Tính toán tác động của tải trọng động đất lên công trình biển

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HÀO HIỆP

TÍNH TỐN TÁC ĐỘNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT
LÊN CƠNG TRÌNH BẾN

Chun ngành:
Mã số:

Xây dựng cơng trình biển
60 58 45

LUẬN VĂN THẠC SĨ

T.p Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2013


Cơng trình được hồn thành tại: Trường đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Thế Duy

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

TS. Trần Thu Tâm

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

TS. Phạm Trung Kiên

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM

ngày 10 tháng 01 năm 2013.
Thành phần Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ gồm:
1. TS. Nguyễn Danh Thảo
2. TS. Trần Thu Tâm
3. TS. Phạm Trung Kiên
4. TS. Nguyễn Thế Duy
5. TS. Trương Ngọc Tường
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.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
-----------

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:

Nguyễn Hào Hiệp

MSHV: 11020363

Ngày, tháng, năm sinh: 12/08/1987

Nơi sinh: Hải Phịng

Chun ngành:

Xây dựng cơng trình biển

Mã số:

I. TÊN ĐỀ TÀI:

Tính tốn tác động của tải trọng động đất lên cơng trình bến.

60 58 45

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Khái niệm cơ bản về động đất, hoạt động động đất và tác hại của nó đối với
cơng trình bến cảng.
- Cơ sở lý thuyết động lực học của bài toán động đất.
- Các phương pháp phân tích kết cấu chịu tải trọng động đất, và các quy định
trong một số tiêu chuẩn thiết kế cơng trình chịu động đất.
- Các mơ hình hệ cọc-đất nền đối với bến bệ cọc cao khi xảy ra động đất.
- Vận dụng lý thuyết tính tốn ví dụ cho cơng trình bến chịu tải trọng động đất.
II.NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

02/07/2012

III. NGÀY HOÀN THIỆN NHIỆM VỤ: 30/11/2012
IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: T.S. Nguyễn Thế Duy

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 12 năm 2012.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được thực hiện và hoàn thành tại Bộ mơn Cảng - Cơng trình biển,
Khoa Kỹ thuật xây dựng, Trường Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh dưới sự
hướng dẫn của T.S Nguyễn Thế Duy.
Hồn thành luận văn này, tác giả muốn được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với
T.S Nguyễn Thế Duy, người đã giành nhiều cơng sức hướng dẫn, đóng góp ý kiến
cũng như động viên, giúp đỡ tác giả. Đồng thời, tác giả cũng chân thành cảm ơn
các giảng viên trong Bơ mơn Cảng - Cơng trình biển, cũng như Khoa Kỹ thuật xây
dựng, Trường Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt những
kiến thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá
trình học tập nghiên cứu và cũng như khi thực hiện đề tài luận văn.
Xin được cảm ơn bạn bè đã luôn động viên, chia sẻ, giúp đỡ, và có những ý kiến
đóng góp quý báu nhằm hoàn thiện nội dung của luận văn này. Cũng xin gửi lời
cảm ơn tới cơ quan công tác và các đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi
hồn thành khóa học này.
Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình - tuy khơng thể ở bên cạnh tơi, nhưng đã ln
giành tình thương u, tin tưởng và ủng hộ tơi trong suốt q trình học tập và thực
hiện luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn!
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2012.
Tác giả luận văn

Nguyễn Hào Hiệp


TÓM TẮT
Động đất là dạng hiện tượng gây ra thiệt hại về con người và tài sản cho cơng
trình bến cảng. Vì vậy, việc tính tốn chống động đất cho cơng trình bến là hết sức
cần thiết, tuy nhiên thực tế tại Việt Nam lại chưa được quan tâm đúng mức. Nội
dung chính của luận văn bao gồm tìm hiểu bản chất của hiện tượng động đất, hoạt
động động đất và các tác động của động đất lên cơng trình bến cảng.
Cơ sở động lực học của bài toán động đất và các phương pháp chung trong phân
tích tác động của động đất lên kết cấu được xem xét. Các quy định trong các tiêu
chuẩn thiết kế kháng chấn được nghiên cứu áp dụng đối với cơng trình bến cảng
chịu tác động động đất.
Kết cấu bến bệ cọc cao, dạng kết cấu bến phổ biến trong thực tế, là dạng kết cấu
nhạy cảm với động đất. Phản ứng của bến bệ cọc cao khi có động đất phụ thuộc
nhiều vào tương tác giữa cọc-đất nền (SSI). Các phương pháp mô hình hóa sự làm
việc của cọc trong đất được tìm hiểu cụ thể, đặc biệt là trong điều kiện động đất.
Trong ví dụ cụ thể, mơ hình kết cấu bến bệ cọc cao thực tế được tính tốn nhằm
làm rõ tác động của động đất lên cơng trình bến, các phương pháp phân tích tác
động động đất và các mơ hình nền trong tính tốn cơng trình bến bệ cọc cao chịu tải
trọng động đất, luận văn đã tiến hành tính tốn cho một cơng trình bến trong thực tế.
Kết quả tính tốn cho thấy tác động của động đất lên kết cấu bến bệ cọc cao, chủ
yếu là lên nền cọc của bến cũng như làm giảm khả năng chịu tải của đất nền.


