Tính ổn định đê chắn sóng dưới tác động của động đất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------------------

VÕ THỊ KIM THOA

TÍNH ỔN ĐỊNH ĐÊ CHẮN SÓNG
DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT

CHUYÊN NGÀNH: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
MÃ SỐ

: 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2013


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------------------

VÕ THỊ KIM THOA

TÍNH ỔN ĐỊNH ĐÊ CHẮN SÓNG
DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT

CHUYÊN NGÀNH: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
MÃ SỐ

: 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2013


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG
Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS. VÕ PHÁN
Cán bộ chấm nhận xét 1:
Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG
TP. Hồ Chí Minh ngày …….tháng……năm…..
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ:
1……………………………………………………
2……………………………………………………
3……………………………………………………
4……………………………………………………
5……………………………………………………
Xác nhận của Chủ tịch hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHỊNG ĐÀO TẠO SĐH

Đợc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên

Phái

: Nữ

Ngày tháng năm sinh : 08/07/1987

Nơi sinh

: Đồng Tháp

Chuyên ngành

Mã số ngành

: 60.58.60

I.

: VÕ THỊ KIM THOA

: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng

TÊN ĐỀ TÀI:
Tính ổn định đê chắn sóng dưới tác động của động đất

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
1. Thu thập các nghiên cứu liên quan, phân tích và hệ thớng các nghiên cứu trên.
2. Trình bày cơ sở lý thuyết của các phương pháp trên.
3. Phân tích, tính tốn và áp dụng cho một đê chắn sóng ở Việt Nam.
4. Nhận xét và phân tích các kết quả đạt được.
5. Các kết luận và kiến nghị khoa học.
II.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/06/2012

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2013
IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1: TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2: PGS.TS. VÕ PHÁN
Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2013
CB HƯỚNG DẪN 1

CB HƯỚNG DẪN 2

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
ĐÀO TẠO

TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

PGS.TS. VÕ PHÁN

TRƯỞNG KHOA

PGS.TS VÕ PHÁN


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp cao học tại trường Đại
học Bách Khoa Tp.HCM, tôi muốn gửi lời biết ơn sâu sắc đến những người đã giúp
đỡ mình có thể hồn thành tớt khóa học.
Đầu tiên, tơi xin cảm ơn ba mẹ đã dưỡng nuôi, dạy dỗ con trưởng thành,
khuyến khích, động viên con luôn cố gắng trên con đường học tập.
Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Võ Phán và Thầy Trương
Ngọc Tường, hai người Thầy trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tơi tận tình để tơi có thể
hồn thành tớt Luận văn.
Tơi xin gửi lời cám ơn đến quý Thầy Cô trong bộ môn Địa cơ – Nền móng,
bằng tất cả lịng tận tụy các Thầy Cô đã truyền đạt những kiến thức vô cùng quý báu
cho tơi có thêm nhiều kinh nghiệm nghề nghiệp, kiến thức chun mơn để tơi có thể
hồn thành tớt khóa học.
Tôi cũng gửi lời cám ơn đến chồng, người đã san sẻ cơng việc, ln động viên
tơi trong q trình học tập cũng như trong q trình hồn thành Luận văn.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cám ơn đến các bạn trong lớp Địa kỹ thuật Xây dựng
khóa 2011 đã hỗ trợ tơi rất nhiều trong q trình học tập.
Xin chân thành cám ơn !
TP.HCM, ngày 21 tháng 6 năm 2013
Học viên thực hiện
VÕ THỊ KIM THOA


TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
TÍNH ỔN ĐỊNH ĐÊ CHẮN SĨNG DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT

TĨM TẮT: Việc tính tốn hóa lỏng dựa theo các nghiên cứu của Seed và cộng
sự (1983), nghiên cứu của Idriss và Boulanger (2004).
Phương pháp động, sử dụng phổ gia tốc động đất theo thời gian cũng đã được nghiên
cứu, áp dụng bộ phần mềm GeoStudio 2007.v.20 với các mơ đun tính tốn thấm
(Seep/W), tính ứng suất, chuyển vị (Sigma/W), tính động đất (Quake/W) và tính ổn
định (Slope/W), có so sánh với phương pháp giả tĩnh.
Các nghiên cứu trên được áp dụng tính toán cho cơng trình đê chắn sóng Dung Quất –
Qng Ngãi, Việt Nam.

EFFECT OF EARTHQUAKE ON STABILITY OF BREAKWATER
ABSTRACT: Evaluating the liquefaction based on experience of Seed et al
(1983), Idriss and Boulanger (2004).
Dynamic method: using acceleration spectrum vesus time, was researched. Applying
Software system GeoStudio 2007.v.20 to calculate seepage (Seep/W), Stress and
displacement (Sigma/W), earthquake (Quake/W) and stability (Slope/W). Resutls of
dynamic method were compared with resutls of pseudo-static method.
These theory were applied to calculate Dung Quat breakwater.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận văn tốt nghiệp này là cơng trình nghiên cứu thực sự
của cá nhân tôi, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, kiến thức, số liệu đo
đạc thực tiễn và dưới sự hướng dẫn của:
TS. Trương Ngọc Tường
PGS.TS Võ Phán
Các số liệu, mơ hình tính tốn và những kết quả trong Luận văn là hoàn toàn
trung thực. Nội dung của bản Luận văn này hoàn toàn tuân theo nội dung của đề
cương Luận văn đã được Hội đồng đánh giá đề cương Luận văn Cao học ngành Địa
Kỹ Thuật Xây Dựng, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng thông qua.
Một lần nữa, tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam đoan trên.

