Nghiên cứu phương pháp tính kết cấu công trình ngầm đô thị trong nền đất yếu chịu tác dụng của động đất

iii
MỤC LỤC
Mục lục ......................................................................................................... iii
Danh mục các ký hiệu cơ bản sử dụng trong luận án .................................. viii
Danh mục các chữ viết tắt sử dụng trong luận án.......................................... xi
Danh mục các hình vẽ, đồ thị trong luận án ................................................. xii
Danh mục bảng biểu trong luận án ........................................................... xviii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH NGẦM ĐÔ THỊ
CHỊU TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT .......................................................... 4
1.1. Khái niệm về động đất và những tác động, thiệt hại do động đất đối với công trình
ngầm ...............................................................................................................................................4
1.1.1. Động đất và nguồn gốc .......................................................................................... 4
1.1.2. Những tác động và mức độ thiệt hại do động đất đối với công trình ngầm ..... 5
1.1.2.1. Các biến dạng của công trình ngầm khi bị động đất .................................................. 6
1.1.2.2. Các dạng phá hủy của công trình ngầm khi bị động đất [31],[37]......................... 6
1.2. Tiêu chí đánh giá độ mạnh của động đất và Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của
các nước và Việt Nam. ............................................................................................................. 10
1.2.1. Các tiêu chí đánh giá độ mạnh của động đất [8] ...............................................10
1.2.1.1. Đánh giá độ mạnh của động đất theo thang cường độ động đất của thế giới ....10
1.2.1.2. Đánh giá sức mạnh của động đất theo thang độ lớn của thế giới .. 11
1.2.2. Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của các nước và ở Việt Nam .........................13
1.3. Tiêu chí đánh giá môi trường nền đất yếu................................................................... 13
1.4. Công trình ngầm đô thị, hiện trạng và xu hướng phát triển tại Việt nam ..... 15
1.5. Tổng quan về các phương pháp tính toán công trình ngầm chịu tác động động
đất ................................................................................................................................................. 18
1.5.1. Nhóm phương pháp giải tích [40], [52] .............................................................18


iv
1.5.1.1. Phương pháp tĩnh tải tương đương ..............................................................................18

1.5.1.2. Phương pháp tương tác biến dạng kết cấu – nền [52] .............................................19
1.5.2. Phương pháp áp đặt biến dạng của đất nền chịu tác động của động đất vào biên
(Imposed Seismic Ground Deformation - ISGD) [32], [43] ......................................19
1.5.2.1. Phương pháp dùng lò xo thay thế tương tác của kết cấu – môi trường.19
1.5.2.2. Phương pháp áp đặt biến dạng “trường tự do“ của nền vào biên........................20
1.5.3. Phương pháp động lực học..................................................................................21
1.6. Các kết quả đạt được của các công trình nghiên cứu đã công bố.......................... 23
1.7. Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu ......................................................................... 24
1.8. Các kết luận rút ra từ tổng quan. .................................................................................. 25
CHƯƠNG 2. TÁC DỤNG CHẤN ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT VÀ DAO ĐỘNG
CỦA TẦNG ĐẤT NHIỀU LỚP TRÊN NỀN ĐÁ CỨNG ................................. 26
2.1. Các loại sóng trong môi trường đất khi xảy ra động đất ......................................... 26
2.1.1. Sóng nén (Sóng ứng suất nén, sóng P) ...............................................................27
2.1.2. Sóng cắt (Sóng S) .................................................................................................27
2.1.3. Sóng mặt (Sóng Rayleigh) ..................................................................................28
2.1.4. Sóng Love (Sóng L) .............................................................................................29
2.2. Dao động của tầng đất nhiều lớp trên nền đá cứng................................................... 29
2.2.1. Đặt bài toán và các giả thiết tính toán .................................................................29
2.2.2. Cơ sở lý thuyết truyền sóng 1 chiều [26][27][39][51] ......................................30
2.2.3. Hệ phương trình chuyển động của môi trường nền đất nhiều lớp...................31
2.3. Thuật toán giải hệ phương trình tìm chuyển vị.......................................................... 34
2.4. Chương trình Soil Column Vibration – SCV 2015 ................................................... 38
2.5. Ví dụ số................................................................................................................................. 42
2.6. Kết luận chương ................................................................................................................ 45
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH NGẦM CHỊU TÁC DỤNG
ĐỘNG ĐẤT ................................................................................................. 46


v
3.1. Tính toán công trình ngầm chịu động đất theo phương pháp giải tích ...... 46