ABSTRACT
Seismic causes many disasters to humans and facilities assets of wharf.
Therefore, the analysis of wharf during earthquake is essential, however the fact in
Vietnam, it has not been adequate attention. The main contents of the thesis include

understanding the essence of the seismic, seismic activity and the performance of
wharf structures during earthquakes.
The basis of the dynamics of the seismic analysis and the overall methods of
analysis of the impact of earthquakes on structures are studied. The contribution and
relevance of various national seismic design codes was also reviewed and to
propose seismic methods applied to wharf structures in Vietnam.
Pile-supported wharf which is used widely in fact, is sensitive to different
seismic load. The reaction of pile-supported wharf during the earthquakes depends
on the effects of soil-structure interaction (SSI). The modeling method of soilstructure interaction was reviewed, especially in earthquake conditions.
In a particular example, the modeling of pile-supported wharf was generated to
clarify the impact of the earthquake on pile-supported wharf, seismic analysis
methods and models soil-structure interaction of pile-supported wharf during
earthquakes. The results of the example show that the impact of the earthquake on
the pile-supported wharf, mainly on the piles and reduce the load bearing capacity
of the soil.


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu thực sự của cá nhân. Luận văn
được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và dưới sự hướng dẫn khoa học của
T.S Nguyễn Thế Duy.
Các số liệu, kết quả thực hiện của luận văn là trung thực và chưa từng được
cơng bố dưới bất kỳ hình thức nào.

Tác giả luận văn
Nguyễn Hào Hiệp


-i-

MỤC LỤC
Mục lục ......................................................................................................................... i
Danh mục bảng .........................................................................................................vii
Danh mục hình ........................................................................................................... ix
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
1. Đặt vấn đề ........................................................................................................... 1
2. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 3
3. Nội dung và phạm vi đề tài ................................................................................. 3
CHƯƠNG 1: ĐỘNG ĐẤT VÀ TÁC ĐỘNG LÊN CƠNG TRÌNH BẾN ............. 5
1.1. Khái niệm chung về động đất .......................................................................... 5
1.1.1. Định ngĩa động đất ........................................................................................ 5
1.1.2. Nguồn gốc động đất ...................................................................................... 6
1.1.2.1. Động đất có nguồn gốc từ hoạt động kiến tạo .................................. 6
1.1.2.2. Động đất có nguồn gốc từ các đứt gãy.............................................. 7
1.1.2.3. Động đất có nguồn gốc từ các nguồn gốc khác ................................ 8
1.1.3. Sóng địa chấn và sự truyền sóng địa chấn .................................................... 8
1.1.3.1. Sóng địa chấn .................................................................................... 8
1.1.3.2. Ảnh hưởng của nền đất tới chuyển động động đất ........................... 9
1.1.3.3. Ảnh hưởng của chuyển động động đất tới nền đất ......................... 10
1.1.4. Cấp và độ lớn của động đất ........................................................................ 11
1.1.4.1. Cấp động đất ................................................................................... 11
1.1.4.2. Độ lớn của động đất ........................................................................ 13
1.1.5. Diễn biến của hoạt động động đất .............................................................. 14
1.1.5.1. Hoạt động động đất trên thế giới .................................................... 14
1.1.5.2. Hoạt động động đất tại Việt Nam ................................................... 16
1.1.6. Các số liệu động đất được sử dụng trong thiết kế ...................................... 19


-ii-

1.2. Tác động của động đất lên cơng trình ............................................................ 19
1.2.1. Tác động của động đất lên cơng trình ......................................................... 19
1.2.2. Tác động của động đất lên cơng trình bến .................................................. 20
1.2.2.1. Tác động của động đất lên cơng trình bến ...................................... 20
1.2.2.2. Tác động của động đất lên kết cấu bến trọng lực ........................... 22
1.2.2.3. Tác động của động đất lên kết cấu bến tường cừ............................ 23
1.2.2.4. Tác động của động đất lên kết cấu bến bệ cọc cao ......................... 24
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ ĐỘNG LỰC HỌC TÍNH TỐN KẾT CẤU CHỊU
TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT ............................................................. 26
2.1. Dao động của hệ kết cấu đàn hồi tuyến tính .................................................. 26
2.1.1. Dao động của hệ một bậc tự do động ......................................................... 26
2.1.1.1. Phương trình chuyển động .............................................................. 26
2.1.1.2. Dao động của hệ chịu tải trọng điều hòa......................................... 27
2.1.1.3. Dao động của hệ chịu tải trọng xung ngắn hạn ............................... 29
2.1.1.4. Dao động của hệ chịu tải trọng bất kỳ ............................................ 29
2.1.1.5. Dao động của hệ chịu tải trọng động đất ........................................ 30
2.1.1.6. Phổ phản ứng động đất.................................................................... 32
2.1.2. Dao động của hệ nhiều bậc tự do động ....................................................... 33
2.1.2.1. Phương trình chuyển động .............................................................. 33
2.1.2.2. Dao động của hệ chịu tải trọng động đất ........................................ 36
2.1.2.3. Phổ phản ứng của hệ nhiều bậc tự do động chịu
tải trọng động đất ............................................................................ 39
2.1.2.4. Tổ hợp phản ứng lớn nhất ............................................................... 40
2.2. Dao động của hệ kết cấu không đàn hồi ........................................................ 42
2.2.1. Phản ứng không đàn hồi của kết cấu chịu tải trọng động đất ..................... 42
2.2.2. Phương trình chuyển động của hệ không đàn hồi ...................................... 44
2.2.2.1. Hệ một bậc tự do động .................................................................... 44
2.2.2.2. Hệ nhiều bậc tự do động ................................................................. 46

