Ứng xử của nền đất yếu dưới công trình đất đắp khi chịu tác dụng của gia tốc động đất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
–™&˜—


NGUYỄN VĂN DŨNG


ỨNG XỬ CỦA NỀN ĐẤT YẾU
DƯỚI CƠNG TRÌNH ĐẤT ĐẮP KHI
CHỊU
TÁC DỤNG CỦA GIA TỐC ĐỘNG ĐẤT



LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỊA CHẤT CƠNG TRÌNH





TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 6 NĂM 2010

LỜI CẢM ƠN
Để có thể hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh
sự nổ lực cố gắng của bản thân còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô,
cũng như sự động viên ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập
nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ.
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy Bùi Trường Sơn, người đã hết
lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành luận văn này. Xin
gởi lời tri ân nhất của tôi đối với những điều mà Thầy đã dành cho tôi.

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý Thầy Cô trong bộ môn
khoa Địa Chất – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên và quý Thầy Cô của
Trường Đại Học Bách Khoa đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng
như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập nghiên
cứu và cho đến khi thực hiện đề tài luận văn.
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người đã không
ngừng động viên, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian
học tập và thực hiện luận văn.
Cuối cùng, tôi xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn đến các anh chị và các
bạn đồng nghiệp đã hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên
cứu và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh.

TP. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2010.
Học viên thực hiện


Nguyễn Văn Dũng

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: KHẢ NĂNG ĐỘNG ĐẤT Ở VIỆT NAM VÀ KHU VỰC CÁC
TỈNH PHÍA NAM VIỆT NAM 2
1.1- Tình hình và lịch sử động đất ở Việt Nam 2
1.2- Một số vấn đề về địa động lực Việt Nam thời đoạn Đệ tứ (Q) đến hiện đại 3
1.3- Mối liên quan giữa tính động đất và bình đồ kiến tạo 8
1.4- Phân vùng gia tốc nền trên lãnh thổ Việt Nam 9
1.5- Nhận xét và phương hướng nghiên cứu 11
CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT LÊN ĐỘ ỔN ĐỊNH CÔNG
TRÌNH ĐẤT ĐẮP 12
2.1- Một số đặc trưng của động đất 12

2.1.1- Các khái niệm 12
2.1.2- Sự lan truyền của sóng địa chấn 13
2.1.3- Ảnh hưởng của gia tốc động đất lên ổn định của đất nền 16
2.1.4- Cường độ động đất và chấn cấp động đất 19
2.2- Các đặc trưng của đất khi chịu tải trọng động 23
2.2.1- Độ bền chống cắt của đất khi chịu tải trọng tức thời 24
2.2.2- Đặc trưng cường độ và biến dạng của đất dưới tác dụng của tải
trọng động tức thời 27
2.2.3- Sự gia tăng biến dạng – các cơ chế biến dạng 27
2.2.4- Sự hoá lỏng của đất cát và đất cát mịn bão hoà nước 29
2.2.5- Sự ổn định trong công trình đất đắp 31
2.3- Các thông số cần xác định khi tính toán nền đất chịu tải động 38
2.4- Đặc điểm tính toán công trình chịu tác dụng động đất bằng phương pháp
phần tử hữu hạn (FEM) 39
2.4.1- Phương trình cơ bản bài toán động đất trong chương trình
Plaxis 40
2.4.2- Phân tích theo thời gian 41
2.4.3- Mô phỏng bài toán bằng phần mềm Plaxis 43
2.5- Kết luận chương 47
CHƯƠNG 3: ỨNG XỬ CỦA NỀN ĐẤT YẾU BÊN DƯỚI CÔNG TRÌNH
ĐẤT ĐẮP KHI CHỊU TÁC DỤNG CỦA GIA TỐC ĐỘNG ĐẤT 48
3.1- Mô tả công trình và đặc điểm địa chất công trình 48
3.2- Ổn định công trình đất đắp trên đất yếu 52
3.3- Ứng xử của nền đất yếu dưới công trình đất đắp khi chịu tác dụng của gia
tốc động đất 55

