Tính toán sức chịu tải của cọc trong nền cát hóa lỏng do động đất guyễn thị hải; phan tá lệ (hướng dẫn khoa học)

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



NGUYỄN TRUNG PHONG

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

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

TP. Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2017


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



NGUYỄN TRUNG PHONG

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

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

TP. Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2017


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học:

TS. PHAN TÁ LỆ
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công
nghệTP.HCM ngày 05 tháng 05 năm 2017
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
Họ và tên

TT

Chức danh
Hội đồng

1

TS. Khổng Trọng Toàn

Chủ tịch

2

PGS.TS. Dương Hồng Thẩm

Phản biện 1

3

TS. Trần Tuấn Nam

Phản biện 2

4

TS. Nguyễn Văn Giang

5

TS. Trương Quang Thành

Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

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


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TP. HỒ CHÍ MINH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN TRUNG PHONG

Giới tính: nam

Ngày, tháng, năm sinh: 14/10/1986

Nơi sinh: Lâm Đồng

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng

MSHV: 1341870045

công trình dân dụng và công nghiệp
I. Tên đề tài
Tính toán sức chịu tải của cọc trong nền cát hóa lỏng do động đất.
II. Nhiệm vụ và nội dung
1. Nhiệm vụ
Nhiệm vụ của đề tài “ Tính toán sức chịu tải của cọc trong nền cát hóa lỏng
do động đất”
-

Đánh giá khả năng hóa lỏng của nền đất do động đất.

-

Tính toán sức chịu tải của cọc trong nền đất hóa lỏng do động đất

2. Nội dung

-

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

-

Thí nghiệm nén ba trục chịu tải trọng lặp.

-

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

Theo tiêu chuẩn Nhật bản và theo Marcuson.
-

Kết luận và kiến nghị.

III. Ngày giao nhiệm vụ

: …......./…....../2016

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

Tiến sĩ Phan Tá Lệ

: Tiến sĩ Phan Tá Lệ

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn
của TS. Phan Tá Lệ. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa
từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Đồng thời, các thông tin
trích dẫn trong Luận văn được tôn trọng và đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả

NGUYỄN TRUNG PHONG


ii

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn đến tập thể thầy cô trong chương
trình đào tạo thạc sĩ 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 Tiến sĩ Phan Tá Lệ đã trực tiếp
hướng dẫn khoa học. Thầy đã đưa ra những gợi ý đầu tiên hình thành ý tưởng 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 này được thực hiện với tất cả sự cố gắng, nổ 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 tránh khỏi những khiếm khuyết, sai sót,
rất mong nhận được sự giúp đỡ, góp ý chân thành của quý Thầy, Cô, cán bộ khoa
học và bạn đồng nghiệp để các nghiên cứu tiếp theo về đề tài này được hoàn thiện
hơn.
Xin chân thành cảm ơn .
NGUYỄN TRUNG PHONG


iii

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


iv

ABSTRACT

* Subject:
Calculate load capacity of the pile in liquefied sand because of earthquake
* Keywords:
Load capacity of the pile in liquefied sand
* Abstract:
Soil liquefaction is a phenomenon in which the land's carrying capacity is
reduced due to earthquake’s loads or impact loads during period of a short time
caused. Soil liquefaction caused significant damage in the history of earthquakes
occured in the world and led to breaking and damage many buildings.
This thesis investigated the effect of liquefaction of the ground to the load
capacity of the pile. Comparison of bearing capacity of piles considering the
liquefied Vietnamstandard, Japan and Marcuson standards. In addition, the thesis
also presents compression test 3-loadaxis to determine the ability of the soil
liquefied according to ASTM D5311 - M13.


v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN .........................................................................................................ii
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN .....................................................................iii
ABSTRACT ........................................................................................................... iv
MỤC LỤC .............................................................................................................. v
DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN ........................................ ix
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU...................................... 1
1.1. Giới thiệu. ..................................................................................................... 1
1.2 Tổng quan về động đất .................................................................................. 2
1.2.1 Động đất ................................................................................................. 2

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


vi

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

3.4.1 Giới thiệu. ............................................................................................. 41
3.4.2. Kết quả thí nghiệm. .............................................................................. 42
3.4.4. Nhận xét chương 3. .............................................................................. 73
CHƯƠNG 4. SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC TRONG NỀN CÁT HÓA LỎNG DO
ĐỘNG ĐẤT .......................................................................................................... 74
4.1 Cọc bị mất, giảm sức chịu tải. ..................................................................... 74
4.2. Sức chịu tải đứng của cọc trong nền cát hóa lỏng. ...................................... 74
4.3. Quy trình tính toán sức chịu tải của cọc đơn có kể đến hoá lỏng của đất nền .
.......................................................................................................................... 75
4.3.1. Theo TCVN 10304.............................................................................. 75
4.3.2. Theo tiêu chuẩn Nhật Bản JRA. .......................................................... 78
4.3.3. Theo Marcuson. .................................................................................. 80
4.4. Nhận xét chương 4. .................................................................................... 82
CHƯƠNG 5. ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG HÓA LỎNGVÀ TÍNH TOÁN SỨC
CHỊU TẢI CỦA CỌC TRONG NỀN HÓA LỎNGKHU VỰC QUẬN PABEDAN,
THÀNH PHỐ YANGON ...................................................................................... 83
5.1. Giới thiệu. ................................................................................................... 83
5.2. Số liệu địa chất. .......................................................................................... 85
5.3. Đánh giá tiềm năng hóa lỏng. ..................................................................... 97


vii

...................................................................................................................... 97
5.4. Phân tích sức chịu tải của cọc. ................................................................. 103
5.5. Nhận xét chương 5. .................................................................................. 108
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 109
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 111
PHẦN PHỤ LỤC
Phụ lục 1. Kết quả thí nghiệm nén ba trục chịu tải trọng lặp.

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


viii

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

Hình 5.4 Suy giảm sức chịu tải của cọc khi đất nền hóa lỏng. ............................. 107


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN
Bảng 2.1: Đánh giá tính dễ hóa lỏng của đất trầm tích ........................................... 19
Bảng 2.2: Hệ số quan sát hóa lỏng ......................................................................... 20
Bảng 2.3: Hệ số lịch sử động đất trong quá khứ ..................................................... 20
Bảng 2.4: hệ số phân loại địa chất (Youd và Perkins 1987).................................... 21
Bảng 2.5: hệ số chất lượng phân loại ..................................................................... 22
Bảng 2.6: hệ số cấp phối ........................................................................................ 23
Bảng 2.7: hệ số hình dạng hạt ................................................................................ 23
Bảng 2.8: hệ số hàm lượng hạt sét ......................................................................... 23
Bảng 2.9: hệ số dẻo ............................................................................................... 24
Bảng 2.10: hệ số độ ẩm ......................................................................................... 24
Bảng 2.11: hệ số biên không thoát nước ................................................................ 24
Bảng 2.12: hệ số mực nước ngầm .......................................................................... 25
Bảng 2.13: Giá trị trung bình của hàm rd( theoSeed, 1974) .................................... 28
Bảng 2.14: Giá trị trung bình neqtheo chấn cấp M (theo Seed 1975) ....................... 29
Bảng 2.15: Các giá trị của hệ số CM...................................................................... 30
Bảng 2.16: Các hệ số hiệu chỉnh giá trị. ................................................................. 33
Bảng 3.1: Danh sách 12 mẫu cố kết đẳng hướng không thoát nước chịu tải trọng lặp
.............................................................................................................................. 41
Bảng 3.2: Kết quả thí nghiệm nén 3 trục mẫu cố kết đẳng hướng không thoát nước
chịu tải trọng lặp trên mẫu cát. ............................................................................... 67
Bảng 3.3: Kết quả thí nghiệm nén 3 trục mẫu cố kết đẳng hướng không thoát nước
chịu tải trọng lặp trên mẫu bùn. ............................................................................. 69
Bảng 3.4: Kết quả tính toán theo Marcuson ........................................................... 71
Bảng 4.1 - Giá trị hệ số nền ................................................................................... 75

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


x

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


1

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

6,7 độ Richter, xảy ra trên đới đứt gãy Sông Mã; trận động đất tại Tuần Giáo năm
1983, có cường độ 6,8 độ Richter, xảy ra trên đứt gãy Sơn La, gây nên sụt lở, nứt
đất trên diện rộng, sụt lở lớn trong núi, gây hư hại nhà cửa trong phạm vi bán kính
đến 35 km…[1].
Ở Việt Nam đã, đang và sẽ tiến hành xây dựng nhiều công trình xây dựng
lớn như nhà máy điện hạt nhân; công trình ngoài khơi; đập thủy điện, công trình
cầu, cảng lớn; nhà cao tầng… phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất
nước. Sự kiện các trận động đất kích thích xảy ra tại khu vực thủy điện Sông Tranh
2- Bắc Trà Mi, Quảng Nam gần đây đặt ra cho các cơ quan quản lý nhà nước cần
phải xây dựng một chiến lược phòng tránh và giảm nhẹ hậu quả động đất ở Việt
Nam trong đó 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, đặc biệt là về tiêu
chuẩn thiết kế kháng chấn, dữ liệu động đất; mô hình, phương pháp tính toán v..v.
Khác với các loại tải trọng động tác dụng lên công trình như tải trọng gió.
Động đất gây ra chuyển động ở móng công trình, cho nên nó chứa đựng tiềm năng


2

phá hoại rất lớn đối với công trình. Thật vậy theo Newmark và Rosenblueth [5]:
“Động đất làm bộc lộ một cách hệ thống các sai sót trong thiết kế cũng như trong
xây dựng công trình, kể cả những sai sót nhỏ nhất và xét về phương diện này, động
đất làm cho môn học địa chấn công trình trở nên cấp thiết và hấp dẫn, có giá trị
nghiên cứu, học tập vượt xa mục tiêu trực tiếp của nó”.
1.2 Tổng quan về động đất
1.2.1 Động đất
“Sự dao động của bề mặt quả đất do các sóng truyền đến từ một nguồn gây
ra trong lòng quả đất được gọi là động đất”[7],(hình 1.1).
Trung tâm của các chuyển động địa chấn, nơi phát ra năng lượng về mặt lý

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

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


3

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

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

(1911) đã đưa ra thuyết bật đàn hồi (Elastic- Rebound Theory) khi quan sát một đứt
gãy trên bề mặt đất sau trận động đất ở San Francisco, California (1906),
[2],[5],[6],[8],[7]. Thuyết giải thích rằng 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. Năng lượng giải phóng được truyền dưới dạng sóng truyền theo các hướng và
làm dao động các công trình đứng trên mặt đất. Lý thuyết này giải thích hiện tượng


4

chu kỳ xảy ra các trận động đất ở các đứt gãy kiến tạo; hiện tượng tiền chấn, dư
chấn, cường độ động đất... Có thể hiểu thuyết này qua hình sơ họa sau :Hình 1.3a
thể hiện đoạn đường thẳng ở tình trạng tự nhiên ban đầu. Hình 1.3b thể hiện quá
trình tính lũy biến dạng trước khi động đất, đoạn thẳng bị vặn từ từ. Hình 1.3c thể
hiện đoạn thẳng bị đứt gãy sau trận động đất và trở lại tình trạng tự nhiên ban đầu
(vẫn thẳng). Và cũng theo thuyết này, giữa các vật liệu dẻo thì sự tích luỹ năng
lượng càng lớn, còn giữa các vật liệu có tính giòn có tính tích luỹ nhỏ nên dễ giải
phóng năng lượng hơn.
a) Tình trạng tự nhiên ban đầu
b) Tình trạng biến dạng trước khi động đất
c) Sau khi động đất

Hình 1.3 Mô phỏng thuyết bật đàn hồi của đứt gãy gây ra động đất [7]
- Động đất có nguồn gốc từ hoạt động kiến tạo mảng
Vào cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20, nhiều nhà khoa học đã đưa ra thuyết kiến
tạo mảng (plate tectonics) hay còn gọi là thuyết lục địa trôi (continental driff) để
giải thích cho nguồn gốc của các trận động đất trên thế giới [5]( Antonio SniderPellegrini, 1858; F.B Taylor, 1908; Alfred Wegener, 1915).
Thuyết kiến tạo mảng cho rằng lớp vỏ của quả đất không là một khối mà
gồm 6 mảng lớn (Châu Phi, Châu Mỹ, Châu Nam cực, Úc-Ấn, Á- Âu, Thái Bình
Dương) và 14 mảng nhỏ hơn. Các mảng lớn lại bị đứt gãy thành các mảng con. Sự

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


5

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

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

6

1.2.3 Sóng động đất
Sóng phát ra từ tâm động đất theo mọi hướng và giảm dần khi càng xa tâm
động đất. Sóng động đất bao gồm sóng vật thể và sóng bề mặt. Sóng vật thể được
phân ra làm hai loại: sóng dọc P và sóng cắt S (hình 1.5). Sóng dọc P gây ra co dãn
môi trường, các hạt dao động theo phương truyền sóng và có khả năng truyền qua
nền đá cứng như granit lẫn chất lỏng như dung nham núi lửa hoặc nước biển. Sóng
cắt S gây ra chuyển động và không làm thay đổi thể tích môi trường, các hạt dao
động trong mặt phẳng thẳng góc với phương truyền sóng. Sóng cắt còn phân biệt
sóng cắt thẳng đứng SV và sóng cắt nằm ngang SH. Sóng cắt không thể lan truyền
trong môi trường lỏng hoặc khí vì các môi trường này không có khả năng chịu ứng
suất cắt. Mỗi loại sóng có vận tốc đặc trưng riêng. Vận tốc của sóng dọc lớn hơn
vận tốc của sóng cắt. Chính nhờ hiệu ứng này và dựa trên đo đạc dao động mặt đất
ở trạm đo địa chấn khác nhau có thể đánh giá được vị trí chấn tâm (focus) và chấn
tiêu (epicenter) của trận động đất. Sóng khi lên tới bề mặt, do ảnh hưởng của bề mặt
và cấu tạo phân lớp của lớp vỏ trái đất sẽ xuất hiện sóng bề mặt bao gồm sóng
Rayleigh (sóng dọc) và sóng Love (sóng cắt).

Hình 1.5 Biến dạng nền đất do sóng vật thể gây ra [6]


7

Sóng Rayleigh làm cho các chất điểm chuyển động theo một quỹ đạo hình
elip trong mặt phẳng thẳng đứng song song với hướng truyền sóng (hình 1.7). Sóng
Love là sóng cắt S nhưng không có thành phần thẳng đứng SV, nó làm cho các chất
điểm chuyển động trong mặt phẳng nằm ngang song song với mặt đất, vuông góc
với hướng truyền sóng (hình 1.7).

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

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


8

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


9

công trình so với thang MM), sau đó cường độ động đất được đánh giá qua hàm
chuyển dời cực đại của con lắc tiêu chuẩn có chu kỳ dao động riêng T= 0,25s.
Năm 1935 Ch. Richter (Mỹ) [3] đề ra thang đo độ lớn động đất bằng cách
đánh giá gần đúng năng lượng được giải phóng ở chấn tâm.
Theo định nghĩa, độ lớn M (Magnitud) của một trận động đất bằng logarit
thập phân của biên độ cực đại A (µm) ghi được ở tại một điểm cách chấn tâm 100
km trên máy đo địa chấn có chu kỳ dao động riêng 0,8 s.
M = logA

(1.1)

Quan hệ giữa năng lượng E được giải phóng ở chấn tiêu với cường độ sóng
mặt MS được tính theo công thức
logE = 11,8 + 1,5MS

(1.2)

Từ biểu thức (1.2) cho thấy rằng khi độ lớn động đất Ms tăng lên 1 thì năng
lượng E được giải phóng tăng lên 101,5 hoặc 32 lần; còn khi Mstăng lên 2, năng
lượng E được giải phóng tăng lên 1000 lần.
1.2.5 Nhiệm vụ thiết kế kháng chấn cho cho công trình
Khi thiết kế công trình chịu tải trọng động đất người ta có thể sử dụng khái
niệm “trận động đất thiết kế ” như sau:
- Một trận động đất vừa phải hợp lý có thể xuất hiện một lần trong tuổi thọ
công trình là cơ sở để thiết kế. Công trình cần được thiết kế để chịu được cường độ
chuyển động của nền được sinh ra bởi trận động đất mà không gây thiệt hại quan
trọng nào.
- Trận động đất mạnh có thể xuất hiện trong vùng xây dựng được dùng để
tính toán kiểm tra an toàn cho công trình. Vì trận động đất này rất không chắc xảy

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


10

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

a)

b)

11

Hình 1.8 Gia tốc, vận tốc và chuyển vị theo thời gian tồn tại theo hướng Đông Tây
tại Gilroy-California(1989) của chuyển động nền đá(a) và nền đất (b)[8]
-Thời gian tồn tại chuyển động mạnh của nền có ảnh hưởng lớn tới thiệt hại
do động đất. Một vài quá trình vật lý, như sự suy giảm độ cứng và cường độ của
những dạng nào đó của kết cấu và tích luỹ áp lực nước lỗ rỗng trong cát không chặt
bão hoà, làm thay đổi số lần ngược dấu tải trọng và ứng suất khi có động đất. Sự
chuyển động trong thời gian ngắn không đủ sản sinh tải trọng nguy hiểm trong kết
cấu ngay cả nếu cường độ chuyển động lớn. Chuyển động với cường độ vừa phải,
nhưng thời gian dài có thể sinh ra tải trọng ngược dấu dẫn tới nguy hiểm đáng kể.
Thời gian của chuyển động mạnh của nền có liên quan tới thời gian giải phóng năng
lượng tích luỹ bởi chiều dài nếp đứt gãy. Cũng như chiều dài hoặc vùng hoặc nếp
đứt gãy nhiều thì thời gian gián đoạn nhiều hơn. Kết quả là thời gian chuyển động
của nền lâu hơn khi cường độ động đất mạnh hơn. Khoảng thời gian của chuyển
động phụ thuộc vào những khoảng cách khác nhau.
1.3 Tình hình nghiên cứu về hóa lỏng.
Các nghiên cứu về hóa lỏng tập trung vào 3 hướng chính sau:
- Nghiên cứu đánh giá tiềm năng hóa lỏng; mô hình, tính chất của đất sau
hóa lỏng.
+ Năm 1971 hai nhà khoa học Seed và Idriss [11] đã đưa ra phương pháp
đơn giản để đánh giá hóa lỏng của đất nền (Phương pháp xuyên tiêu chuẩn ), đây là
phương pháp cơ bản cho nghiên cứu hóa lỏng. Tiếp theo nhiều nhà khoa học khác
cũng đã nghiên cứu đưa ra những phương pháp đánh giá hóa lỏng khác nhau:
Phương pháp biến dạng (Dorby 1982[20]; Phương pháp theo tốc đô sóng cắt
(Tokimatsu và Uchida 1990[14], Robertson1992[15], Kayen1992[17]; Andrus và
Stokoe 1997[18]; Phương pháp xuyên tĩnh (Robertson và Wride, 1998 [16]).
+ Seed, Booker (1977)[12] và Dealba, Chan (1975)[21] đã đo lường tốc độ
gia tăng của áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong cát bão hòa trong suốt quá trình hóa
lỏng trong thí nghiệm cắt đơn tuần hoàn; Lee and Albaisa (1974)[19]; đưa ra công

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