ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
……………………………..

TRẦN HỒNG MINH

NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT NỀN VỚI
VỎ CÔNG TRÌNH NGẦM CHỊU TÁC DỤNG BOM ĐẠN CÓ
CƯỜNG ĐỘ LỚN Ở KHU VỰCTHÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VÀ
CÁC VÙNG LÂN CẬN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TpHCM 2007


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
……………………………..

TRẦN HỒNG MINH
NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG CỦA ĐẤT NỀN VỚI
VỎ CÔNG TRÌNH NGẦM CHỊU TÁC DỤNG BOM ĐẠN CÓ
CƯỜNG ĐỘ LỚN Ở KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VÀ
CÁC VÙNG LÂN CẬN

CHUYÊN NGÀNH
CƠ HỌC ĐẤT - CƠ HỌC NỀN MÓNG VÀ CÔNG TRÌNH NGẦM
MÃ SỐ NGÀNH : 2.15.03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT


01

2. Mục đích của luận án

02

3. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

03

4. Phương pháp nghiên cứu

04

5. Ý nghóa khoa học và thực tiễn của đề tài

05

Chương1 - NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ

06

PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG CỦA NỀN
ĐẤT KHI CHỊU TÁC DỤNG TẢI TRỌNG ĐỘNG
1.1 Sự phát triển CTN trong lónh vực kinh tế kết hợp Quốc phòng

06

1.2 Một số công trình ngầm đã xây dựng

21

nền đất chòu tác dụng tải trọng động
1.4.3 Các nghiên cứu lí thuyết, thực nghiệm tính toán ổn đònh, biến

25

dạng của nền đất chòu tác dụng tải trọng động do tải trọng nổ gây ra
1.5 Nghiên cứu tổng quan về các mô hình, quan hệ giữa ứng suất , biến

27

dạng của môi trường và phương pháp xác đònh các tham số của sóng khi chòu
tác dụng tải trọng nổ
1.5.1 Nghiên cứu mối quan hệ giữa tải trọng nổ của bom đạn với môi

27

trường và công trình đặt trong môi trường
1.5.2 Nghiên cứu tổng quan về các mô hình môi trường

28

1.5.3 Nghiên cứu sóng nổ trong môi trường đất

30

1.6 Nhận xét và nhiệm vụ của luận án

34

44

2.2.2 Kết quả khảo sát

45

2.3 Khảo sát sự lan truyền sóng nổ trong đất khi tải trọng giảm dần theo quy

50

luật tuyến tính trong điều kiện đất yếu ở khu vực TpHCM
2.3.1 Mô hình tính toán

50


2.3.2 Khảo sát cho tải trọng giảm dần theo quy luật tuyến tính

53

2.3.3 Các kết quả khảo sát số

57

2.4 Kết luận chương 2

60

Chương 3 - THIẾT LẬP BIỂU THỨC TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH - BIẾN


3.4.1.2 Thuật toán tính biến dạng theo thời gian

85

3.4.1.3 Thuật toán tính hệ số ổn đònh

90

3.4.1.4 Thuật toán tính độ bền kéo, nén

91

3.4.2 Các kết quả tính toán theo lý thuyết

92

3.4.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của độ sâu bố trí hầm, các thông số môi

97

trường đến trạng thái ứng suất - biến dạng, hệ số ổn đònh, độ bền kéo, nén
của đất xung quanh CTN
3.5 Kết luận chương 3

101

Chương 4 – NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH, BIẾN DẠNG ĐẤT NỀN XUNG

102



106

4.3.3 Trình tự thí nghiệm

108

4.4 Báo cáo xử lý số liệu thí nghiệm hiện trường

110

4.4.1 Phân tích, xử lý sơ bộ số liệu thí nghiệm

110

4.4.2 Xác đònh tốc độ lan truyền sóng

115

4.4.3 Xác đònh biến dạng và ứng suất trong nền đất gần kết cấu

117

4.5 So sánh kết quả dự đoán theo lý thuyết và đo đạc thực nghiệm

125

4.6 Vận dụng lời giải lý thuyết đã thiết lập tính toán và ứng dụng cho công

128


GIẢI THÍCH CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ TẮT TRONG LUẬN ÁN
1.Các kí hiệu
Công thức

Kí hiệu

Giải thích ý nghóa

a

Gia tốc chấn động

g

Gia tốc trọng trường
Áp lực tác dụng trên hạt đất

A

Biến độ chấn độ
Tần số chấn động

(1.1)-(1.3)
kv và kh
K

Các hệ số gia tốc phương đứng và ngang
Hệ số áp lực ngang của đất và
Dung trọng của đất