3.4- Kết luận chương 65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

-1-

MỞ ĐẦU
Các tỉnh phía Nam Việt Nam là khu vực có sự tăng trưởng về kinh tế – xã
hội rất nhanh. Cùng với sự phát triển kinh tế – xã hội, các công trình xây dựng
dân dụng, công nghiệp và cơ sở hạ tầng giao thông – thủy lợi đã và đang phát
triển rộng khắp các khu vực. Đa số các công trình xây dựng ở khu vực này đều
nằm trên nền đất yếu, bão hòa nước (bùn sét). Công trình đất đắp thường được
sử dụng trong xây dựng cơ sở hạ tầng do cao độ mặt đất tự nhiên của khu vực
khá thấp.
Khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh và Đồng Bằng Sông Cửu Long có lớp
đất bùn sét bão hòa nước khá dày nằm trên mặt đất. Dưới tác dụng của tải trọng
công trình, trong quá trình động đất, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư có thể tăng
lên, khả năng chịu tải của nền đất có thể giảm xuống cục bộ, độ biến dạng và
biến dạng lệch có thể phát sinh làm mất ổn định công trình. Do đó, việc tính
toán và mô phỏng ứng xử của nền đất yếu ở trạng thái bão hoà nước bên dưới
công trình đất đắp khi chịu tác dụng gia tốc động đất là vấn đề được quan tâm
trong thiết kế xây dựng công trình. Đây cũng là mục đích của đề tài luận văn.
Nhiệm vụ chính của luận văn bao gồm:
- Nghiên cứu tổng hợp tình hình và khả năng động đất của khu vực các
tỉnh phía Nam Việt Nam.
- Tiến hành phân tích sự thay đổi ứng suất - biến dạng và áp lực nước lỗ
rỗng của nền đất yếu trong điều kiện đất bão hoà nước khi chịu tác động của
gia tốc động đất. Việc mô phỏng phân tích được thực hiện nhờ sự trợ giúp
của phần mềm chuyên dụng Plaxis 2D với các thông số đất nền phù hợp.
-2-
CHƯƠNG 1. KHẢ NĂNG ĐỘNG ĐẤT Ở VIỆT NAM VÀ KHU VỰC
CÁC TỈNH PHÍA NAM VIỆT NAM
1.1 Tình hình và lịch sử động đất ở Việt Nam
Thông thường, vùng có độ mạnh động đất xấp xỉ nhau thường nằm trong

một đơn vị cấu trúc địa chất. Ở nước ta có thể lấy các cấp động đất theo kết quả
phân vùng động đất do Trung tâm Vật lý địa cầu thuộc Viện khoa học Việt
Nam tiến hành, ở đây những vùng có khả năng xảy ra động đất mạnh bao gồm:
1. Vùng đông bắc trũng Hà Nội: cấp VII
2. Vùng sông Hồng, sông Chảy: cấp VII-VIII
3. Vùng sông Đà: cấp VIII
4. Vùng sông Mã: cấp VIII-IX
5. Vùng biển Trung bộ: cấp VII
6. Vùng biển Nam bộ và vùng sông Đồng Nai, sông Cửu Long: cấp
VII
Ở Việt Nam những vùng có động đất mạnh không ít. Tùy theo địa tầng
và địa chất của khu vực mà tần suất xuất hiện động đất có thể lớn hay nhỏ. Với
những kết quả quan sát có xử lý cho thấy tần suất xuất hiện động đất cấp VII ở
miền Bắc Việt Nam là khoảng 20-23 năm.
Trước năm 1900
Có rất ít tài liệu lịch sử để lại, nhưng sơ bộ có thể xác định một số trận
động đất mạnh sau: động đất cấp VIII ở quận Nhật Nam (có thể là Đồng Hới);
các trận động đất cấp VII-VIII xảy ra ở Hà Nội vào các năm 1276, 1278, 1285;
động đất cấp VIII ở Nho Quan năm 1635, ở Nghệ An động đất cấp VIII vào
năm 1821 và ở Phan Thiết có động đất cấp VII vào các năm 1882, 1887.
Sau năm 1900
Từ năm 1900 đến nay hoạt động động đất ở Việt Nam biểu hiện rõ nét
và đầy đủ hơn. Ở vùng Đông Bắc đã xảy ra một số trận động đất cấp VI, cấp
VII như Mạo Khê 1903, Yên Thế 1987,… gây tác hại nặng nề. Động đất xảy ra
-3-
ngày 24/6/1983 với chấn tâm tại huyện Tuần Giáo, Lai Châu có độ mạnh 6,7
độ Richter (cấp VIII thang MSK-64), động đất Điện Biên ngày 19/02/2001 đã
gây thiệt hại lớn. Các công trình xây dựng tại vùng chấn tâm và lân cận do
không xét đến yếu tố động đất nên bị phá hoại nghiêm trọng.
Ở khu vực phía Nam, trận động đất ngày 5 và 6 tháng 8 năm 2005 đã

làm rung chuyển nhiều khu vực ở miền Đông Nam bộ, nhất là các tỉnh Bà Rịa-
Vũng Tàu, Đồng Nai và thành phố Hồ Chí Minh. Viện Vật lý Địa cầu đã khảo
sát về trận động đất này dựa trên dữ kiện của địa chấn ký Nha Trang. Kết quả
cho thấy rằng động đất đã xảy ra trên đứt gãy Tây biển Đông với tâm địa chấn
cách Nha Trang khoảng 230 km về phía Nam, cách bờ biểnVũng Tàu khoảng
30 km và nằm sâu từ 10 đến 15 km dưới lòng đất với cường độ từ 4 đến 5 độ
Richter.
1.2 Một số vấn đề về địa động lực Việt Nam thời đoạn Đệ tứ (Q) đến hiện
đại
Trong kỷ Kreta muộn (K
2
)–Kainozoi (K
z
), quá trình tạo rift nội động lực
tiếp tục diễn ra với cường độ cao và là một quá trình tách giãn mới của vỏ đại
dương ở khu vực biển Đông Việt Nam. Vỏ lục địa biển Đông Việt Nam bị chia
xẻ bởi nhiều hệ thống đứt gãy.
Trong khoảng thời gian này, trên thềm lục địa lắng đọng trầm tích với
cường độ cao, các bồn trũng dọc đứt gãy và giữa các đứt gãy có động tính cao.

