Ổn định mái dốc của đập đất khi xảy ra động đất

Phân tích so sánh lựa chọn phương pháp phân tích phù hợp với ứng xử của đập đất khi xảy ra động đất thông qua tính chất động học của đất và sử dụng kết hợp các phần mềm Seep/w, Quake/w v

………
…………

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG–HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Lê Đình Hồng

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Dương Sĩ Phú MSHV: 10200395

Ngày, tháng, năm sinh: 13/07/1986 Nơi sinh: Bến Tre

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Mã số : 605840

I TÊN ĐỀ TÀI: ỔN ĐỊNH MÁI DỐC CỦA ĐẬP ĐẤT KHI XẢY RA ĐỘNG ĐẤT

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Phân tích ảnh hưởng của động đất đến sự ổn định mái dốc của đập đất

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 04/07/2011

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/06/2012

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Lê Đình Hồng

Tp HCM, ngày 12 tháng 01 năm 2013

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA

(Họ tên và chữ ký)

Lời cảm ơn

…

Sau một thời gian tiến hành thu thập tài liệu và nghiên cứu, đến nay luận văn

‘‘Ổn định mái dốc của đập đất khi xảy ra động đất’’ đã hoàn thành và đáp ứng

được các yêu cầu đề ra

Với tất cả tấm lòng biết ơn, tôi xin chân thành cảm ơn TS Lê Đình Hồng đã tận tình hướng dẫn khoa học và tạo điều kiện thuận lợi thu thập tài liệu trong suốt quá trình làm luận văn

Luận văn thạc sĩ này được hoàn thành là nhờ không chỉ một phần sự cố gắng của bản thân tôi mà còn là sự giúp đỡ của gia đình và bạn bè đồng nghiệp

Xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến hai đấng sinh thành đã hết lòng động viên, khuyến khích và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn thầy cô, bạn bè đồng nghiệp đã cho tôi một số ý kiến quý báu cũng như giúp đỡ các tài liệu trong lúc làm luận văn

Xin chân thành cảm ơn Cty Phát Triển Công Nghệ và Môi Trường Á Đông

đã tạo mọi điều kiện tốt nhất giúp đỡ tôi trong việc nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Đồng thời xin cảm ơn Phòng đào tạo Sau đại học trường Đại học Bách Khoa TPHCM, bộ môn Tài nguyên nước, các giáo viên trong và ngoài trường Đại học Bách Khoa, cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ cho tôi hoàn thành luận văn này

Đây là lần đầu tiên tôi nghiên cứu khoa học, với kiến thức và thời gian hạn chế chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô, các nhà khoa học, bạn bè để có thể đạt được kết quả nghiên cứu cao hơn

Tp.HCM, tháng 01 năm 2013

Tác giả luận văn

Dương Sĩ Phú

TÓM TẮT

ỔN ĐỊNH MÁI DỐC CỦA ĐẬP ĐẤT KHI XẢY RA ĐỘNG ĐẤT

Động đất là một trong những thiên tai khó có thể dự báo chính xác trước, hậu quả do nó gây ra vô cùng to lớn, gây thiệt hại đáng kể đến con người và kinh tế Động đất là một trong những nguyên nhân gây mất ổn định cho đập đất Luận văn trình bày những kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của động đất đến quá trình ổn định của mái dốc đập đất Phân tích so sánh lựa chọn phương pháp phân tích phù hợp với ứng xử của đập đất khi xảy ra động đất thông qua tính chất động học của đất và sử dụng kết hợp các phần mềm Seep/w, Quake/w và Slope/w Việc tính toán

ổn định của mái dốc đập đất nhằm dự báo khả năng trượt, sạt lỡ, hư hỏng đập và có các biện pháp khắc phục, giảm nhẹ thiệt hại do động đất gây ra

ABSTRACT

SLOPE STABILITY OF EARTH DAM WHEN EARTHQUAKE

Earthquakes are one of the disaster difficult to accurately predict in advance, the consequences causes enormous, causing significant damage to people and the economy Earthquakes are one of the causes of instability for earth dams Thesis presents the results of research on the effects of earthquakes to the slope stability of earth dams Comparative analysis of selected methods of analysis consistent with the behavior of earth dams to earthquakes through the dynamic properties of soils and use combination of software Seep/w, Quake/w and Slope/w The calculation of slope stability of earth dams in order to predict the ability to slide, landslide, failure dam and the remedy, mitigate damage caused by earthquakes

Lời cam đoan

Tp.HCM, tháng 01 năm 2013

Tác giả luận văn

Dương Sĩ Phú

MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG I 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 2

