Tài liệu Nghiên cứu khả năng hóa lỏng của đất nền đê hữu hồng đoạn qua hà nội (k73+500 k74+100) chịu tải trọng động đất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI NGÔ THỊ NGỌC VÂN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HÓA LỎNG CỦA ĐẤT NỀN ĐÊ HỮU HỒNG ĐOẠN QUA HÀ NỘI (K73+500 - K74+100) CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGÔ THỊ NGỌC VÂN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HÓA LỎNG CỦA ĐẤT NỀN ĐÊ HỮU HỒNG ĐOẠN QUA HÀ NỘI (K73+500 – K74+100) CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT Chuyên ngành: Mã số: NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG 9580211 PGS.TS. NGUYỄN HỒNG NAM HÀ NỘI, NĂM 2019 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình khoa học do bản thân tác giả thực hiện. Các kết quả, số liệu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định. Tác giả luận án Ngô Thị Ngọc Vân i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới PGS. TS Nguyễn Hồng Nam là thầy hướng dẫn trực tiếp tác giả thực hiện luận án. Xin cảm ơn Thầy đã dành nhiều công sức, trí tuệ, hướng dẫn tận tình trong thời gian tác giả thực hiện luận án. Tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn tới GS. TS Trịnh Minh Thụ, xin cảm ơn Giáo sư đã có nhiều đóng góp quý báu cho tác giả trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn chương trình NCKHCN phục vụ phòng chống thiên tai bảo vệ môi trường và sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên (KC08) của Bộ KHCN đã đầu tư kinh phí cho tác giả thực hiện các thí nghiệm trong luận án trong khuôn khổ của đề tài “Nghiên cứu khả năng hóa lỏng của đê đập bằng vật liệu địa phương chịu tải trọng động đất và giải pháp ổn định công trình”, mã số KC.08.23/11-15. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới Trường Đại học Thủy lợi đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất cho các thí nghiệm trong nghiên cứu của tác giả. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Hội đồng Khoa học Đào tạo Khoa Công trình, Phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Bộ môn Địa kỹ thuật, Bộ môn Vật liệu Xây dựng Trường Đại học Thủy lợi, các nhà khoa học từ các đơn vị đã có những đóng góp, động viên, chia sẻ, giúp đỡ quý báu cho tác giả trong quá trình thực hiện nghiên cứu của mình. Cuối cùng tác giả xin được gửi tới bạn bè và những người thân thương trong gia đình của mình lời biết ơn sâu sắc vì sự động viên, ủng hộ, dành thời gian và điều kiện tốt nhất để tác giả hoàn thành nghiên cứu. ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN…. .............................................................................................................ii MỤC LỤC……. ............................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC HÌNH .............................................................................................. vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. x DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ........................................................................................ xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. xiii MỞ ĐẦU……… ............................................................................................................. 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................2 4. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................2 5. Phương pháp tiếp cận và nghiên cứu .............................................................3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .......................................................3 7. Bố cục của luận án ...........................................................................................4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU HÓA LỎNG DO ĐỘNG ĐẤT ... 5 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước .....................5 1.1.1 Khái quát về động đất .................................................................................5 1.1.2 Tình hình nghiên cứu hóa lỏng do động đất trên thế giới ...........................9 1.1.3 Tình hình nghiên cứu hóa lỏng do động đất tại Việt Nam ........................27 1.1.4 Phân tích, đánh giá các kết quả nghiên cứu đã công bố ............................ 29 1.2 Những vấn đề sẽ được triển khai trong luận án ..........................................30 1.3 Kết luận chương 1 ..........................................................................................31 CHƯƠNG 2 ĐÁNH GIÁ TÍNH NHẠY HÓA LỎNG VÀ KHẢ NĂNG HÓA LỎNG ĐẤT NỀN ĐÊ HỮU HỒNG ............................................................................. 