(1.6)

hi

Chiều dày phân lớp

Ip

Chỉ số dẻo

Cc

Chỉ số nén

e0

Hệ số rỗng


(1.7)

P

Tải trọng tónh trên mặt đất

F

Diện tích móng

A

C

Trọng lượng thuốc nổ

a0

Tốc độ lan truyền sóng đàn hồi

a1

Tốc độ lan truyền sóng đàn dẻo

n

Chỉ số nhò thức biểu thò qui luật biến đổi của siêu áp
mặt sóng
Độ sâu đến điểm cần xét

h

Tốc độ lan truyền biến dạng
k1 và
max

1

Hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào loại đất
Ứng suất tại một độ sâu bất kỳ trong đất

б

1

R

Khoảng cách từ tâm nổ đến điểm xét

C

Trọng lượng thuốc nổ
Hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào loại đất

A, m

(1.15)-(1.21)

a0

Tốc độ lan truyền sóng đàn hồi

a1

Tốc độ lan truyền sóng đàn dẻo

n

Chỉ số nhò thức biểu thò qui luật biến đổi của siêu áp
mặt sóng
Độ sâu đến điểm cần xét

h


3

Hàm lượng thành phần chất lỏng

1

Mật độ chất khí

2

Mật độ chất lỏng

3

Mật độ chất rắn


(2.2)- (2.58)

n

Độ rỗng

Sr

Độ bão hoà

V0


pb

Áp lực sinh ra do nước và khí

pc

Áp lực sinh ra do liên kết giữa các hạt pha rắn

pe

p lực chống đỡ khung tạo đất

pw và pw0
cw0

p lực hiện tại và áp lực ban đầu của nước
Tốc độ truyền âm ban đầu của nước

w0

Mật độ ban đầu của nước

w

Mật độ hiện tại của nước

kw
ps và ps0

Là hằng số

Số mũ entropi

cf

Hệ số ma sát của các hạt rắn

Kp

Hệ số tỉ lệ đối với mỗi loại đất và độ ẩm cho trước

Vp0

Thể tích lỗ rỗng ban đầu

Vp

Độ tăng thể tích lỗ rỗng trong đất

E

Mô đun biến dạng

E0

Mô đun liên kết ban đầu

D

Là miền phá hủy


Ten sơ biến dạng dẻo

Cijkl

Hằng số vật liệu

d

Ten sơ ứng suất

kl

I1

Số hạng đầu tiên của ten sơ ứng suất

sij

Độ sai lệch ten sơ ứng suất

ij

Là delta Kronecker

K

Mô đun đàn hồi

G


Vận tốc sóng tại thời điểm bằng vận tốc sóng mạnh

p sm

p lực sóng mạnh

p1

p lực sóng tại thời điểm ban đầu

p2

p lực sóng tại thời điểm đạt mạnh
Biến dạng môi trường

qt

Siêu áp sóng

q0

Siêu áp sóng tại thời điểm đầu

R sm

Khoảng cách từ mặt đất có r=0 đến mặt xung kích
mạnh
Vò trí của mặt tiếp xúc với toạ độ ban đầu r = rT

RT t

Mô đun đàn hồi của đất
Hệ số Poát xông của đất


r

Thành phần biến dạng theo phương hướng kính
Thành phần biến dạng theo phương pháp tuyến

q

Phản lực của kết cấu chống tỷ lệ với độ dòch
chuyển

K

Là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào loại kết cấu chống

EVC

Mô đun đàn hồi của vật liệu làm vỏ chống

d

Chiều dày vỏ chống

R

Bán kính của công trình ngầm


2

Dung trọng riêng của tấm chắn đạn
Chiều dày của tấm chắn đạn
Dung trọng riêng của khối đất

H2

Chiều dày lớp đất

Nkhđ

Là độ bền nén đơn trục của khối đá

y

Là thành phần ứng suất theo phương thẳng đứng
tính toán được tại các vò trí bất kỳ trong khối đất

Kkhđ
x

Là độ bền kéo đơn trục của khối đấtù
Là thành phần ứng suất theo phương nằm ngang


tính toán được tại các vò trí bất kỳ trong khối đất
Góc ma sát trong của đất
c
U (t )


бx

ng suất theo phương ngang

2. Chữ tắt trong luận án
nh hưởng động

- AHĐ

Bê tông cốt thép

- BTCT

Công trình ngầm

- CTN

Thành phố Hồ Chí Minh

- Tp.HCM


DANH MỤC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN ÁN
Chương 1
Chương 2
Bảng 2.1 Các thông số được sử dụng để mô hình quá trình truyền sóng ứng suất
trong đất
Bảng 2.2 Giá trò Py
Bảng 2.3 Giá trò qt