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................ 1
Tính cấp thiết...........................................................................................................................1
Mục tiêu nghiên cứu ...............................................................................................................1
Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................................1
Tính khoa học và thực tiễn của đề tài ...................................................................................1
Giới hạn phạm vi nghiên cứu ................................................................................................2
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ............................................................................. 3
1.1 Các nghiên cứu trên thế giới ............................................................................................3
1.2 Các nghiên cứu trong nước ..............................................................................................4
CHƯƠNG 2: CƠ SỚ LÝ THUYẾT ............................................................................................ 5
2.1 Động đất .............................................................................................................................5
2.2 Thông số động đất .............................................................................................................5
2.2.1 Độ lớn động đất ....................................................................................................... 5
2.2.2 Cấp động đất (Earthquake magnitude) ................................................................... 6
2.2.3 Gia tốc ngang amax ................................................................................................... 8
2.2.4 Vận tốc ngang lớn nhất ......................................................................................... 10
2.3 Khái qt hóa lỏng..........................................................................................................11
2.4 Khả năng hố lỏng của đất ............................................................................................13
2.4.1 Những đặc trưng lịch sử ........................................................................................ 13
2.4.2 Thông số địa chất .................................................................................................. 14
2.4.3 Thành phần của đất ............................................................................................... 14
2.4.4 Chỉ tiêu trạng thái của đất ..................................................................................... 15
2.4.5 Cường độ của đất sau hóa lỏng ............................................................................. 16
2.5 Tính tốn hố lỏng bằng cơng thức kinh nghiệm ........................................................18

2.5.1 Lý thuyết tính hóa lỏng dựa trên nghiên cứu của Seed & các tác giả (1983) ....... 18
2.5.2 Lý thuyết hóa lỏng dựa trên nghiên cứu của Idriss & Boulager, 2004 ................. 21
2.6 Tính tốn hóa lỏng và ổn định đê theo phương pháp động – Áp dụng bộ phần mềm
GeoStudio 2007 v.7.20 ..........................................................................................................26
2.6.2 Seep/W .................................................................................................................. 28
2.6.3 SigmaW ................................................................................................................. 31
2.6.4 QuakeW ................................................................................................................ 38
2.6.5 SlopeW .................................................................................................................. 56
CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG TÍNH TỐN ..................................................................................... 75


3.1 Giới thiệu chung ..............................................................................................................75
3.2 Mặt bằng tuyến đê ..........................................................................................................75
3.3 Mặt cắt ngang tính tốn .................................................................................................76
3.4 Mực nước, chiều cao sóng ..............................................................................................77
3.4.1 Mực nước thiết kế ................................................................................................. 77
3.4.2 Chiều cao sóng thiết kế ......................................................................................... 77
3.5 Áp dụng tính tốn theo cơng thức kinh nghiệm ..........................................................77
3.5.1 Tính tốn theo cơng thức kinh nghiệm của Seed và các tác giả, 1983 ................. 77
3.5.2 Tính tốn theo cơng thức kinh nghiệm của Idriss và Boulanger, 2004 ................ 80
3.6 Tính tốn ổn định bằng phương pháp động sử dụng hệ thống phần mềm
GeoStudio ...............................................................................................................................82
3.6.2 Mơ hình tính .......................................................................................................... 83
3.6.3 Thơng số vật liệu ................................................................................................... 84
3.6.4 Kết quả tính tốn ................................................................................................... 87
3.6.5 Nhận xét ................................................................................................................ 94
3.7 Kết luận ............................................................................................................................94
CHƯƠNG 4: SO SÁNH VỚI PHƯƠNG PHÁP GIẢ TĨNH................................................... 95
4.1 Tính tốn bằng phương pháp giả tĩnh ..........................................................................95
4.2 Nhận xét ...........................................................................................................................97

KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ ........................................................................................................... 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................................... 99