-iii-

2.2.2.3. Phương pháp giải phương trình lượng gia chuyển động ................ 46
CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TÁC ĐỘNG CỦA
ĐỘNG ĐẤT LÊN CƠNG TRÌNH BẾN ......................................... 48
3.1. Các phương pháp phân tích cơng trình bến chịu tác động động đất.............. 48
3.1.1. Phân tích đàn hồi tuyến tính ....................................................................... 48
3.1.1.1. Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương ..................................... 48
3.1.1.2. Phương pháp phân tích phổ phản ứng............................................. 50
3.1.1.3. Phương pháp phân tích dạng chính ................................................. 52
3.1.2. Phân tích phi tuyến ..................................................................................... 54
3.1.2.1. Phương pháp tĩnh phi tuyến ............................................................ 54
3.1.2.2. Phương pháp tích phân từng bước .................................................. 55
3.2. Một số tiêu chuẩn thiết kế chống động đất cho cơng trình bến ..................... 56
3.2.1. Quy định trong Tiêu chuẩn thiết kế 22 TCN 221-95 .................................. 56
3.2.1.1. Nguyên tắc thiết kế ......................................................................... 57
3.2.1.2. Tải trọng tính tốn ........................................................................... 57
3.2.1.3. Hệ số động học ................................................................................ 59
3.2.1.4. Tổ hợp phản ứng động của cơng trình ............................................ 60
3.2.2. Quy định trong Tiêu chuẩn thiết kế TCXDVN 375:2006 .......................... 61
3.2.2.1. Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương theo quy định của
TCXDVN 375:2006 ........................................................................ 61
3.2.2.2. Phương pháp phân tích phổ phản ứng theo quy định của
TCXDVN 375:2006 ........................................................................ 67
3.2.2.3. Phương pháp đẩy dần theo TCXDVN 375:2006 ............................ 69
3.2.2.4. Tổ hợp hệ quả của thành phần tác động động đất ........................... 72
3.2.3. Quy định trong Tiêu chuẩn thiết kế cảng biển Nhật Bản ........................... 73
3.2.3.1. Nguyên tắc thiết kế ......................................................................... 73
3.2.3.2. Tải trọng thiết kế ............................................................................. 74

3.2.3.3. Phương pháp hệ số động đất ........................................................... 74


-iv-

3.2.4. Quy định trong Tiêu chuẩn thiết kế POLA Seismic Code ......................... 76
3.2.4.1. Nguyên tắc thiết kế ......................................................................... 77
3.2.4.2. Tải trọng thiết kế ............................................................................. 77
3.2.4.3. Chuyển vị mục tiêu ......................................................................... 78
3.3. Lựa chọn phương pháp phân tích tải trọng động đất lên cơng trình bến ....... 80
3.3.1. Lựa chọn theo mức độ phức tạp của kết cấu .............................................. 80
3.3.2. Lựa chọn theo quy trình thiết kế theo quy định của PIANC ...................... 81
3.4. Trình tự thiết kế kháng chấn cho cơng trình bến ........................................... 83
CHƯƠNG 4: MƠ HÌNH NỀN CỦA KẾT CẤU BẾN BỆ CỌC CAO KHI
CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT .......................................... 86
4.1. Phân loại mơ hình làm việc của cọc trong đất ............................................... 86
4.2. Mơ hình móng cọc sử dụng chiều sâu quy đổi .............................................. 87
4.2.1. Chiều sâu quy đổi theo quy định trong tiêu chuẩn thiết kế cảng biển
Nhật Bản ..................................................................................................... 87
4.2.1.1. Mặt nền giả định ............................................................................. 87
4.2.1.2. Chiều sâu quy đổi ............................................................................ 87
4.2.2. Chiều sâu quy đổi theo quy định trong tiêu chuẩn thiết kế móng cọc
TCXD 205:1998 ......................................................................................... 88
4.3. Mơ hình tương tác coc-đất nền ...................................................................... 89
4.3.1. Mơ hình nền đàn hồi ................................................................................... 89
4.3.1.1. Phương pháp của Chang ................................................................. 89
4.3.1.2. Phương pháp của hệ số nền theo Bowles ........................................ 90
4.3.1.3. Phương pháp hệ số nền theo JRA ................................................... 92
4.3.2. Mơ hình tương tác cọc-đất nền theo quan hệ đường cong p-y ................... 94
4.3.2.1. Phương pháp của Kubo (PHRI) ...................................................... 94

4.3.2.2. Phương pháp theo API .................................................................... 96
4.4. Lựa chọn mơ hình tính tốn nền cọc ........................................................... 100
4.5. Tính tốn sức chịu tải của cọc khi xảy ra động đất ..................................... 101