Hình 1.1. Bình đồ cấu trúc kiến tạo Kainozoi của biển Đông
: rõ
: không rõ
-4-
Dọc đứt gãy á kinh tuyến (kinh tuyến 110
o
) có biểu hiện tách giãn rõ
rệt, xuất hiện hệ núi lửa hiện đại vào tháng 3 năm 1923, núi lửa Đảo Tro và đảo
này tồn tại một thời gian ngoài khơi vùng Phan Thiết (hình 1.2).

Hình 1.2. Sơ đồ thành hệ kiến trúc thời đoạn Đệ Tứ giữa–muộn (QII – QIV)
Liên quan tới đới sóng lồi Nam Côn Sơn, tài liệu các hố khoan thăm dò
của công ty AGIP (1973) tổng kết cho thấy các rìa phía Đông có mặt phức hệ
Đứt gãy á
kinh tuyến
110
0
-5-
hút chìm Jura – Crêta, tạo bởi trầm tích lục nguyên. Ứng với các tài liệu này,
theo Hamilton (1970) và Katili (1980) đã từng tồn tại một đế hút chìm vỏ đại
dương biển Đông xuống dưới sống lồi.
Dọc và song song với đường bờ biển Nam Trung Bộ, thềm lục địa có độ
tương phản lớn về độ cao, vết tích của đứt gãy hướng kinh tuyến Tây biển
Đông (kinh tuyến 110
o
) ranh giới ở phía Đông và Đông Nam của biển toát lên
sự rõ nét nhờ các rãnh sâu, thuộc cấu tạo hình thái của đới hút chìm ở đại
dương. Dựa vào số liệu địa vật lý vỏ đại dương biển Đông có độ truyền sóng
trung bình 6km/s và chiều dày mỏng khoảng 6km – 7km. Trầm tích hiện đại
phủ lên vỏ bazan biển Đông có bề dày mỏng (0,2 – 2,2 km) và độ truyền sóng
nhỏ từ 1-3 km/s (hình 1.2).
Về mặt địa nhiệt, biển Đông ngày nay là một biển nóng. Thực vậy, ở
phần trung tâm biển, dòng nhiệt khá lớn, núi lửa tái xuất hiện vào đầu thế kỷ
này (Đảo Tro). Chế độ địa nhiệt của biển Đông không đơn thuần mang tính kế
thừa (sau các đợt phun trào kiến tạo mạnh mẽ trước đó) mà ngược lại cùng với
biểu hiện tách giãn cục bộ lớp vỏ ở trong và rìa lục địa tạo nên phức hợp các
xáo động địa động học mới nảy sinh gần đây trong kỷ Đệ Tứ.
Những năm 90 của thế kỷ trước, ở miền Bắc nước ta có những chấn
động đến 6,7 độ Richter (Lai Châu, Điện Biên). Các đứt gãy có thể hoạt động

và gây những chấn động cho khu vực phía Nam là đứt gãy Thuận Hải – Minh
Hải (cách bờ biển 20 km), đứt gãy Nam Côn Sơn và đứt gãy kinh tuyến 110
o

(cách bờ biển 100km). Tháng 11/2005, xuất phát từ hoạt động của đứt gãy kinh
tuyến 110
o
, chấn động khu vực này xác định được là 5,1-5,5 độ Richter gây
động đất khu vực gần bờ với cường độ cấp V-VI.
-6-


b
a

Hình 1.3. Sơ đồ mô hình địa động lực biển Đông

: Trục tách giãn vỏ đại dương
: Đới hút chìm vỏ đại dương
a: hoạt động tới đầu đệ tứ
b: ngừng hoạt động ở Paleogen.
-7-

Hình 1.4. Bản đồ khu vực động đất theo Quy chuẩn XDVN
-8-
1.3 Mối liên quan giữa tính động đất và bình đồ kiến tạo
Trên lãnh thổ Việt Nam đã được nghiên cứu tỉ mỉ và chi tiết mối liên hệ
giữa động đất và đứt gãy và là cơ sở quan trọng để xác định vùng phát sinh
động đất mạnh. Trong phần này, chúng ta khái quát mối liên hệ giữa đứt gãy
kiến tạo hoạt động và động đất trên lãnh thổ Việt Nam.

Các hệ thống đứt gãy đang hoạt động và có khả năng phát sinh động đất
đã được xác định và chia thành năm loại theo thứ tự mức độ quan trọng:
Loại 1: Bao gồm các đứt gãy sông Mã, Lai Châu-Điện Biên, Sơn La, Pu
May Tun.
Những trận động đất mạnh nhất cũng đã xảy ra ở đây, đó là các trận
động đất ở Điện Biên 1/11/1935 (M=6,75 độ Richter, I=VIII-IX), ở Tuần Giáo
26/04/1983 (M=6,7 độ Richter, I=VIII-IX), Điện Biên 19/02/2001 (M=5,3 độ
Richter).
Loại 2: Bao gồm các đứt gãy sông Hồng-sông Chảy, sông Cả-Rào Nậy
và đứt gãy Tây Biển Đông.
Nhiều trận động đất mạnh xảy ra trong đới này như Động đất ở Hà Nội
năm 1287, 1285 cường độ cấp VII-VIII và chấn cấp M=5,5 độ Richter, động
đất Lục Yên 1954, chấn cấp 5,4 và cường độ I=VII, động đất ở Nghệ An năm
1821 có cường độ I=VIII và M có thể từ 5,5-6,0. Đặc biệt động đất vào năm
114 ở Đồng Hới có cường độ I=VIII và chấn cấp M≥6,0.
Loại 3: Hệ đứt gãy sâu ngăn cách vùng trũng Hà Nội với vùng
Caledonit Duyên Hải (Hệ đứt gãy Đông Triều). Đứt gãy này thuộc kiểu trượt
bằng, chớm nghịch, bề dày tầng hoạt động lớn, tới 35-40km, nhưng chiều dài
của đới bị hạn chế.
Loại 4: Bao gồm các đứt gãy Cao Bằng-Tiên Yên, sông Đà, Mường Tè;
hệ các đứt gãy Huế–Sêpôn, Trà Bồng, Ba Tơ-Cũng Sơn, sông Ba: các đứt gãy
duyên hải Trung Bộ và Nam Bộ (Thuận Hải và Minh Hải), đứt gãy sông Hậu,
đứt gãy Tuy Hoà-Rạch Giá và có thể đứt gãy Vũng Tàu-Tông Lê Sáp-Lộc
Ninh-Bà Rịa và đứt gãy Sơn Trà.
Bề dày tầng hoạt động khoảng 15-20km cũng như biểu hiện động đất.
Về khả năng phát sinh động đất thì chúng kém hơn hẳn ba loại nêu trên.
-9-
Loại 5: Bao gồm các đứt gãy bậc cao giới hạn các kiến trúc cục bộ phát
triển trong từng đới kiến trúc giới hạn bởi các đứt gãy lớn đã nêu trên.
1.4 Phân vùng gia tốc nền trên lãnh thổ Việt Nam

Thông thường, vùng có độ mạnh động đất xấp xỉ nhau thường nằm trong
một đơn vị cấu trúc địa chất. Theo Phụ Lục H: Bản đồ phân vùng gia tốc nền
lãnh thổ Việt Nam của TCXDVN 375:2006, đỉnh gia tốc nền tham chiếu a
gR

trên lãnh thổ Việt Nam được biểu thị bằng các đường đẳng trị. Giá trị a
gR
giữa
hai đường đẳng trị được xác định theo nguyên tắc nội suy tuyến tính. Từ đỉnh
gia tốc nền a
gR
có thể chuyển đổi sang cấp động đất theo thang MSK-64, thang
MM hoặc các thang phân bậc khác.
-10-

Hình 1.5. Bản đồ phân vùng gia tốc nền theo TCXDVN 375:2006
-11-
1.5 Nhận xét và phương hướng nghiên cứu
Từ các tài liệu thu thập được có thể rút ra một số nhận xét:
- Khu vực Việt Nam nói chung và các tỉnh phía Nam Việt Nam nói riêng
có khả năng xảy ra động đất cấp VI hoặc cấp VII.
- Do đất nền bên dưới các công trình đất đắp được cấu tạo bởi các lớp trầm
tích mềm rời và đất ở trạng thái bão hoà nước nên khi có động đất thì cấp độ
động đất có thể cao hơn. Đỉnh gia tốc nền do động đất của khu vực có khả năng
đạt đến giá trị a=0,085g.
- Trong tính toán nền móng có xét đến ảnh hưởng của động đất thì giá trị
gia tốc động đất thường được sử dụng và là thông số cần thiết cho việc tính
toán.
Phương hướng của đề tài là căn cứ trên cơ sở các dữ liệu điều kiện địa chất
công trình của khu vực, mô phỏng và phân tích ứng xử của nền đất yếu dưới

công trình đất đắp khi chịu tác động của gia tốc động đất.
-12-
CHƯƠNG 2. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT LÊN ĐỘ ỔN ĐỊNH
CÔNG TRÌNH ĐẤT ĐẮP
2.1 Một số đặc trưng của động đất
2.1.1 Các khái niệm
Động đất do các chuyển động kiến tạo là loại động đất phổ biến, có
cường độ mạnh và phạm vi ảnh hưởng lớn nhất. Các trận động đất lớn xảy ra
trên thế giới là thuộc loại này. Nguyên nhân của trận động đất là do sự gia tăng
ứng suất của từng vùng ở vỏ Trái Đất. Những ứng suất đó khi đạt tới cường độ
giới hạn sẽ gây ra sự phá hoại tức thời ở từng vùng riêng biệt và gây ra động
đất.
Nơi phát sinh động đất gọi là chấn tiêu. Chấn tiêu động đất thường ở sâu
một vài km đến hàng chục km. Khối vật chất bị phá hoại đầu tiên được giả
thuyết tại một điểm, từ điểm đó bắt đầu truyền các sóng chấn động. Hình chiếu
của chấn tiêu động đất lên trên mặt đất gọi là trung tâm động đất hay chấn tâm.
Chấn tâm là điểm trên bề mặt đất có sóng chấn động đến sớm nhất.
Sóng dọc và sóng ngang từ chấn tiêu lan truyền bốn phía dưới dạng các
tia sóng địa chấn. Tia địa chấn cũng bị phản xạ hay khúc xạ khi gặp các tầng đá
có tính đàn hồi và tỷ trọng khác nhau. Từ chấn tâm các dao động sẽ truyền ra
xung quanh theo các làn sóng đồng tâm tựa như sự dao động của mặt nước khi
ném một vật vào nước và được gọi là sóng mặt đất. Tốc độ sóng mặt đất nhỏ
hơn tốc độ sóng ngang nhưng cũng là nguyên nhân gây ra phá hoại lớn.
Như vậy, tại một điểm nào đó trên bề mặt đất, trước hết nhận được các
chấn động dọc, đến các chấn động ngang từ các chấn tiêu động đất truyền lên,
sau đó nhận các chấn động xuất phát từ chấn tâm. Tất cả các chấn động đó sẽ
giao thoa với nhau và sinh ra một chấn động phức tạp. Hiện tượng này còn bị
phức tạp hoá thêm vì mỗi hạt đất đá bước vào chấn động sẽ trở thành một trung
tâm lan truyền chấn động dọc, chấn động ngang và bề mặt như ở chấn tiêu vậy.
-13-

Biên độ dao động A, mm
Mặt đất
Sóng mặt đất
Thời gian t, giây
Chấn tâm
Sóng dọc
Sóng ngang
Chấn tiêu

Hình 2.1. Sơ đồ truyền sóng động đất
2.1.2 Sự lan truyền của sóng địa chấn
Những dao động của các phần tử mơi trường phát sinh ở tâm động đất
được lan truyền trong các tầng đất đá của thạch quyển, và nói chung là bên
trong trái đất, dưới dạng sóng địa chấn. Những sóng đó có tốc độ lớn. Vì vậy có
thể coi các tầng đất đá của thạch quyển như những mơi trường đàn hồi lý
tưởng, coi sóng địa chấn như là sóng đàn hồi, tức là như q trình truyền biến
dạng phát sinh trong các mơi trường đàn hồi ra xa. Dao động đàn hồi từ các
chấn tiêu truyền ra các hướng dưới dạng sóng dọc và sóng ngang.
Sóng dọc lan truyền với tốc độ cực đại, chúng chuyển đi những năng
lượng dự trữ lớn nhất và gây ra tác dụng phá hoại lớn nhất khi động đất. Sóng
dọc lan truyền khơng những trong vật thể cứng mà cả trong chất lỏng và khí.
Tốc độ truyền sóng đàn hồi dọc trong mơi trường vơ hạn liên quan đến đặc
trưng đàn hồi của mơi trường. Tốc độ truyền sóng dọc trong nước là 1500 m/s.
Sóng ngang chỉ lan truyền được trong đá cứng vì chất lỏng và chất khí
khơng chống lại được sự biến đổi hình dạng.
Sóng dọc:
Vận tốc của sóng dọc v
P
truyền trong mơi trường đàn hồi vơ hạn :
-14-

5.0
2
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ
+
=
r
l
n
G
p
(2.1)
trong đó:

(1 )(1 )
E
n
l
n n
=
+ -
(2.2)

( )
2 1
E
G
n
=
+
(2.3)
E và G: là module đàn hồi và module cắt của môi trường
r: khối lượng riêng đất đá
n: hệ số Poisson
Sóng ngang:
Vận tốc sóng ngang v
S
:

0.5
0.5
2(1 )
S
G E
v
r n r
é ù
æ ö
= =
ç ÷
ê ú
+
è ø

ë û
(2.4)
Khi sóng dọc và sóng ngang truyền lên mặt đất, tại đây phát sinh dao
động dưới hình thức sóng mặt, còn khi sóng đàn hồi đi qua các ranh giới phân
chia môi trường thì ở đây phát sinh những sóng thứ sinh: sóng phản xạ, khúc
xạ… Tất cả các sóng thứ sinh đều lan truyền với tốc độ nhỏ hơn so với tốc độ
những sóng đàn hồi đã gây nên chúng và mang theo những năng lượng dự trữ
không đáng kể.
Do đó trong quá trình địa chấn thì sóng đàn hồi dọc và ngang có tầm
quan trọng chủ yếu. Tốc độ truyền sóng dọc và ngang phụ thuộc vào tính chất
cơ học và độ chặt của đất đá. Như bảng 2.1 chỉ rõ độ chặt và tính đàn hồi của
đất đá càng cao thì tốc độ truyền sóng dọc càng lớn.
-15-
Bảng 2.1. Tốc độ truyền sóng đàn hồi và độ cứng chống lại chấn động
của một số loại đất.
Loại đất
Khối lượng
riêng (g/cm
3
)
Sóng dọc v
p
Sóng ngang v
s

Độ cứng địa
chấn
Đá cứng
Granit thuộc
đới sâu

Granit, bazan
không bị
phong hoá

2,9


2,5-3,8

(5,6)


2,0-7,0 (3-5,5)

(3,2)


1,0-3,8 (2,8)

16,2 (9,4)

5-26,6 (3,5-
15,2)
Đá nửa cứng
Đá macma
Sét kết

1,8-2,8
1,5-2,95

1,1-6 (2,6-3,5)
1,4-3,5 (2,5-3,2)


0,4-3,4 (0,5-0,6)

1,1-2 (1,4-3,6)

2-16 (0,7-9,5)
2,4-13 (1,6-6)
Đất cát
Độ ẩm tự
nhiên
Chứa nước

1,4 – 1,6

1,85-2,15

0,2–1,0(0,3-0,7)

1,5-1,8(-)

0,1-0,7(0,2-0,5)

0,3-1,6(0,2-1,1)

2,8-3,7(0,2-1,5)
Đất cát pha
sét

Độ ẩm tự
nhiên
Chứa nước


1,45-1,9

1,8-2


0,3-0,7(0,4-0,6)

1,7-1,9(1,8)


0,1-0,35(-)


0,44-1,3(0,1-
0,7)
2,8-3,8(0,2-0,7)
Đất sét pha
cát
Độ ẩm tự
nhiên
Bão hòa nước


1,65-2,05

1,7-2

0,3-0,9(0,5-0,8)

1,6-1,9(-)


0,08-0,45(-)


0,5-1,8(0,1-0,9)

2,8-4(0,1-0,9)
Sét
Độ ẩm tự
1,3-2

0,85-1,4(1,1-
1,3)
0,2-0,7(0,3-0,5)
1,4-2,8(0,3-1,4)

-16-

2.1.3 Ảnh hưởng của gia tốc động đất lên ổn định của đất nền
Gia tốc địa chấn a là một đặc trưng cho lực động đất. Đó là lượng dịch
chuyển của bề mặt Trái đất trong một đơn vị thời gian. Lượng dịch chuyển này
đặc trưng cho gia tốc mà các hạt đất đá ở mặt đất đạt được dưới tác dụng của
sóng địa chấn.
Người ta biểu thị gia tốc địa chấn a qua biên độ dao động A của sóng địa

chấn và chu kỳ dao động T của chúng:

2
2
4
a A
T
p
= (2.5)
Trong việc đánh giá các hệ số kỹ thuật của tải trọng do động đất hiện
nay, chúng ta thường sử dụng hai phương pháp cơ bản. Phương pháp thứ nhất
căn cứ vào độ lớn và khoảng cách từ chấn tâm để đánh giá khả năng hoá lỏng
của đất nền. Tuy nhiên, trong đa số các trường hợp, cường độ động đất tại một
vị trí nào đó được mô tả bằng gia tốc lớn nhất và độ kéo dài của các chấn động.
Gia tốc được xét như một hàm số của độ lớn và khoảng cách, độ kéo dài của
các chấn động (biểu diễn thông qua thông số chu kỳ tương đương) bằng cách
hiệu chỉnh quan hệ với độ lớn động đất phương pháp thứ hai là sử dụng phổ
phản ứng của công trình. Gia tốc dao động cực đại của công trình phụ thuộc
vào tần số và khả năng chống rung của chúng. Đối với công trình tự do cấp I,
với chu kỳ T<5s, phổ vận tốc S
v
liên hệ với giá trị phổ gia tốc S
a
bằng phương
trình:

2
v a
T
S S

p
= (2.6)
Các hệ số dao động trên mặt đất (theo Seed, Idriss, 1982) phụ thuộc vào
độ lớn, khoảng cách, cấu tạo địa chất của khu vực (dưới sâu và gần trên mặt),
dạng động đất, hướng và vận tốc lan truyền chấn động. Độ lớn (cường độ) động
đất tăng theo chiều sâu chấn tiêu. Chấn tiêu động đất với cường độ 8 độ Richter
(M=8) hầu như ít gặp dưới độ sâu 15 đến 20 km.
nhiên
Bão hòa nước
1,8-3,25 1,75-2,2(-) 3,1-7,1(0,4-2,3)
-17-
Từ góc độ kỹ thuật công trình, đặc điểm cấu tạo địa chất khu vực gần
mặt đất có ý nghĩa cực kỳ quan trọng. Đa số các dữ liệu đã có cho thấy giá trị
đỉnh của gia tốc chấn động với cùng một khoảng cách từ chấn tiêu trong đá
cứng lớn hơn trong các lớp trầm tích mềm rời (trầm tích mềm rời thì khả năng
chịu tải thấp hơn nhưng lại có gia tốc chấn động lan truyền cũng nhỏ hơn). Gia
tốc chấn động nhỏ nhất đặc trưng cho các loại đất sét mềm và cát. Sự khác
nhau của các vận tốc rung động, với M=6,5 vận tốc rung động đo trên mặt đất
của đất trầm tích mềm rời lớn hơn khoảng 2 lần giá trị đo được trên đá cứng
(Seed, Idriss, 1982). Do đó trong thiết kế có thể sử dụng quan hệ giá trị trung
bình vận tốc rung động lớn nhất và gia tốc V
max
/a
max
(Newmark, 1973); đất có
liên kết cứng: 55cm/sec/g, đất sét cứng bề dày < 61m: 110cm/sec/g, bề dày >
61m: 135 cm/sec/g.

1. Đá cứng
2. Đất rời có bề dày

lớn hơn 8m
3. Sét và cát chặt vừa
4. Sét cứng có bề dày
nhỏ hơn 6m


Hình 2.2. Quan hệ giữa gia tốc lớn nhất trên mặt đất và cấu tạo địa chất
gần mặt đất (theo H.B. Seed, I.M Idriss, 1982)
Hậu quả thảm khốc của hoá lỏng do động đất của đất bụi và cát là hiện
tượng được ghi nhận từ rất nhiều trận động đất. Việc đánh giá dạng mất ổn
định này của đất là một trong những vấn đề quan trọng hàng đầu khi thiết kế
công trình trong vùng động đất. Cơ sở của nó chính là xác định thế năng hoá
lỏng của đất ở độ sâu khác nhau bằng quan hệ ứng suất động trung bình (t
av
)
với giá trị giới hạn bị hóa lỏng của loại đất đó trong số chu kỳ tác động định
sẵn (t
N
). Hệ số ổn định đặc trưng như sau:
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
gia toác ngang lôùn nhaát g
gia toác ngang lôùn nhaát taàng ñaù
1

4
2
3
-18-
độ sâu
ứng suất
vùng hoá lỏng
1
2
av
L
N
F
t
t
= (2.7)
Điều kiện có thể xảy ra sự hố lỏng của đất là F
L
≥1. Giá trị t
N
xác định
bằng thực nghiệm từ các thí nghiệm động .

1. Biểu đồ ứng suất động từ N chu kỳ
tác dụng động đất
2. Biểu đồ ứng suất động gây hố lỏng
trong N chu kỳ bằng thí nghiệm
trong phòng

Hình 2.3. Phương pháp đánh giá thế năng hóa lỏng theo H.B. Seed
Tính tốn t
av
căn cứ trên cơ sở giả thuyết rút gọn: ứng suất cắt động đất
tại một điểm trong khối đất đá xuất hiện do sự lan truyền sóng ngang theo
phương đứng. Từ đó, q trình xác định t
av
đưa đến như sau: giả sử rằng cột
đất trên một phân tố hình khối ở độ sâu h dao động như một vật thể rắn tuyệt
đối, ứng suất cắt lớn nhất tác dụng lên phân tố này sẽ là:
max
max
( )
ha
g
g
g
t
=
Với a
max:
: gia tốc lớn nhất trên mặt đất
g: trọng lượng riêng của đất.
độ sâu
a
h
max
gh
0 1
(tmax)g =gh

a
max
g
(tmax)g
(tmax)d
tmax
rd=
(tmax)d
(tmax)g

Hình 2.4. Phương pháp xác định ứng suất cắt lớn nhất lên cột đất (theo H.B. Seed)
-19-
Từ số lượng lớn tính toán thực hiện trong các điều kiện khác nhau,
(Seed, Iriss) cho các giá trị trung bình ứng suất cắt t
av
với độ chính xác chấp
nhận được đối với dao động tương đương có thể chấp nhận bằng khoảng 65%
t
max
. Như vậy, trong thực tế đánh giá khả năng hoá lỏng của đất, giá trị ứng
suất cắt trung bình do động đất ở độ sâu h có thể xác định từ biểu thức:
t
av
max
0.65
h
a
g
g
» (2.8)

Hệ số gia tốc a sử dụng trong thiết kế được xác định theo bản đồ phân
vùng gia tốc động đất theo TCXDVN 375:2006.
2.1.4 Cường độ động đất và chấn cấp động đất
Cường độ động đất là thông số đánh giá hậu quả và thường mang tính
định tính còn độ lớn động đất hay còn gọi là chấn cấp động đất là một thông số
đo đạc thể hiện tính định lượng và có liên hệ đến năng lượng giải phóng ra
trong quá trình động đất.
Trong mỗi trận động đất đều giải phóng năng lượng đàn hồi. Năng
lượng này được truyền dưới hình thức sóng đàn hồi từ miền tâm động đất ra
mọi phía tới mặt đất. Tất nhiên, lúc đó phần năng lượng do tâm động đất tỏa ra
được tiêu thụ cho công mà các sóng đàn hồi thực hiện trong quá trình lan
truyền của chúng. Vì vậy, năng lượng mà các sóng địa chấn đạt tới mặt đất thì
yếu đi và phụ thuộc vào độ sâu thế nằm của miền chấn tiêu, khoảng cách từ
điểm đang xét đến tâm ngoài, cấu trúc địa chất của khu vực và tính chất đất đá
tại đó. Vì vậy cường độ động đất trước hết do số năng lượng tỏa ra ở miền tâm
địa chấn và sau đó là do năng lượng của sóng địa chấn quyết định.
Độ lớn của động đất đặc trưng bởi biên độ lớn nhất được ghi nhận từ
“dao động ký” tiêu chuẩn, cách tâm chấn một khoảng định sẵn. Độ lớn của
động đất đầu tiên nêu vào năm 1935 có mang tên GS. Karl Richter. Độ lớn của
chấn động được biểu diễn thông qua giá trị của biểu thức:
M
L
=logA
max
(2.9)
Với A
max
-biên độ dao động cực đại (mm) với chu kỳ tiêu chuẩn 0.8s
cách tâm chấn 100km.
-20-

Để tính toán năng lượng giải phóng từ chấn động do động đất, từ năm
1956 đến nay, ta thường sử dụng quan hệ Gootenberg-Richter:
logE=11,8+1,5M
s
(2.10)
Với E-năng lượng được biểu diễn bằng đơn vị erg.
M
s
-độ lớn chấn động nhỏ được tính từ biên độ sóng chấn động với tần
số bé bỏ qua chấn động cao tần. Chấn động ký số hiện nay chỉ ghi nhận những
dao động với chu kỳ trong phạm vi 0,1 đến 100s. Do đó, còn cách ghi nhận độ
lớn động đất trực tiếp từ năng lượng chấn động:
M
e
=
2
3
logE-9,9 (2.11)
Tuy nhiên mức độ nguy hại của động đất không chỉ ở độ lớn của năng
lượng mà còn phụ thuộc vào độ sâu của chấn tiêu, phương truyền sóng,
Trong thực tế, người ta căn cứ vào mức độ phá hoại các công trình trên mặt đất
mà phân động đất thành 12 cấp độ mạnh.
Đánh giá độ nguy hiểm của động đất là đánh giá khả năng xuất hiện tại
một nơi nào đó các cơn chấn động và đánh giá mức độ phá huỷ. Thường sử
dụng ba thông số: biên độ, chu kỳ dao động và độ kéo dài các chấn động.
Trong đó, độ kéo dài các chấn động có thể gây nguy hiểm cho các công trình
hơn là một chấn động ngắn và mạnh.
Như vậy, độ lớn của động đất có thể đặc trưng hoặc bằng độ lớn của
chấn động, hoặc bằng độ lớn của sóng chấn động. Độ lớn của chấn động chính
là mức độ phá huỷ do động đất, còn độ lớn của sóng chấn động là do năng

lượng của sóng chấn động. Các nước châu Âu thường sử dụng thang cường độ
MSK (Medvedev, Sponhauer và Karnix), là thang cường độ được UNESCO
kiến nghị. Việt Nam cũng sử dụng thang MSK.
Bảng 2.2. Phân cấp động đất
Cấp Mô tả tình trạng động đất
Thang độ
Richter
a
max
(cm/s
2
)
v (cm/s)
I Không cảm nhận được
Từ 1 đến 3
độ Richter

II Cảm thấy rất nhẹ
III Động đất yếu
-21-
IV
Động đất nhận rõ: bàn ghế, đồ đạc trong nhà
rung chuyển

V
Thức tỉnh: mọi người trong nhà đều nhận
thấy, người ngủ bị thức giấc, đồ vật bị rung
mạnh
12-25
(v=1-2)

VI
Kinh hãi: nhiều người đang ở trong nhà tỏ ra sợ
hãi và chạy ra đường
Từ 3 đến
3,75 độ
Richter
25-50
(v=2,1-4)
VII
Hỏng nhà: nhiều nhà bị hư hại, đôi khi trượt đất
ở sườn dốc, có vết nứt ở đường đi
Từ 3,75
đến 5,9 độ
Richter
50-100
(v=3,1-8)
VIII Nhà bị hư hại nặng
Từ 5,9 đến
6,5 độ
Richter
100-200
(v=8,1-16)
IX
Hư hỏng hoàn toàn nhà cửa, đường sắt bị uốn
cong, nền đất nứt rộng đến 10 cm
200-400
(v=16,1-32)
X
Phá hoại hoàn toàn nhà cửa, nền đất bị nứt đến
vài dm, có thể trượt đất lớn ở bờ sông

Từ 6,5đến
7,75 độ
Richter
400-800
(v=32,1-64)
XI
Thảm hoạ: hư hại nặng cả những nhà kiên cố,
đường, đê. Nền đất bị biến dạng to thành vết
nứt rộng, đứt gãy….

XII
Thay đổi địa hình: hư hại nặng và phá huỷ thực
sự mọi công trình trên và dưới mặt đất
Đất nứt lớn, bị di động đứng và ngang, núi sông
sụt lở, xuất hiện hồ, thác,…
Từ 7,75
đến 8,25 độ
Richter

Lực động đất tác dụng lên công trình ngoài độ mạnh của động đất còn
phụ thuộc vào tính đàn hồi của đất đá. Cùng một trận động đất nhưng tại các
nơi khác nhau, cường độ động đất cũng không giống nhau. Vì vậy người ta còn
chia ra độ mạnh cơ bản, độ mạnh thực tế và độ mạnh tính toán.
Độ mạnh cơ bản: Là độ mạnh có thể xảy ra ở một vùng với một tần
suất, có tính dự báo. Độ mạnh này được xác định dựa trên cơ sở tổng hợp các