ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
HUỲNH HỮU THẢO NGUYÊN
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG SỰ HÓA LỎNG CỦA ĐẤT
ĐẾN CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP
MÃ SỐ NGÀNH : 60 58 20
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG 6 NĂM 2008
Luận văn thạc só được bảo vệ tại
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA,
ngày ……… tháng ……… năm 2008
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC
Tp.HCM, ngày ……… tháng ……. năm 2008
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: HUỲNH HỮU THẢO NGUYÊN Giới tính: Nữ
Ngày, tháng, năm sinh: 16/09/1981 Nơi sinh: Tiền Giang
Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp
Khóa (Năm trúng tuyển) : 2006
1. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG SỰ HÓA LỎNG CỦA ĐẤT ĐẾN CÔNG TRÌNH CHỊU
TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
2. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
Phân tích động lực học cho công trình chòu tải trọng động đất, có xét đến sự hóa
lỏng của đất. So sánh kết quả đạt được với kết quả tính toán theo phương pháp thông
thường (xem công trình ngàm tại mặt móng). Từ đó, khảo sát ảnh hưởng sự hóa lỏng của
đất đối với công trình khi chòu động đất, đưa ra một số nhận xét và kết luận.
3. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 16 / 07 / 2007
4. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 16/ 06 /2008
5. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. ĐỖ KIẾN QUỐC
Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua.
đề tài này được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn.
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Đất hóa lỏng là hiện tượng mà trong đó sức chòu tải của đất bò giảm đi do
tải trọng động đất hoặc tải trọng tác động với thời gian rất nhanh gây ra. Sự hóa
lỏng của đất đã gây ra nhiều thiệt hại đáng kể trong lòch sử các trận động đất
xảy ra trên thế giới và dẫn đến sự sụp đổ, hư hỏng cho nhiều công trình.
Luận văn này đã bước đầu khảo sát ảnh hưởng sự hóa lỏng của đất bằng
cách phân tích đáp ứng của công trình chòu động đất với sơ đồ ngàm và sơ đồ
tương tác đất-công trình có xét đến hóa lỏng. Ngoài ra, luận văn còn khảo sát
các ảnh hưởng của nhiều yếu tố như hệ số thấm, độ chặt tương đối của đất, mực
nước ngầm, tỷ số cản của kết cấu bên trên và gia tốc nền đến phản ứng động
của công trình.
Liquefaction constitutive model. Proceedings of the International
Workshop on the Physics and Mechanics of Soil Liquefaction, Baltimore,
MD, 1998.
[12] E.L.WILSON. Three dimensional static and dynamic anlysis of structure. A
Publication of Computer and Structure, 1996.
[13] HILL, R. The mathematical theory of plasticity, Oxford University Press,
London, 1950.
[14] J.E.BOWLES. Foundation Analysis and Design, 5
th
edtion. McGraw-Hill,
1996.
[15] KRAMER, S.L. Geotechnical Earthquake Engineering . Prentice Hall , NJ,
USA, 1996.
[16] LACY, S. Numerical procedures for nonlinear transient analysis of two-
phase soil system. PhD dissertation, Princeton Univ., Princeton, N.J., 1986.
[17] LÊ TRỌNG PHƯƠNG. Phân tích dao động của kết cấu tháp trụ có xét đến
ảnh hưởng của đất nền. Luận văn thạc só, Đại học Bách Khoa TPHCM,
2005.
[18] LÊ BÁ VINH. Nghiên cứu tính toán sự làm việc đồng thời của kết cấu
khung nhà nhiều tầng- móng cọc khoan nhồi- đất nền bằng phương pháp
phần tử hữu hạn kết hợp phương pháp phần tử biên. Luận văn thạc só, Đại
học Bách Khoa TPHCM, 1998.
[19] LÊ TRỌNG NGHĨA. Nghiên cứu và thí nghiệm xác đònh các đặc trưng
động của đất phục vụ cho việc thiết kế các công trình chòu tải động. Luận
văn thạc só, Đại học Bách Khoa TPHCM, 2003.