3.1.1. Biến dạng của công trình ngầm khi chịu tác dụng động đất ............................46
3.1.2. Trạng thái ứng suất – biến dạng của công trình ngầm chịu tác động sóng cắt do
động đất............................................................................................................................46
3.1.2.1. Các tham số biến dạng trượt của công trình ngầm hình tròn có xét đến tương tác
kết cấu với môi trường nền............................................................................................................46
3.1.2.2. Các tham số biến dạng trượt của công trình ngầm hình chữ nhật có xét đến tương
tác kết cấu với môi trường nền [43], [47], [52]........................................................................50
3.2. Tính toán công trình ngầm chịu động đất theo phương pháp đặt biến dạng của
nền đất vào biên (ISGD).......................................................................................................... 53
3.2.1. Đặt bài toán và các giả thiết tính toán .................................................................53
3.2.2. Mô hình tính..........................................................................................................53
3.2.3. Xác định chuyển vị của nền đất ..........................................................................54
3.2.3.1. Trường hợp nền đồng nhất.............................................................................................54
3.2.3.2. Trường hợp môi trường đất nhiều lớp .........................................................................54
3.2.4. Thử nghiệm số ......................................................................................................55
3.2.4.1. Trường hợp nền đồng nhất.............................................................................................55
3.2.4.2. Trường hợp nền nhiều lớp ..............................................................................................60
3.3. Tính toán công trình ngầm chịu động đất theo phương pháp động lực học –
phương pháp giản đồ gia tốc nền. ......................................................................................... 62
3.3.1. Đặt vấn đề bài toán và các giả thiết tính toán.....................................................62
3.3.2. Cơ sở phương pháp PTHH phân tích bài toán tương tác giữa kết cấu công trình
ngầm và nền đất biến dạng chịu tải trọng động của động đất.....................................63
3.3.3. Trạng thái ứng suất – biến dạng của công trình ngầm chịu tác động ngang hầm
của động đất theo phương pháp giản đồ gia tốc nền ...................................................67
3.3.4. Thử nghiệm số ......................................................................................................67
3.3.4.1. Tính toán công trình ngầm hình tròn chạy tuyến.......................................................67


vi
3.3.4.2. Tính toán công trình ngầm có mặt cắt ngang là hình chữ nhật..............................74

3.4. Kết luận chương ................................................................................................................ 80
3.4.1. Phương pháp giải tích ..........................................................................................80
3.4.2. Phương pháp ISGD ..............................................................................................81
3.4.3. Phương pháp động lực học..................................................................................81
CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN CÁC CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG NGẦM TẠI
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHỊU TÁC DỤNG ĐỘNG ĐẤT ................ 82
4.1. Giới thiệu ............................................................................................................................. 82
4.2. Điều kiện địa chất khu vực thành phố Hồ Chí Minh và phương pháp xác định
các tham số động của nền ....................................................................................................... 83
4.2.1. Các tham số động nền đất và phương pháp xác định [15], [39], [51] ......83
4.2.1.1. Các thí nghiệm trong phòng [27], [39], [51] .............................................................84
4.2.1.2. Các thí nghiệm ngoài hiện trường ................................................................................85
4.2.2. Quan hệ giữa các tham số động đạt đỉnh của nền đất khi động đất.................91
4.2.3. Các tham số đặc trưng chuyển động của đất phụ thuộc vào chiều sâu. ..........92
4.2.4. Các tham số động của điều kiện địa chất công trình và dữ liệu địa chấn ở thành
phố Hồ Chí Minh ............................................................................................................93
4.2.4.1. Các điều kiện địa chất......................................................................................................93
4.2.4.2. Phân tích và chọn mô hình nền để tính toán cho nền đất yếu ở thành phố Hồ Chí
Minh khi chịu động đất [23].........................................................................................................99
4.2.4.3. Các dữ liệu địa chấn ở thành phố Hồ Chí Minh......................................................103
4.3. Tạo giản đồ gia tốc nền nhân tạo đối với khu vực thành phố Hồ Chí Minh ..... 106
4.4. Tính toán hầm tròn chạy tuyến cho tuyến metro số 6 ............................................ 110
4.4.1. Xác định sơ đồ tính và kích thước mô hình .....................................................112
4.4.2. Tính toán hầm tròn theo phương ngang tuyến metro số 6 – TP.HCM. ........114
4.4.3. Ảnh hưởng của nước ngầm đối với tính toán hầm tròn tuyến metro số 6. ...118
4.5. Tính toán các nhà ga cho tuyến metro số 6 ............................................................... 119


vii
4.6 Kết luận chương ............................................................................................................... 125

KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................. 126
1. Những kết quả chính và đóng góp mới của luận án................................................... 126
2. Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo ......................................................................... 126
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 128


viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CƠ BẢN SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN
Các ký hiệu bằng chữ Latinh
A

Biên độ dao động.

ag

Gia tốc đỉnh trên nền đá gốc.

ASF

Hệ số địa tầng.

C

Tỷ số nén.

CS

Vận tốc lan truyền sóng.

D0

Biên độ chuyển vị của nền.

Dl

Đường kính vỏ hầm.

e

Hệ số rỗng của đất.

E

Mô đun đàn hồi của vật liệu.

El

Mô đun đàn hồi của vỏ hầm.

Em

Mô đun đàn hồi của nền.

F

Tỷ số khi chịu uốn.

Fr

Hệ số độ cứng chịu uốn.

fS

Sức kháng ma sát trên thành lỗ xuyên.

fSP

Tần suất lấy mẫu.

g

Gia tốc trọng trường.

G

Mô đun trượt của vật liệu.

H

Chiều cao tiết diện hầm.

I

Mô men quán tính của vỏ hầm.

Ic

Hệ số ứng xử của địa tầng.

KS

Độ cứng kết cấu vỏ hầm hình chữ nhật khi trượt.

m

Khối lượng.

Mmax

Mô men uốn cực đại.

N60*

Số búa SPT/30cm.


ix
Nmax

Lực nén cực đại.

PI

Chỉ số dẻo của đất.

qc

Sức kháng mũi trong thí nghiệm CPT.

Qmax

Lực cắt cực đại.

R0tr

Tỷ số biến dạng lệch ứng với trường hợp không trượt.

Rtr

Tỷ số biến dạng lệch ứng với trường hợp trượt tự do.

Se

Hàm phổ phản ứng.

T

Chu kỳ.

t

Độ dày của lớp vỏ hầm.

u, ux, uy

Chuyển vị, chuyển vị theo phương x và y.

vP

Vận tốc truyền sóng nén.

vS

Vận tốc truyền sóng cắt.