MỤC LỤC BẢNG

Trang

Bảng 2.1 Quan hệ tương đối giữa độ lớn động đất, gia tốc đỉnh và cấp động đất [10]6
Bảng 2.2 Thang cấp động đất theo MSK-64 ............................................................... 7
Bảng 2.3 Mối quan hệ tương đối giữa gia tốc đỉnh và cấp động đất .......................... 8
Bảng 2.4 Hệ số sử dụng trong công thức của Boore và cộng sự (1993)................... 10
Bảng 2.5 Hệ số sử dụng trong công thức của Joynee và Boore (1988) .................... 11
Bảng 2.6 Giá trị lấy theo Seed (1987) ....................................................................... 17
Bảng 2.7 Bảng tra các hệ số hiệu chỉnh giá trị N60 .................................................. 20
Bảng 2.8 Dữ liệu thơng số thể hiện góc nghiêng của đường phá hoại (after Sladen et
al. 1985b)................................................................................................................... 47
Bảng 2.9 Những phương pháp phân tích dùng trong module Slope/W .................... 58
Bảng 2.10 Bảng thống kê một số phương pháp tính trong module Slope/W ........... 61
Bảng 3.1 Mực nước thiết kế ...................................................................................... 77
Bảng 3.2 Thơng số đầu vào ....................................................................................... 78
Bảng 3.3 Thơng số tính từ công thức tương quan ..................................................... 79
Bảng 3.4 Kết quả tính tốn hố lỏng dựa theo cơng thức kinh nghiệm của Seed và
cộng sự, 1983 ............................................................................................................ 79
Bảng 3.5 Kết quả tính tốn hố lỏng dựa theo cơng thức kinh nghiệm của Idriss và
Boulanger, 2004 ........................................................................................................ 81
Bảng 3.6 Bảng tổng hợp các trường hợp tính tốn ổn định đê chắn sóng bằng bộ
phần mềm GeoStudio 2007.v.20 ............................................................................... 82
Bảng 3.7 Thông số vật liệu của module Seep/W ...................................................... 84
Bảng 3.8 Thông số vật liệu của module v ................................................................. 84

Bảng 3.9 Thông số vật liệu của module Quake/W ................................................... 85
Bảng 3.10 Thông số vật liệu của module Slope/W ................................................... 86
Bảng 3.11 Điều kiện tính tốn................................................................................... 87
Bảng 3.12 Kết quả tính tốn...................................................................................... 88
Bảng 4.1 Kết quả tính ổn định bằng phương pháp giả tĩnh ...................................... 96
Bảng 4.2 So sánh kết quả tính ổn định bằng phương pháp giả tĩnh.......................... 97


MỤC LỤC HÌNH
Trang
Đề xuất mối quan hệ giữa PHA và MMI. (After Trifunac và Brady, 1975a)8
Mơ phỏng hiện tượng hóa lỏng .................................................................. 12
Hiện tượng phun trào cát khi hóa lỏng....................................................... 12
Cường độ kháng cắt sau hoá lỏng sử dụng phương pháp cân bằng giới hạn
(after Seed 1987) ....................................................................................................... 16
Tính tương quan giữa tỷ lệ S r  vc' và  N1 60 S theo Seed (1987), Seed và
r

Harder (1990) và Olson và Srark (2002) .................................................................. 17
Mối quan hệ giữa cường độ kháng lặp với giá trị SPT hiệu chỉnh ............ 20
CN ............................................................................................................... 20
Ví dụ một kết quả tính hố lỏng theo nghiên cứu của Seed và các tác giả
(1983) ........................................................................................................................ 21
Hệ số quy đổi cấp động đất MSF, kết quả theo nhiều nghiên cứu khác
nhau. .......................................................................................................................... 23
Sự biến thiên của   N1 60 theo hàm lượng hạt mịn................................ 24
Sự biến thiên của hệ số giảm ứng suất theo chiều sâu và cường độ động
đất (Idriss1999) ......................................................................................................... 24
Mối quan hệ giữa K và  ..................................................................... 25
Mối quan hệ giữa K và  ' Pa theo Hynes và Olsen (1998) .................... 26

Ví dụ tính hóa lỏng tính tốn theo nghiên cứu Idriss & Boulager, 2004 . 26
Sơ đồ tính tốn bằng bộ phần mềm GeoStudio 2007.v.20 ...................... 28
Đường đẳng thế của dịng thấm ............................................................... 30
Đặc trưng vật liệu khơng đẳng hướng...................................................... 33
Trạng thái ứng suất - biến dạng phi tuyến ............................................... 34
Mối quan hệ giữa đàn hồi lý tưởng và dẻo .............................................. 35
Định nghĩa thơng số mơ hình cho Cam-clay............................................ 36
Đường cong điểm tới hạn trong mơ hình Cam-clay ................................ 37
Đường cong điểm tới hạn trong mơ hình Cam-clay cải tiến.................... 37
Lịch sử gia tốc theo thời gian ................................................................... 40
Điều kiện biên biến dạng ......................................................................... 40