-v-

4.5.1. Sức chịu tải trọng nén của cọc theo đất nền khi xảy ra động đất ............. 101
4.5.2. Sức chịu tải trọng nhổ của cọc theo đất nền khi xảy ra động đất ............. 103
CHƯƠNG 5: VÍ DỤ TÍNH TỐN TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT
TRONG THIẾT KẾ CƠNG TRÌNH BẾN BỆ CỌC CAO ........ 104
5.1. Mơ tả cơng trình, vị trí và điều kiện tự nhiên khu vực xây dựng ................ 104
5.1.1. Điều kiện địa chất khu vực xây dựng cơng trình ...................................... 104
5.1.2. Kết cấu cơ bản của bến ............................................................................. 105
5.1.2.1. Tải trọng khai thác ........................................................................ 105
5.1.2.2. Kết cấu chính của bến ................................................................... 106
5.2. Thiết kế kết cấu bến ..................................................................................... 107
5.2.1. Thiết kế bên với điều kiện khai thác thông thường .................................. 109
5.2.1.1. Tải trọng và tổ hợp tải trọng ......................................................... 109
5.2.1.2. Mơ hình hóa kết cấu ...................................................................... 109
5.2.2. Thiết kế bến với điều kiện xảy ra động đất............................................... 112
5.2.2.1. Tải trọng và tổ hợp tải trọng ......................................................... 112
5.2.2.2. Mơ hình hóa kết cấu ...................................................................... 114
5.3. Kết quả tính toán .......................................................................................... 115
5.3.1. Kết quả nội lực kết cấu ............................................................................. 115
5.3.2. Kết quả tính tốn sức chịu tải của cọc ...................................................... 119
5.4. Nhận xét kết quả .......................................................................................... 119
5.4.1. Nhận xét kết quả nội lực ........................................................................... 119
5.4.1.1. Nhận xét kết quả trường hợp xảy ra động đất và trường hợp
khai thác thông thường.................................................................. 119

5.4.1.2. Nhận xét kết quả các phương pháp phân tích tải trọng động đất .. 122
5.4.1.3. Nhận xét kết quả các mơ hình làm việc của nền cọc .................... 125
5.4.2. Nhận xét kết quả tính tốn sức chịu tải của đất nền ................................. 128
KẾT LUẬN ............................................................................................................ 129
1. Tóm tắt nội dung đã thực hiện ........................................................................ 129


-vi-

2. Kết luận ........................................................................................................... 131
3. Kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo ........................................................... 132
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 133
PHỤ LỤC 1 ...................................................................................................... PL1-1
PHỤ LỤC 2 ...................................................................................................... PL2-1
PHỤ LỤC 3 ...................................................................................................... PL3-1


-vii-

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1-1. Thang cấp động đất theo MSK-64 ........................................................... 11
Bảng 1-2. Mối quan hệ tương đối giữa gia tốc đỉnh và cấp động đất ...................... 12
Bảng 1-3. Mối quan hệ tương đối giữa độ lớn động đất, gia tốc đỉnh
và cấp động đất......................................................................................... 14
Bảng 3-1. Giá trị của các tham số mô tả phổ thiết kế theo phương ngang ............... 64
Bảng 3-2. Phân loại nền đất theo quy định TCXDVN 375:2006 ............................. 64
Bảng 3-3. Giá trị các tham số mô tả phổ thiết kế theo phương thẳng đứng ............. 66
Bảng 3-4. Phạm vi áp dụng các phương pháp phân tích theo mức độ
phức tạp của kết cấu ................................................................................. 80
Bảng 3-5. Mức độ hư hỏng giới hạn khi thiết kế cơng trình bến chịu động đất ....... 81

Bảng 3-6. Phận loại cơng trình tương ứng với mức động đất .................................. 82
Bảng 3-7. Loại cơng trình dựa trên độ quan trọng của cơng trình bến cảng ............ 82
Bảng 3-8. Lựa chọn phương pháp phân tích tương ứng với loại cơng trình ............ 83
Bảng 4-1. Giá trị hệ số Nc, Nq, N ............................................................................ 91
Bảng 4-2. Giá trị hệ số Cm ........................................................................................ 92
Bảng 4-3. Đường cong p-y của đất sét đối với tải trọng tĩnh ................................... 96
Bảng 4-4. Đường cong p-y của đất sét đối với tải trọng động ................................. 97
Bảng 4-5. Giá trị biến dạng c của đất sét ................................................................. 97
Bảng 4-6. Giá trị mô đun phản lực nền k của đất cát ............................................... 99
Bảng 5-1. Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất trong ví dụ tính tốn ............... 105


-viii-

Bảng 5-2. Kết quả tính tốn nội lực của phân đoạn bến trường hợp
khai thác thông thường ........................................................................... 116
Bảng 5-3. Kết quả tính tốn nội lực của phân đoạn bến khi có động đất
(phương pháp tĩnh lực ngang tương đương) .......................................... 117
Bảng 5-4. Kết quả tính tốn nội lực của phân đoạn bến khi có động đất
(phương pháp phổ phản ứng) ................................................................. 118
Bảng 5-5. Kết quả tính tốn sức chịu tải của cọc ................................................... 119
Bảng 5-6. So sánh nội lực của của một số cấu kiện của bến
(TH1 và TH3, mơ hình ngàm giả định) ................................................. 119
Bảng 5-7. So sánh nội lực của của một số cấu kiện của bến
(TH1 và TH3, mơ hình đường cong p-y theo API)................................ 120
Bảng 5-8. So sánh nội lực của của một số cấu kiện của bến
(TH2 và TH3, mơ hình ngàm giả định) ................................................. 122
Bảng 5-9. So sánh nội lực của của một số cấu kiện của bến
(TH2 và TH3, mơ hình đường cong p-y theo API)................................ 123
Bảng 5-10. So sánh nội lực của của một số cấu kiện của bến TH1

(Mơ hình ngàm giả định, mơ hình đường cong p-y theo API) ............ 125
Bảng 5-11. So sánh nội lực của của một số cấu kiện của bến TH3
(Mơ hình ngàm giả định, mơ hình đường cong p-y theo API) ............ 125