Taứi lieọu tham khaỷo 85
[20] LU J.,YANG Z., HE L., PENGJ., ELGAMAL A.&LAW KH.
Computational modeling of nonlinear soil-structure interaction on parallel
computers.13th World Conference on Earthquake Eng., Canada , Paper
[28] YANG Z., ELGAMAL A., & PARRA E. A computational model for cyclic
mobility and associated shear deformation. Journal Geotechnical and
Geoenvironmental Engineering, ASCE, vol. 129, no. 12, pp.1119-1127,
2003.
[29] YANG.Z. Numerical modeling of Earthquake Site Response Including
Dilation and Liquefaction, Ph.D dissertation, New York, 2000.
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN 1
1.1 Giới thiệu về hiện tượng hóa lỏng của đất 1
1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới 6
1.2.1 Tình hình nghiên cứu ở các nước trên thế giới 6
1.2.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước 8
1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu của luận văn. 9
CHƯƠNG 2- QUÁ TRÌNH HÓA LỎNG CỦA ĐẤT 10
2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hóa lỏng của đất ở hiện trường 10
2.2 Xác đònh các thông số động của đất 13
2.3 Mô phỏng quá trình hóa lỏng của đất 19
2.3.1 Công thức phần tử hữu hạn 19
2.3.2 Mô hình cơ bản của đất 21
2.4 Chương trình mô phỏng sự hóa lỏng của đất 25
2.4.1 Giới thiệu về chương trình CYCLIC 1D 25
2.4.2 Nhập dữ liệu đầu vào 26
2.4.3 Dữ liệu xuất ra của chương trình 29
CHƯƠNG 3- PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG SỰ HÓA LỎNG CỦA ĐẤT ĐẾN
CÔNG TRÌNH CHỊU ĐỘNG ĐẤT 30
3.1 Phân tích công trình chòu tải trọng động đất với sơ đồ ngàm không xét đến sự
hóa lỏng của đất 30
3.1.1 Phương trình chuyển động của hệ nhiều bậc tự do chòu động đất 30
3.1.2 Các phương pháp giải phương trình 32
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1 GIỚI THIỆU VỀ HIỆN TƯNG HÓA LỎNG CỦA ĐẤT
Cơ học đất là một nhánh trong ngành kỹ thuật xây dựng nghiên cứu ứng
xử của đất dưới tác động của ứng suất. Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm
trong lónh vực cơ học đất phát triển với tốc độ rất nhanh. Hầu hết các cuộc
nghiên cứu này đều tìm hiểu ứng xử của đất khi chòu tải trọng tónh mặc dù khái
niệm về tải trọng bao gồm cả hai loại tải trọng động và tải trọng tónh. Tải trọng
động gây ra cho đất bao gồm các hiện tượng như: động đất, sự vận hành máy
móc thiết bò và công trình, tải trọng gió, xe cộ Các đặc trưng ứng suất và biến
dạng của đất và ứng xử của nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố, và khi chòu tải trọng
động thì khác nhau so với khi chòu tải trọng tónh. Động học đất (soil dynamics) là
một lónh vực trong ngành cơ học đất nghiên cứu về ứng xử của đất khi chòu tải
trọng động.
Trong suốt 30 năm qua, một số vấn đề như sự phá hủy xảy ra do hiện
tượng hóa lỏng của đất (soil liquefaction) khi chòu động đất, các tiến bộ trong
công nghiệp (việc thiết kế nền móng cho các thiết bò và máy móc trong nhà máy
điện), thiết kế và xây dựng các công trình ngoài bờ đã dẫn đến sự phát triển rất
nhanh trong lónh vực nghiên cứu về động học đất.