Khơng gian ứng suất ................................................................................ 41
Đường ứng suất có hiệu cho cát rời trong thí nghiệm nén ba trục........... 42
Mặt sụp đổ ................................................................................................ 43
Định nghĩa mặt hoá lỏng (FLS) ............................................................... 43
Thí nghiệm trên cát khơ (after Gru and Krahn, 2002) ............................. 45
Thí nghiệm trên cát sạch (after Gru and Krahn, 2002) ............................ 45
Ứng suất tuần hoàn từ điểm B tới mặt phá hoại ...................................... 45
Minh hoạ đường ứng suất từ điểm X đến mặt phá hoại cho sự sụp đổ cấu
trúc hạt ....................................................................................................................... 46
Góc nghiêng của đường phá hoại khi độ chặt là hàm số ......................... 47
Phạm vi L với sự biến thiên của độ chặt tương đối ban đầu (Lade, 1993)48
Vùng có khả năng xảy ra hố lỏng ........................................................... 49
Trạng thái ứng suất khi q có giá trị nhỏ hơn qss ...................................... 49
Vùng tơ màu được đánh dấu có khả năng hoá lỏng ................................. 50
Sự thay đổi giá trị G qua các lần lặp trong suốt trận động đất ................. 52
Đường cong quan hệ hyperbol giữa  max và Gmax ................................. 52
Hàm Gmax điển hình ............................................................................... 53

Hàm số G-reduction ................................................................................. 54
Hàm số hệ số nhớt .................................................................................... 55
Ghi nhận ứng suất cắt thay đổi theo thời gian ......................................... 56
Ứng suất cắt vịng..................................................................................... 56
Hình dạng mặt trượt điển hình và lực tác dụng lên một lát ..................... 57
Trượt cung tròn ........................................................................................ 58
Mặt trượt phẳng ........................................................................................ 59
Mặt trượt hỗn hợp .................................................................................... 59
Mặt trượt khối .......................................................................................... 59
Ứng suất pháp tuyến dọc theo cung trượt tại chân mái dốc ..................... 60
Ứng suất pháp tuyến dọc theo cung trượt sâu .......................................... 60
Lưới và bán kính cung trượt..................................................................... 62
Đường đồng hệ số an toàn trên lưới của tâm xoay .................................. 62
Bề mặt trượt hỗn hợp trong trường hợp có lớp đất khơng thấm .............. 63
Bề mặt cung trượt được thiết lập đầy đủ .................................................. 63


Điểm Axis point trong tính tốn cung trượt ............................................. 63
Lưới toạ độ trong phương pháp trượt khối .............................................. 64
Bề mặt cung trượt khối............................................................................. 64
Sơ đồ mặt trượt Entry và Exit .................................................................. 64
Bề mặt cung trượt trong phương pháp Auto-locate ................................. 65
Đường bao cường độ chịu cắt Bilinear .................................................... 66
Hàm số lực cắt pháp tuyến từ dữ liệu điểm ............................................. 67
Cường độ chịu cắt theo hàm độ sâu bên dưới đỉnh lớp đất...................... 67
Cường độ chịu cắt theo hàm độ sâu bên dưới mốc chuẩn ....................... 68
Mơ hình cường Frictional-undrained combined ...................................... 68
Áp lực nước lỗ rỗng từ đường thuỷ tĩnh .................................................. 69
Lưới áp lực nước lỗ rỗng được định nghĩa theo hàm không gian............ 70
Mái dốc chịu động đất .............................................................................. 71

Ví dụ ghi nhận của một trận động đất ...................................................... 71
Gia tốc trung bình với hệ số an tồn ........................................................ 72
Gia tốc trung bình theo thời gian trong suốt quá trình động đất .............. 72
Vận tốc trượt theo thời gian ..................................................................... 73
Biến dạng cộng dồn trong suốt quá trình động đất .................................. 73
Kết quả tính hố lỏng bằng Quake/W ...................................................... 74
Cung trượt đi qua vị trí hố lỏng .............................................................. 74
Vị trí cơng trình đê chắn sóng Dung Quất ................................................. 75
Vị trí mặt cắt tính tốn ............................................................................... 75
Mặt cắt ngang tính tốn .............................................................................. 76
Mặt cắt ngang địa chất nền đê khơng thay cát, đá vào lớp 1 ..................... 76
Mặt cắt ngang địa chất nền đê có thay cát, đá vào lớp 1............................ 76
Kết quả tính hố lỏng dựa theo cơng thức kinh nghiệm của Seed và các tác
giả, 1983 .................................................................................................................... 80
Kết quả tính tốn hố lỏng dựa theo cơng thức kinh nghiệm của Idriss và
Boulanger, 2004 ........................................................................................................ 81
Sơ đồ phân tích ổn định đê chịu ảnh hưởng của động đất bằng hệ thống
phần mềm GeoStudio ................................................................................................ 82
Mơ hình tính của module Sigma/W ........................................................... 83


Mơ hình tính của module Quake/W ......................................................... 83
Mơ hình tính của module Seep/W............................................................ 83
Mơ hình tính của module Slope/W .......................................................... 84
Phổ gia tốc tính tốn................................................................................. 85