1.1.1 Nghiên cứu trong nước 2

1.1.2 Nghiên cứu ngoài nước 3

1.2 Mục đích và phương pháp nghiên cứu 6

1.2.1 Mục đích 6

1.2.2 Phương pháp nghiên cứu 6

1.3 Nội dung nghiên cứu 6

CHƯƠNG II 8

2.1 Phương trình chuyển động tổng thể 8

2.2 Tính chất động học của đất 8

2.2.1 Giới thiệu 8

2.2.2 Các mô hình ứng xử của đất 8

2.2.3 Mô hình tuyến tính tương đương 10

2.2.4 Module cắt 10

2.2.5 Hàm giảm module cắt G 12

2.2.6 Tỷ số tắt dần 13

2.2.7 Ứng suất vòng lặp tương đương 14

2.2.8 Hàm tỷ số áp suất khe rỗng (r u ) 15

2.2.9 Hàm số vòng lặp 17

2.3 Lý thuyết tính toán ổn định mái dốc 17

2.3.1 Giới thiệu 17

2.3.2 Phương pháp cân bằng giới hạn 18

2.3.3 Phương pháp ứng cân bằng giới hạn tổng quát 21

2.3.4 Phương pháp ứng suất phần tử hữu hạn 23

2.4.3 Module Slope/w 25

CHƯƠNG III 26

3.1 Phân tích ổn định đập đất dựa trên mô hình một bài báo 26

3.1.1 Số liệu tính toán 26

3.1.2 Tính toán theo phương pháp phân tích tĩnh 27

3.1.3 Tính toán theo phương pháp phân tích động 31

3.2 Phân tích ổn định đập đất theo mô hình mẫu và số liệu giả định 52

3.2.1 Số liệu tính toán 52

3.2.2 Trường hợp chưa có động đất 53

3.2.3 Trường hợp có động đất 56

CHƯƠNG IV 77

4.1 Kết luận 77

4.2 Kiến nghị 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN1.1 Đặt vấn đề

Đập vật liệu địa phương được sử dụng phổ biến ở các nước trên Thế Giới, vì

sử dụng nguồn vật liệu địa phương sẵn có, chi phí xây dựng thấp nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả trong hoạt động Trong các đập vật liệu địa phương thì đập đất được sử dụng rộng rãi do nguồn vật liệu đất phong phú, đa dạng

Đập đất được xây dựng để tích chứa nước phục vụ cho nhu cầu sử dụng, tưới tiêu, thuỷ điện, điều tiết lũ… Do tính chất và quy mô của công trình lớn nên yêu cầu đập đất phải có độ ổn định cao, đặc biệt là độ ổn định của mái dốc đập để đập hoạt động lâu dài và hiệu quả

Đập bị hư hỏng do nhiều nguyên nhân như động đất, lún, thấm, nước tràn qua đỉnh, do xuống cấp, do thi công kém chất lượng, … Trong đó, động đất là một

nguyên nhân rất phức tạp, không thể dự báo và lường trước được Khi đập bị hư hỏng, bị vỡ nó gây ra những thiệt hại lớn về con người, vật chất và môi trường ở vùng hạ lưu Do đó, ứng xử của đập khi xảy ra động đất cần được quan tâm đúng mực do ảnh hưởng đến sự ổn định của mái dốc đập, bộ phận dễ mất ổn định của đập đất

Việc phân tích ổn định mái dốc của đập đất khi xảy ra động đất ngày càng được chú trọng khi trên Thế Giới đã xảy ra những trận động đất lớn, gây hậu quả nghiêm trọng Năm 1963, một vụ động đất phía sau đập Vaiont (Italy) đã làm nước tràn vào một làng nhỏ, giết chết 2.500 người Năm 1964, một vụ động đất đã làm vỡ một đập nước ở thượng nguồn sông Hằng (Ấn Độ) gây thảm họa cho khu vực gần 1 triệu dân…

Tính toán ổn định của mái dốc đập đất khi xảy ra động đất nhằm xác định hệ

số ổn định nhỏ nhất, hệ số này yêu cầu phải lớn hơn hệ số an toàn cho phép của

công trình, lúc đó đập sẽ làm việc an toàn trong trường hợp có động đất xảy ra Ứng với mỗi hệ số ổn định sẽ có một vùng ảnh hưởng và một cung trượt trên mái dốc đập, nhằm xác định vị trí trượt trên mái dốc để có biện pháp xử lý khi có động đất xảy ra

Việc phân tích ổn định của mái dốc đập đất khi có động đất cho phép dự báo

và kiểm soát vị trí mái dốc đập bị mất ổn định dẫn đến đập bị hư hỏng, vỡ đập Đồng thời đánh giá được mức độ nguy hiểm và tác hại do động đất gây ra đối với đập đất Từ kết quả phân tích này xác định được hình dạng và kết cấu của đập đất nhằm đảm bảo ổn định khi có động đất xảy ra trong quá trình hoạt động