-ix-

DANH MỤC HÌNH
Hình 1-1. Minh họa vị trí phát sinh động đất ............................................................. 5
Hình 1-2. Cơ chế phát sinh động đất tại các đứt gãy ................................................. 8
Hình 1-3. Bản đồ phân bố tâm chấn trên thế giới .................................................... 15
Hình 1-4. Phân bố chấn tâm động đất ở Việt Nam và khu vực kế cận .................... 17
Hình 1-5. Thiệt hại cho bến cảng do trận động đất Kobe, Nhật Bản (1995) ........... 21
Hình 1-6. Thiệt hại cho bến cảng do trận động đất Haiti (2010) ............................. 21
Hình 1-7. Sự phá hoại của kết cấu bến trọng lực khi chịu tác động động đất .......... 22
Hình 1-8. Sự phá hoại của kết cấu bến tường cừ khi chịu tác động động đất .......... 23
Hình 1-9. Sự phá hoại của kết cấu bến bệ cọc cao khi chịu tác động động đất ....... 25
Hình 2-1. Đồ thị biến thiên của hệ số động D theo 28
Hình 2-2. Tác động của xung lực ngắn hạn.............................................................. 29
Hình 2-3. Biểu diễn tải trọng bất kỳ thành tập hợp các xung động liên tiếp............ 30
Hình 2-4. Mơ hình tính tốn hệ một bậc tự do động chịu tải trọng động đất ........... 31
Hình 2-5. Sơ đồ tính của hệ nhiều bậc tự do động ................................................... 34
Hình 2-6. Phản ứng của hệ kết cấu khi chịu tác động động đất ............................... 43
Hình 3-1. Hệ số động học (i) theo quy định của 22 TCN 221-95 .......................... 59
Hình 3-2. Quan hệ lực - chuyển vị đàn hồi dẻo lý tưởng ......................................... 70
Hình 3-3. Xác định chuyển vị mục tiêu cho hệ một bậc tự do tương đương ........... 71
Hình 3-4. Phổ phản ứng của đất nền đối với động đất “Mức 1”theo OCDI ............ 75
Hình 3-5. Chuyển vị của bến với phương pháp phân tích dạng chính theo POLA.. 79
Hình 3-6. Trình tự các bước thiết kế cơng trình bến ................................................ 84

-x-

Hình 3-7. Trình tự kiểm tra khả năng chống động đất của bến ................................ 85
Hình 4-1. Các loại mơ hình hóa tương tác móng cọc trong đất ............................... 86
Hình 4-2. Giá trị hệ số ks theo N trung bình của đất loại S ...................................... 95
Hình 4-3. Giá trị hệ số kc theo N của đất loại C ...................................................... 95
Hình 4-4. Đường cong p-y của đất sét đối với tải trọng tĩnh ................................... 96
Hình 4-5. Đường cong p-y của đất sét đối với tải trọng động .................................. 97
Hình 4-6. Đồ thi xác định mơ đun phản lực nền k ................................................... 99
Hình 4-7. Đồ thị xác định các hệ số C1, C2, C3 ........................................................ 99
Hình 5-1. Mặt bằng bến (Phân đoạn tính tốn) ...................................................... 106
Hình 5-2. Mặt bằng dầm cọc bến (Phân đoạn tính tốn) ........................................ 106
Hình 5-3. Mặt cắt ngang điển hình bến (Phân đoạn tính tốn) .............................. 106
Hình 5-4. Trình tự tiến hành tính tốn kết cấu bến có xét đến tải trọng động đất . 108
Hình 5-5. Mơ hình kết cấu phân đoạn bến theo phương pháp ngàm giả định ....... 110
Hình 5-6. Mơ hình kết cấu bến theo phương pháp tương tác cọc - đất nền ........... 111
Hình 5-7. Phổ thiết kế của kết cấu bến trong ví dụ tính tốn ................................. 114
Hình 5-8. Biểu đồ bao mơ men uốn M3-3 tại vị trí dầm ngang tại trục 1
(TH1 và TH3, mơ hình ngàm giả định) ................................................. 120
Hình 5-9. Biểu đồ bao mô men uốn M3-3 tại vị trí dầm cần trục DCT1
(TH1 và TH3, mơ hình ngàm giả định) ................................................. 120
Hình 5-10. Biểu đồ bao mơ men uốn M3-3 tại vị trí dầm ngang tại trục 1
(TH1 và TH3, mơ hình đường cong p-y theo API)................................ 121
Hình 5-11. Biểu đồ bao mô men uốn M3-3 tại vị trí dầm cần trục DCT1
(TH1 và TH3, mơ hình đường cong p-y theo API)................................ 121


-xi-

Hình 5-12. Biểu đồ bao mơ men uốn M3-3 tại vị trí dầm ngang tại trục 1
(TH2 và TH3, mơ hình ngàm giả định) ................................................. 123
Hình 5-13. Biểu đồ bao mơ men uốn M3-3 tại vị trí dầm cần trục DCT1
(TH2 và TH3, mơ hình ngàm giả định) ................................................. 123
Hình 5-14. Biểu đồ bao mô men uốn M3-3 tại vị trí dầm ngang tại trục 1
(TH2 và TH3, mơ hình đường cong p-y theo API)................................ 124
Hình 5-15. Biểu đồ bao mơ men uốn M3-3 tại vị trí dầm cần trục DCT1
(TH2 và TH3, mơ hình đường cong p-y theo API)................................ 124
Hình 5-16. Biểu đồ bao mơ men uốn M3-3 tại vị trí dầm ngang tại trục 1
(Mơ hình ngàm giả định và mơ hình p-y theo API, TH1) ..................... 126
Hình 5-17. Biểu đồ bao mô men uốn M3-3 tại vị trí dầm cần trục DCT1
(Mơ hình ngàm giả định và mơ hình p-y theo API, TH1) ..................... 126
Hình 5-18. Biểu đồ bao mơ men uốn M3-3 tại vị trí dầm ngang tại trục 1
(Mơ hình ngàm giả định và mơ hình p-y theo API, TH3) ..................... 126
Hình 5-19. Biểu đồ bao mơ men uốn M3-3 tại vị trí dầm cần trục DCT1
(Mơ hình ngàm giả định và mơ hình p-y theo API, TH3) ..................... 127