W

Chiều rộng tiết diện ngang của hầm.

[B]n

Ma trận quan hệ biến dạng - chuyển vị của phần tử.

[C]n, [C]

Ma trận cản của phần tử, ma trận cản của hệ.

[K]n, [K]

Ma trận độ cứng phần tử, ma trận độ cứng của hệ.

[M]n, [M]

Ma trận khối lượng phần tử, ma trận khối lượng của hệ.

{U}n, {U}

Véc tơ chuyển vị nút của phần tử, véc tơ chuyển vị nút của hệ.

Các ký hiệu bằng chữ Hy Lạp

, 

Các tham số trong tích phân Newmark.

R, R

Các hằng số cản Rayleigh.

x, y, z

Biến dạng theo phương x, y, z.

1

Chuyển vị tương đối của kết cấu khi lực tập trung p=1.

t

Bước thời gian tích phân.

diff

Biến dạng của “trường tự do”.

max

Biến dạng trượt cực đại.


x

ketcau

Biến dạng trượt của kết cấu.

truongtudo

Biến dạng trượt của “trường tự do”.

v’

Ứng suất có hiệu thẳng đứng.



Hệ số Poisson.

i, j

Các tần số dao động riêng.

i, j

Các tỷ số cản.



Bước sóng.

L

Hằng số Lamé.



Cản nhớt của vật liệu.


xi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN

BEM

Phương pháp phần tử biên

CPT

Thí nghiệm xuyên tĩnh.

FDM

Phương pháp sai phân hữu hạn.

FEM

Phương pháp phần tử hữu hạn.

ISGD

Phương pháp đặt chuyển vị của nền vào biên.

MC

Mô hình Mohr Coulomb.

PGA

Gia tốc đạt đỉnh.

PGV

Vận tốc đạt đỉnh.

PGD

Chuyển vị dao động đạt đỉnh.

PTHH

Phần tử hữu hạn.

SDOF

Hệ một bậc tự do.

SPT

Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn.

SS

Mô hình đất soft soil.

TP. HCM

Thành phố Hồ Chí Minh.


xii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TRONG LUẬN ÁN
Hình 1 - 1. Mô tả các yếu tố của động đất. ..................................................... 4
Hình 1 - 2. Các dạng đứt gãy trượt theo đường dốc và trượt ngang, dãn nở. ....... 5
Hình 1 - 3. Mô tả các dạng trượt giữa các mảng. ........................................... 5
Hình 1 - 4. Phá hủy hầm khi trượt đất ở vùng đứt gẫy.................................... 7
Hình 1 - 5. Dạng phá hủy – sụt trượt mái dốc làm phá hủy hầm. ................... 7
Hình 1 - 6. Dạng các khe nứt dọc trục hầm, dọc phía trên nóc và đáy hầm. ... 7
Hình 1 - 7. Dạng thiệt hại – Các khe nứt ngang ............................................. 8
Hình 1 - 8. Dạng thiệt hại – Các khe nứt nghiêng. ......................................... 8
Hình 1 - 9. Dạng thiệt hại do nứt phần mở rộng. ............................................ 8
Hình 1 - 10. Biến dạng tường hầm. ................................................................ 9
Hình 1 - 11. Các dạng tróc vỏ lót của hầm. .................................................... 9
Hình 1 - 12. Hình dáng thiệt hại của hầm hình chữ nhật ................................ 9
Hình 1 - 13. Bản đồ quy hoạch các tuyến metro ở Hà Nội [14], [18]. .......... 16
Hình 1 - 14. Bản đồ quy hoạch các tuyến metro ở TP. HCM [17] ................ 17
Hình 1 - 15. Mô hình tính hầm chịu động đất theo tĩnh tải tương đương. ..... 19
Hình 1 - 16. Sơ đồ tính dùng các lò xo thay thế tương tác của kết cấu với môi trường [32]...20
Hình 1 - 17. Sơ đồ tính áp đặt biến dạng của nền vào biên. .......................... 21
Hình 1 - 18. Sơ đồ tính hầm chịu động đất theo giản đồ gia tốc nền. ........... 21
Hình 2 - 1. Sơ đồ phân loại sóng động đất. .................................................. 26
Hình 2 - 2. Biến dạng nền đất do sóng nén gây ra. ....................................... 27

Hình 2 - 3. Biến dạng nền đất do sóng cắt gây ra ......................................... 27
Hình 2 - 4. Sự phân chia sóng S, (a) (SH) và (b) (SV). .................................. 28
Hình 2 - 5. Biến dạng nền do sóng Rayleigh gây ra. .................................... 28
Hình 2 - 6. Biến dạng nền do sóng Love gây ra. .......................................... 29
Hình 2 - 7. Trình tự các sóng được truyền đến theo thời gian. ..................... 29