DANH MỤC HÌNH VẼ TRONG LUẬN ÁN
Chương 1
Hình 1.1 Hình ảnh về hệ thống đường hầm ở một số nước trên Thế giới và ở Việt
nam
Hình 1.2 Một số sự cố trong thi công CTN
Hình 1.3 Trạng thái ứng suất do ảnh hưởng động lên một phân tố trong nền
Hình 1.4 Sự phụ thuộc giữa hệ số nhớt động và độ ẩm của đất cát [3].
Hình 1.5 Hiện tượng chảy lỏng
Hình 1.6 Đường cong dựa vào số liệu thực nghiệm cho thấy sự giảm đều đặn của
(tan  ) theo sự tăng của gia tốc
Hình 1.7 Sự giảm hệ số ma sát trong đất rời dưới ảnh hưởng của gia tốc rung [33]
Hình 1.8 Biểu đồ quan hệ giữa



và  [3]

Hình 1.9 Biểu đồ quan hệ giữa độ chặt của đất cát và gia tốc rung
Hình 1.10 Các thành phần ứng suất trong phân tố đất khi chòu tải trọng nổ
Hình 1.11 Mô hình đàn hồi Húc
Hình1.12 Mô hình nhớt Niu tơn
Hình 1.13 Sự hình thành của vùng tác dụng khi nổ trong môi trường đất
Hình 1.14 Biểu đồ biểu thò sự thay đổi của sóng nén
Chương 2
Hình 2.1 Cơ sở mô hình
Hình 2.2 Mô hình cơ học các thành phần của đất
Hình 2.3 Mô hình khảo sát tính toán
Hình 2.4 Sự giảm dần của áp lực cực đại là hàm số của tỉ lệ các thành phần tạ o
nên đất với độ chứa nước khác nhau
Hình 2.5 Sự thay đổi đặc tính của đất dưới tác dụng của tải trọng nổ

cát bão hòa nước tại vò trí cách đỉnh hầm 0,25m,(r =0,5m) phía trên hầm theo tải
trọng nổ ngắn hạn
Hình 3.10 Giá trò các thành phần ứng suất trong môi trường sét yếu bão hòa
nước, cát bão hòa nước tại vò trí cách hông hầm 0,25m ,(r = 0,5m) phía bên hông
hầm theo tải trọng nổ ngắn hạn


Hình 3.11 Giá trò các thành phần biến dạng trong môi trường sét yếu bão hòa
nước ,cát bão hòa nước tại vò trí cách đỉnh hầm 0,25m,(r = 0,5m) phía trên hầm
theo tải trọng nổ ngắn hạn
Hình 3.12 Giá trò các thành phần biến dạng trong môi trường sét yếu bão hòa
nước ,cát bão hòa nước tại vò trí cách hông hầm 0,25m ,(r = 0,5m) phía bên hông
hầm theo tải trọng nổ ngắn hạn
Hình 3.13 Giá trò các thành phần biến dạng trong môi trường sét yếu bão hòa
nước, cát bão hòa nước tại vò trí phía trên hầm (r = 0,25m) phía trên hầm theo tải
trọng nổ ngắn hạn
Hình 3.14 Giá trò hệ số ổn đònh xung quanh vỏ hầm trong hai môi trường sét yếu
bão hòa nước khi góc ma sát trong thay đổi 
đầm chặt khi góc ma sát trong thay đổi 

1 7
0

 25  32
0

0

0


Hình 3.19 Giá trò các thành phần ứng suất trong môi trường sét yếu bão hòa nước
,cát bão hòa nước tại vò trí cách đỉnh hầm 0,25m, (r =0,5m) phía trên hầm khi tăng
mô đun biến dạng (E) của nền