-1-

MỞ ĐẦU

1. Đặt vấn đề
Cảng biển là cơng trình hạ tầng quan trọng của kinh tế quốc dân, không chỉ góp
phần quyết định cho sự phát triển và tốc độ tăng trưởng kinh tế của quốc gia, mà
còn là cửa ngõ quan trọng cho thương mại quốc tế. Ngày nay, cùng với sự phát triển
mạnh mẽ của vận tải hàng hải quốc tế mà cơng trình bến cảng khơng ngừng gia tăng
về số lượng cũng như quy mô. Sự phát triển này dẫn tới các yêu cầu cao hơn về sự
an tồn và tin cậy của cơng trình bến cảng trong khai thác.
Vì vậy, việc nghiên cứu tăng mức độ an tồn của kết cấu cơng trình bến trong các

điều kiện làm việc bất lợi là một hướng nghiên cứu được quan tâm, nhất là trong bối
cảnh hiện tượng động đất gần đây xảy ra thường xuyên trên thế giới với cường độ
mạnh, không chỉ gây thương vong về người mà cịn thiệt hại rất lớn về vật chất. Do
đó, xem xét tác động của tải trọng động đất lên cơng trình bến cảng là việc làm rất
cần thiết. Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu trước đây về tính toán tải trọng động đất,
tuy nhiên việc nghiên cứu chi tiết và cụ thể tác động của dạng tải trọng này lên kết
cấu bến cảng biển còn chưa nhiều. Đặc biệt là tại Việt Nam vẫn chưa có nhiều
nghiên cứu về vấn đề này.
Với những đặc thù riêng, kết cấu cơng trình bến cảng là dạng kết cấu có phản
ứng rất nhạy với tác động của động đất. Những trận động đất gần đây trên thế giới
gây ra những thiệt hại rất lớn đối với các cơng trình bến cảng. Việc khắc phục
những hư hại đó rất tốn kém, phức tạp và mất nhiều thời gian. Đồng thới với vai trò
ngày càng tăng của của cảng biển trong nền kinh tế, việc gián đoạn khai thác của
cảng trong thời gian dài gây ảnh hưởng lớn tới quá trình khắc phục hậu quả động
đất, cũng như phát triển kinh tế trong khu vực. Điển hình cho những ảnh hưởng này
là thiệt hại do động đất lên cảng Kobe (Nhật Bản, 1995). Trận động đất này đã gây
tổng thiệt hại đến cảng Kobe được ước tính là khoảng 10 tỷ USD và phải mất hơn


-2-

hai năm để sửa chữa. Đồng thời, việc ngừng khai thác của cảng còn làm kinh tế địa
phương chịu thiệt hại gián tiếp lên tới 4 tỷ USD (Bộ Giao thơng Nhật Bản, 1996).
Với lợi thế về vị trí địa lý, vận tải biển là lĩnh vực phát triển mạnh mẽ và đóng
vai trị quan trọng trong lĩnh vực vận tải cơng nghiệp ở Việt Nam. Lượng hàng
hóa thơng qua cảng biển Việt Nam trong những năm qua không ngừng gia tăng, đạt
gần 290 triệu Tấn (2011) và dự báo đạt 500 - 600 triệu Tấn vào năm 2015 (Cục
Hàng hải Việt Nam, 2012). Hệ thống cảng biển tại nước ta hiện nay được bố trí rộng
khắp và đã hình thành được các trung tâm cảng ở miền Bắc (gồm Hải Phòng, Quảng
Ninh); ở miền Trung (gồm Đà Nẵng, Quảng Ngãi, Quy Nhơn, Nha Trang) và ở

miền Nam (gồm thành phố Hồ Chí Minh, Đồng Nai và Bà Rịa - Vũng Tàu). Trong
các trung tâm cảng, cũng đã hình thành cảng cửa ngõ quốc tế như cảng Hải Phòng
(khu vực Lạch Huyện), cảng Bà Rịa - Vũng Tàu (khu vực Cái Mép - Thị Vải) và
cảng trung chuyển quốc tế Vân Phong - Khánh Hịa.
Việt Nam là nước có nguy cơ xảy ra động đất là từ thấp đến trung bình, nhưng số
liệu thống kê về tình hình động đất ở nước ta gần đây cho thấy các trận động đất
xảy ra khá thường xuyên. Trong đó, khu vực ven biển là khu vực có các đới động
đất lớn, với khả năng xảy ra các trận động đất với cường độ lên tới 6,1 độ Richter.
Mặt khác, trên thực tế, do nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan mà việc thiết
kế cơng trình bến ở nước ta chưa quan tâm đúng mức tới tác động và xem xét tính
tốn tải trọng động đất lên cơng trình. Việc khơng xét đến tác động của động đất lên
cơng trình bến cảng có thể dẫn đến những hậu quả chưa thể nói trước. Tuy hiện nay,
chưa có ghi nhận về thiệt hại mà động đất gây ra đối với cảng biển tại Việt Nam,
nhưng với những diễn biến phức tạp của hoạt động động đất gần đây, việc nghiên
cứu tác động của tải trọng động đất lên cơng trình bến cảng là việc làm hết sức cần
thiết.
Kết quả của nghiên cứu này, không chỉ giúp đánh giá mức độ thiệt hại của động
đất đối với cảng biển tại nước ta mà còn góp phần đưa ra giải pháp tính tốn kháng
chấn cho kết cấu cơng trình bến cảng phù hợp với điều kiện và các quy định, tiêu
chuẩn hiện hành tại Việt Nam.


