BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM



NGUYỄN TRUNG PHONG

TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC TRONG
NỀN CÁT HÓA LỎNG DO ĐỘNG ĐẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: KTXD Công trình Dân dụng và Công nghiệp
Mã ngành: 60 58 02 08

TP. Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM



NGUYỄN TRUNG PHONG

TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC TRONG
NỀN CÁT HÓA LỎNG DO ĐỘNG ĐẤT
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: KTXD Công trình Dân dụng và Công nghiệp
Mã ngành: 60 58 02 08

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. PHAN TÁ LỆ


3

TS. Trần Tuấn Nam

Phản biện 2

4

TS. Nguyễn Văn Giang

5

TS. Trương Quang Thành

Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TP. HỒ CHÍ MINH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

2. Nội dung

-

Lý thuyết về hiện tượng hóa lỏng của nền do động đất.

-

Thí nghiệm nén ba trục chịu tải trọng lặp.

-

Tính toán sức chịu tải của cọc có xét đến hóa lỏng theo tiêu chuẩn Việt Nam,

Theo tiêu chuẩn Nhật bản và theo Marcuson.
-

Kết luận và kiến nghị.

III. Ngày giao nhiệm vụ

: …......./…....../2016

IV. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: …....../…....../2016
V. Cán bộ hướng dẫn
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Tiến sĩ Phan Tá Lệ

: Tiến sĩ Phan Tá Lệ

kiến thức còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những khiếm khuyết, sai sót,
rất mong nhận được sự giúp đỡ, góp ý chân thành của quý Thầy, Cô, cán bộ khoa
học và bạn đồng nghiệp để các nghiên cứu tiếp theo về đề tài này được hoàn thiện
hơn.
Xin chân thành cảm ơn .
NGUYỄN TRUNG PHONG


iii

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
* Tên đề tài:
Tính toán sức chịu tải của cọc trong nền cát hóa lỏng do động đất.
* Từ khoá:
Sức chịu tải của cọc trong nền cát hóa lỏng
* Tóm tắt:
Đất hóa lỏng là hiện tượng mà trong đó sức chịu tải của đất bị 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 lịch sử các trận động đất xảy ra trên
thế giới và dẫn đến sự sụy đổ, hư hỏng cho nhiều công trình.
Luận văn này khảo sát ảnh hưởng sự hóa lỏng của đất nền đến sức chịu tải của
cọc. So sánh sức chịu tải của cọc có xét đến hóa lỏng theo tiêu chuẩn Việt nam, tiêu
chuẩn Nhật bản và Marcuson. Ngoài ra, luận văn còn trình bày thí nghiệm nén 3
trục chịu tải trọng lặp để xác định khả năng hóa lỏng của đất nền theo tiêu chuẩn
ASTM D5311 - M13.


iv

ABSTRACT

1.2.2 Nguồn gốc của động đất .......................................................................... 2
1.2.3 Sóng động đất ......................................................................................... 6
1.2.4 Các thang đánh giá cường độ động đất. ................................................... 8
1.2.5 Nhiệm vụ thiết kế kháng chấn cho cho công trình .................................. 9
1.3 Tình hình nghiên cứu về hóa lỏng. .............................................................. 11
1.4 Tình hình nghiên cứu về móng cọc trong nền hóa lỏng. .............................. 12
1.5 Tình hình nghiên cứu hóa lỏng ở Việt Nam. ............................................... 13
1.6 Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu ........................................... 13
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ HÓA LỎNG CỦA NỀN DO ĐỘNG ĐẤT ......... 14
2.1 Giới thiệu về hiện tượng hoá lỏng. ............................................................... 14
2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hoá lỏng của đất . ................................ 16
2.3 Đánh giá khả năng hóa lỏng của đất. ........................................................... 19
2.3.1 Đánh giá tính dễ hóa lỏng theo loại trầm tích. ...................................... 19
2.3.2 Đánh giá tính dễ hóa lỏng theo từng lớp đất. ........................................ 25
2.3.3 Đánh giá khả năng bắt đầu hóa lỏng của cát. ........................................ 27
2.5. Nhận xét chương 2. ................................................................................ 34


vi

CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM NÉN 3 TRỤC CHỊU TẢI TRỌNG LẶP ĐÁNH GIÁ
TIỀM NĂNG HOÁ LỎNG CỦA ĐẤT ................................................................. 35
3.1. Mục đích thí nghiệm. .................................................................................. 35
3.2. Nội dung phương pháp thí nghiệm. ............................................................. 35
3.3. Thiết bị, dụng cụ thí nghiệm. ...................................................................... 35
3.3. Cách tiến hành. ........................................................................................... 36
3.3.1 Làm bão hoà mẫu. ................................................................................. 36
3.3.2. Cố kết mẫu. .......................................................................................... 39
3.3.3 Cắt mẫu................................................................................................. 41
3.4. Ví dụ. .......................................................................................................... 41

Phụ lục 2. Số liệu địa chất công trình.
Phụ lục 3. Tính toán sức chịu tải của cọc.


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Mô tả một trận động đất [6] ...................................................................... 2
Hình 1.2 Các loại đứt gãy và chuyển động tại đứt gãy [5,6] .................................... 3
Hình 1.3 Mô phỏng thuyết bật đàn hồi của đứt gãy gây ra động đất [7] .................. 4
Hình 1.4 Quan hệ giữa gờ mở rộng, vùng hút chìm và chuyển động trượt ngang tại
các bờ mảng [6] ....................................................................................................... 5
Hình 1.5 Biến dạng nền đất do sóng vật thể gây ra [6] ............................................ 6
Hình 1.6Sơ đồ mô tả chuyển động chất điểm khi truyền sóng Reyleigh [2] ............. 7
Hình 1.7 Sơ đồ mô tả chuyển động chất điểm khi truyền sóng Love [2] ................. 8
Hình 1.8 Gia tốc, vận tốc và chuyển vị theo thời gian tồn tại theo hướng Đông Tây
tại Gilroy-California(1989) của chuyển động nền đá(a) và nền đất (b)[8] .............. 11
Hình 2.1. Các công trình trên thế giới bị pháhoại do hiện tượng hóa lỏng của đất (a)
Kobe (Nhật -1995), (b) Alaska (Mỹ, 1964) ,(c) Nigata (Nhật-1964), (d) Loma Prieta
(Mỹ, 1989) ............................................................................................................ 15
Hình 2.2. Quá trình xảy ra hiện tượng hóa lỏng của đất ......................................... 16
Hinh 2.5: a) Ảnh hưởng của phân bố hạt với nguy cơ hoá lỏng(Shannon, 1972)
b) Nguyên lý xác định khu vực có khả năng lỏng.................................. 28
Hình 2.6: Quan hệ giữa các tỷ số ứng suất gây ra hóa lỏng và N1(60) cho cát sạch và
cát bụi đối với động đất Ms= 7,5 ........................................................................... 30
Hình 3.1: Thiết bị nén 3 trục chịu tải trọng lặp....................................................... 36
Hình 4.2: Mối quan hệ giữa ru và FSL theo Marcuson và Henes ............................. 82
Hình 5.1:Vị trí dự ánLandmark.............................................................................. 84
Hình 5.2 : Bản đồ phân vùng động đất Myanmar ................................................... 97
Hình 5.3 : a) Sức chịu tải của cọc khi đất nền không hóa lỏng. ............................ 106

Bảng 4.3 – Các hệ số điều kiện làm việc γ eq1 và γeq2 ............................................... 77
Bảng 4.4: Bảng hệ số chiết giảm D E ...................................................................... 79
Bảng4.5: Các hệ số hiệu chỉnh giá trị. .................................................................... 81
Bảng 5.1: Đánh giá tiềm năng hóa lỏng của đất nền theo tiêu chuẩn Việt nam. ...... 98


x

Bảng 5.2: Đánh giá tiềm năng hóa lỏng của đất nền theo tiêu chuẩn Nhật bản. ...... 99
Bảng 5.3: Đánh giá tiềm năng hóa lỏng của đất nền theo Marcuson..................... 101
Bảng 5.4: Kết quả tính toán sức chịu tải của cọc D =0.8m và so sánh kết quả tính
toán. .................................................................................................................... 104
Bảng 5.5: Kết quả tính toán sức chịu tải của cọc D =1.2m và so sánh kết quả tính
toán. .................................................................................................................... 105


1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
1.1. Giới thiệu.
Động đất là thiên tai cực kỳ nguy hiểm có thể gây ra các thảm họa đối với
con người và phá hủy nghiêm trọng các công trình. Việt Nam tuy không nằm trong
vành đai lửa của những khu vực có động đất lớn trên thế giới, nhưng không loại trừ
bị ảnh hưởng bởi những trận động đất mạnh, do trên lãnh thổ Việt Nam tồn tại
nhiều đứt gãy hoạt động phức tạp như đứt gãy Lai Châu - Điện Biên, đứt gãy Sông
Mã, đứt gãy Sơn La, đới đứt gãy Sông Hồng, đới đứt gãy Sông Cả...Các nghiên cứu
khoa học đã ghi nhận, từ đầu thế kỷ 20 đến nay ở khu vực phía Bắc nước ta đã xảy
ra 2 trận động đất cấp 8-9 (thang MSK-64), tương đương 6,7-6,8 độ Richter, hàng
chục trận động đất cấp 7, tương đương 5,1-5,5 độ Richter và hàng trăm trận động
đất yếu hơn. Điển hình trận động đất xảy ra tại Điện Biên năm 1935, với cường độ

thuyết, được quy về một điểm được gọi là chấn tiêu. Hình chiếu của chấn tiêu lên
bề mặt quả đất gọi là chấn tâm. Khoảng cách từ chấn tâm đến chấn tiêu được gọi là
độ sâu chấn tiêu(H). Khoảng cách từ chấn tâm đến điểm quan trắc được gọi là tâm
cựhoặc là khoảng cách chấn tâm(R). Khoảng cách từ chấn tiêu đến điểm quan trắc
được gọi là tiêu cựhoặc là khoảng cách chấn tiêu(L).

Hình 1.1 Mô tả một trận động đất [6]
1.2.2 Nguồn gốc của động đất
- Động đất có nguồn gốc từ đứt gãy kiến tạo


3

Từ các nghiên cứu về địa chất, các nhà địa chất học cho rằng lớp đá gần bề
mặt quả đất không cứng và không phải là không chuyển động như nó thể hiện. Lớp
đá phía dưới chịu áp lực rất lớn do lớp phía trên đè xuống có thể bị cong như kim
loại đàn dẻo hoặc bị biến đổi sang một trạng thái mới giống như sét mềm. Cấu tạo
địa chất chỉ ra rằng có rất nhiều phá hủy xảy ra trong khối đá khi biến dạng vượt
quá giới hạn của nó. Khi có những phá hủy như vậy, thì có những chuyển vị trượt
tương đối phát triển giữa hai mặt đối diện của bề mặt phá hủy tạo ra đứt gãy kiến
tạo (hình 1.2). Các đứt gãy có thể có chiều dài từ vài mét tới nhiều kilomet và được
thể hiện trên bản đồ địa hình của các nước [5].

Hình 1.2 Các loại đứt gãy và chuyển động tại đứt gãy [5,6]
Khi bị phá hoại, năng lượng thoát ra do giải phóng năng lượng biến dạng tích
luỹ ở vị trí đứt gãy địa tầng. Một phần năng lượng biến dạng gây ra phá huỷ môi
trường xung quanh chấn tiêu, một phần khác được truyền đi đến mọi điểm trên bề
mặt quả đất dưới dạng sóng chuyển vị (động đất).
Động đất xảy ra khi tạo thành các đứt gãy kiến tạo, động đất cũng xảy ra do
hoạt động của các đứt gãy này. Giải thích cơ chế này, nhà khoa học Mỹ H.F.Reid

chuyển động tương đối giữa các mảng xảy ra kèm theo tích lũy biến dạng trên dải
hẹp dọc theo biên các mảng. Sự giải phóng năng lượng biến dạng gây ra động đất.
Như vậy vị trí các trận động đất chủ yếu tập trung gần biên các mảng. Các trạm đo
đạc địa chấn của thế giới đã khẳng định điều này.
Năm 1962, nhà địa chất học người Mỹ H.H.Hess [5] công bố bài báo “ Lịch
sử các lưu vực đại dương” cho rằng các mảng khi chuyển động xa nhau còn có


5

thành phần chuyển động xuống dưới. Có ba cơ chế chủ yếu gây ra sự chuyển động
tương đối giữa các mảng (hình 1.4): 1) Do nham thạch phía dưới trồi lên làm cho
biên giữa các mảng mở rộng đẩy các mảng ra xa nhau; 2) đồng thời tại nơi khác,
dokích thước của quả đất giữ nguyên không đổi, mà việc mở rộng các mảng tại một
số bờ biên phải được bù lại bằng việc thu hẹp các mảng tại một số bờ biên khác
thông qua các mảng chuyển động trồi trụt tương đối so với nhau; 3) chuyển động
không tạo lớp vỏ mới và không làm mất lớp vỏ cũ tại các lớp đứt gãy tức là mảng
này chuyển động tương đối so với mảng khác theo phương ngang. Kết hợp cơ chế
chuyển động mảng nêu trên cùng với sự hiểu biết trước đó về dòng đối lưu trong
lớp vỏ quả đất, H.H.Hess đã giải thích đầy đủ lý thuyết lục địa trôi. Chuyển động
trôi của lớp litho (trên lớp astheno) mang theo chuyển động của vỏ quả đất. Kiến tạo
mảng và thuyết lục địa trôi là thành tựu khoa học nổi bật của ngành địa chất thế kỷ
20.

Hình 1.4 Quan hệ giữa gờ mở rộng, vùng hút chìm và chuyển động trượt ngang tại
các bờ mảng [6]
- Động đất phát sinh từ các nguồn gốc khác.
Do sự dãn nở trong lớp vỏ đá cứng của quả đất; do các vụ nổ; do hoạt động
của núi lửa; do sụp đổ nền đất; do tích nước vào các hồ chứa nước lớn [4].


Biên độ dao động của sóng mặt tắt nhanh theo chiều sâu. Như vậy dao động
của mặt đất phụ thuộc rất nhiều vào tính chất môi trường mà sóng đi qua. Có thể
nói, lớp đất như là bộ lọc sóng làm giảm biên độ dao động ở một số tần số nào đó,
làm tăng biên độ dao động ở miền tần số khác. Cho nên khi tính toán công trình
chịu tác dụng động đất cần phải xét đến điều kiện địa chất tại chỗ .

Hình 1.6Sơ đồ mô tả chuyển động chất điểm khi truyền sóng Reyleigh [2]


8

Hình 1.7 Sơ đồ mô tả chuyển động chất điểm khi truyền sóng Love [2]
1.2.4 Các thang đánh giá cường độ động đất.
Hiện nay để đánh giá cường độ của một trận động đất, có thể dựa vào hoặc
hậu quả của nó hoặc năng lượng gây ra trận động đất ấy [3],[5],[8].
Trên cơ sở bổ sung thang đo cường độ động đất do M.S.Rossi và F.A.Forel
đề ra (1883) gồm 10 cấp, năm 1902 nhà địa chấn học người Italia G.Mercalli đã đề
ra thang đo cường độ động đất gồm 12 cấp. Đến năm 1931 Wood và Newmann đã
bổ sung nhiều ý kiến quan trọng cho thang 12 cấp này và nó được mang tên Thang
Mercalli cải tiến (Modified Mercalli- MM). Thang MM đánh giá độ mạnh của động
đất dựa hoàn toàn vào hậu quả của nó tác dụng đến con người, đồ vật và các công
trình xây dựng. Để đáp ứng với yêu cầu kỹ thuật trong lĩnh vực xây dựng, như xét
tới các loại công trình xây dựng khác nhau và tỷ lệ phần trăm các công trình bị ảnh
hưởng khi đánh giá hậu quả động đất, năm 1964 X.V Medvedev cùng V.Sponheuer
và Karnic đã đề ra Thang đo cường độ động đất MSK-64. Thực chất MSK-64 là
một bước hoàn thiện của thang MM. Trước hết thang MSK-64 phân loại tác dụng
phá hoại của động đất đến các công trình xây dựng (nhưng chi tiết hơn cho từng loại


9

ra trong phạm vi tuổi thọ công trình, từ quan điểm kinh tế có thể cho phép công
trình bị hư hỏng nặng, tuy nhiên sự sụp đổ công trình và làm tổn hại tới con nguời
không được phép xảy ra.
Các thang đo động đất chỉ dùng đánh giá mức độ mạnh yếu hoặc tác động
phá hoại nhiều ít của trận động đất và để khoanh vùng lãnh thổ theo mức độ động
đất. Nó không thể phục vụ trực tiếp cho việc tính toán kháng chấn công trình. Để


10

tính toán công trình, chúng ta cần phải biết được dao động của nền đất khi động đất.
Ở các trạm đo địa chấn, người ta đo được gia tốc chuyển động của nền, còn vận tốc
và chuyển vị thường được tính từ gia tốc (hình 1.8). Qua các kết quả đo theo thời
gian người ta có thể có những thông số cần thiết để xác định được trận động đất đó.
Khi có động đất xảy ra, sẽ gây ra chuyển vị đứng và ngang cho công trình.
Tuy nhiên trong những nghiên cứu, người ta thường chỉ quan tâm tới các chuyển
động ngang, do nó nguy hiểm hơn đối với công trình. Do trọng lượng công trình cản
lại chuyển vị theo phương thẳng đứng nên ít gây nguy hiểm.
Các thông số của các trận động đất thiết kế chính là các thông số chuyển
động của nền đất vùng theo yêu cầu thiết kế. Các thông số chuyển động mặt đất có
thể là gia tốc ngang cực đại (PHA: Peak Horizontal Acceleration), vận tốc ngang
cực đại (PHV: Peak Horizontal Velocity), chuyển vị ngang cực đại (PHD: Peak
Horizontal Displacement) và được trình bày trong các quy trình thiết kế kháng chấn
ở mỗi nước.

a)

b)



thức xác định độ gia tăng áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ru.