Ở Việt Nam cho đến nay đã có hàng ngàn hồ chứa lớn nhỏ được xây dựng để cung cấp nước cho nhu cầu sử dụng, nông nghiệp, thủy điện, điều tiết, … Do đó an toàn đập là một vấn đề quan trọng được đặt ra nhằm bảo đảm an toàn cho vùng hạ lưu, trong đó việc nghiên cứu ổn định mái dốc đập đất khi xảy ra động đất là một nội dung không thể thiếu

1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước

1.1.1 Nghiên cứu trong nước

 Ổn định của đập đất dưới ảnh hưởng của động đất

Tác giả: Nguyễn Thế Hùng – Nguyễn Văn Hướng (Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng)

Bài báo này tác giả trình bày việc phân tích, so sánh lựa chọn loại lực động đất tác dụng lên đập đất, để đưa ra kiến nghị về quan điểm tính toán lực động đất, cho thấy việc lựa chọn loại lực động tác dụng lên đập đất hợp lý hơn là lực tĩnh, vì nó phù hợp với sự ứng xử của đập đất khi có động đất xảy ra

Phương pháp tính toán tĩnh xem toàn bộ hay bộ phận công trình như một vật tuyệt đối cứng đặt trên nền với gia tốc động đất x”0(t)

Phương pháp tính toán động xem công trình như một hệ cơ học có số bậc tự

do hữu hạn hoặc vô hạn, bị di chuyển theo nền đất x0(t), các tính chất cơ lý của công trình được biểu diễn qua độ cứng K và hệ số cản C của từng bộ phận riêng rẽ

Bài báo này dùng phần mềm QUAKE/W để tính toán theo phương pháp động lực

Nhận xét:

Ưu điểm của phương pháp tính toán 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

Phân tích động đất theo phương pháp tĩnh lực cho thấy không phù hợp với ứng

xử thực tế của đập đất, đặc biệt là phương pháp này cho kết quả không an toàn cho

ổn định trượt mái đập đất

Phân tích động đất theo phương pháp động lực đánh giá đầy đủ hơn các thông

số ứng xử động đất Do đó, phương pháp này phù hợp với thực tế hơn, đảm bảo công trình làm việc an toàn khi có động đất xảy ra

1.1.2 Nghiên cứu ngoài nước

a Khảo sát ứng xử của phần hạ lưu đập đất dưới điều kiện động đất

Tác giả: Debarghya Chakraborty và Deepankar Choudhury (Viện Kỹ thuật

Bombay, Ấn Độ)

Trong bài báo này tác giả trình bày các phân tích tĩnh và động của phần hạ lưu đập đất dưới tác động của động đất Các phân tích được thực hiện bằng cách sử dụng các phần mềm khác nhau như FLAC3D, TALREN 4, SEEP/W và SLOPE/W Kết quả sau khi phân tích bằng FLAC3D nhận thấy rằng dưới tác động của tải động đất

thì chuyển vị lớn nhất của đập là khoảng 66.7cm, trong khi bằng cách sử dụng

phương pháp Makdisi-Seed thì chuyển vị lớn nhất của đập thu được là 57cm

Nhận xét:

Dòng thấm từ phân tích thấm bằng phần mềm FLAC3D tương tự với dòng thấm do phần mềm SEEP/W phân tích Tải trọng động đất với gia tốc phương x và z dương thì chuyển vị tại nền đập là lớn nhất

Sau khi phân tích tĩnh và động bằng phần mềm FLAC3D có thể kết luận rằng tải trọng động đất ảnh hưởng nghiêm trọng đến chuyển vị của đập Chuyển vị lớn nhất ở vùng đỉnh sau khi phân tích động cao hơn 19 lần so với phân tích tĩnh

Chuyển vị lớn nhất ổn định sau khi phân tích động bằng phần mềm FLAC3D

(66.7cm) cao hơn một chút so với kết quả (57cm) khi sử dụng phương pháp xác định chuyển vị thường được đề xuất bởi Makdisi và Seed

Sau khi phân tích tĩnh ổn định mái dốc khi sử dụng FLAC3D, TALREN 4 và SLOPE/W tác giả chỉ ra rằng FLAC3D cho giá trị hệ số an toàn là nhỏ nhất bằng 1.22 cho hạ lưu đập đất Trong khi đó, phân tích ổn định mái dốc khi sử dụng TALREN 4 cho giá trị hệ số an toàn chỉ 0.89 Tuy nhiên, theo Seed giá trị hệ số an toàn nhỏ nhất dưới tác động tải động đất nên là 1.15 Vì vậy, có thể kết luận từ phân tích này là hạ lưu đập đất không an toàn trong điều kiện tải động đất

b Đánh giá độ an toàn của đập Mae Kuang Udomthara khi động đất

Tác giả: Bhuddarak Charatpangoon (Đại học Chiang Mai, Thái Lan)