xiii
Hình 2 - 8. Mặt cắt ngang và điều kiện cột đất chịu chuyển dịch ngang tại nền
đá gốc do động đất. ................................................................... 30
Hình 2 - 9. Mô tả phần tử theo mô hình Kelvin – Voigt [39] ....................... 30
Hình 2 - 10. Mô hình bài toán nhiều lớp chịu tác dụng sóng ngang.............. 31
Hình 2 - 11. Mô hình một chiều và sơ đồ tính [27]. ..................................... 32
Hình 2 - 12. Mối quan hệ giữa N và T1(s) với giá trị sai số ERS [27]. ......... 34
Hình 2 - 13. Dạng của phổ phản ứng đàn hồi. .............................................. 37
Hình 2 - 14. Giao diện giới thiệu phần mềm ................................................ 39
Hình 2 - 15. Giao diện phần nhập dữ liệu mô đun chính của chương trình SCV-2015 ......40
Hình 2 - 16. Giao diện xuất kết quả tần số dao động riêng. .......................... 40
Hình 2 - 17. Giao diện xuất kết quả và xuất file ra Ms Excel hoặc Ms Access..........41
Hình 2 - 18. Sơ đồ khối chung cho toàn bộ chương trình. ............................ 41
Hình 2 - 19. Sơ đồ khối chi tiết các chương trình con. ................................. 42
Hình 2 - 20. Phổ phản ứng ........................................................................... 43
Hình 2 - 21. Quan hệ giữa chuyển vị và chiều sâu các cột đất mềm trên nền đất cứng. ...43
Hình 2 - 22. Quan hệ giữa vận tốc, gia tốc và chiều sâu. .............................. 44
Hình 3 - 1. Công trình ngầm bị biến dạng khi sóng động đất tác động ......... 46
Hình 3 - 2. Nội lực trong vỏ hầm, xét cho 1 phân tố. ................................... 47
Hình 3 - 3. Sơ đồ tính trượt đơn giản đối với công trình ngầm tiết diện ngang
hình chữ nhật ............................................................................ 50
Hình 3 - 4. Sơ đồ tính nội lực đối với hầm tiết diện ngang hình chữ nhật dựa
theo biến dạng trượt tương ứng. ................................................ 52

Hình 3 - 5. Mô hình bài toán khi đặt chuyển vị của nền vào biên. ................ 54
Hình 3 - 6. Sơ đồ tính toán và rời rạc hóa PTHH của hệ. ............................. 55
Hình 3 - 7. Đồ thị quan hệ giữa biến dạng trượt với mô đun đàn hồi............ 56
Hình 3 - 8. Đồ thị quan hệ giữa nội lực và mô đun đàn hồi Gm (kPa). .......... 56
Hình 3 - 9. Đồ thị quan hệ giữa Mmax và hệ số F. ......................................... 57


xiv
Hình 3 - 10. Mô men uốn cực đại và lực cắt cực đại trong vỏ hầm. ............. 57
Hình 3 - 11. Sơ đồ hình học, sơ đồ tính và rời rạc hóa PTHH. ..................... 58
Hình 3 - 12. Biểu đồ nội lực theo phương pháp ISGD. ................................ 59
Hình 3 - 13. So sánh kết quả tính theo phương pháp giải tích Wang và phương
pháp ISGD. ............................................................................... 60
Hình 3 - 14. Sơ đồ tính khi đặt chuyển vị các lớp đất vào biên. ................... 60
Hình 3 - 15. Chia lưới PTHH của hệ. ........................................................... 61
Hình 3 - 16. Chuyển vị theo phương ngang của hầm. .................................. 61
Hình 3 - 17. Biểu đồ mô men và lực cắt. ...................................................... 62
Hình 3 - 18. Biểu đồ lực dọc và biến dạng của hầm. .................................... 62
Hình 3 - 19. Mô hình bài toán khi hệ chịu tác động động đất ....................... 63
Hình 3 - 20. Mô hình tính của bài toán ........................................................ 67
Hình 3 - 21. Bảng ghi gia tốc nền động đất có gia tốc đỉnh là 0,24g. ........... 69
Hình 3 - 22. Mô hình bài toán khi hệ chịu tác dụng động đất. ...................... 70
Hình 3 - 23. Sơ đồ chia lưới PTHH của mô hình bài toán. ........................... 70
Hình 3 - 24. Chuyển vị theo phương đứng uy tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian.... 71
Hình 3 - 25. Chuyển vị theo phương ngang ux tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian. 71
Hình 3 - 26. Sơ đồ chia lưới biến dạng của hệ.............................................. 72
Hình 3 - 27. Mô men uốn tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian. ...................... 72
Hình 3 - 28. Lực cắt tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian. .............................. 72
Hình 3 - 29. Lực dọc tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian. ............................. 73
Hình 3 - 30. Gia tốc nền theo thời gian tại các vị trí nền đá gốc, đỉnh hầm và

tại bề mặt nền. .......................................................................... 73
Hình 3 - 31. Sơ đồ tính hầm hình chữ nhật chịu tác động của động đất. ....... 74
Hình 3 - 32. Mô men uốn cực đại trong vỏ hầm (gia tốc đỉnh ag = 0,24g). ... 75
Hình 3 - 33. Lực cắt cực đại trong vỏ hầm, (gia tốc đỉnh ag = 0,24g). .......... 75
Hình 3 - 34. Biến dạng của hầm dưới tác động của động đất. ...................... 76


