cách giữa các điểm đầm và năng lượng đầm đã truyền cho đất.

Hình 2.7 - Đầm rung làm chặt tôn tạo bờ biển tại Tuas (Singapore)

Với toàn bộ áp lực đầm rung xuyên tới độ sâu thiết kế và nâng lên hạ xuống để khuấy cát, chuyển các hạt mịn đi và tạo thành một khe hở hình vòng xuyến xung quanh đầm rung Tại độ sâu đã định áp lực nước giảm và đầm rung còn ở trong đất, cát được đưa xuống từ mặt đất và đầm chặt tại mũi đầm rung Khi đạt được sức kháng đầm yêu cầu, đầm được nâng lên, rồi đưa thêm cát vào

và được đầm chặt như trước Qúa trình này được lặp lại cho đến khi điểm đầm chặt lên tới bề mặt đất (Hình 2.7).

Tóm lại đối với mỗi phương pháp lựa chọn gia cố cải tạo đất có ưu nhược điểm khác nhau Với nền là đất sét yếu nằm xen kẹp với lớp cát bị hóa lỏng thì phương pháp cọc cát đầm chặt vẫn thường được sử dụng để gia cố, trong trường hợp nền là cát thì phương pháp rung đầm chặt được sử dụng và cho hiệu quả cao hơn Ngoài ra lựa chọn phương pháp cải tạo còn phụ thuộc vào công nghệ thi công và trình độ thi công Hiện nay phương pháp cọc cát đầm chặt và rung đầm chặt là những biện pháp thường dùng để cải tạo nền chống hóa lỏng và có hiệu quả cao trong điều kiện Việt Nam.

)7 Kết luận chương 2

Khi nền công trình bị hóa lỏng tạo sự mất ổn định, lún sụt và dịch chuyển

ngang, gây thiệt hại không nhỏ đến kết cấu công trình Đối với những công trình

biển thì khả năng hóa lỏng nền do động đất là cao vì nền đã bão hoà nước.

Riêng ở Việt Nam tại các khu vực Miền Trung (địa chất chủ yếu là cát bão hoà) thì khả năng xảy ra hóa lỏng là rất cao.

Đối với nền công trình phải cải tạo chống hóa lỏng thì phương pháp cọc cát đầm chặt và phương pháp rung đầm chặt là 2 phương pháp có hiệu quả cao Phương pháp rung đầm chặt được sử dụng cho nền cát, nền là cát xen kẹp đất sét thì sử dụng phương pháp cọc cát đầm chặt.

Đối với công trình có kết cấu dạng mái nghiêng và sử dụng vật liệu rời (Kè

bờ, đê chắn sóng mái nghiêng ), khi nền móng bị hóa lỏng thì lún và dịch chuyển ngang của nền sẽ xảy ra và gây hư hại cho kết cấu bên trên Do vậy khi thiết kế ĐCSMN cần phải được xem xét một cách cụ thể khả năng hóa lỏng của nền để có biện pháp cải tạo

Chương 3: ĐÁNH GIÁ HÓA LỎNG CỦA NỀN CHO ĐÊ CHẮN SÓNG MÁI NGHIÊNG, GIỚI THIỆU PHẦN MỀM PLAXIS

)1 Nội dung đánh giá hóa lỏng

Đánh giá hóa lỏng của nền được thể hiện trên hình 3.1 gồm các bước sau:

1 Xác định hệ số ứng suất tới hạn do động đất theo thiết kế; CSR eq

2 Xác định hệ số ứng suất tới hạn chống hóa lỏng ứng với mức độ động đất M = 7,5Richter; CSR7,5

3 Xác định hệ số hiệu chỉnh cường độ động đất; k M

4 Xác định hệ số hiệu chỉnh áp lực tầng phủ; k σ

5 Xác định hệ số hiệu chỉnh ứng suất cắt tĩnh ban đầu; k α

6 Xác định hệ số ứng suất tới hạn chống hóa lỏng; CSR L

7 Tính hệ số an toàn chống hóa lỏng; FS L