1
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết

Năm 2010 có rất nhiều trận động đất xảy ra ở Việt Nam, trận lớn nhất đạt 5 độ
Richter. Năm 2012 tại Quảng Nam đã có rất nhiều trận động đất liên tục xảy ra, gây
tổn hại đến cơng trình đập thuỷ điện Sơng Tranh 2. Những thiệt hại do hiện tượng
này gây ra rất to lớn. Là một thảm hoạ cực kỳ đắt đỏ, huỷ hoại hầu hết nhà cửa, cầu,
đường giao thông…và để khắc phục thì cần thời gian dài. Do đó, nghiên cứu về hố
lỏng và sự ổn định của cơng trình trong trường hợp xảy ra động đất là một vấn đề
cấp bách, mang ý nghĩa to lớn về con người và kinh tế.
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu là thu thập tài liệu, nghiên cứu tính tốn ổn định của đê chắn sóng trong
trường hợp động đất theo các phương pháp khác nhau và áp dụng các phần mềm
chuyên dụng.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu gồm các nội dung sau:
Tính tốn phân tích hóa lỏng theo những cơng thức kinh nghiệm.
Mơ phỏng tính tốn ổn định đê chắn sóng trong trường hợp có động đất bằng
phương pháp động bằng hệ thống phần mềm GeoStudio 2007.v.20 với các module:
- Seep/W : tính thấm.
- Sigma/W : tính ứng suất, biến dạng.
- Quake/W : tính động đất
- Slope/W : tính ổn định.
Tính ổn định đê chắn sóng bằng phương pháp giả tĩnh. Từ kết quả thu được so sánh
với kết quả tính được từ phương pháp động.
Tính khoa học và thực tiễn của đề tài
Cảng và các cơng trình ven cảng thường được xây dựng trên nền nằm dưới mực
nước biển hoặc có mực nước ngầm nằm gần mặt đất, dạng nền này rất dễ bị hóa
lỏng khi có động đất xảy ra. Do đó việc tính tốn ổn định cho các cơng trình cảng
và ven cảng dưới tác động của động đất rất phức tạp, việc nghiên cứu và áp dụng
tính tốn có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn.

2
Giới hạn phạm vi nghiên cứu
Sử dụng hai phương pháp tính tốn hố lỏng dựa theo kinh nghiệm của Seed và
cộng sự (1983), nghiên cứu của Idriss và Boulanger (2004).
Tính tốn ổn định đê chắn sóng trong điều kiện động đất phương pháp giả tĩnh và
phương pháp động.
Sử dụng hệ thống phần mềm GeoStudio 2007.v.20 (Seep/W, Slope/W, Sigma/W,
Quake/W).
Áp dụng tính tốn cho một cơng trình cụ thể ở Việt Nam.


3
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.1 Các nghiên cứu trên thế giới
[1] đã nghiên cứu module của đất và hệ số nhớt cho phân tích động đất. Nghiên cứu
này đã tổng kết những dữ liệu có thể sử dụng để xác định giá trị module và hệ số
nhớt cũng như hướng dẫn cách chọn lựa những đặc trưng của đất để sử dụng trong
q trình phân tích động đất.
[2] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của tính dẻo của đất đến khả năng ứng xử khi chịu
tải tuần hoàn. Nghiên cứu đưa ra kết luận chỉ số dẻo (PI) là yếu tố chính kiểm sốt
vị trí của đường cong quan hệ giữa độ giảm module G/Gmax và  c , đường cong quan
hệ giữa hệ số nhớt  và  c cho các loại đất nằm trong khoảng từ sét đến cát.
[3] nghiên cứu mối quan hệ giữa module cắt động đất với hệ số nhớt của cát và sét.
Kết quả cho ra công thức tương quan giữa module cắt động đất với hệ số nhớt.
[4] đã nghiên cứu ảnh hưởng của động đất tới áp lực nước lỗ rỗng tác dụng lên nền
móng. Nghiên cứu chỉ ra rằng sự biến thiên của áp lực nước lỗ rỗng có liên quan
đến sự lan truyền vận tốc của sóng động đất, điều này làm ảnh hưởng đến các thông
số của đất trong mơ hình tích phân. Khi tính tốn nền móng có xét đến áp lực nước
lỗ rỗng sẽ cho kết quả chuyển vị và xoay biến thiên nhiều hơn. Với giá trị hệ số thể
hiện mối quan hệ giữa đặc trưng của đất và điều kiện thí nghiệm nhỏ thì áp lực nước

lỗ rỗng tăng lên theo tốc độ ngày càng nhanh trong các chu kỳ cuối của tải.
[5] đã nghiên cứu phương pháp bán thực nghiệm đánh giá tiềm năng hố lỏng khi
có động đất. Nghiên cứu đưa ra kết luận bất kỳ đánh giá hoá lỏng nào cũng phụ
thuộc trực tiếp vào độ chính xác đặc trưng đất tại hiện trường và trong phịng. Do
đó cần tiến hành phương pháp thí nghiệm tại hiện trường song song với tính tốn
kinh nghiệm để có cơ sở so sánh.
[6] đã nghiên cứu chỉ tiêu độ nhạy hoá lỏng của đất hạt mịn và đất sét. Kết quả của
nghiên cứu chỉ ra: đối với đất hạt mịn có ứng xử như sét, cường độ kháng cắt khơng
thốt nước tuần hồn và đều có liên quan đến trạng thái ứng suất ban đầu. Cường độ
kháng cắt tuần hồn này có thể được ước tính dựa trên số liệu thí nghiệm tại hiện
trường, thí nghiệm trong phịng, và có thể xác định dựa vào mối tương quan với