32 2.1 Đặt vấn đề .......................................................................................................32 2.2 Khái quát đặc điểm hệ thống đê Hữu Hồng ................................................32 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6 Vị trí địa lý ................................................................................................ 32 Lịch sử phát triển.......................................................................................32 Địa hình .....................................................................................................33 Địa chất .....................................................................................................34 Địa chất thủy văn ......................................................................................37 Động đất ....................................................................................................40 iii 2.3 Đánh giá tính nhạy hóa lỏng đất nền đê Hữu Hồng ...................................43 2.3.1 Tính nhạy hóa lỏng của đất và các tiêu chí đánh giá ................................ 43 2.3.2 Đánh giá tính nhạy hóa lỏng đất nền đê Hữu Hồng ..................................43 2.3.3 Đoạn đê Hữu Hồng nghiên cứu (K73+500 – K74+100) ..........................48 2.4 Đánh giá khả năng hóa lỏng của đất nền đê Hữu Hồng (K73+500K74+100) dựa trên số liệu thí nghiệm địa chất hiện trường ............................... 53 2.4.1 Quy trình đơn giản ....................................................................................53 2.4.2 Kết quả đánh giá khả năng hóa lỏng đất nền đê Hữu Hồng (K73+500 ÷ K74+100) ...............................................................................................................57 2.5 Kết luận chương 2 ..........................................................................................61 CHƯƠNG 3 THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG ĐỘNG CỦA ĐẤT NỀN ĐÊ ......................................................................................... 63 3.1 Đặt vấn đề .......................................................................................................63 3.2 Vật liệu và thiết bị thí nghiệm .......................................................................65 3.2.1 Vật liệu thí nghiệm ....................................................................................65 3.2.2 Thiết bị thí nghiệm ....................................................................................65 3.3 Xác định đặc trưng biến dạng của đất nền đê .............................................69 3.3.1 Khái quát ...................................................................................................69 3.3.2 Quy trình thí nghiệm xác định mô đun Young và hệ số giảm chấn của đất…… ..................................................................................................................70 3.3.3 Kết quả thí nghiệm ....................................................................................76 3.3.4 Mô phỏng quan hệ giữa mô đun Young và biến dạng dọc trục của đất cát nền đê Hữu Hồng ...................................................................................................87 3.3.5 Mô phỏng quan hệ giữa hệ số giảm chấn và biến dạng dọc trục của đất cát nền đê Hữu Hồng ...................................................................................................90 3.3.6 Mô phỏng quan hệ giữa mô đun Young và ứng suất cố kết hiệu quả của đất cát nền đê Hữu Hồng .......................................................................................93 3.4 Xác định đường cong hóa lỏng đất nền đê ...................................................94 3.4.1 Khái quát ...................................................................................................94 3.4.2 Quy trình thí nghiệm xác định đường cong hóa lỏng ............................... 94 3.4.3 Kết quả thí nghiệm ....................................................................................97 3.4.4 Nhận xét: .................................................................................................103 3.4.5 Mô phỏng đường cong hóa lỏng của cát nền đê Hữu Hồng ...................104 3.4.6 Mô phỏng biến thiên áp lực nước lỗ rỗng dư của đất cát nền đê Hữu Hồng…. ...............................................................................................................105 3.5 Kết luận chương 3 ........................................................................................107 iv CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG HÓA LỎNG ĐÊ HỮU HỒNG KHI CHỊU ĐỘNG ĐẤT MẠNH VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH ......................................................... 