Hình 3.20 Giá trò các thành phần biến dạng trong môi trường sét yếu bão hòa
nước, cát bão hòa nước tại vò trí cách đỉnh hầm 0,25m, (r =0,5m) phía trên hầm
khi tăng mô đun biến dạng (E) của nền
Chương 4
Hình 4.1 Một số hình ảnh thực nghiệm hiện trường và trong phòng xác đònh các
chỉ tiêu cơ lý của đất
Hình 4.2 Sơ đồ bố trí điểm đo và thiết bò đo trong nền đất quanh đường hầm
Hình 4.3 Một số hình ảnh thực nghiệm nổ tại hiện trường và báo cáo kết quả thí
nghiệm
Hình 4.4 Thời gian đo thường lấy dài hơn thời gian dao động thực của kết cấu
Hình 4.5 Tín hiệu vận tốc dao động tích phân từ tín hiệu gia tốc dao động
Hình 4.6 Tín hiệu đo áp lực thẳng đứng trước và sau khi chuẩn hóa bằng cách
khử nhiễu và khử trôi
Hình 4.7 Gia tốc trung bình trong môi trường đất sét yếu bão hòa nước xung
quanh công trình – mô hình thí nghiệm ở hố 1
Hình 4.8 Vận tốc trung bình trong môi trường đất sét yếu bão hòa nước xung
quanh công trình – mô hình thí nghiệm ở hố 1
Hình 4.9 Chuyển vò trung bình trong môi trường đất sét yếu bão hòa nước
xung quanh công trình – mô hình thí nghiệm ở hố 1
Hình 4.10 Biến dạng trung bình trong môi trường đất sét yếu bão hòa nước
Hình 4.11 Ứng suất pháp theo phương thẳng đứng trong môi trường đất sét yếu
bão hòa nước. Vò trí 0,25m phía trên công trình – mô hình thí nghiệm ở hố 1
Hình 4.12 Ứng suất pháp theo phương ngang trong môi trường đất sét yếu bão
hòa nước. Vò trí 0,25m phía bên cạnh công trình – mô hình thí nghiệm ở hố 1



Hình 4.21 Biểu đồ giá trò các thành phần ứng suất hai môi trường sét yếu bão
hòa nước và cát bão hòa nước theo biên độ góc (khi 

 90

0

, r =10m)

Hình 4.22 Biểu đồ giá trò các thành phần ứng suất hai môi trường sét yếu bão
hòa nước và cát bão hòa nước theo biên độ góc (khi 

 135

0

, r =10m)

Hình 4.23 Biểu đồ giá trò các thành phần ứng suất hai môi trường sét yếu bão
hòa nước và cát bão hòa nước theo biên độ góc (khi 

 180

0

, r =10m)

Hình 4.24 Biểu đồ giá trò các thành phần biến dạng hai môi trường sét yếu bão
hòa nước và cát bão hòa nước theo biên độ góc (khi 


0

, r =10m)

Hình 4.28 Biểu đồ giá trò các thành phần biến dạng hai môi trường sét yếu bão
hòa nước và cát bão hòa nước theo biên độ góc (khi 

 180

0

, r =10m)


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Thành phố Hồ Chí Minh (Tp.HCM) là một trung tâm kinh tế lớn nhất nước,
chiếm tỷ trọng trên 30% tổng giá trò sản phẩm công nghiệp của Quốc gia, là một
đô thò có nhiều cảng lớn, là đầu mối giao thông quan trọng của cả nước và của
khu vực. Thành phố còn là trung tâm khoa học kỹ thuật, chuyển giao công nghệ
hiện đại và là một trong những trung tâm giao dòch thương mại, dòch vụ, tài chính,
ngân hàng của khu vực Châu Á – Thái Bình Dương. Tp.HCM hiện nay là thành
phố có số lượng dân cư lớn nhất cả nước, hệ thống giao thông chưa đảm bảo, còn
chưa xứng tầm với một thành phố lớn. Chính vì vậy vấn đề xây dựng và phát
triển hệ thống giao thông nói chung và việc xây dựng hệ thống đường hầm trong
nội ô thành phố và phát triển ra các vùng lân cận là một vấn đề cấp thiết đòi hỏi
các cấp lãnh đạo phải đònh hướng rõ ràng và đúng đắn, góp phần cho việc phát

nhà khoa học. Nhằm tìm ra các giải pháp kỹ thuật hợp lý trong điều kiện đòa chất
yếu như ở Tp.HCM và các vùng lân cận mà khi xây dựng CTN vẫn đạt được cả
hai yếu tố quan trọng hàng đầu: Về kinh tế khi đất nước hoà bình đảm bảo giao
thông, phục vụ dân sinh cũng như giữ được an toàn khi có chiến tranh xảy ra là
vấn đề đang được Đảng và Nhà nước quan tâm. Vì vậy đề tài nghiên cứu được
đặt ra là: “Nghiên cứu ổn đònh và biến dạng của đất nền với vỏ CTN chòu tác
dụng bom đạn có cường độ lớn ở khu vực Tp.HCM và vùng lân cận”.
2. Mục đích của luận án
- Nghiên cứu tổng quan về sự phát triển hệ thống CTN trong lónh vực kinh
tế và quốc phòng, những vấn đề liên quan đến cấu tạo đòa tầng, tính chất cơ lý
của đất sét yếu, khả năng chòu tải của đất nền, tổng quan về các mô hình, quan
hệ giữa ứng suất, biến dạng của môi trường và phương pháp xác đònh các tham số
của sóng khi chòu tác dụng tải trọng nổ, mối quan hệ giữa tải trọng nổ của bom