4
cường độ kháng cắt khơng thốt nước đều của đất (ví dụ như đất trầm tích)
(Boulanger và Idriss 2004). Đất hạt mịn có ứng xử như cát, cường độ tuần hồn có
thể được ước tính bởi mối tương quan giữa giá trị SPT và CPT dựa trên sự hoá lỏng
tương ứng.
1.2 Các nghiên cứu trong nước
[7] nghiên cứu khả năng hóa lỏng của nền đê Hữu Hồng do động đất. Kết quả cho
thấy cấp động đất, mơ hình đất (đàn hồi tuyến tính và đàn hồi tuyến tính tương
đương) đều có ảnh hưởng đến khả năng hóa lỏng của đất. Cấp động đất càng lớn thì
phạm vi hóa lỏng càng phát triển rộng, mơ hình tuyến tính tương đương cho phạm
vi hóa lỏng nhỏ hơn mơ hình đàn hồi tuyến tính.
[8] nghiên cứu ổn định của đập đất dưới ảnh hưởng của động đất. Nghiên cứu này
đưa ra kết luận phân tích động đất theo phương pháp tĩnh lực khơng phù hợp với
ứng xử của đập đất, kết quả không an toàn cho ổn định trượt mái đập đất, phân tích
động đất theo phương pháp động phù hợp với thực tế, cho kết quả an tồn khi có
động đất thực xảy ra.
[9] nghiên cứu hiện tượng hoá lỏng do động đất đối với đập vật liệu địa phương.

5
CHƯƠNG 2: CƠ SỚ LÝ THUYẾT
2.1 Động đất
Động đất hay địa chấn là một sự rung chuyển của mặt đất. Động đất xảy ra hằng
ngày trên trái đất, nhưng hầu hết là khơng đáng kể. Động đất có thể gây ra lở đất,
đất nứt, sóng thần, nước triều giả, hố lỏng…Điểm mà các sóng địa chấn bắt đầu
được gọi là chấn tiêu, hình chiếu của điểm này lên mặt đất được gọi là chấn tâm. Có
bốn loại sóng địa chấn được tạo ra cùng lúc. Tuy nhiên, chúng có vận tốc khác nhau
và có thể ghi nhận được theo thứ tự như sau: sóng P, sóng S, sóng Love và sóng
Rayleigh.
2.2 Thơng số động đất
2.2.1 Độ lớn động đất
Cơ sở để xác định cấp động đất theo thang động đất dựa vào sự cảm nhận của con
người, mức độ phá huỷ các cơng trình xây dựng hay mức độ huỷ hoại và biến dạng
của mặt đất, nhưng chưa thể hiện được độ lớn tổng thể, quy mô của trận động đất.
C.F.Richter (1935) đã đưa ra đơn vị nhằm xác định độ lớn của trận động đất hay
còn gọi là độ Richter, ký hiệu là: M. Theo định nghĩa: độ Richter là logarit cơ số 10
của biên độ lớn nhất của dao động nền đất đo bằng micromet (  m  106 m ) trên
băng ghi của địa chấn kế Wood-Anderson đặt cách tâm chấn 100km. Độ lớn của
động đất được biểu diễn thông qua biểu thức:
M  log A

(2.1)

Trong đó:
A:

biên độ dao động cực đại (mm) với chu kỳ tiêu chuẩn 0.8s cách tâm

chấn 100km.
Mối quan hệ giữa độ lớn động đất M (độ Richter) và cường độ động đất I được biểu
diễn qua công thức Blake-Shebaline:
I  1.5M  3.5lg h2  d 2  3

Trong đó:
h:

độ sâu chấn tiêu, km;

(2.2)


6
khoảng cách từ điểm đang xét tới chấn tâm, km.

d:

Cần lưu ý, không nên nhầm lẫn giữa độ lớn động đất M (biểu thị phần năng lượng
được giải phóng) và cường độ động đất I (biểu thị sự phá hoại trên mặt đất tại một
điểm nào đó khi động đất xảy ra). Có thể biểu diễn gần đúng mối liên hệ giữa độ
lớn động đất M, gia tốc đỉnh amax và cấp động đất như trong Bảng 2.1
Bảng 2.1 Quan hệ tương đối giữa độ lớn động đất, gia tốc đỉnh và cấp động đất
[10]
Độ lớn động đất

Gia tốc đỉnh

Chu kỳ dao động

Cấp động đất

M

amax

đất nền

(theo thang MM)

≤2

--

--

I-II

3

--

--

III

4

--

--

IV-V

5

0,09g

2s

VI-VII

6

0,22g

12s

VII-VIII

7

0,37g

24s

IX-X

≥8

≥0,50g

≥34s

XI-XII

2.2.2 Cấp động đất (Earthquake magnitude)
Cường độ chấn động mà động đất gây ra trên mặt đất được đánh giá theo các thang
phân bậc mức độ tác động của động đất đối với các kiểu nhà cửa, cơng trình, đồ vật,
con người và biến dạng mặt đất.
Hiện nay, trên thế giới thường sử dụng thang MSK-64 (Medvedev-SponheuerKarnik) để đánh giá cường độ chấn động. Thang MSK-64, được Hội đồng địa chấn
Châu Âu thông qua năm 1964, chia cường độ chấn động thành 12 cấp và được ghi
tóm tắt tại Bảng 2.2
Ngồi thang MSK-64, tại khu vực Bắc Mỹ còn sử dụng thang Mercalli cải biến
(Modified Mercalli Scale, MM). Thang MM gồm 12 cấp và nói chung là trùng với
thang MSK-64. Nhật Bản sử dụng thang JMA chỉ gồm có 7 cấp.


7
Bảng 2.2 Thang cấp động đất theo MSK-64

II

Cường
độ động
đất
Không
đáng kể
Rất nhẹ

III

Nhẹ

Cấp
động
đất
I

IV
V

VI

Hậu quả tác động động đất
Lên con người
Lên cơng trình XD Lên môi trường
Không cảm nhận
được
Cảm nhận rất nhẹ

Chủ yếu những
người đang nghỉ
ngơi mới cảm nhận
được
Hơi mạnh Người ở trong nhà
cảm nhận được
Tương Người ở trong và
đối mạnh ngoài nhà cảm

nhận được, người
đang ngủ thức dậy
Mạnh
Nhiều người hoảng
sợ

VII

Rất mạnh Nhiều người chạy
khỏi nhà

VIII

Thiệt hại

Tất cả mọi người
hoảng sợ

IX

Thiệt hại
lớn

Sợ hãi

X

Cực kỳ
thiệt hại

Sợ hãi bao trùm

XI

Hủy diệt

Sợ hãi bao trùm

Kính cửa sổ bị rung
Các đồ vật treo đung
đưa, các bức tranh
treo trên tường bị
dịch chuyển
Kết cấu bị hư hỏng
nhẹ, các vết nứt nhỏ ở
lớp trát.
Hư hỏng lớn kết cấu,
xuất hiện vết nứt ở
tường và ống khói
Nhà bị hư hại, xuất
hiện vết nứt trong
khối xây, tường chắn
mái và đầu hồi bị đổ
Nhà bị hư hỏng diện
rộng, tường và mái bị
đổ
Nhà cửa bị hư hỏng
toàn bộ, nhiều nhà bị
đổ

Một vài vết nứt
nhỏ trên nền đất
ướt
Đất ở các sườn
dốc bị trượt
Mực nước giếng
thay đổi, đường
đắp bị trượt
Nền đất bị nứt,
bị trượt
Bề mặt đất bị
thay đổi, xuất
hiện nhiều giếng
nước mới

Các cơng trình xây
dựng chắc chắn bị hư
hỏng nghiêm trọng
XII
Hủy diệt Sợ hãi bao trùm
Nhà và các cơng trình Bề mặt đất bị
tồn bộ
xây dựng khác bị đổ
thay đổi, xuất
hoàn toàn
hiện nhiều giếng
nước mới
Mối liên hệ giữa gia tốc đỉnh và cấp động đất được biểu thị trong Bảng 2.3

8
Bảng 2.3 Mối quan hệ tương đối giữa gia tốc đỉnh và cấp động đất
Cấp động đất

Gia tốc đỉnh của nền amax (g)
Thang MSK-64

Thang MM

V

0.012 – 0.03

0.03 - 0.04

VI

> 0.03 - 0.06

0.06 - 0.07

VII

> 0.06 - 0.12

0.10 - 0.15

VIII

> 0.12 - 0.24

0.25 - 0.30

IX

> 0.24 - 0.48

0.50 - 0.55

X

> 0.48

> 0.60

2.2.3 Gia tốc ngang amax
Gia tốc động đất gồm hai thành phần: gia tốc ngang lớn nhất (PHA) và gia tốc đứng
lớn nhất (PVA). Thông số thường được sử dụng để mơ tả đặc tính chuyển động của
mặt đất là gia tốc ngang lớn nhất (PHA) vì gia tốc ngang lớn nhất có liên quan với
lực qn tính. Giá trị amax cũng có thể tương quan với cường độ động đất (MMI).
Mặc dù sự tương quan này khơng chính xác, nhưng nó sẽ hữu ích trong trường hợp
chỉ đo được cường độ khi xảy ra động đất. Mối tương quan này được thể hiện trong
hình sau:

Đề xuất mối quan hệ giữa PHA và MMI. (After Trifunac và
Brady, 1975a)