111 4.1 Đặt vấn đề .....................................................................................................111 4.2 Cơ sở lý thuyết mô phỏng hóa lỏng đê chịu tác dụng của tải trọng động đất… ........................................................................................................................112 4.2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn ................................................................112 4.2.2 Phần mềm Quake/w ................................................................................113 4.2.3 Đánh giá khả năng hóa lỏng ....................................................................117 4.3 Mô phỏng hóa lỏng đê Hữu Hồng (Hà Nội) ...............................................119 4.3.1 Các trường hợp tính toán.........................................................................119 4.3.2 Các hàm đặc trưng trong phân tích động ................................................121 4.3.3 Trình tự tính toán.....................................................................................126 4.3.4 Kết quả mô phỏng mặt cắt K73+750 đê Hữu Hồng ...............................127 4.4 Đề xuất giải pháp giảm nhẹ, ngăn chặn hóa lỏng .....................................133 4.4.1 Làm chặt cát dễ hóa lỏng ........................................................................133 4.4.2 Giếng cuội sỏi, cọc cát ............................................................................133 4.4.3 Phụt vữa, trộn sâu (cọc xi măng – đất)....................................................133 4.4.4 Biện pháp kết cấu ....................................................................................133 4.4.5 Thay thế đất .............................................................................................134 4.5 Kết luận chương 4 ........................................................................................134 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 136 1. Những kết quả đạt được ..............................................................................136 2. Những đóng góp mới của luận án ...............................................................138 3. Tồn tại và hướng phát triển của luận án ...................................................138 4. Kiến nghị .......................................................................................................139 TÀI LIỆU KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ..................................................................... 140 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 141 PHỤ LỤC CHƯƠNG 2: KẾT QUẢ TÍNH HỆ SỐ AN TOÀN HÓA LỎNG ........... 148 PHỤ LỤC CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐÊ HỮU HỒNG ........................ 162 Phụ lục 4.1. Kết quả mô phỏng theo mô hình tuyến tính tương đương ...........162 Phụ lục 4.2. Kết quả mô phỏng theo mô hình đàn hồi tuyến tính.....................170 Phụ lục 4.3. Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của mực nước lũ (mô hình tuyến tính tương đương, băng gia tốc X3a) ...................................................................178 Phụ lục 4.4. Kết quả tính gia cố nền bằng cọc xi măng đất ...............................184 v DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ thông số vị trí của một trận động đất …….………….……… …...5 Hình 1.2. Bản đồ địa chấn kiến tạo lãnh thổ Việt Nam………………………. …...8 Hình 1.3. Hóa lỏng gây sạt đường cao tốc phía tây của hồ Merced…...…....... ..…10 Hình 1.4. Hóa lỏng đất gây trượt mái thượng lưu đập San Fernando ha ̣ ……. …..10 Hình 1.5. Sơ đồ trượt mái đập San Fernando hạ năm 1971…………….……. .....10 Hình 1.6. Hóa lỏng gây hư hỏng đê sông Yoshida…………………………… …..11 Hình 1.7. Hóa lỏng trong đất trầm tích gần sông Pajaro……………...……… ......11 Hình 1.8. Hóa lỏng gây hư hỏng đê sông Shiribeshi-Toshibetsu..…………… .....11 Hình 1.9. Sụp đổ đê sông Yodo năm 1995 bởi trận động đất Kobe………….. .....12 Hình 1.10. Hóa lỏng ở vùng ngoại ô thành phố Christchurch năm 2011……… .....12 Hình 1.11. Đất hóa lỏng cuốn nhà cửa tại Indonesia, năm 2018……..……… .....13 Hình 1.12. Sự giảm thể tích của cát xốp trong khi cắt thoát nước theo chu kỳ.. .....14 Hình 1.13. Ứng suất hiệu quả giảm do điều kiện không thoát nước…………... ......15 Hình 1.14. Khả năng hóa lỏng của cát: cát sạch (a) và cát lẫn bụi (b)………… .....15 Hình 1.15. Ảnh hưởng của hệ số rỗng đối với trạng thái ứng suất gây hóa lỏng .....16 Hình 1.16. Trạng thái ứng suất gây hóa lỏng được định nghĩa theo các cách…. .....17 Hình 1.17. Đường cong hóa lỏng của cát xốp Toyoura trong mẫu 3 trục ….…. .....18 Hình 1.18. Biểu đồ phân vùng thành phần hạt của các loại đất dễ hóa lỏng...