-3-

2. Phương pháp nghiên cứu
Việc nghiên cứu của luận văn này trước hết dựa trên cơ sở của các số liệu, nghiên
cứu trước đây về động đất và tác động của tải trọng động đất lên kết cấu. Luận văn
cũng sử dụng cơ sở lý thuyết của động lực học kết cấu để phục vụ cho nghiên cứu
về bài toán động đất. Đồng thời, dựa trên các cơ sở các tiêu chuẩn thiết kế kháng
chấn cho cơng trình, luận văn cũng nghiên cứu việc thiết kế kháng chấn hợp lý đối

với kết cấu cơng trình bến dạng bệ cọc cao phù hợp với trình tự thiết kế cơng trình
bến tại Việt Nam.
Trên cơ sở kết quả thực hiện về mặt lý thuyết, luận văn vận dụng tính tốn cho
một cơng trình bến kết cấu bệ cọc cao trong thực tế tại nước ta, bao gồm: mơ hình
tính tốn kết cấu, tiến hành sử dụng các chương trình mơ phỏng phân tích kết cấu
theo phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để tìm nội lực trong các cấu kiện của kết
cấu khi chịu tải trọng động đất. Đồng thời, để đánh giá mức độ tác động của tải
trọng động đất lên kết cấu, trong luận văn cũng tiến hành so sánh kết quả thu được
với kết quả tính tốn nội lực của kết cấu trong trường hợp tải trọng không bao gồm
động đất.
3. Nội dung và phạm vi nghiên cứu
Kết cấu cơng trình bến trong thực tế là rất đa dạng, mỗi dạng kết cấu cơng trình
bến có đặc điểm chịu lực, phản ứng với động đất cũng như phạm vi sử dụng là khác
nhau. Trong đó, cơng trình bến kết cấu dạng cầu tàu (bệ cọc cao) là dạng kết cấu
phổ biến và được áp dụng nhiều trong xây dựng cơng trình bến cảng trên thế giới
cũng như tại Việt Nam. Vì thế, ngồi việc nghiên cứu tổng qt về tải trọng và tác
động của động đất lên cơng trình bến nói chung, luận văn tập trụng chủ yếu vào
việc nghiên cứu phản ứng của kết cấu bến bệ cọc cao khi chịu tác động của tải trọng
động đất.
Luận văn này bao gồm các nội dụng chủ yếu như sau:
- Nghiên cứu các vấn đề cơ bản về động đất và tác động của nó đối với cơng
trình bến cảng;


-4-

- Nghiên cứu về cơ sở động lực học của việc tính tốn kết cấu cơng trình chịu tải
trọng động đất, các phương pháp chung tính tốn tải trọng động đất;
- Nghiên cứu quy định của các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn đối với cơng trình
bến cảng tại Việt Nam cũng như trên thế giới;

- Nghiên cứu phân tích kết cấu cơng trình bến bệ cọc cao chịu tải trọng động đất,
bao gồm: tính tốn tải trọng động đất, mơ hình hóa kết cấu bến. Vận dụng để
tính tốn cho cơng trình bến cảng trong thực tế.
Các nội dụng nêu trên được trình bày cụ thể trong luận văn trong 5 chương, nội
dung khái quát của các chương như sau:
- Chương 1 nêu ra các vấn đề cơ bản về động đất bao gồm khái niệm về động đất,
nguồn gốc động đất, tác động hoạt động đất lên đất nền; hoạt động động đất
trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Đặc điểm các loại kết cấu cơng trình bến
cảng và phản ứng của chúng khi chịu tác động động đất;
- Chương 2 tiến hành khái quát về cơ sở động lực học của việc tính tốn động đất
cho kết cấu, các phương pháp chung để phân tích kết cấu chịu tải trọng động
đất;
- Chương 3 trình bày trình tự tính tốn của các phương pháp phân tích tải trọng
động đất đối với cơng trình bến; kiến nghị trình tự thiết kế cơng trình bến chịu
động đất. Tham khảo các quy định về thiết kế của một số các tiêu chuẩn kháng
chấn đối với cơng trình bến, phạm vi áp dụng và lựa chọn các phương pháp
thiết kế hợp lý đối với cơng trình bến chịu động đất;
- Chương 4 tập trung vào xem xét các phương pháp mô tả sự làm việc của hệ
cọc-đất nền trong kết cấu bến bệ cọc cao khi chịu tác động của động đất, cũng
như sự giảm khả năng chịu tải của đất nền khi xét đến ảnh hưởng của động đất;
- Chương 5 trình bày ví dụ thiết kế cơng trình bến chịu tải trọng động đất trong
thực tế nhằm minh họa cho nội dung của nghiên cứu.