Hiện nay, thế giới đang phải chòu đựng tình trạng khí hậu trái đất đang ấm
dần lên. Các thiên tai xảy ra ở các quốc gia trên thế giới đã tàn phá nhiều công
trình và cuộc sống của con người như lũ lụt, sóng thần, núi lửa và động đất…. Khi
xem xét đến các kết cấu tựa trên đất, động đất là một vấn đề quan trọng trong
Chương 1- Tổng quan 2
các loại tải trọng động gây ra cho đất vì khả năng gây phá hoại và không thể
kiểm soát hay dự báo được. Trong suốt quá trình chòu động đất, kết cấu công
trình bò phá hoại do sự tạo thành các vết đứt gãy, các chuyển động không bình
thường và sự giảm sức chống cắt hay độ cứng của vỏ trái đất. Sự giảm sức chống
lỏng của đất. Sự hóa lỏng của đất đã gây ra nhiều thiệt hại đáng kể trong lòch sử
các trận động đất xảy ra trên thế giới và dẫn đến sự sụp đổ và hư hỏng cho
nhiều công trình mà tiêu biểu là thảm họa vào ngày 16/06/1964, động đất ở
Nigata, Nhật cũng như trận động đất ở Alaska năm 1964. Sau đây là một số hình
ảnh minh họa các công trình trên thế giới bò phá hoại do đất hóa lỏng trong các
trận động đất:
Chương 1- Tổng quan 4 (a) (b)
(c) (d)
Hình 1.3. Các công trình trên thế giới bò phá hoại do hiện tượng hóa lỏng của đất
(a) Nigata (Nhật-1964), (b) Kobe ( Nhật -1995), (c) Loma Prieta (Mỹ, 1989)
(d) Alaska (Mỹ, 1964)
Điều quan trọng trước tiên để giải thích sự hóa lỏng trong đất cát được
thực hiện bởi Casagrande (1936) dựa trên giả thiết về hệ số rỗng tới hạn (critical
void ratio). Đối với cát chặt, khi chòu cắt có khuynh hướng tăng thể tích , cát rời
khi chòu cắt có khuynh hướng giảm thể tích. Hệ số rỗng không thay đổi nữa khi
bò cắt gọi là hệ số rỗng tới hạn. Casagrande giải thích rằng đối với đất cát rời
bão hòa nước có hệ số rỗng lớn hơn hệ số rỗng tới hạn có khuynh hướng giảm
thể tích khi chòu tác động rung bởi ảnh hưởng động đất, nếu nước lỗ rỗng thoát
không kòp thì áp lực pháp tuyến tác động sẽ truyền lên nước lỗ rỗng (áp lực nước
Chương 1- Tổng quan 5
lỗ rỗng thặng dư) làm cho áp lực nước lỗ rỗng tăng lên, và phần áp lực này
không tạo ra sức chống cắt. Dựa trên nguyên lý ứng suất hữu hiệu, tại một độ
sâu của đất nền được xác đònh bởi :
u
−
Chương 1- Tổng quan 6
Ghi chú:
Hình 1.4a diễn tả các hạt đất trong một mẫu đất. Chiều cao của cột bên phải diễn
tả áp lực nước lỗ rỗng trong đất.
Hình 1.4b. Chiều dài mũi tên diễn tả độ lớn của các lực liên kết giữa các hạt đất
với nhau. Lực liên kết giữa các hạt đất lớn khi áp lực nước lỗ rỗng nhỏ.
Hình 1.4c. Áp lực nước lỗ rỗng tăng dần lên. Đất bò hóa lỏng.
Sự nguy hiểm và tác hại của hiện tượng đất bò hóa lỏng đối với công trình
là rất lớn. Do đó đề tài luận văn nghiên cứu ảnh hưởng sự hóa lỏng đến sự làm
việc và ứng xử của các kết cấu trong công trình. Qua kết quả nghiên cứu này, có
thể đánh giá sự tác hại của hiện tượng hóa lỏng đối với công trình và mức độ ảnh
hưởng của các tham số đến quá trình hóa lỏng của đất và phản ứng động của
công trình chòu tải trọng động đất.