… .....20 Hình 1.19a Biểu đồ phân vùng thành phần hạt của các loại đất D60/D10≥3.5…. .....21 Hình 1.19b Biểu đồ phân vùng thành phần hạt của các loại đất D60/D10<3.5… .....21 Hình 1.20. Sức kháng hóa lỏng khác nhau nhận được từ cắt đơn giản và 3 trục .....22 Hình 1.21. Sự tăng sức kháng hóa lỏng của cát do quá cố kết………………… .....23 Hình 1.22. Số liệu thí nghiệm 3 trục theo chu kỳ về sức kháng hóa lỏng……. .....24 Hình 1.23a Quan hệ giữa mô đun kháng cắt chuẩn hóa với biến dạng cắt……. .....25 Hình 1.23b Quan hệ giữa hệ số giảm chấn với biến dạng cắt…………………. .....25 Hình 1.24. Các biện pháp giảm nhẹ thiệt hại do hóa lỏng trong thực tế……… .....26 Hình 1.25. Đê sông Tone tại Omigawa………………………………………... .....26 Hình 1.26 Mặt cắt ngang đê sông Tone tại Omigawa với biện pháp cải tạo đất .....27 Hình 1.27. Mặt cắt đê Nazuse tại NakaShimo được cải tạo bằng cọc cát……... .....27 Hình 1.28. Quy trình nghiên cứu trong kỹ thuật hóa lỏng đất……………..…... .....27 Hình 2.1. Dấu vết đổi dòng hệ thống sông Hồng………….…………………. .....35 Hình 2.2. Sơ đồ khối đồng bằng Bắc Bộ……….………….…………………. .....37 Hình 2.3. Cột địa tầng tổng hợp đồng bằng Bắc Bộ………………………….. .....38 Hình 2.4. Bản đồ gia tốc nền cực đại đê sông Hồng Hà Nội T=475 năm..….. …….41 Hình 2.5. Bản đồ gia tốc nền cực đại đê sông Hồng Hà Nội T=2475 năm..…. .....42 Hình 2.6. Mặt cắt địa chất đoạn Tiến Tân - Thanh Trì……………………….. .....45 Hình 2.7. Biểu đồ phân loại đất nền đê Hữu Hồng…………………………... .....46 vi Hình 2.8. Hình 2.9. Hình 2.10. Hình 2.11. Hình 2.12. Hình 2.13. Hình 2.14. Hình 2.15. Hình 2.16. Hình 2.17. Hình 2.18. Hình 2.19. Hình 2.20. Hình 2.21. Hình 2.22. Hình 2.23. Hình 2.24. Hình 3.1. Hình 3.2. Hình 3.3. Hình 3.4. Hình 3.5. Hình 3.6. Hình 3.7. Hình 3.8. Hình 3.9. Hình 3.10. Hình 3.11. Hình 3.12. Hình 3.13. Sơ đồ bố trí hố khoan khảo sát khu vực nghiên cứu.……………… Mặt cắt ngang đê K73+750, K73+900…………………………….. Thành phần hạt của cát 3a……………………………….………… Thành phần hạt của cát 3b…………...…………………………….. Thành phần hạt của cát 4c, 4d, 4e…………………………..…….. Tỷ số kháng chu kỳ CRR và sức kháng xuyên tiêu chuẩn ………. Điều kiện giả định xây dựng phương trình động đất………………. Lịch sử thời gian ứng suất cắt trong một trận động đất……………. a, Sức kháng xuyên tiêu chuẩn theo chiều sâu và b, Hệ số an toàn hóa lỏng theo chiều sâu tại hố khoan HK1………………..……... a, Sức kháng xuyên tiêu chuẩn theo chiều sâu và b, Hệ số an toàn hóa lỏng theo chiều sâu tại hố khoan HK2………………………… a, Sức kháng xuyên tiêu chuẩn theo chiều sâu và b, Hệ số an toàn hóa lỏng theo chiều sâu tại hố khoan HK3………………………… a, Sức kháng xuyên tiêu chuẩn theo chiều sâu và b, Hệ số an toàn hóa lỏng theo chiều sâu tại hố khoan HK4………………………… a, Sức kháng xuyên tiêu chuẩn theo chiều sâu và b, Hệ số an toàn hóa lỏng theo chiều sâu tại hố khoan HK5………………………… a, Sức kháng xuyên tiêu chuẩn theo chiều sâu và b, Hệ số an toàn hóa lỏng theo chiều sâu tại hố khoan HK6………………………… a, Sức kháng xuyên tiêu chuẩn theo chiều sâu và b, Hệ số an toàn hóa lỏng theo chiều sâu tại hố khoan HK7………………………… a, Sức kháng xuyên tiêu chuẩn theo chiều sâu và b, Hệ số an toàn hóa lỏng theo chiều sâu tại hố khoan HK8……………………….. a, Sức kháng xuyên tiêu chuẩn theo chiều sâu và b, Hệ số an toàn hóa lỏng theo chiều sâu tại hố khoan HK9……………………….. Sơ đồ bố trí mẫu đất trong buồng 3 trục………………………….. Hệ thống thiết bị thí nghiệm 3 trục động, DTC-367D…………….. Sơ đồ đường ống thiết bị thí nghiệm 3 trục động…………………. Máy nén khí……………………………………………………….. Máy hút chân không……………………………………………….. Thiết bị phụ trợ…………………………………………………….. Vòng lặp ứng suất – biến dạng…………………………………….. Thiết lập khuôn mẫu và màng cao su……………………………… Thiết lập mẫu đất cát trong buồng 3 trục………………………….. Thiết lập mẫu đất dính…………………………………………….. Sơ đồ áp lực buồng và áp lực ngược tác dụng lên mẫu…………… Áp lực buồng và áp lực ngược điển hình………………………….. Kích thước mẫu ban đầu của mẫu..………………………………... vii .....49 .....50 .....51 .....52 .....52 .....55 ....56 .....56 .....58 .....58 .....58 ..…59 ..…59 ..…59 ..…60 ...…60 ..…60 ..…65 ..…66 ..…67 ..…68 ..…68 ..…68 ..…69 ..…71 ..…71 ..…71 ..…75 ..…75 …...76 Hình 3.14. Hình 3.15. Hình 3.16. Hình 3.17. Hình 3.18. Hình 3.19. Hình 3.20. Hình 3.21. Hình 3.22. Hình 3.23. Hình 3.24. Hình 3.25. Hình 3.26. Hình 3.27. Hình 3.28. Hình 3.29. Hình 3.30. Hình 3.31. Hình 3.32. Hình 3.33. Hình 3.34. Hình 3.35. Hình 3.36. Hình 3.37. Hình 3.38. Hình 3.39. Hình 3.40. Hình 3.41. Hình 3.42. Hình 3.43. Hình 3.44. Hình 3.45. Hình 3.46. Hình 3.47. Hình 3.48. Hình 3.49. Hình 3.50. Hình 3.51. Hình 3.52. Quan hệ giữa ứng suất lệch với số chu kỳ tải trọng……………….. Quan hệ giữa ứng suất lệch với biến dạng dọc trục ………………. Quan hệ giữa ứng suất lệch với biến dạng dọc trục trong chu kỳ 10 Quan hệ giữa Ez, h với εa của đất mẫu SH-E8………………..……. a, Quan hệ giữa Ez với εa b, Quan hệ giữa h với εa của đất 1d…..... a, Quan hệ giữa Ez với εa b, Quan hệ giữa h với εa của đất 2a……. a, Quan hệ giữa Ez với εa b, Quan hệ giữa h với εa của đất 2c……. a, Quan hệ giữa Ez với εa b, Quan hệ giữa h với εa của đất 2d…..... Quan hệ giữa Ez với εa của cát 3a a,c’tb=100,93 b,c’tb =199,76…. Quan hệ giữa h với εa của cát 3a a,c’tb=100,93 b,c’tb =199,7kPa.. a, Quan hệ giữa Ez với εa b, Quan hệ giữa h với εa của cát 3b……. a, Quan hệ giữa Ez với εa b, Quan hệ giữa h với εa của cát 4c…….. a, Quan hệ giữa Ez với εa b, Quan hệ giữa h với εa của cát 4d……. a, Quan hệ giữa Ez với εa b, Quan hệ giữa h với εa của cát 4e……. Quan hệ giữa độ lệch ứng suất với biến dạng dọc trục mẫu E2…… Quan hệ giữa Ez và σc’ mẫu E2….……………..………………….. Quan hệ giữa Ez và σc’ đất 1d….….……………………………….. Quan hệ giữa Ez và σc’ của cát 3a………………………………..… Quan hệ giữa Ez và σc’ của cát 3b…..…………………………..…. Quan hệ giữa Ez và σc’ của cát 4c………………………………..… Quan hệ giữa Ez và σc’ của cát 4d………………………………..... Quan hệ giữa Ez và σc’ của cát 4e………………………………..... Quan hệ giữa Ez và σc’ a, Đất dính b, Đất cát…………………….. Tương quan giữa mô đun Young chuẩn hóa và biến dạng dọc trục.. Đường cong mô đun Young chuẩn hóa của cát 3a ctb’=100,93kPa Đường cong mô đun Young chuẩn hóa của cát 3b ctb’=201,15kPa Tương quan giữa hệ số giảm chấn và biến dạng dọc trục của đất… Hệ số giảm chấn với biến dạng dọc trục của cát 3a………...……... Hệ số giảm chấn với biến dạng dọc trục của cát 3b……………..... Tương quan Ez với σc’ mẫu E2……………………………………. Xác định số chu kỳ Nc gây giá trị biến dạng dọc trục biên độ kép… Quan hệ giữa tỷ số ứng suất và số vòng lặp……………………….. Quan hệ giữa biến dạng dọc trục và số vòng lặp………………….. Quan hệ giữa độ lệch ứng suất với ứng suất chính trung bình…….. Quan hệ giữa hệ số áp lực nước lỗ rỗng dư và số vòng lặp……….. Quan hệ giữa độ lệch ứng suất với biến dạng dọc trục……………. Quan hệ giữa hệ số áp lực nước lỗ rỗng dư với biến dạng dọc trục.. Đường cong hóa lỏng cát 3a, σc’=100kPa ………………………… Đường cong hóa lỏng cát 3a, σc’=200kPa ………………………… viii …..78 …..78 …..79 …..80 …..80 …..80 …..81 …..81 …..81 …..81 …..82 …..82 …..82 …..83 ......85 .....85 .....86 .....86 .....86 .....86 .....86 .....86 .....87 .....88 .....89 .....89 .....91 .....91 .....91 .....93 .....97 .....98 .....98 .....98 .....99 .....99 .....99 ...100 ....101 Hình 3.53. Hình 3.54. Hình 3.55. Hình 3.56. Hình 3.57. Hình 3.58. Hình 3.59. Hình 3.60. Hình 3.61. Hình 3.62. Hình 3.63. Hình 3.64. Hình 3.65. Hình 4.1. Hình 4.2. Hình 4.3. Hình 4.4. Hình 4.5. Hình 4.6. Hình 4.7. Hình 4.8. Hình 4.9. Hình 4.10. Hình 4.11. Hình 4.12. Hình 4.13. Hình 4.14. Hình 4.15. Hình 4.16. Hình 4.17. Hình 4.18. Hình 4.19. Hình 4.20. Hình 4.21. Đường cong hóa lỏng đấ t cát 3b…………………………………... Đường cong hóa lỏng đấ t cát 4c…………………………………… Đường cong hóa lỏng đấ t cát 4d…………………………………... Đường cong hóa lỏng đấ t cát 4e…………………………………… Đường cong hóa lỏng cát cảng Hà Nội……………………………. Đường cong hóa lỏng cát 4c, 4d, 4e (c’=350kPa, DA=5%)……… Đường cong hóa lỏng cát 3a và cát 3b (c’=200kPa, DA=5%)…… Đường cong hóa lỏng cát 3a và cát cảng (c’=100kPa, DA=5%)… Mẫu thí nghiệm thiết lập trong buồng 3 trục………………………. Mẫu sau khi hóa lỏng……………………………………………… Tương quan giữa tỷ số ứng suất với số vòng lặp gây hóa lỏng……. Sự biến thiên của áp lực nước lỗ rỗng trong cát 3a……………….. Tương quan hệ số áp lực nước lỗ rỗng với số vòng lặp chuẩn hóa... Thay đổi G theo mỗi bước lặp trong một trận động đất…………… Đường cong hyperbol liên hệ giữa max và Gmax …………………... Vòng lặp trễ………………………………………………………... Đường ứng suất hiệu quả cho cát xốp trong thí nghiệm 3 trục …… Minh họa mặt sụp………………………………………………….. Đường ứng suất tuần hoàn từ B đến mặt sụp……………………… Thí nghiệm trên cát khô…………………………………………… Mặt cắt K73+500 đê Hữu Hồng…….……………………………... Băng gia tốc đê Hữu Hồng ứng với chu kỳ động đất 475 năm……. Băng gia tốc đê Hữu Hồng ứng với chu kỳ động đất 2475 năm….. Mô hình hóa bài toán phẳng MC K73+750……………………….. Hàm hiệu chỉnh ứng suất cắt ban đầu Ka………………………….. Hàm hiệu chỉnh ứng suất tầng phủ Ks…………………………….. Đường cong hóa lỏng của đất cát trong nền đê hữu Hồng………… Hệ số áp lực nước lỗ rỗng dư của đất cát trong nền đê Hữu Hồng.. Mô đun kháng cắt lớn nhất của đất trong nền đê Hữu Hồng……… Mô đun kháng cắt chuẩn hóa của đất trong nền đê Hữu Hồng…… Hệ số giảm chấn của đất trong nền đê Hữu Hồng………………… Sơ đồ mô phỏng bài toán ổn định mái đê hạ lưu do động đất……. Hệ số an toàn ổn định mái theo phía sông thời gian…………..…. Chuyển vị ngang tại nút 1171 theo thời gian……………….……. ix ....101 ....101 ....101 ....101 ....102 ....102 ....102 ....102 …103 ....103 ....104 …..106 …..106 …..115 …..116 …..116 …..117 …..117 …..118 ….119 ….120 ….120 ….120 ….120 ….123 ….123 …..123 …..124 …..125 …..125 …..126 …..127 …..129 …..129 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Bảng 1.2. Bảng 2.1. Bảng 2.2. Bảng 2.3. Bảng 2.4a Bảng 2.4b Bảng 2.5. Bảng 2.6. Bảng 2.7. Bảng 3.1. Bảng 3.2. Bảng 3.3. Bảng 3.4. Bảng 3.5. Bảng 3.6. Bảng 3.7. Bảng 3.8. Bảng 3.9. Bảng 3.10. Bảng 3.11. Bảng 3.12. Bảng 3.13. Bảng 3.14. Bảng 3.15. Bảng 3.16. Bảng 3.17. Bảng 3.18. Bảng 3.19. Bảng 3.20. Bảng 3.21. Bảng 3.22. Bảng 3.23. Bảng 3.24. Bảng 4.1. Bảng 4.2. Bảng chuyển đổi từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất………….. Phân loại đánh giá tiềm năng hóa lỏng………………………...….. Cao trình đỉnh đê và cao trình mực nước thiết kế đê sông Hồng….. Một số vị trí đê xung yếu trên tuyến đê Hữu Hồng ……………..... Thống kê vị trí tầng đất có tính nhạy hóa lỏng cao trong nền đê …. Kết quả phân tích thành phần hạt của cát nền đê Hữu Hồng……… Kết quả phân tích thành phần hạt của cát tại cảng Hà Nội………... Chỉ tiêu cơ lý của đất thí nghiệm………………………………….. Mức độ thiệt hại tiềm tàng và số nhát búa hiệu chỉnh…………….. Hệ số hiệu chỉnh độ lớn trận động đất…………………………….. Thông số ban đầu của mẫu thí nghiệm xác định Ez-εa đất dính ….. Thông số ban đầu của mẫu thí nghiệm xác định Ez-εa đất cát.. ….. Thông số ban đầu của mẫu thí nghiệm xác định Ez-c’ đất dính… Thông số ban đầu của mẫu thí nghiệm xác định Ez -c’ đất cát… Hệ số tương quan giữa mô đun Young chuẩn hóa và εa cát 3a….... Hệ số tương quan giữa mô đun Young chuẩn hóa và εa cát 3b…… Hệ số tương quan giữa mô đun Young chuẩn hóa và εa cát 4c…… Hệ số tương quan giữa mô đun Young chuẩn hóa và εa cát 4d…… Hệ số tương quan giữa mô đun Young chuẩn hóa và εa cát 4e…… Hệ số tương quan giữa hệ số giảm chấn và εa cát 3a……………… Hệ số tương quan giữa hệ số giảm chấn và εa cát 3b……………… Hệ số tương quan giữa hệ số giảm chấn và εa cát 4c……………… Hệ số tương quan giữa hệ số giảm chấn và εa cát 4d……………… Hệ số tương quan giữa hệ số giảm chấn và εa cát 4e……………… Hệ số tương quan giữa Ez và σc’ của các loại đất…………………. Thông số ban đầu của mẫu thí nghiệm hóa lỏng ………………….. Hệ số tương quan giữa tỷ số ứng suất với Nc …………….……..… Hệ số tương quan giữa ru với số vòng lặp chuẩn hóa cát 3a………. Hệ số tương quan giữa ru với số vòng lặp chuẩn hóa cát 3b………. Hệ số thực nghiệm của phương trình tương quan giữa Ez với a…. Hệ số mũ của phương trình tương quan giữa Ez với c’………….. Hệ số thực nghiệm của phương trình tương quan giữa h với a…. Hệ số thực nghiệm của phương trình tương quan giữa CSR với Nc. Hệ số thực nghiệm của phương trình tương quan giữa ru với NL Giá trị PGA chu kỳ 475 năm tại các hố khoan K73+750…………. Giá trị PGA chu kỳ 2475 năm tại các hố khoan K73+750………... x ….6 …19 …33 …33 …46 …51 …51 …53 …53 …55 ...72 ...72 ...73 …73 …88 …89 …90 …90 …90 …92 …92 …92 …92 …93 …94 …95 ..105 ..106 ..107 ..108 ..108 ..109 ..109 ..110 ..119 ..119 Bảng 4.3. Bảng 4.4. Bảng 4.5. Bảng 4.6. Bảng 4.7. Bảng 4.8. Chỉ tiêu cơ lý tính toán của các lớp đất trong nền đê……………… Kết quả tính ổn định mái đê tại mặt cắt K73+750………………. Kết quả tính biến dạng đê tại mặt cắt K73+750…………………... Kết quả tính ổn định tại mặt cắt K73+750………………...……… Kết quả tính biến dạng tại mặt cắt K73+750………………..…….. Kết quả tính ổn định mái, trường hợp ảnh hưởng của mực nước lũ. ..122 ..127 ..128 ..130 ..130 ..132 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU amax : gia tốc ngang lớn nhất gây ra bởi trận động đất, (m/s2), B: hệ số áp lực nước lỗ rỗng, (B=∆u/∆σ3), CRR: tỷ số kháng chu kỳ, đặc trưng cho sức kháng của đất, CRR7,5: tỷ số kháng chu kỳ với độ lớn động đất Mw=7,5 CSR: tỷ số ứng suất chu kỳ do động đất gây ra, DA: biên độ kép của biến dạng dọc trục, (%) Di: đường kính ban đầu của mẫu, (mm) Dc: đường kính mẫu sau cố kết, (mm) D60: đường kính hạt tương ứng với hàm lượng phần trăm tích lũy bằng 60%, (mm) D10: đường kính hạt tương ứng với hàm lượng phần trăm tích lũy bằng 10%, (mm) Dr: độ chặt tương đối, (%) Ez: mô đun Young theo phương thẳng đứng, (kPa) Ezmax: mô đun Young theo phương đứng lớn nhất, (kPa) Ez/ Ezmax: mô đun Young chuẩn hóa, eo: hệ số rỗng ban đầu của mẫu, ec: hệ số rỗng sau cố kết của mẫu, emax: hệ số rỗng lớn nhất, emin: hệ số rỗng nhỏ nhất, FS: hệ số an toàn hóa lỏng, (Fs=CRR/CSR) F: lực động đất ngang trên cột đất, (kN), f(e): hàm hệ số rỗng, fc: hàm lượng hạt mịn trong đất, (các hạt có đường kính, D < 0,075mm), G/Gmax: mô đun kháng cắt chuẩn hóa, G: mô đun kháng cắt, (kPa) Gmax: mô đun kháng cắt lớn nhất, (kPa) g: gia tốc trọng trường, (m/s2), Hi: chiều cao ban đầu của mẫu, (mm) Hc: là chiều cao của mẫu sau khi cố kết, (mm) xi MSF: hệ số hiệu chỉnh độ lớn động đất, Mw: độ lớn động đất, ms: khối lượng mẫu khô, (g) Nm: số nhát búa SPT đo được cho 30cm cuối cùng, (N1)60: giá trị số nhát búa hiệu chỉnh, N: số vòng lặp (số chu kỳ tải trọng) Nc, NL: số vòng lặp gây hóa lỏng N/NL: số vòng lặp chuẩn hóa, Nu95, số vòng lặp gây ra giá trị áp lực nước lỗ rỗng dư, u, trong mỗi chu kỳ bằng 95% giá trị ứng suất khống chế hiệu quả; OCR: tỷ số quá cố kết, (OCR=σp’/σvo’) p’: ứng suất chính trung bình hiệu quả, (kPa) rd: hệ số khử chiều sâu, ru: hệ số áp lực nước lỗ rỗng dư, (ru =Δu/σ3’) Δu: sự gia tăng áp lực nước lỗ rỗng, (kPa) z: chiều sâu tính từ mặt đất tự nhiên đến điểm nghiên cứu, (m), di: khối lượng thể tích ban đầu của mẫu, (g/cm3) dc: khối lượng thể tích của mẫu sau cố kết, (g/cm3) s: khối lượng riêng hạt của mẫu, (g/cm3) vo’: ứng suất hiệu quả ban đầu theo phương đứng, (kPa) h’: ứng suất hiệu quả theo phương ngang, (kPa) v: ứng suất tổng theo phương đứng, (kPa) h: ứng suất tổng theo phương ngang, (kPa) b: áp lực ngược, (kPa) c: áp lực buồng, (kPa) c’: ứng suất cố kết hiệu quả, (kPa) o’: ứng suất hiệu quả ban đầu, (kPa) σp’: ứng suất tiền cố kết, (kPa) σ3’: áp suất buồng ban đầu, (kPa) q d: độ lệch ứng suất = v - h, (kPa) max: ứng suất cắt lớn nhất của đất, (kPa) cyc: biên độ chu kỳ ứng suất cắt tương đương của trận động đất, (kPa) γ: biến dạng cắt, (%) γ : trọng lượng riêng của đất, (kN/m3), t εa: biến dạng dọc trục, (%) ν: hệ số Poisson của đất. xii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CĐTN: cao độ tự nhiên, (m) MNN: mực nước ngầm, (m), MSK-64: Thang Medvedev-Sponheuer-Karnik MMI: thang đo Mercalli sửa đổi JMA: Japnanese Meteorological Agency nnk: những người khác PGA: Peak ground acceleration – gia tốc nền cực đại SA: Spectral Aceleration - phổ phản ứng của gia tốc nền PTHH: phần tử hữu hạn PCLB: phòng chống lụt bão xiii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Động đất xảy ra hằng ngày trên Trái Đất nhưng hầu hết các trận động đất đều nhỏ và không gây hậu quả nghiêm trọng. Động đất lớn có thể gây thiệt hại trầm trọng về người, cơ sở vật chất, kinh tế và không hề có sự báo trước. Tác động trực tiếp của động đất là rung cuộn mặt đất, thường gây nhiều thiệt hại nhất. Các rung động này có thể gây ra nứt gãy, sụt lở đất, sóng thần, hóa lỏng đất, vỡ đê… Tại nước ta trong lịch sử hiện tượng động đất đã xảy ra ở một số địa phương. Điển hình là các trận động đất xảy ra tại Hà Nội mạnh cấp VII, cấp VIII (thang MSK-64) vào các năm 1277, 1278, 1285, động đất Điện Biên năm 1935 với cường độ 6,75 độ Richter, động đất Tuần Giáo năm 1983 với cường độ 6,8 độ Richter...Chu kỳ lặp lại động đất mạnh 5,4 độ Richter ở Hà Nội là 1100 năm và trận động đất mạnh cuối cùng xảy ra cách đây đã hơn 700 năm (năm 1285). Từ năm 2010 tới nay, có rất nhiều các trận động đất xảy ra ở Việt Nam. Theo những nghiên cứu gần đây của các nhà địa chất học cho thấy, hiện tượng ấm lên toàn cầu là một trong những nguyên nhân dẫn tới sự gia tăng của các hoạt động địa chấn. Theo các nghiên cứu này, băng tan và mực nước biển dâng gây ảnh hưởng đến áp lực tác động lên các mảng kiến tạo của Trái Đất, dẫn đến sự gia tăng về tần suất và cường độ của động đất. Việt Nam là một nước có đường bờ biển dài và hệ thống sông ngòi dày đặc. Hệ thống đê dọc theo các nhánh sông và bờ biển là giải pháp công trình ngăn nước lũ của sông hoặc ngăn nước biển. Tổng chiều dài đê của nước ta là hơn 13200 km, trong đó có 10600 km đê sông, 2600 km đê biển và 2500 km đê đặc biệt. Hầu hết các hệ thống đê ở nước ta được xây dựng từ lâu đời, tôn cao mở rộng dần mà không chú ý xử lý nền trước khi xây dựng. Với tầm quan trọng của hệ thống đê điều và nhiệm vụ của nó, gần đây Chính phủ đã phê duyệt hai chương trình lớn, đó là chương trình nâng cấp đê biển từ Quảng Ninh đến Quảng Nam; từ Quảng Ngãi đến Kiên Giang và chương trình nâng cấp đê sông tại 1 19 tỉnh có đê được phân cấp, với tổng kinh phí là hơn 50 nghìn tỷ đồng, kéo dài đến năm 2020. Tuy nhiên hầu hết các chương trình nâng cấp đê hiện nay chủ yếu chú trọng vào công tác gia cố mặt và mái đê đảm bảo chịu được tác động của sóng, của gió và các tác động lên bề mặt đê, chưa tập trung vào xử lý ổn định nền và thân đê nếu xảy ra động đất. Khi động đất xảy ra kết hợp với các yếu tố triều cường, bão lớn xảy ra, đặc biệt là vấn đề biến đổi khí hậu hiện nay sẽ đe dọa nghiêm trọng khả năng làm việc của đê. Nếu đê gặp sự cố, vùng hạ du phía đồng sẽ chịu ảnh hưởng. Hệ thống đê Hữu Hồng có nhiệm vụ đặc biệt quan trọng là bảo vệ an toàn tuyệt đối cho thủ đô Hà Nội. Trên toàn tuyến cao trình đỉnh đê hiện tại đều cao hơn cao trình mực nước thiết kế đê, mặt cắt đê tương đối hoàn chỉnh, mái đê đủ độ dốc tuy nhiên có một số vị trí đê được đắp trên nền cát dày rất dễ xảy ra hóa lỏng khi chịu tác dụng của động đất mạnh. Trước tình hình biến đổi khí hậu, nước biển dâng cùng với sự xuất hiện ngày càng nhiều của các trận động đất vừa và nhỏ trên lãnh thổ Việt Nam gần đây cho thấy cần thiết phải có một nghiên cứu đánh giá khả năng hóa lỏng của đất nền đê Hữu Hồng, đoạn qua Hà Nội chịu tải trọng động đất và đề xuất giải pháp ổn định khi hóa lỏng xảy ra. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của luận án là đánh giá được khả năng hóa lỏng của đất nền đê Hữu Hồng, đoạn qua thành phố Hà Nội (từ K73+500 – đến K74+100) khi chịu tải trọng động đất mạnh. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là đất cát nền đê Hữu Hồng, đoạn qua thành phố Hà Nội (từ K73+500 – đến K74+100), khi chịu động đất mạnh. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào khả năng hóa lỏng của lớp đất cát bão hòa nước, phân bố nông dưới bề mặt chân đê với chiều dày phân bố từ mặt nền là 40m, khi chịu động đất mạnh. 4. Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu bao gồm các vấn đề sau đây: 2 Tổng quan tình hình nghiên cứu hóa lỏng trên thế giới và trong nước; Cấu trúc địa chất nền đê Hữu Hồng; Đánh giá tính nhạy và khả năng hóa lỏng của đất nền đê Hữu Hồng; Xác định các đặc trưng biến dạng của đất nền đê Hữu Hồng; Xác định các đặc trưng hóa lỏng của đất nền đê Hữu Hồng; Mô phỏng khả năng hóa lỏng đoạn đê K73+500 – K74+100 khi chịu động đất mạnh; Đề xuất giải pháp ổn định đê phòng tránh hóa lỏng xảy ra. 5. Phương pháp tiếp cận và nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu trong đề tài là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm (thí nghiệm trong phòng và thí nghiệm hiện trường) và mô phỏng số theo phương pháp phần tử hữu hạn. Nghiên cứu lý thuyết: dựa theo các sách, các tài liệu đã được phát hành và các kết quả nghiên cứu đã được công bố chính thức để phân tích tổng hợp đưa ra những luận cứ đúng đắn cho nội dung nghiên cứu đã đề ra. Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường: sử dụng các kết quả khoan khảo sát địa chất và thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn làm căn cứ đánh giá khả năng hóa lỏng nền đê theo quy trình đơn giản đã được công bố, đồng thời là cơ sở cho nghiên cứu thực nghiệm trong phòng. Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng: sử dụng thiết bị 3 trục động để nghiên cứu khả năng hóa lỏng của các mẫu đất được lấy mẫu từ thực địa nhằm xác định các đặc trưng biến dạng và hóa lỏng của đất nền đê Hữu Hồng. Từ đó đưa ra những kết quả chính xác là cơ sở để xây dựng tương quan của các đặc trưng biến dạng và hóa lỏng của đất. Nghiên cứu mô phỏng số: đánh giá khả năng hóa lỏng của một đoạn đê thực tế dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm trong phòng và hiện trường và các kịch bản về tải trọng động đất và mực nước khác nhau. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Việc nghiên cứu đặc trưng biến dạng và hóa lỏng của đất nền đê Hữu Hồng vừa có ý nghĩa khoa học, vừa có ứng dụng thực tế lớn. 3 Về mặt khoa học, kết quả nghiên cứu góp phần làm sáng tỏ kiến thức về đặc trưng biến dạng, hóa lỏng của đất nền đê, xây dựng được quy luật ứng xử của đất nền khi chịu tác dụng của động đất, nhằm phục vụ công tác dự báo, thiết kế kháng chấn; góp phần hoàn thiện và hệ thống hóa cơ sở lý thuyết đặc trưng biến dạng và hóa lỏng, bổ sung thông tin cần thiết và có thể dùng làm tài liệu tham khảo hữu ích cho nghiên cứu động học, hóa lỏng tiếp theo. Về mặt thực tiễn, kết quả nghiên cứu của luận án có những đóng góp như sau: Quy hoạch, phân vùng nguy cơ hóa lỏng khi xảy ra động đất mạnh; Quản lý an toàn đê điều. 7. Bố cục của luận án Mở đầu Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu hóa lỏng do động đất Chương 2: Đánh giá tính nhạy hóa lỏng và khả năng hóa lỏng đất nền đê Hữu Hồng Chương 3: Thí nghiệm trong phòng xác định các đặc trưng động của đất nền đê Chương 4: Mô phỏng hóa lỏng đê Hữu Hồng khi chịu động đất mạnh và đề xuất giải pháp ổn định Kết luận và kiến nghị Danh mục các tài liệu khoa học đã công bố Danh mục các tài liệu tham khảo Phụ lục. 4 CHƯƠNG 1 ĐỘNG ĐẤT TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU HÓA LỎNG DO 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước 1.1.1 Khái quát về động đất Theo Robert Bates và Julia Jackson, (1987)[1], động đất là một chuyển động hay rung động đột ngột trong vỏ quả đất sinh ra do sự giải phóng tức thời năng lượng, biến dạng được tích lũy dần từ trước. Có nhiều nguyên nhân gây ra động đất như: do kiến tạo, do đứt gãy, do làm hồ chứa nước lớn, do nổ, do sụt lở…Giải thích mới và thuyết phục hơn cả hiện nay về nguyên nhân động đất là do sự trôi dạt lục địa và kiến tạo mảng kích thích núi lửa hoạt động. Từ những số đọc sóng động đất tại các biểu đồ địa chấn của các trạm quan trắc có thể tính ra được vị trí trung tâm (chấn tiêu) của một trận động đất (Hình 1.1). Đê đập Chấn tâm Mặt đất  – Khoảng cách chấn tâm h – Độ sâu chấn tiêu  R – Khoảng cách chấn tiêu Chấn tiêu Hình 1.1. Sơ đồ thông số vị trí của một trận động đất Mức độ nghiêm trọng của một trận động đất được miêu tả bởi cả độ lớn và cường độ động đất. Độ lớn động đất (ký hiệu M) là đại lượng đặc trưng cho mức năng lượng mà trận động đất phát và truyền ra không gian xung quanh dưới dạng sóng đàn hồi (QĐ46/2014/QĐ-TTg)[2]. Một số thang đo độ lớn động đất phổ biến là thang mô men (MW), thang Richter (ML), thang độ lớn sóng bề mặt (MS)…Động đất được phân thành các loại: vi động đất (M < 2,0), động đất yếu (2,0 < M < 3,9), động đất nhẹ (4,0 < M < 4,9), động đất trung bình (5,0 < M < 5,9), động đất mạnh (6,0 < M < 6,9), động đất rất mạnh (7,0 < M < 7,9) và động đất hủy diệt (M > 8,0) [2]. 5