xv
Hình 3 - 35. Mô men uốn tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian. ...................... 76
Hình 3 - 36. Lực cắt tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian. .............................. 77
Hình 3 - 37. Lực dọc tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian. ............................. 77
Hình 3 - 38. Biểu đồ so sánh sai số giữa các phương pháp tính. ................... 78
Hình 3 - 39. Chuyển vị đứng uy theo thời gian ............................................. 78
Hình 3 - 40. Chuyển vị ngang ux theo thời gian tại các điểm tương ứng....... 79
Hình 3 - 41. Mô hình tính hệ công trình ngầm – nền. ................................... 79
Hình 3 - 42. Chia lưới PTHH hệ công trình ngầm – nền. ............................. 79
Hình 3 - 43. So sánh giá trị nội lực giữa 2 phương pháp tính. ...................... 80
Hình 4 - 1. Các phương pháp xác định tham số động của nền trong phòng thí
nghiệm và ngoài hiện trường [35]................................................................. 84
Hình 4 - 2. Bố trí sơ đồ cho phương pháp đo - xuyên................................... 85
Hình 4 - 3. Quan hệ giữa tỷ số cản của cát và biên độ biến dạng cắt . ........ 90
Hình 4 - 4. Quan hệ giữa tỷ số cản của sét và biên độ biến dạng cắt . ......... 91
Hình 4 - 5. Bản đồ địa chất khoáng sản của khu vực TP. HCM C- 48-XI
(1995) [14] .................................................................. 94
Hình 4 - 6. Đồ thị giá trị sức kháng mũi qc (MPa), sức kháng thành fs (MPa) để
xác định vs (m/s) điển hình tại Km0+900 (HX02) [14]. ............ 96
Hình 4 - 7. Các tham số của mô hình Mohr-Coulomb trong Plaxis [23]. .... 101
Hình 4 - 8. Các tham số của mô hình soft soil trong Plaxis [23] ................. 102
Hình 4 - 9. Bản đồ phân vùng đứt gãy và bản đồ phân vùng địa chấn theo các
đơn vị gia tốc ngang đạt đỉnh (theo thang MSK 64). ............... 105

Hình 4 - 10. Vị trí địa lí thị trấn Upland. .................................................... 107
Hình 4 - 11. Giản đồ gia tốc tại Upland, quận Delaware, ........................... 108
Hình 4 - 12. Bảng nhập giản đồ gia tốc thực theo thời gian [3]. ................. 108
Hình 4 - 13. Đồ thị tỷ lệ theo phổ phản ứng đàn hồi trong TCVN 9386: 2012 [3] ....109


xvi
Hình 4 - 14. Tạo giả giản đồ gia tốc nhân tạo theo điều kiện gia tốc đỉnh tại
TP. HCM (ag = 0,07g) ........................................................ 109
Hình 4 - 15. Giản đồ gia tốc nền nhân tạo theo thời gian được tạo giả ở TP.
HCM có gia tốc đỉnh ag = 0,07g. ............................................. 109
Hình 4 - 16. Mặt cắt ngang tuyến tại Km0+900 tuyến số 6 – TP. HCM ..... 112
Hình 4 - 17. Mặt cắt ngang tuyến tại Km6+700 tuyến số 6 – TP. HCM ..... 112
Hình 4 - 18. Mô hình tính phẳng và tải trọng tác động của động đất. ......... 113
Hình 4 - 19. Sơ đồ chia lưới PTHH của mô hình. ...................................... 113
Hình 4 - 20. Biểu đồ giá trị nội lực theo chiều dọc tuyến. .......................... 115
Hình 4 - 21. Nội lực cực đại trong kết cấu hầm tại các lý trình. ................. 115
Hình 4 - 22. Chuyển vị của hầm theo phương ngang tại các lý trình. ......... 115
Hình 4 - 23. Mô men cực đại và đường bao mô men trong vỏ hầm. ........... 116
Hình 4 - 24. Lực cắt cực đại và đường bao lực cắt trong vỏ hầm. .............. 116
Hình 4 - 25. Lực dọc cực đại và đường bao lực dọc trong vỏ hầm. ............ 116
Hình 4 - 26. Chuyển vị của hầm theo phương ngang và phương đứng. ...... 116
Hình 4 - 27. Mô men tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian. .......................... 117
Hình 4 - 28. Lực cắt tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian. ............................ 117
Hình 4 - 29. Lực dọc tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian. ........................... 117
Hình 4 - 30. Nội lực cực đại trong vỏ hầm tương ứng với trường hợp có và
không có xét đến mục nước ngầm........................................... 118
Hình 4 - 31. Sơ đồ hình học, tải trọng động đất tác dụng lên kết cấu. ........ 119
Hình 4 - 32. Chia lưới phần tử PTHH của mô hình. ................................... 120
Hình 4 - 33. Các dạng tải tĩnh tác dụng lên hệ............................................ 120

Hình 4 - 34. Giá trị nội lực của các kết cấu nhà ga mô tả theo tuyến .......... 121
Hình 4 - 35. Giá trị nội lực của kết cấu nhà ga mô tả theo chiều sâu. ......... 122
Hình 4 - 36. Mô men tại đỉnh và đáy hầm biến thiên theo thời gian. .......... 122
Hình 4 - 37. Lực cắt tại đỉnh và đáy hầm biến thiên theo thời gian. ........... 123


xvii
Hình 4 - 38. Lực dọc tại đỉnh và đáy hầm biến thiên theo thời gian. .......... 123
Hình 4 - 39. Biến dạng của hầm. ................................................................ 124
Hình 4 - 40. Gia tốc nền tại nền đá gốc và mặt đất. .................................... 124
Hình 4 - 41. Biểu đồ lực cắt và mô men cực đại điển hình tại Km6+635. .. 124


xviii
DANH MỤC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN ÁN
Bảng 1. 1. Tình trạng hư hỏng công trình ngầm theo gia tốc đỉnh [28]........... 6
Bảng 1. 2. Thang độ mạnh của động đất theo thang Richter. ........................ 11
Bảng 1. 3. Bảng thống kê các tuyến metro ngầm và nổi ở Hà Nội [16],[18]. 16
Bảng 2. 1. Tham số môi trường đất nền nhiều lớp trên nền đá gốc. .............. 43
Bảng 2. 2. Giá trị gia tốc, vận tốc và chuyển vị được tính từ chương trình SCV – 2015......44
Bảng 3. 1. Các tham số môi trường nền và hầm. .......................................... 55
Bảng 3. 2. Kết quả nội lực tương ứng các trường hợp. ................................. 56
Bảng 3. 3. Kích thước hình học và các tham số vật liệu của hầm ................. 58
Bảng 3. 4. Kết quả nội lực theo phương pháp giải tích và phương pháp số (ISGD) ........ 59
Bảng 3. 5. Kết quả tính toán nội lực trong kết cấu hầm. ............................... 61
Bảng 3. 6. Các tham số môi trường. ............................................................. 68
Bảng 3. 7. Kích thước hình học và các chỉ tiêu vật liệu của hầm. ................. 69
Bảng 3. 8. Kết quả nội lực trong vỏ hầm do tải trọng của động đất. ............. 70
Bảng 3. 9. Kết quả tính theo phương pháp giải tích và phương pháp số. ...... 75
Bảng 3. 10. Giá trị nội lực cực đại trong vỏ hầm. ......................................... 80

Bảng 4. 1. Bảng thống kê các tuyến Metro tại TP. HCM ............................. 82
Bảng 4. 2. Các phương trình xác định vs cho môi trường nền đất [50]. ........ 87
Bảng 4. 3. Bảng xác định hệ số ASF tương ứng với CPT cho nền đất [50]. . 88
Bảng 4. 4. Các tham số ảnh hưởng đến tỷ số cản [24], [39].......................... 89
Bảng 4. 5. Tỷ số tương quan giữa vận tốc đạt đỉnh, chuyển vị đạt đỉnh với gia
tốc đạt đỉnh [45]........................................................................ 92
Bảng 4. 6. Hệ số xét đến sự giảm dần của các tham số đặc trưng chuyển động
của đất theo chiều sâu [44]........................................................ 93
Bảng 4. 7. Phương trình hồi qui xác định vS cho các lớp đất theo độ sâu dọc
tuyến metro 6. ........................................................................... 97


xix
Bảng 4. 8. Bảng kết quả các tham số động điển hình tại tuyến metro số 6.... 98
Bảng 4. 9. Các vùng phát sinh động đất mạnh trên lãnh thổ Việt Nam [13] 104
Bảng 4. 10. Kích thước hình học của hầm tuyến metro số 6 ....................... 110
Bảng 4. 11. Các chỉ tiêu cơ lý của nền đất tuyến metro số 6 (km 0+900) ... 111
Bảng 4. 12. Giá trị nội lực và chuyển vị của kết cấu hầm tròn chạy tuyến theo
các mặt cắt ngang dọc theo tuyến............................................ 114
Bảng 4. 13. Giá trị nội lực, chuyển vị của hầm theo chiều dài tuyến. ......... 121


1
MỞ ĐẦU
Công trình giao thông ngầm của Việt Nam những năm vừa qua có sự phát
triển mạnh mẽ đặc biệt ở Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh. Khi khai thác cơ sở hạ
tầng giao thông đô thị ngầm sẽ hạn chế tình trạng tắc nghẽn, lưu lượng xe trên
mặt đất giảm đáng kể. Do đó, có nhiều giải pháp đã được nghiên cứu, điển hình
là Hà Nội và TP. HCM đã quy hoạch xây dựng mạng tàu điện đô thị hiện đại
kết hợp với nhiều giải pháp khác như trên cao và ngầm trong lòng đất.

Động đất là một dạng thiên tai, thảm họa tự nhiên cực kỳ nguy hiểm có
thể gây thương vong đối với con người đồng thời 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, đứt gãy Sông Cả...[4],[8].
Gần đây ở Việt Nam một số công trình thủy điện, hồ chứa nước lớn được
xây dựng đã làm xảy ra các các trận động đất kích thích như: khu vực thủy điện
Sông Tranh 2- Bắc Trà Mi, Quảng Nam. Để thực hiện sự nghiệp công nghiệp
hóa hiện đại hóa đất nước chúng ta sẽ xây dựng các công trình có tầm quan
trọng đặc biệt như nhà máy điện hạt nhân, các công trình hạ tầng kỹ thuật lớn,
các nhà siêu cao tầng…, các công trình nói trên đặt ra cho các cơ quan quản lý
nhà nước cần phải xây dựng biện pháp phòng tránh và giảm nhẹ hậu quả động
đất ở Việt Nam. Yêu cầu về thiết kế kháng chấn cho các công trình xây dựng
phải được quan tâm đặc biệt để đảm bảo sự an toàn cao nhất cho công trình và
cuộc sống của người dân. Khi đó đòi hỏi cần phải xem xét lại một số vấn đề
như hoàn chỉnh tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn, dữ liệu động đất; mô hình,
phương pháp tính toán thiết kế. Hiện tại TCVN 9386: 2012 được ban hành chủ


2
yếu dùng cho công trình trên mặt đất. Việt Nam chưa ban hành tiêu chuẩn thiết
kế kháng chấn cho công trình ngầm.
Khi hệ thống tàu điện ngầm được xây dựng tại hai thành phố lớn ở Việt
Nam là Hà Nội và TP. HCM như hiện nay, thực sự cần thiết phải nghiên cứu
xây dựng phương pháp thiết kế kháng chấn do động đất xảy ra cho hệ thống
metro, vì đây là hệ thống giao thông công cộng rất đông người qua lại tham gia
giao thông. Vì vậy luận án “Nghiên cứu phương pháp tính kết cấu công trình
ngầm đô thị trong nền đất yếu chịu tác dụng của động đất” là vấn đề có ý

nghĩa khoa học và thực tiễn.
* Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án:
- Phân tích và lựa chọn phương pháp xác định các tham số động của nền
đất theo điều kiện thực tế ở Việt Nam, sử dụng kết quả làm cơ sở giải quyết bài
toán tương tác kết cấu công trình ngầm – nền phù hợp với điều kiện đất mềm
tại TP. HCM.
- Nghiên cứu bài toán truyền sóng trong môi trường đất nhiều lớp, tính toán
biến dạng của nền đất do tải trọng động của động đất gây ra bằng phương pháp
phần tử hữu hạn, trên cơ sở bài toán phẳng và phân tích ảnh hưởng của biến dạng
nền đất đến kết cấu công trình ngầm trong môi trường nền đất yếu.
- Phân tích tính toán công trình ngầm đô thị trong môi trường đất yếu theo
các phương pháp giải tích, phương pháp phân tích tích phân trực tiếp phương
trình chuyển động theo thời gian (Full dynamic method) và phương pháp áp đặt
chuyển vị của nền đất vào tính toán kết cấu công trình ngầm chịu tác dụng của
động đất (Imposed Seismic Ground Deformation - ISGD).
* Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận án:
Đối tượng nghiên cứu:
Hệ kết cấu công trình ngầm và nền đất xung quanh trong đô thị chịu tác
động của tải trọng động đất.


3
Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu bài toán tương tác tĩnh học và động lực học của công trình
ngầm – nền đất yếu trên sơ đồ bài toán biến dạng phẳng có sự tách trượt giữa
kết cấu và nền đất chịu tác động của động đất.
Công trình ngầm nằm trong tầng đất mềm khi xảy ra động đất sẽ chịu tác
động của sóng nén (sóng P), sóng cắt (sóng S) và đối với công trình đặt nông
còn chịu tác động của sóng bề mặt (sóng Rayleigh, sóng Love). Trong phạm vi
luận án chỉ nghiên cứu sóng cắt là sóng có vai trò chủ đạo gây nên phá hoại đối

với công trình ngầm.
* Phương pháp nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu lý thuyết, sử dụng phương pháp PTHH tiến hành thử nghiệm
số tính toán hệ “kết cấu công trình ngầm – nền đất” và lập trình tính toán số
liệu đầu vào theo ngôn ngữ lập trình Pascal trong môi trường Window để ứng
dụng phần mềm Plaxis 2D version 2010.01 (code DP11 – 1208 – f12a – 2cfd –
6c81 – 34e0) tính toán.
* Nội dung và bố cục của luận án
Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết của luận án, và bố cục của luận án.
Chương 1: Tổng quan tính toán công trình ngầm đô thị chịu tác dụng của động đất.
Chương 2: Tác dụng chấn động của động đất và dao động của tầng đất
nhiều lớp trên nền đá cứng.
Chương 3: Tính toán công trình ngầm chịu tác dụng của động đất.
Chương 4: Tính toán các công trình giao thông ngầm tại thành phố Hồ Chí
Minh chịu tác dụng của động đất.
Kết luận chung: Trình bày các kết quả chính và những đóng góp mới của
luận án.
Phụ lục: chương trình tính và các bài báo của tác giả.


4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH NGẦM ĐÔ THỊ
CHỊU TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT
1.1. Khái niệm về động đất và những tác động, thiệt hại do động đất đối
với công trình ngầm
Động đất là hiện tượng dao động rất mạnh nền đất xảy ra khi một nguồn
năng lượng lớn được giải phóng trong thời gian rất ngắn do sự rạn nứt đột ngột
trong phần vỏ hoặc trong phần áo trên của trái đất [8]. Động đất xảy ra làm ảnh
hưởng lớn đến đời sống con người, đồng thời gây mỏi kết cấu, chuyển vị, hư

hỏng công trình xây dựng và được con người cảm nhận qua sự chuyển động
mặt đất, rung lắc công trình. Ảnh hưởng của động đất đối với công trình ngầm
thường được thể hiện qua hai dạng: rung lắc của đất nền bởi động đất và hư
hỏng đất nền do hóa lỏng nền đất, do chuyển vị và mất ổn định hay trượt.
1.1.1. Động đất và nguồn gốc
Động đất là sự dao động của bề mặt trái đất do các sóng truyền đến từ một
nguồn gây ra trong lòng quả đất. Trung tâm của chuyển động của động đất nơi
phát ra năng lượng được gọi là chấn tiêu. Hình chiếu của chấn tiêu lên bề mặt
trái 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
cự hoặc là khoảng cách chấn tâm (L). Khoảng cách từ chấn tiêu đến điểm quan
trắc được gọi là tiêu cự hoặc là khoảng cách chấn tiêu (R).

Hình 1 - 1. Mô tả các yếu tố của động đất.


5

Nguồn gốc của động đất xuất hiện từ các yếu tố sau:
- Động đất do từ đứt gãy kiến tạo. Nguyên nhân do năng lượng biến dạng
được tích lũy trong các đứt gãy, nó sẽ giải phóng năng lượng khi nó vượt quá
giới hạn đàn hồi của vật liệu.