Chayanon Hansapinyo (Đại học Chiang Mai, Thái Lan)

Kyung-Ho Park (Viện kỹ thuật Pathumthani, Thái Lan)

Pennung Warnitchai (Viện kỹ thuật Pathumthani, Thái Lan)

Bài báo bày đánh giá độ an toàn của đập Mae Kuang, ở Bắc Thái Lan nằm trên sông Mae Kuang bằng phương pháp phần tử hữu hạn Với 3 chuyển vị nền được tổng hợp trong phổ đặc trưng của đất được xác định từ tiêu chuẩn thiết kế động đất của Thái Lan

Tác giả sử dụng mô hình số với 2 mô hình là mô hình phần tử hữu hạn và mô hình khối đất để tính toán và phân tích

Kết quả phân tích động lực được đề cập khi sử dụng phần tử hữu hạn trong Plaxis:

 Vùng gia tốc: gia tốc giảm đến cao trình giữa và sau đó tăng đến đỉnh đập

Tỷ số của gia tốc đỉnh với gia tốc cơ bản lớn nhất là 0.83, 0.67 và 1.86 với các chuyển vị nền tương ứng

 Vùng ứng suất và biến dạng: kết quả chỉ ra quan hệ ứng suất phân bố trong khối đập khi gia tốc lớn nhất tại đỉnh Tỷ số  / max trong khoảng 0.9  1.0 ở hầu hết các miền cho tất cả chuyển vị nền Giai đoạn cuối chuyển vị nền, vùng lõi giữa, lớp thấm và hỗn hợp tỷ số  / max trong khoảng 0.8  1.0 Điều này chứng tỏ vật liệu đập ảnh hưởng không tuyến tính

 Vùng chuyển vị: có thể dùng để đánh giá độ an toàn của đập vì sự hao hụt chiều cao an toàn

Nhận xét:

Sự chuyển động địa chấn và phân tích động lực được xét trong bài báo này, nó đánh giá diễn biến của đập khi động đất là thoả đáng khi độ lún đỉnh lớn nhất nhỏ hơn bảng cho phép Phương pháp sử dụng trong bài báo này có thể được sử dụng như một trong những hệ thống để đánh giá độ an toàn của đập đất hiện hành khi xảy

ra động đất ở bắc Thái Lan

Bài báo kết luận đập Mae Kuang Udomthara ở Thái Lan ổn định khi mới kiểm tra lún mà chưa tính toán ổn định mái dốc của đập và trường hợp tính toán là hồ chứa không có nước Do đó để kết luận đập là ổn định và làm việc an toàn khi xảy ra động đất cần tiến hành tính toán ổn định mái dốc đập

1.2 Mục đích và phương pháp nghiên cứu

1.2.1 Mục đích

Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán giải bài toán ổn định mái dốc của đập đất khi xảy ra động đất

1.2.2 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số về đất, động đất đến hệ số ổn định Sử dụng các phần mềm để tính toán ổn định mái dốc đập đất với các cấp động đất khác nhau

1.3 Nội dung nghiên cứu

Áp dụng phương trình ứng xử của hệ thống chịu tác động của dao động từ nền,

áp suất khe rỗng khi xảy ra động đất và tính chất động học của đất để nghiên cứu ứng xử và độ ổn định của mái dốc đập khi xảy ra động đất

Tiến hành thu thập số liệu địa chất, mực nước, hệ số gia tốc động đất… để tính toán độ ổn định của mái dốc đập khi xảy ra động đất

Sử dụng bộ phần mềm GeoStudio với sự kết hợp các module Seep/w –

Quake/w – Slope/w để phân tích và tính toán độ ổn định của mái dốc đập khi xảy ra động đất:

 Module Seep/w: sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích dòng thấm trong đất không bão hoà, xác định được lưu lượng thấm, áp lực nước

lỗ rỗng, độ ẩm…

 Module Quake/w: sử dụng kết quả dòng thấm từ module Seep/w để phân tích động lực học của kết cấu đất, đá chịu tác động của động đất bằng

phương pháp phần tử hữu hạn nhằm xác định chuyển động và áp lực nước

lỗ rỗng tới hạn xuất hiện do sự rung chuyển

 Module Slope/w: sử dụng kết quả phân tích động lực học từ module

Quake/w để tính toán hệ số an toàn của các mái đất, đá dựa trên lý thuyết cân bằng tới hạn

CHƯƠNG II

CƠ SỞ LÝ THUYẾT2.1 Phương trình chuyển động tổng thể

Phương trình chuyển động của phần tử chịu tác động của dao động từ nền: [M]{ } [ ]{ } [ ]{ } { ( )}u  C u  K u  R t  [M][1] ( )u th

 Không mô hình: được sử dụng để loại bỏ một phần của một mô hình phân tích

 Mô hình đàn hồi tuyến tính, gồm:

 Trọng lượng riêng, hệ số Poisson, hệ số tắt dần

 Hàm số áp lực nước rỗ lỗng

 Hàm số Ka và Ks

 Hàm số tuần hoàn

 Hằng số hoặc hàm số Gmax

 Mô hình tuyến tính tương đương:

 Trọng lượng riêng, hệ số Poisson, lực dính c’ và góc ma sát trong Ø’

 Mô hình phi tuyến tính:

 Trọng lượng riêng, hệ số Poisson, lực dính c’ và góc ma sát trong Ø’

 Hệ số tắt dần và hệ số tắt dần max

 Hàm số áp lực nước lỗ rỗng MFS

 Hàm số module thu hồi

 Hằng số hoặc hàm số G

 Trạng thái hoá lỏng

2.2.3 Mô hình tuyến tính tương đương

Mô hình tuyến tính tương đương tương tự như mô hình đàn hồi tuyến tính Với

mô hình tuyến tính tương đương module Quake/w phân tích động lực với độ cứng đất mặc định Module Quake/w thông qua toàn bộ các trận động đất được ghi lại và xác định đỉnh của biến dạng cắt tại mỗi điểm Gauss trong mỗi phần tử Module cắt sau đó được hiệu chỉnh theo một hàm số G giảm và quá trình này được lặp đi lặp lại Quá trình này được lặp đi lặp lại tiếp tục cho đến khi việc hiệu chỉnh G nằm trong một dung sai quy định (hội tụ) Các thay đổi về độ dốc phản ánh sự giảm của G giữa các lần lặp đi lặp lại

Hình 2.1: Sự thay đổi của hàm số G

2.2.4 Module cắt

Mudule cắt được gọi là Gmax Nó liên quan đến một biến dạng nhỏ module cắt

và giá trị tối đa cho một loại đất cụ thể và ký hiệu là Gmax Thực tế để xác định Gmax

như là một hàm số của trạng thái ứng suất trong đất Các giá trị Gmax trong module Quake/w có thể được quy định như các hàm số

Tất cả những hàm số tính chất vật liệu trong module Quake/w là hàm số từ số liệu của các điểm Vì vậy có thể xác định bất kỳ hàm số nào bằng cách xác định một loạt số liệu của các điểm

Ngoài các số liệu điểm đầu tiên và sau cùng hàm số còn dựa trên giá trị của số liệu điểm nhỏ nhất và lớn nhất Lưu ý trong hình trên đường thẳng ngắn được xem như ứng suất theo phương thẳng đứng gần như bằng 0 Điều này có nghĩa giá trị

Gmax nhỏ sẽ là số liệu đầu tiên bên trái Đây là tính năng hữu ích trong việc giới hạn

hoặc cắt bỏ hàm số ở mỗi đầu

Đối với đất rời, các hàm số mẫu được dựa trên phương trình sau đây:

Với  vlà ứng suất theo phương thẳng đứng của đất

 Module Quake/w quy định những giá trị K mẫu như sau:

Đối với đất dính Gmax được tính từ công thức:

 được tính tương tự như đất rời

 Module Quake/w ước tính hàm số Gmax bởi một giá trị độ sâu của một hàm

số ứng suất với các giá trị OCR, e, PI và K0

G

G và tạo ra một hàm số để xác định chỉ số độ sệt PI và một ứng suất giới hạn

G được tính như mô tả trong phần trước dựa trên việc xác định chỉ số

PI và áp lực giới hạn Tỷ số tắt dần sau đó được tính toán tương tự việc xác định chỉ

số PI với các giả định về biến dạng cắt lặp Việc tính toán các điểm dữ liệu này sau

Khi G bằng Gmax, thể hiện khi bắt đầu phân tích, D được thiết lập là một giá trị nhỏ nhất

2.2.7 Ứng suất vòng lặp tương đương

Dao động do động đất biến đổi rất không đều nên ứng suất tiếp biến đổi cũng rất không đều Ứng suất tiếp do động đất có thể thay đổi như hình sau:

Hình 2.2: Ứng suất cắt theo thời gian (đỉnh = 1260 psf)

Thí nghiệm trong phòng được thực hiện với dao động đều và hiểu biết về ứng

xử động lực học của đất dựa trên dao động đều Để sử dụng dữ liệu thí nghiệm trong phân tích động đất cần giải thích biến dạng cắt không đồng nhất theo biến dạng cắt đồng nhất và thường dùng:





 : ứng suất hiệu dụng tĩnh ban đầu theo phương đứng

Áp suất khe rỗng phát sinh trong quá trình động đất là hàm số của số vòng đồng nhất tương đương N cho một trận động đất cụ thể và số vòng NL gây ra hoá lỏng trong điều kiện ứng suất cụ thể N xác định từ đồ thị:

Hình 2.4: Chu kỳ tương đương so với độ lớn trận động đất

Hàm tỷ số áp suất khe rỗng xác định theo:

Hàm ru không được dùng trực tiếp trong module Quake/w, ru được dùng để ước tính hàm áp suất khe rỗng và hàm này được dùng trong module Quake/w

Module Quake/w xác định giá trị NL từ hàm số vòng lặp, từ tỷ số

: chiều dài đáy cột đất (m)

Sm: lực cắt được huy động tại đáy cột đất (kN)

: độ bền chống cắt của đất (kN/m²)

Hệ số ổn định của mái dốc được tính theo hai nhóm phương pháp: phương pháp cân bằng giới hạn (CBGH) và phương pháp ứng suất phần tử hữu hạn

2.3.2 Phương pháp cân bằng giới hạn

Các giả thiết được sử dụng trong việc thiết lập các công thức tính toán của lý

thuyết cân bằng giới hạn là:

 Đất là loại vật liệu tuân theo định luật Mohr-Coulomb

 Đối với tất cả các loại đất trong cùng mô hình, hệ số an toàn của các thành phần cường độ của đất (lực dính c và góc ma sát trong ) là bằng nhau

 Hệ số an toàn là giống nhau đối với tất cả các cột đất

Tính toán sự ổn định của một khối trượt được xác định bằng cách tính toán các

lực tác dụng lên từng cột đất thẳng đứng được chia nhỏ trong khối trượt đó

Hình 2.5: Các lực tác dụng lên cột đất trong mặt trượt

Ý nghĩa các thông số:

W: tổng trọng lượng cột đất với bề rộng b và chiều cao h

N: lực pháp tuyến tổng tại đáy của cột đất

Sm: lực cắt được huy động tại đáy của mỗi cột đất

E: lực pháp tuyến nằm ngang tại mặt tiếp xúc giữa các cột đất

X: lực cắt theo phương đứng tại mặt tiếp xúc giữa các cột đất

D: ngoại lực tập trung

kW: lực động đất nằm ngang đặt tại trọng tâm mỗi cột đất

R: bán kính của một mặt trượt tròn hay cánh tay đòn của lực cắt được huy động tại đáy cột đất Sm đối với mặt trượt có hình dạng bất kỳ

f: khoảng cách vuông góc từ lực pháp tuyến tại đáy cột đất đến tâm quay hay tâm của moment f được giả thiết rằng nếu khoảng cách f nằm về bên phải của tâm quay của mái dốc âm (mái dốc có mái nghiêng nằm về phía bên phải) là âm và là dương nếu f nằm về bên trái của tâm quay Đối với mai dốc dương, quy ước dấu của f là ngược lại

x: khoảng cách theo phương ngang từ đường tâm của mỗi cột đất đến tâm quay hay tâm moment

e: khoảng cách theo phương dọc từ trọng tâm của mỗi cột đất đến tâm xoay hay tâm moment

d: khoảng cách vuông góc từ tải trọng tập trung D đến tâm quay hay tâm moment

h: khoảng cách theo phương dọc từ tâm đáy của mỗi cột đất đến mặt đất trên cùng (thường là mặt đất tự nhiên)

a: khoảng cách vuông góc từ hợp lực của nước bên ngoài đến tâm xoay hay tâm moment

A: hợp lực của nước bên ngoài

ω: góc hợp bởi tải trọng tập trung D với phương nằm ngang Góc này được

đo theo ngược chiều kim đồng hồ đến chiều dương của trục x

α: góc ở giữa đường thẳng tiếp tuyến đi qua tâm đáy cột đất với phương nằm ngang Quy ước dấu của α được cho như sau Khi α nghiêng cùng chiều với độ nghiêng của mái dốc, thì α dương và ngược lại

Ký hiệu L và R để chỉ mặt trái và mặt phải của cột đất của các thông số

Từ các biến trên và áp dụng các phương trình cân bằng cơ học, ta có thể xác định được hệ số an toàn của mái dốc

Bảng 2.1: Điều kiện cân bằng tĩnh của các phương pháp cân bằng giới hạn

Bảng 2.2: Những giả thiết của các phương pháp cân bằng giới hạn

Ordinary Các lực hông được bỏ qua

Bishop's Simplified Chỉ tính đến các lực pháp tuyến hông nhưng bỏ qua không

tính đến các lực cắt hông

Janbu's Simplified Tương tự như phương pháp Bishop's Simplified, sử dụng 1

thông số thực nghiệm fo để tính toán các lực hông

Morgenstern- Price

Các dạng hàm lực hông được sử dụng giống như trong phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát, sử dụng kỹ thuật giải nhanh (The Rapid Solver) để xác định giá trị λ

2.3.3 Phương pháp ứng cân bằng giới hạn tổng quát

Phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (GLE - General Limit Equilibrium) được xây dựng dựa trên các phương trình cân bằng tĩnh học (cân bằng lực theo phương ngang, cân bằng lực theo phương dọc và cân bằng moment)

Trong điều kiện đất không bão hòa, lực cắt được huy động tại đáy mỗi cột

Tuy nhiên, ta có số ẩn lớn hơn số phương trình nên bài toán trở nên vô định

Để cho bài toán là xác định, phương pháp cân bằng giới hạn đã đưa ra thêm giả thiết

về hàm lực hông Hàm lực hông là hàm thể hiện mối quan hệ giữa lực cắt hông và lực pháp hông

Phương trình kinh nghiệm thể hiện mối quan hệ giữa lực cắt hông và lực pháp tuyến hông được đề xuất bởi Morgenstern và Price (1965):

X = E..f(x)

Trong đó:

λ: tỉ lệ phần trăm (ở dạng thập phân) của hàm số f(x) được sử dụng

f(x): hàm lực hông

Hình 2.6: Các dạng hàm lực hông mẫu trong Slope/w

Khi tính toán hệ số ổn định, Slope/w thay đổi giá trị của , ứng với mỗi  ta có

2 dãi các giá trị của hệ số an toàn cân bằng lực và cân bằng moment

Hình 2.7: Biểu đồ quan hệ giữa λ và hệ số an toàn

Bằng cách xác định giao điểm của hai đường Fm và Ff , Slope/w tính ra được

hệ số an toàn thỏa mãn cả hai phương trình cân bằng lực và moment Hệ số an toàn này chính là hệ số an toàn của phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát

2.3.4 Phương pháp ứng suất phần tử hữu hạn

Lý thuyết cân bằng giới hạn không thể đưa đến một sự phân bố ứng suất thực

tế trên mặt trượt cũng như trong khối trượt Sự phân bố ứng suất được tính trong lý thuyết cân bằng giới hạn chỉ tuân theo quy luật thủy tĩnh Tuy nhiên trong thực tế khi phân tích ổn định mái dốc, sự phân bố ứng suất trong khối trượt còn phụ thuộc vào sự phân bố ứng suất cắt trong khối trượt đó Để khắc phục giới hạn này, mối quan hệ giữa ứng suất – biến dạng đã được thêm vào trong quá trình phân tích ổn định mái dốc Do đó, sự phân bố ứng suất trong khối trượt gần với thực tế hơn

Trong bộ phần mềm GeoStudio, các ứng suất trong đất sẽ được tính toán bởi module Quake/w và module Slope/w sử dụng các ứng suất được tính toán này để phân tích sự ổn định Hệ số ổn định được xác định bằng công thức:

r

m

S F S

2.4 Giới thiệu về bộ phần mềm GeoStudio

GeoStudio là bộ phần mềm ứng dụng của Canada, sử dụng giao diện đồ hoạ,

32 bit có thể chạy trong hệ điều hành Win 95/98/NT/2000 và XP dùng để mô hình hóa các bài toán về địa kỹ thuật, bao gồm các module sau:

- Slope/w dùng để phân tích bài toán ổn định mái dốc

- Seep/w dùng để tính toán thấm trong đất

- Sigma/w dùng để phân tích ứng suất, biến dạng trong đất

- Quake/w dùng để phân tích động đất

- Temp/w dùng để phân tích chế độ nhiệt trong đất

- Ctran/w dùng để phân tích sự lan truyền chất trong đất

- Vadose/w dùng để phân tích độ bão hòa, áp lực nước trong đất

- Air/w dùng để phân tích khí trong đất không bão hoà

Các module trên có thể ghép nối với nhau hỗ trợ tính toán trong các điều kiện phức tạp về áp lực nước lỗ rỗng, nhiêt độ, biến dạng …

2.4.1 Module Seep/w

Seep/w là phần mềm tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn dùng để mô hình hoá dòng thấm và sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng trong môi trường xốp như đất, đá Seep/w có thể phân tích các mô hình từ đơn giản đến phức tap, như mô hình bão hoà ở trạng thái ổn định và mô hình không bão hoà và thay đổi theo thời gian Seep/w kết hợp với Slope/w phân tích ổn định mái dốc trong điều kiện có áp lực nước lỗ rỗng phức tạp (khi hồ chứa bắt đầu dâng hoặc rút nước), kết hợp với

Temp/w phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ, kết hợp với Ctran/w phân tích lan truyền chất ô nhiễm trong đất, kết hợp với Sigma/w để giải quyết bài toán cố kết thấm Seep/w được ứng dụng trong phân tích và thiết kế các dự án về địa kỹ thuật, xây dựng dân dụng, địa chất thuỷ văn và khai thác mỏ