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VÀ TRÊN THẾ GIỚI
1.2.1 Tình hình nghiên cứu ở các nước trên thế giới
Trong những năm gần đây, các thí nghiệm mô phỏng điều kiện hiện
trường sự hóa lỏng của đất đã được thực hiện như: thí nghiệm nén 3 trục động
thực hiện bởi Seed và Lee (1966), thí nghiệm cắt đơn tuần hoàn (Peacock và
Seed, 1968; Finn, Bransby và Pickering, 1970; Seed và Peacock, 1971), thí
nghiệm cắt xoắn tuần hoàn (Yoshimi và Oh-oka, 1973; Ishibashi và Sherif,
1974), thí nghiệm bàn rung (Prakash và Mathur, 1965) [3]. Nhưng phổ biến nhất
dùng trong các phòng thí nghiệm là thí nghiệm nén 3 trục động và thí nghiệm
cắt đơn. Tổng hợp những kết quả từ thí nghiệm về sự hóa lỏng do một số người
khảo sát trên những mẫu cát khác nhau là đường cong tiêu chuẩn trung bình cho
sự hóa lỏng ban đầu với một số lần tác động tải trọng tuần hoàn có thể được
thiết lập. Những đường cong này có thể được sử dụng cho ước lượng khả năng
Chương 1- Tổng quan 7
Elgamal A. [20, 21, 23] vào năm 2004. Trong chương trình ParCYCLIC , việc
mô hình hóa hiện tượng động đất trong ngành đòa kỹ thuật được kết hợp với các
phương pháp tính toán nâng cao trên máy tính dùng để mô phỏng các bài toán
với tỷ lệ lớn và phức tạp.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước
Ở Việt Nam, hiện tượng hóa lỏng do tải trọng động đất ít khi xảy ra. Do
đó mà các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết về sự hóa lỏng xảy ra trong đất
còn rất hạn chế.
Đối với vấn đề tương tác đất nền - công trình, có một số tác giả trong nước
đã nghiên cứu giải bài toán bằng cách kết hợp phương pháp phần tử biên(BEM)
với phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) [18]. Tuy nhiên bài toán chỉ xét đến tải
trọng tónh, chưa xét đến tải trọng động đất. Khi phân tích cho các công trình chòu
động đất, sự tương tác nền – công trình là yếu tố không thể bỏ qua do giả thiết
công trình ngàm tại mặt móng có thể dẫn đến kết quả phân tích khác với thực tế
làm việc của kết cấu. Khi tính toán với giả thiết công trình ngàm tại mặt móng
thì tần số dao động của công trình lớn hơn tần số dao động của bài toán có kể
đến sự tương tác đất nền và công trình.
Như vậy, với các nghiên cứu đã qua, việc kể đến tương tác đất nền- công
trình khi chòu tải trọng động đất có xét đến sự hóa lỏng của đất và việc mô hình
hoá bài toán này rất khó khăn và phức tạp. Do đó luận văn tập trung nghiên cứu
mô hình tính toán công trình- đất chòu động đất để khảo sát ảnh hưởng của hoá
lỏng đến kết cấu công trình.
Chương 1- Tổng quan 9
1.3 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN
Nhiệm vụ luận văn
Luận văn gồm các nội dung cụ thể sau:
- Trình bày quá trình xảy ra sự hóa lỏng ở đất.
- Mô hình hóa bài toán tương tác công trình và đất nền chòu động đất có xét đến
sự hóa lỏng của đất.
• Cường độ và thời gian xảy ra động đất
Để xảy ra hóa lỏng, thì phải có sự rung lắc của nền đất. Các đặc trưng dao
động của đất nền như gia tốc và thời gian rung động gây ra biến dạng cắt làm
cho thành phần hạt đất giảm đi và áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tăng lên dẫn
đến hóa lỏng. Khả năng xảy ra hóa lỏng càng tăng khi cường độ và thời gian
xảy ra động đất càng tăng. Trận động đất nào có cường độâ lớn nhất sẽ có gia tốc
nền a
max
lớn nhất và thời gian xảy ra dài nhất. Theo Ishihara (1985), thì việc
phân tích hóa lỏng sẽ không cần thiết đối với những vùng có gia tốc nền lớn
nhất a
max
< 0.1g. Ngoài động đất, còn có nhiều hiện tượng khác cũng gây ra hóa
lỏng như : đóng cọc, dao động do xe cộ chạy trên đường…
• Mực nước ngầm
Mực nước ngầm gần mặt đất thì sẽ xảy ra khả năng đất hóa lỏng. Đối với
lớp đất không bão hòa ở trên mực nước ngầm thì sẽ không bò hóa lỏng, do đó
không cần phân tích hóa lỏng cho các lớp đất này. Ở những nơi mà mực nước
Chương 2 - Quá trình hóa lỏng của đất 11
ngầm thay đổi thì khả năng hóa lỏng cũng thay đổi theo. Mực nước ngầm cao
nhất trong lòch sử sẽ được dùng để phân tích hóa lỏng nếu như không thể xác
đònh mực nước ngầm cao hơn hay thấp hơn một cách phù hợp.
• Loại đất có khả năng hóa lỏng
Khi xem xét các loại đất có thể bò hoá lỏng, Ishihara (1985) phát biểu
như sau: “Sự nguy hiểm liên quan đến hóa lỏng trong quá trình chòu động đất
thường xảy ra trong những mẫu đất cát hạt mòn cho đến cát hạt trung và những
loại cát rời có độ dẻo thấp. Tuy nhiên, hiện tượng hóa lỏng cũng có thể xảy ra
đối với sỏi.”
Vì thế, loại đất có khả năng bò hóa lỏng thường là những loại đất rời
(cohesionless soil). Dựa vào kết quả trong phòng thí nghiệm và khảo sát tại hiện
Áp lực chèn bó càng lớn khi mực nước ngầm càng hạ xuống và độ sâu của đất
càng tăng. Các nghiên cứu cho thấy rằng vùng hóa lỏng nằm trong phạm vi từ
mặt đất cho đến độ sâu khoảng 15m. Các lớp đất sâu hơn ở bên dưới thường
không bò hóa lỏng vì có áp lực chèn bó lớn.
• Hình dạng hạt đất
Hình dạng hạt đất cũng ảnh hưởng đến khả năng xảy ra hoá lỏng trong
đất. Đất được cấu tạo từ những hạt hình tròn sẽ dễ bò hóa lỏng hơn các loại đất
cấu tạo từ nhưng hạt có hình góc cạnh.
• Lòch sử đất nền
Chương 2 - Quá trình hóa lỏng của đất 13
Các mẫu đất có tuổi lớn hơn đã từng chòu sự chuyển động rung lắc của đất
nền thường có khả năng chống lại sự hóa lỏng nhiều hơn các mẫu đất mới vừa
hình thành có cùng độ chặt.
Khả năng chống lại hiện tượng hóa lỏng tăng cùng với sự gia tăng của tỉ
số đất cố kết trước OCR và hệ số áp lực ngang của đất ở trạng thái nghỉ k
o
.
(Seed và Peacock 1971, Ishihara 1978). Khi đất bò xói mòn thì lớp đất phía trên
của nó bò mất đi, trong trường hợp này nếu lớp đất phía dưới đã được đặt tải
trước thì nó sẽ có tỷ số cố kết trước và hệ số áp lực ngang của đất ở trạng thái
nghỉ k
o
lớn hơn. Do đó mà sẽ chống lại sự hóa lỏng tốt hơn loại đất chưa được
đặt tải trước.
• Tải trọng công trình
Sức nặng của công trình đặt trên một mẫu đất cát có thể làm giảm khả
năng chống lại sự hóa lỏng xảy ra trong đất. Lớp đất bên dưới móng gánh sẽ
chòu ứng suất cắt gây ra bởi tải trọng công trình và các ứng suất cắt này sẽ làm
cho đất dễ xảy ra hóa lỏng.
2.2 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG CỦA ĐẤT
đến 30mm, còn chiều dài các cạnh (hoặc đường kính) là từ 60-80 mm, và mẫu
được áp một ứng suất có hiệu thẳng đứng
V
σ
và một ứng suất cắt lặp τ như biểu
diễn ở hình 2.1. Tải ngang cần thiết để làm biến dạng mẫu này được đo đạc bởi
buồng áp lực và biến dạng cắt của mẫu được đo bởi dụng cụ đo biến đổi biến
thiên tuyến tính.
Copyright: Tài liệu đại học ©