-5CHƯƠNG 1

ĐỘNG ĐẤT VÀ TÁC ĐỘNG LÊN CƠNG TRÌNH BẾN

1.1. Khái niệm chung về động đất
1.1.1. Định nghĩa động đất

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 nứt rạn đột ngột trong
phần vỏ hoặc trong phần áo trên của trái đất [1]. Động đất giải thoát đột ngột một
lượng năng lượng lớn tích tụ trong một thể tích nào đó bên trong trái đất.
Thể tích tích tụ năng lượng gọi là vùng chấn tiêu hay lò động đất, tâm của vùng
gọi là chấn tiêu. Vị trí hình chiếu trên bề mặt của trái đất, nằm ngay trên chấn tiêu
gọi là chấn tâm. Khoảng cách giữa chấn tiêu và chấn tâm gọi là độ sâu chấn tiêu.
Khoảng cách từ chấn tiêu và chấn tâm tới điểm quan trắc lần lượt là tiêu cự (khoảng
cách chấn tiêu) và tâm cự (khoảng cách chấn tâm) (Hình 1-1).

Hình 1-1. Minh họa vị trí phát sinh động đất [2]


-61.1.2. Nguồn gốc động đất
1.1.2.1. Động đất có ngồn gốc từ hoạt động kiến tạo
“Thuyết kiến tạo mảng” (hay “Thuyết lục địa trôi dạt”, 1960s) là thuyết được
chấp nhận rộng rãi trong việc giải thích nguồn gốc trận động đất. Theo đó, lúc đầu
các lục địa gắn liền với nhau; sau đó cách đây khoảng 200 triệu năm, chúng tách ra
thành nhiều mảng cứng di chuyển chậm tương đối so với nhau trên lớp dung nham
ở thể lỏng, nhiệt độ cao để có hình dạng như ngày nay.
Tồn bộ vỏ trái đất được chia thành 15 mảng, trong đó có 11 mảng lớn. Tại vùng
phân chia các mảng xuất hiện các biến dạng tương đối trên một vùng khá hẹp. Các
biến dạng có thể diễn ra chậm và liên tục hoặc có thể xảy ra một cách đột ngột dưới
dạng các trận động đất. Có 3 kiểu chuyển động chính tại các biên mảng:
- Chuyển động tách giãn: các mảng di chuyển rời xa nhau, làm mở rộng mảng
thạch quyển theo phương ngang;
- Chuyển động hút chìm: là chuyển động ngược với chuyển động tách giãn, làm
thu hẹp mảng thạch quyển tại một số khu vực;
- Chuyển động trượt ngang: xuất hiện khi mảng này di chuyển tương đối so với
mảng khác theo phương ngang mà không sinh ra một phần vỏ mới hay làm mất

đi một phần vỏ cũ. Có hai dạng chuyển động ngang: chuyển động trượt ngang
tương đối tại đứt gãy và chuyển động va chạm.
Trong quá trình dịch chuyển tương đối của các mảng, biến dạng dần được tích
lũy tại các vùng khác nhau của vỏ trái đất. Khi các biến dạng này đạt tới giới hạn,
xuất hiện sự phá hoại đột ngột, thế năng biến dạng tức thời chuyển thành động năng
và động đất xuất hiện. Như vậy, theo thuyết kiến tạo mảng, các trận động đất chủ
yếu phát sinh tại vùng ranh giới giữa các mảng (tại đứt gãy), xảy ra khi nền đá đạt
tới trạng thái giới hạn về cường độ dẫn tới bị phá hoại đột ngột. Do đó các trận động
đất tại vùng biên của các mảng được gọi là động đất rìa mảng.


-71.1.2.2. Động đất có nguồn gốc từ các đứt gãy
a. Khái niệm và phân loại đứt gãy
Sự thay đổi đột ngột trong cấu trúc nền đá, hoặc các vỉa đá có đặc tính khác nhau
gối lên nhau dọc theo mặt tiếp xúc giữa chúng được gọi là đứt gãy. Sự tồn tại của
các đứt gãy cho thấy dọc theo chúng trong quá khứ đã từng có các chuyển động
tương đối, có thể là trượt từ từ, khơng gây ra chấn động hoặc trượt đột ngột gây ra
chấn động cho nền đất (động đất).
Các đứt gãy được phân loại dựa trên dạng hình học và hướng trượt tương đối
giữa chúng, bao gồm các loại:
- Trượt nghiêng: sự dịch chuyển diễn ra song song với độ dốc của đứt gãy. Tùy
thuộc vào hướng tương đối của các mảng nằm ở hai bên đứt gãy, có thể phân
loại thành:
+ Đứt gãy thuận: lớp đá cứng phía trên mặt nghiêng trượt xuống dưới so với
lớp nằm dưới.
+ Đứt gãy nghịch: lớp đá cứng phía trên mặt nghiêng trượt lên trên so với lớp
đá phía dưới đứt gãy.
- Trượt ngang: sự dịch chuyển xảy ra theo phương ngang song song với mạch
ngang của đứt gãy. Tùy theo hướng chuyển động tương đối của các mặt, có thể
phân loại thành:

+ Đứt gãy trượt ngang trái: nếu đứng từ một mảng thấy mảng kia trượt về phía
trái.
+ Đứt gãy trượt ngang phải: nếu đứng từ một mảng thấy mảng kia trượt về
phía phải.
b. Cơ chế phát sinh động đất tại các đứt gãy
Có thể giải thích cơ chế phát sinh động đất tại các đứt gãy theo “Thuyết bật đàn
hồi” (Elastic Rebound Theory) của Reid (1906) [1] như sau: