Nghiên cứu ảnh hưởng sự hóa lỏng của đất đến công trình chịu tải trọng động đất

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

CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH


CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. ĐỖ KIẾN QUỐC







CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1:……………………………………………………………








CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2: ……………………………………………………………

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.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TRƯỞNG BAN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH




PGS.TS. ĐỖ KIẾN QUỐC





LỜI CẢM ƠN


Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn đến tập thể thầy cô trong
chương trình đào tạo thạc só đã tận tình truyền đạt kiến thức, giảng dạy nhiệt tình
và giúp đỡ học viên trong suốt thời gian học chương trình cao học và trong quá
trình thực hiện luận văn này.
Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy PGS. TS. Đỗ Kiến Quốc đã trực
tiếp hướng dẫn khoa học. Thầy đã đưa ra những gợi ý đầu tiên hình thành ý
tưởng của luận văn, luôn chỉ bảo tận tình và động viên uốn nắn, cũng như có
những góp ý chân tình để tác giả hoàn thành luận văn. Thầy đã giúp tác giả hình
thành nên phong cách làm việc khoa học và hướng dẫn tác giả đi những bước
đầu tiên trên con đường nghiên cứu khoa học.
Luận văn đã được thực hiện với tất cả sự cố gắng, nỗ lực của bản thân
cùng với sự giúp đỡ, động viên từ gia đình, thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp. Do
thời gian và kiến thức còn hạn chế nên luận văn không thể 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.

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.

Tài liệu tham khảo 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] A .K. CHOPRA. Dynamics of structures. Prentice Hall Inter. Inc, 1995.
[2] BIOT, M. A. The mechanics of deformation and acoustic propagation in
porous media. J. Appl. Phys., 33(4), 1482–1498, 1962.
[3] BRAJA M.DAS. Principles of soil dynamics. PWS-Kent Publishing
Company, Boston , 1993.
[4] BỘ XÂY DỰNG. Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam 375: 2006. Thiết kế công
trình chòu động đất . Phần 2: nền móng , tường chắn và các vấn đề đòa kỹ
thuật. Nhà xuất bản Xây dựng , 2006.
[5] CHAN AHC. A unified finite element solution to static and dynamic
problems in geomechanics. Ph.D. Dissertation, University of Wales,
Swansea, U.K., 1988.
[6] CHÂU NGỌC ẨN.Cơ học đất. Nhà xuất bản Đại Học Quốc gia
TPHCM,2004.
[7] CHÂU NGỌC ẨN.Nền móng. Nhà xuất bản Đại Học Quốc gia
TPHCM,2002.
[8] CHU QUỐC THẮNG . Phương pháp phần tử hữu hạn. Nhà xuất bản khoa
học và kỹ thuật, 1997.
[9] ELGAMAL A.,YANG Z.,& PARRA E. Computational modeling of cyclic
mobility and post-liquefaction site response. Soil Dynamics and
Earthquake Engineering, vol. 22, no. 4, pp.259-271, 2002.
[10] ELGAMAL A., YANG Z., PARRA E., & RAGHEB A. Modeling of cyclic
mobility in saturated cohesionless soils. International Journal of Plasticity,
vol. 19, no. 6, pp. 883-905, 2003.
Tài liệu tham khảo 84
[11] ELGAMAL A., PARRA E., YANG Z., DOBRY R., ZEGHAL M.

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

No. 530, 2004.
[21] LU J. , PENG J., ELGAMAL A., YANG Z., & LAW KH. Parallel finite
element modeling of earthquake ground response and liquefaction.
International Journal of Earthquake Eng. & Engineering Vibration, vol. 3,
No. 1, 2004
[22] PARRA, E. Numerical Modeling of Liquefaction and Lateral Ground
deformation including Cyclic Mobility and Dilative Behaviour in Soil
Systems. Ph.D. dissertation, Department of Civil Engineering, Rensselaer
Polytechnic Institute, 1996.
[23] PENG J., LU J., LAW KH. & ELGAMAL A. ParCYCLIC- Finite element
modeling of earthquake liquefaction response on parallel computers. 13th
World Conference on Earthquake Engineering

, Canada , Paper No. 361,
2004.
[24] PREVOST JH. A simple plasticity theory for frictional cohesionless soils.
Soil Dynamics and Earthquake Engineering, vol. 4, no. 1, 1985, pp. 9-17.
[25] RAY W.CLOUGH & JOSEPH PENZIEN . Dynamics of structures.
Second Edition, McGraw-Hill, 1993.
[26] YANG Z., ELGAMAL A. & LU J.

A web-based platform for computer
simulation of seismic ground response.

Advances in Engineering Software
vol.35, pp. 249259, 2004.
[27] YANG Z., ELGAMAL A. Influence of permeability on liquefaction-
induced shear deformation. Journal Engineering Mechanics, ASCE, vol.
128, no.7, pp. 720-729, 2002.
Taứi lieọu tham khaỷo 86

[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

3.2 Phân tích công trình chòu tải trọng động đất với sơ đồ tương tác đất-công trình
có xét đến sự hóa lỏng của đất 36
3.2.1 Mô hình hóa bài toán 36
3.2.2 Phương trình số gia cân bằng cho hệ chòu động đất 39
3.2.3 Phân tích phản ứng của kết cấu phi tuyến 41
3.3 Xây dựng chương trình tính toán 44
3.3.1 Trình tự phân tích bài toán theo phương pháp phần tử hữu hạn 44
3.3.2 Các bước phân tích ảnh hưởng của hóa lỏng đến công trình khi chòu
động đất 45
3.3.3 Sơ đồ khối của chương trình 46
CHƯƠNG 4- VÍ DỤ MINH HỌA 47
4.1 Ví dụ 1- Kết cấu tháp trụ 47
4.1.1 Độ tin cậy chương trình tính 49
4.1.2 Ảnh hưởng sự hóa lỏng của đất 53
4.1.3 Ảnh hưởng của độ chặt tương đối R
D
57
4.1.4 Ảnh hưởng của hệ số thấm k 60
4.1.5 Ảnh hưởng của mực nước ngầm 62
4.1.6 Ảnh hưởng của gia tốc nền 64
4.1.7 Ảnh hưởng của tỷ số cản kết cấu thép 68
4.2 Ví dụ 2 - Kết cấu khung phẳng 72
4.2.1 Độ tin cậy chương trình tính 73
4.2.2 Ảnh hưởng sự hóa lỏng của đất 75
4.2.3 Ảnh hưởng của gia tốc nền 77
CHƯƠNG 5- KẾT LUẬN 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO 83
PHẦN PHỤ LỤC 87
Chương 1- Tổng quan 1

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

cắt là kết quả của việc xây dựng các khu đònh cư mới, sự phá hoại các đập đất,
sự lở đất và các mối nguy hiểm khác.
Đất hóa lỏng (soil liquefaction) 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. Hiện tượng hóa lỏng xảy ra trong đất bão hòa nước. Trước khi chòu
động đất, áp lực nước lỗ rỗng trong đất tương đối nhỏ. Tuy nhiên, khi động đất
xảy ra, sự rung lắc của đất nền có thể làm cho áp lực nước lổ rỗng tăng lên một
cách đáng kể và làm giảm thể tích khung hạt đất. Khi sự hóa lỏng xảy ra, sức
chòu tải và khả năng gánh đỡ móng của đất bò giảm đi làm cho công trình bò sụp
đổ và hư hỏng nghiêm trọng. Hiện tượng này đã gây sạt lở đất ở hồ Merced vào
năm 1957 và tạo thành các vết nứt ở bờ sông Montagua trong trận động đất ở
Guatemala vào năm 1976.

(a) Hồ Merced (1957) (b) Sông Montagua (1976)
Hình 1.1. Đất bò hóa lỏng ở hồ Merced năm 1957 và sông Motagua năm 1976
Chương 1- Tổng quan 3

Các cầu tàu và bến cảng thường nằm trong những vùng có khả năng bò
hóa lỏng và đã bò phá hủy do sự hóa lỏng trong các trận động đất trong quá khứ
gây ra. Hầu hết các bến cảng đều có tường chắn lớn. Nếu như đất ở phía sau và
ở dưới tường chắn này bò hóa lỏng, khi đó áp lực tác dụng lên tường này rất lớn
làm cho tường chắn bò trượt và nghiêng đáng kể như sự phá hoại do đất hóa lỏng
tại các bến cảng ở Kobe, Nhật trong trận động đất Hyogo-ken Nanbu năm 1995.


Hình 1.2. Đất bò hóa lỏng trong trận động đất Hyogo-ken Nanbu năm 1995 tại
bến cảng ở Kobe, Nhật
Hiện tượng đất hóa lỏng đã được quan sát trong các trận động đất nhiều
năm qua. Thực tế, các tài liệu ghi chép cách đây hàng trăm năm và thậm chí cả
ngàn năm cho thấy rằng các trận động đất đều liên quan đến hiện tượng hóa

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
−

=
′
σ
σ
(1.1)
Trong đó:
σ
′
là ứng suất hữu hiệu,
σ
là ứng suất tổng, u: áp lực nước lỗ rỗng.
Nếu độ lớn của ứng suất tổng
σ
không thay đổi và áp lực nước lỗ rỗng u tăng
dần lên , một thời gian sau có thể dẫn đến
σ
bằng u. Lúc này ứng suất hữu hiệu
bò triệt tiêu, nền cát mất đi sức chống cắt và nó trở thành trạng thái lỏng.
Như vậy, sự hóa lỏng của nền là một quá trình dẫn đến mất toàn bộ sức
bền chống cắt của nền đất bão hòa khi chòu những lực trượt mang tính tuần hoàn.
Sức bền chống cắt mất đi là do sự tăng của áp lực nước lỗ rỗng và sự giảm liên
tiếp thể tích của khung cứng nên ứng suất hiệu dụng có khuynh hướng dần về
không. Nhìn chung, sự tăng áp lực nước được thực hiện theo một quá trình tích
lũy dưới tác động của nhiều lực chu kỳ xen kẽ nhau. Nền có khả năng hóa lỏng
được hình thành từ vật liệu cát lỏng được san lắp bằng bơm thủy lực hay đất bồi
lỏng. Dưới đây là một số hình ảnh minh họa cho quá trình hóa lỏng của đất:


(a) (b) (c)
Hình 1.4. Quá trình xảy ra hiện tượng hóa lỏng của đất

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

hóa lỏng tại hiện trường. Một số đồ thò loại này được phát triển bởi Seed và
Idriss (1971).
Cách khác để đánh giá khả năng hóa lỏng của đất là thiết lập tương quan
dưới dạng biểu đồ theo sự chống thâm nhập tiêu chuẩn của thí nghiệm xuyên
động chuẩn SPT. Sau khi sự kiện động đất tại Nigata năm 1964, Kishida (1966),
Kuizusai (1966) và Ohasaki (1966) [3] đã nghiên cứu khu vực Nigata có những
vùng bò hóa lỏng và không bò hóa lỏng. Từ đó đã phát triển thành tiêu chuẩn
trước tiên dựa trên cơ sở sự chống thâm nhập tiêu chuẩn của cát trầm tích để
phân biệt điều kiện hóa lỏng và không hóa lỏng. Sau đó nhiều chi tiết tập hợp
từ dữ liệu hiện trường cho khả năng hóa lỏng của đất được bổ sung bởi Seed và
Peacock (1971). Tuy nhiên biểu đồ tương quan này chưa được tin tưởng cao khi
sử dụng tiên đoán khả năng hóa lỏng vì chúng chưa xét cường độ động đất và
thời gian dao động.
Ngoài những nghiên cứu thực nghiệm về hiện tượngï hóa lỏng của đất, có
nhiều tác giả trên thế giới đã mô phỏng hiện tượng đất bò hóa lỏng để phân tích
động lực học cho công trình. Các tác giả Elgamal A, Parra E, Yang Z, Dobry R,
Zeghal M. đã đề xuất một mô hình cơ bản để mô hình hóa ứng xử cắt tuần hoàn
của đất trong quá trình bò hóa lỏng vào năm 1998 [11]. Dựa trên mô hình này,
Yang Z, Elgamal A. đã đưa ra phần mềm tính toán CYCLIC 1D [26], một
chương trình phần tử hữu hạn phi tuyến dùng để phân tích các đáp ứng động đất
có xét đến hiện tượng hóa lỏng do động đất gây ra. Tuy nhiên việc dùng phương
pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng các đáp ứng do động đất và quá trình đất bò
hóa lỏng thường mất rất nhiều thời gian do tính phức tạp của việc kết hợp giữa
hai mô hình chất rắn – chất lỏng và mô hình dẻo của đất. Do đó việc sử dụng
các máy tính song song (parallel computers) có thể giảm bớt thời gian tính toán
Chương 1- Tổng quan 8

một cách đáng kể và có khả năng phân tích được các mô hình lớn và phức tạp
hơn. Chương trình CYCLIC 1D được cải tiến và dẫn đến sự ra đời của chương
trình ParCYCLIC, được đề xuất bởi các tác giả Peng J., Lu J., Law Kh. &

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.

- Phân tích động lực học cho công trình chòu tải trọng động đất, có xét hóa lỏng.
So sánh kết quả đạt được với kết quả tính toán theo phương pháp thông thường,
xem công trình ngàm tại mặt móng.
- Khảo sát ảnh hưởng sự hóa lỏng và các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng động
của công trình bằng ví dụ minh họa với số liệu cụ thể.
- Nhận xét và kết luận các kết quả nghiên cứu.
 Phương pháp nghiên cứu
Dùng phương pháp lý thuyết, sử dụng quy luật thay đổi tính chất cơ học
đất do động đất để áp dụng vào bài toán động lực học công trình bao gồm việc
lập mô hình, và phân tích bài toán nhằm rút ra kết luận về sự ảnh hưởng khi đất
bò hóa lỏng đến kết cấu công trình.
 Cấu trúc của luận văn
• Phần 1- Phần thuyết minh của luận văn bao gồm 5 chương:
Chương 1 - TỔNG QUAN
Chương 2 - QUÁ TRÌNH HÓA LỎNG CỦA ĐẤT
Chương 3 - PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG SỰ HÓA LỎNG CỦA ĐẤT ĐẾN
CÔNG TRÌNH KHI CHỊU ĐỘNG ĐẤT
Chương 4 - VÍ DỤ MINH HỌA
Chương 5 - KẾT LUẬN
• Phần 2- Phần phụ lục, phần mã nguồn của chương trình tính toán.
Chương 2 - Quá trình hóa lỏng của đất 10
Chương 2
QUÁ TRÌNH HÓA LỎNG CỦA ĐẤT

2.1 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG HÓA LỎNG CỦA ĐẤT
Ở HIỆN TRƯỜNG
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự hóa lỏng của đất ở hiện trường. Dựa
vào kết quả trong phòng thí nghiệm cũng như các nghiên cứu và khảo sát tại
hiện trường, các yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng xảy ra hóa lỏng của đất
như sau [15]:

• 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

trường, Seed (1983) khẳng đònh rằng đa số các loại đất dính (cohesive soil) đều
không bò hóa lỏng khi động đất xảy ra. Sử dụng các tiêu chuẩn ban đầu của Seed
và Idriss (1982) và sau đó được xác đònh bởi Youd và Gilstrap (1999) , để cho
đất dính bò hóa lỏng thì phải thỏa mãn cả 3 điều kiện sau:
- Đất có phần trăm hạt mòn hơn 0.005mm < 15 %.
- Giới hạn chảy của đất: LL < 35%.
- Độ ẩm của đất: W > 0.9 LL.
Nếu như loại đất dính nào không thỏa mãn cả ba điều kiện trên thì không có khả
năng bò hóa lỏng. Mặc dù không xảy ra hóa lỏng nhưng đất sẽ bò giảm sức chống
cắt không thoát nước một cách đáng kể do tải trọng động đất gây ra.
• Độ chặt tương đối của đất R
D

Dựa vào kết quả hiện trường, đất ở trạng thái rời rạc dễ xảy ra hiện tượng
hóa lỏng. Đối với cát chặt, tình trạng hóa lỏng ban đầu không gây ra biến dạng
lớn vì cát có khuynh hướng dãn nỡ thể tích khi chòu ứng suất cắt tuần hoàn.
Chương 2 - Quá trình hóa lỏng của đất 12
Poulos (1985) khẳng đònh rằng nếu đất tại hiện trường có khuynh hướng dãn nở
thể tích thì không cần phải xác đònh khả năng hoá lỏng vì sức chống cắt không
thoát nước lớn hơn so với sức chống cắt thoát nước.
• Kích thước hạt đất
Loại đất không có tính dẻo có thành phần hạt khá đồng nhất thường bò
hóa lỏng. Đất có cấp phối tốt làm áp lực nước lỗ rỗng giảm xuống trong suốt quá
trình động đất do đó mà sẽ giảm khả năng gây hóa lỏng.
• Điều kiện thoát nước
Nếu áp lực nước lỗ rỗng thặng dư có thể phân tán một cách nhanh chóng,
thì sự hóa lỏng trong đất sẽ không xảy ra. Vì thế các loại đất cuội, sỏi thường
làm giảm khả năng gây hóa lỏng.
• Áp lực chèn bó xung quanh
Đất có áp lực chèn bó càng lớn thì khả năng xảy ra hóa lỏng càng giảm.

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

Khi tính toán dao động của các công trình chòu tải động trên nền đất, cần
phải xác đònh các thông số sau [3,19]:
- Tỷ số giảm chấn D (damping ratio)
- Module chống cắt G (shear modulus)
- Hệ số đàn hồi k của đất nền
- Hệ số poisson µ
- Khối lượng riêng của đất ρ
Chương 2 - Quá trình hóa lỏng của đất 14
Các thông số trên tuỳ thuộc vào dạng dao động của móng bên trên nền
được xác đònh theo các biểu thức khác nhau, nhưng tất cả các biểu thức đó đều
có quan hệ với nhau.
Trong đó module chống cắt G là thông số độ cứng chính của đất nền dưới
tải trọng động đất. Module chống cắt G được tính theo công thức sau
G= ρv
s
2
(2.1)
Với ρ là khối lượng đơn vò của đất, v
s
là vận tốc truyền sóng cắt của đất nền
Để xác đònh các thông số động, cần phải tiến hành các thí nghiệm trong
phòng và thí nghiệm ngoài hiện trường. Các thí nghiệm trong phòng gồm có thí
nghiệm cột cộng hưởng, thí nghiệm cắt đơn chu kỳ, cắt xoắn chu kỳ và thí
nghiệm ba trục chu kỳ. Thí nghiệm ngoài hiện trường gồm có thí nghiệm sóng
phóng lên lỗ, phóng xuống lỗ, phóng ngang lỗ. Trong các thí nghiệm trên, thí
nghiệm cắt đơn giản có chu kỳ là thí nghiệm đơn giản cho việc xác đònh mun
chống cắt và tỷ số giảm chấn của đất. Đây cũng là thí nghiệm thuận tiện cho
việc xác đònh các thông số hóa lỏng của đất rời bão hòa nước.
 Thí nghiệm cắt đơn giản chu kỳ (cyclic simple shear test) [3]
Trong thí nghiệm cắt đơn có chu kỳ, mẫu đất thường có chiều cao từ 20

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.