2.4.2 Module Quake/w

Quake/w là sản phẩm phần mềm phần tử hữu hạn ứng dụng cho phân tích động lực học của các kết cấu đất đá chịu tác động của động đất Sử dụng Quake/w có thể xác định được chuyển động và áp lực nước lỗ rỗng tới hạn xuất hiện do sự rung chuyển Quake/w sử dụng phương pháp tích phân trực tiếp để tính chuyển động và

áp suất nước lỗ rỗng tới hạn gây bởi lực quán tính ở thời điểm đã được đặt ra

2.4.3 Module Slope/w

Slope/w là phần mềm dùng để phân tích ổn định mái đất, đá theo phương pháp cân bằng giới hạn trong khối đất bão hoà và không bão hoà (gồm nhiều phương pháp khác nhau: Bishop, Ordinary, Janbu, Morgenstern-Price, Spencer ) Slope/w

có thể phân tích các vấn đề đơn giản và phức tạp cho hàng loạt các hình dạng bề mặt trượt, điều kiện áp lực nước lỗ rỗng, tính chất của đất, phương pháp phân tích và các điều kiện tải trọng, gia cố

Sử dụng phương pháp cân bằng giới hạn, Slope/w có thể mô hình các loại đất không đồng nhất, bề mặt hình học phức tạp của các lớp đất và mặt trượt, các điều kiện áp lực nước lỗ rỗng đa dạng ứng với nhiều mô hình đất khác nhau Phân tích sự

ổn định của mái dốc có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các thông số đầu vào xác định hoặc mô phỏng theo xác suất Ngoài ra, Slope/w còn có thể được tính theo phương pháp ứng suất phần tử hữu hạn từ mô hình của Sigma/w, Quake/w

Với các tính năng trên, Slope/w có thể được sử dụng để phân tích hầu như bất

kỳ vấn đề ổn định mái dốc sẽ gặp phải trong các dự án địa kỹ thuật, xây dựng dân dụng và kỹ thuật khai thác mỏ

CHƯƠNG III

TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH ĐẬP ĐẤT KHI ĐỘNG ĐẤT3.1 Phân tích ổn định đập đất dựa trên mô hình một bài báo

Ta tính toán lại ổn định mái dốc khi xảy ra động đất dựa trên mô hình và các số liệu

địa chất trong bài báo “Phân tích cấu trúc ứng xử của đập đất khi chịu động đất”

của tác giả ZEROUAL ABDELLATIF

3.1.2 Tính toán theo phương pháp phân tích tĩnh

Mô hình tính toán:

Hình 3.2: Mô hình tính toán

Kết quả đường bão hoà:

Hình 3.3: Đường bão hoà

Kết quả áp lực nước lỗ rỗng (kPa):

Hình 3.4: Áp lực nước lỗ rỗng (kPa)

Ứng suất hiệu dụng theo phương dọc 'y (kPa):

Ứng suất hiệu dụng theo phương ngang 'x (kPa): Theo phương ngang X ứng

suất hiệu dụng tăng dần từ thượng lưu đến vị trí giữa đập và giảm dần về phía hạ

lưu

Ứng suất cắt xy (kPa): Ứng suất cắt trong đập tăng dần từ đỉnh đập xuống đáy

đập và từ 2 phía thượng hạ lưu vào giữa

Hình 3.7: Ứng suất cắt xy (kPa)

Kết quả ổn định mái thượng lưu (theo phương pháp Morgenstern-Price):

Hình 3.8: Hệ số ổn định mái thượng lưu

Kết quả ổn định mái hạ lưu (theo phương pháp Morgenstern-Price):

Hình 3.9: Hệ số ổn định mái hạ lưu

Nhận xét:

 Phương pháp phân tích tĩnh tính toán đơn giản, hệ số ổn định không đổi trong

suốt thời gian động đất, không phản ánh chính xác được độ ổn định của đập trong

suốt thời gian động đất

 Phương pháp phân tích tĩnh không thể hiện được chuyển vị của đập theo thời

gian động đất, vector vận tốc phân bố trong đập và gia tốc của các điểm trong đập

theo thời gian

3.1.3 Tính toán theo phương pháp phân tích động

- Sử dụng mô hình tuyến tính tương đương với các thông số vòng lặp tương đương như sau:

 Hệ số ứng suất cắt tương đương = 0.65

 Hệ số biến dạng trượt tương đương = 0.5

 Số vòng lặp = 10

a Trường hợp gia tốc đỉnh a max = 0.3g

Biểu đồ gia tốc động đất được lấy từ biểu đồ gia tốc mẫu của chương trình tính toán trong khoảng thời gian động đất là 15 giây, mỗi giá trị gia tốc được tính với

khoảng thời gian là 0.03 giây

Hình 3.10: Biểu đồ gia tốc động đất với gia tốc đỉnh là 0.3g

G Fn#

D Fn#