9
Năm 1981, Campbell (1981) đã thống kê dữ liệu động đất thu thập được trên thế

giới, từ đó phát triển cơng thức tính giá trị PHA trong bán kính 50km từ tâm chấn
với giá trị cấp động đất từ 5.0 đến 7.7 như sau:
ln PHA( g )  4.141  0.868  1.09ln[ R  0.0606exp(0.7 M )]

(2.3)

 ln PHA  0.37

(2.4)

Trong đó:
M:

cấp động đất hay độ lớn sóng bề mặt cho cấp động đất nhỏ hơn 6.0

R:

khoảng cách gần nhất đến vị trí phá huỷ (km)

Năm 1994, Capbell và Bozorgnia (1994) đã sử dụng dữ liệu các trận động đất trên
thế giới với cấp động đất từ 4.7 đến 8.1 để phát triển cơng thức tính gia tốc ngang
lớn nhất sau:
ln PHA( gals)  3.512  0.904M W  1.328ln R 2  [0.149exp(0.647 M W )]2
(1.125  0.112ln R  0.0957M W ) F  (0.440  0.171ln R)S SR

(2.5)

(0.405  0.222ln R) S HR
0.889  0.0691M
0.38 M  7.4

 ln PHA  

M  7.4

(2.6)

Trong đó:
R:

khoảng cách gần nhất (  60km cho giá trị cấp động đất 7.3, 5.8, 3.5 và

3.0km cho cấp động đất 5.0, 5.5, 6.0 và 6.5 cho các giá trị cấp động đất khác) đến
điểm phá huỷ (km)
F=0 cho cung trượt phẳng và những dạng đứt gãy thuận
F=1 cho đứt gãy nghịch
SSR=1 cho đá mềm, đá cứng
SSR=SHR=0 cho đất bồi tích, phù sa
Boore và cộng sự (1993) đã phát triển công thức tính gia tốc ngang lớn nhất từ dữ
liệu thu thập được qua những trận động đất có cấp động đất từ 5.0 đến 7.7 của vùng
tây Bắc nước Mỹ trong vịng bán kính 100km tính từ vị trí sụp đổ:
log PHA( g )  b1  b2  M W  6   b3  M W  6   b4 R  b5 log R  b6GB  b7GC
2

(2.7)


10
R  d 2  h2

(2.8)

Trong đó:
d:

khoảng cách gần nhất đến vị trí phá huỷ

b1, b2, b3, b4, b5, b6, b7, h: tra theo bảng sau:
Bảng 2.4 Hệ số sử dụng trong cơng thức của Boore và cộng sự (1993)

Ngồi ra cịn có thể xác định giá trị thơng số chuyển động của nền bằng các biểu đồ
kinh nghiệm sau:

Sự biến thiên của gia tốc ngang lớn nhất theo khoảng cách cho M=5.5, M=6.5 và
M=7.5: (a) Campbell và Bozorgnia (1994), (b) Boore và cộng sự (1993), (c) Toro
và cộng sự (1994), (d) Young và cộng sự.
2.2.4 Vận tốc ngang lớn nhất
Vận tốc ngang lớn nhất (PHV) là đặc trưng cho sự chuyển động của mặt đất. Khi
vận tốc nhỏ hơn độ nhạy dẫn tới tần suất chuyển động nhiều hơn của mặt đất, PHV


11
có tính chất giống như PHA khi đặc trưng cho biên độ dao động của đất nền tại
điểm có tần suất trung bình.
Joynee và Boore (1988) đã sử dụng dữ liệu thu thập được từ những trận động đất có
cấp động đất từ 5.0 đến 7.7 để phát triển công thức tính PHV dựa trên phương pháp
hồi quy:
log PHA( g )  b1  b2  M W  6   b3  M W  6   b4 R  b5 log R  b6GB  b7GC
2

R  r02  j7 2

(2.9)
(2.10)

Trong đó:
r0:

khoảng cách ngắn nhất từ vị trí tính đến hình chiếu của điểm phá hoại

trên mặt đất
Các hệ số sử dụng trong công thức của Joynee và Boore (1988) được lấy
theo bảng sau:
Bảng 2.5 Hệ số sử dụng trong công thức của Joynee và Boore (1988)

2.3 Khái qt hóa lỏng
Hố lỏng là tai biến thứ sinh của động đất, là một hiện tượng phức tạp. Hoá lỏng
gây ra sự chuyển động của mặt đất, phát sinh hiện tượng cát chảy, gây sụt, lún mặt,
lún nền cơng trình, làm mất khả năng chịu tải của cơng trình thậm chí phá huỷ cơng
trình.
Khi động đất xảy ra, chấn động mạnh trong thời gian cực ngắn, nước không đủ thời
gian thoát ra làm áp lực nước lỗ rỗng trong đất tăng vọt, đến một lúc nào đó áp lực
nước lỗ rỗng bằng với áp lực tổng thì ứng suất hữu hiệu bằng không, lúc này đất
mất khả năng chịu tải hay đất bị hoá lỏng. Hiện tượng đất hố lỏng xảy ra trước tiên
liên quan đến mơi trường đất hạt trung, đất rời bão hoà nước.