Hình 1 - 2. Các dạng đứt gãy trượt theo đường dốc và trượt ngang, dãn nở.
- Động đất xảy ra do các hoạt động kiến tạo mảng: do các mảng lớn như
Châu Phi, Châu Mỹ, Châu Úc - Ấn, Châu Á – Âu, Châu Nam cực và các mảng
khác bị tách đứt thành các mảng nhỏ hơn. Sự tách làm giải phóng năng lượng
biến dạng làm xảy ra động đất. Thông thường các trận động đất này xảy ra gần
biên của các mảng.
Vùng gờ mở rộng

Vùng hút chìm

Vùng đứt gãy

Mảng trườn lên

Dung nham trào lên

Mảng rúc xuống

Hình 1 - 3. Mô tả các dạng trượt giữa các mảng.
- Động đất phát sinh từ các nguồn khác như các vụ nổ lớn của thuốc nổ,
các hoạt động của núi lửa, do bị kích thích bởi xây dựng công trình như đập
thủy điện tích nước, ..v.v.
1.1.2. Những tác động và mức độ thiệt hại do động đất đối với công trình ngầm
Dowding C.H., và Rozen A. (1978), thống kê các trận động đất mạnh


6
làm ảnh hưởng đến một số công trình ngầm bị thiệt hại nghiêm trọng và bị hư
hỏng nặng. Các nhà khoa học đưa ra các quan điểm về tình trạng tác hại động
đất gây hư hỏng công trình ngầm tương ứng với gia tốc đạt đỉnh của các hạt
môi trường nền đất đá như Bảng 1. 1,[28],[47].
Bảng 1. 1. Tình trạng hư hỏng công trình ngầm theo gia tốc đỉnh [28],[47]
Gia tốc đạt đỉnh của các
hạt môi trường nền
đất đá
a g ≤ 0,19g
0,19g < a g ≤ 0,5g

ag > 0,5g

Tình trạng hư hỏng công trình ngầm
Các hầm không bị thiệt hại khi động đất xảy ra
Hầm bị thiệt hại chút ít
Hầm có thể bị hư hại nghiêm trọng

1.1.2.1. Các biến dạng của công trình ngầm khi bị động đất
Khi động đất xảy ra sóng cắt lan truyền vuông góc với trục hầm làm cho hầm
tròn bị biến dạng thành hình o van và hầm hình chữ nhật biến dạng thành hình bình
hành. Đồng thời công trình ngầm cũng bị các biến dạng dọc trục (chịu kéo dãn, nén)
hay biến dạng uốn, biến dạng trượt do sóng truyền dọc theo trục hầm.
Theo Dowding và Rozen (1978), Owen và Scholl (1981), Sharma và
Judd, và Power (1998) [47] đã mô tả các biến dạng này bởi do một hay tổ hợp
các nguyên nhân:
- Các thiệt hại xuất hiện bởi sự phá hủy môi trường xung quanh như sự
kéo dãn hay trượt;
- Các thiệt hại do chuyển dịch trong vùng đứt gãy;
- Các thiệt hại do xuất hiện dao động của đất môi trường khi lan truyền
sóng địa chấn..v..v..
1.1.2.2. Các dạng phá hủy của công trình ngầm khi bị động đất [31],[37]
a. Dạng hầm bị phá hủy khi bị trượt
Trường hợp này xảy ra khi hầm xuyên ngang qua vùng đứt gãy thể hiện
trên Hình 1 - 4.


7

Các khe nứt

Hình 1 - 4. Phá hủy hầm khi trượt đất ở vùng đứt gẫy.
b. Công trình ngầm bị sụt trượt mái dốc
Xuất hiện khi hầm được bố trí song song với mái dốc và mái dốc có khả
năng trượt khi xảy ra động đất.

Sụt trượt
mái dốc

Hình 1 - 5. Dạng phá hủy – sụt trượt mái dốc làm phá hủy hầm.
c. Công trình ngầm nứt dọc trục hầm
Hiện tường này do bị tác động của sóng dọc trục hầm và do sự lan truyền
sóng ngang dưới góc 450 với trục hầm.

Tách bóc
Khe nứt

Hình 1 - 6. Dạng các khe nứt dọc trục hầm, dọc phía trên nóc và đáy hầm.


8
d. Công trình ngầm bị nứt ngang hầm
Xuất hiện khi sóng dọc lan truyền dọc trục hầm trong các tiết diện ngang
xuất hiện ứng suất kéo – nén, các ứng suất này gây nên các khe nứt hoặc các
mối nối giữa các đốt hầm không đủ khả năng chịu lực.

Hình 1 - 7. Dạng thiệt hại – Các khe nứt ngang

Các khe
nứt

e. Công trình ngầm bị nứt nghiêng
Ngoài các khe nứt dọc, nứt ngang, có các khe nứt nghiêng một góc 300 –
600 với mặt cắt ngang, thường xuất hiện một bên và kết thúc tại các liên kết
giữa các vành tròn kết cấu như Hình 1 - 8.

Các khe nứt

Hình 1 - 8. Dạng thiệt hại – Các khe nứt nghiêng.
f. Công trình ngầm bị nứt phần mở rộng
Vết nứt phần mở rộng xảy ra khi có sự sụp đổ một phần của hầm do biến
dạng địa chấn lớn; thường xảy ra tại các vị trí giao nhau như buồng thiết bị
thông gió, buồng cứu hỏa,.v..v.
Vị trí sụt phần vỏ hầm
Vị trí bị
bong tróc
Vết nứt

Hình 1 - 9. Dạng thiệt hại do nứt phần mở rộng.