MỞ ĐẦU 1 Lý do lựa chọn đề tài Động đất là thiên tai cực kỳ nguy hiểm có thể gây ra các thảm họa đối với con người và phá hủy nghiêm trọng các công trình. Việt Nam tuy không nằm trong vành đai lửa của những khu vực có động đất lớn trên thế giới, nhưng không loại trừ bị ảnh hưởng bởi những trận động đất mạnh, do trên lãnh thổ Việt Nam tồn tại nhiều đứt gãy hoạt động phức tạp như đứt gãy Lai Châu - Điện Biên, đứt gãy Sông Mã, đứt gãy Sơn La, đới đứt gãy Sông Hồng, đới đứt gãy Sông Cả.Các nghiên cứu khoa học đã ghi nhận, từ đầu thế kỷ 20 đến nay ở khu vực phía Bắc nước ta đã xảy ra 2 trận động đất cấp 8-9 (thang MSK-64), tương đương 6,7-6,8 độ Richter, hàng chục trận động đất cấp 7, tương đương 5,1-5,5 độ Richter và hàng trăm trận động đất yếu hơn. Điển hình trận động đất xảy ra tại Điện Biên năm 1935, với cường độ 6,7 độ Richter, xảy ra trên đới đứt gãy Sông Mã; trận động đất tại Tuần Giáo năm 1983, có cường độ 6,8 độ Richter, xảy ra trên đứt gãy Sơn La, gây nên sụt lở, nứt đất trên diện rộng, sụt lở lớn trong núi, gây hư hại nhà cửa trong phạm vi bán kính đến 35 km…[14]. Ở Việt Nam đã, đang và sẽ tiến hành xây dựng nhiều công trình xây dựng lớn như nhà máy điện hạt nhân; công trình ngoài khơi; đập thủy điện, công trình cầu, cảng lớn; nhà cao tầng… phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.
Sự kiện các trận động đất kích thích xảy ra tại khu vực thủy điện Sông Tranh 2- Bắc Trà Mi, Quảng Nam gần đây đặt ra cho các cơ quan quản lý nhà nước cần phải xây dựng một chiến lược phòng tránh và giảm nhẹ hậu quả động đất ở Việt Nam trong đó yêu cầu về thiết kế kháng chấn cho các công trình xây dựng phải được quan tâm đặc biệt để đảm bảo sự an toàn cao nhất cho công trình và cuộc sống của người dân. Khi đó đòi hỏi cần phải xem xét lại một số vấn đề, đặc biệt là về tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn, dữ liệu động đất; mô hình, phương pháp tính toán v. Hiện nay, khi thiết kế các công trình xây dựng trong các vùng có động đất thường dựa trên ba phương pháp tính toán chính sau: Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương; phương pháp phổ phản ứng; phương pháp tích phân trực tiếp phương 2 trình chuyển động (phương pháp động lực học). Cả ba phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng và đã được đưa vào trong các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của các nước [19],[20],[21],[22],[37],[42],[44],[52],[59].
Ở nước ta, khi thiết kế kháng chấn cho công trình xây dựng nói chung, công trình giao thông nói riêng thường sử dụng một số tiêu chuẩn chính được biên dịch từ tiêu chuẩn của nước ngoài như Tiêu chuẩn 22TCN 272- 05[20]: “Tiêu chuẩn thiết kế cầu” được biên dịch theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD 1998 trong đó có trình bày ảnh hưởng của động đất, phân tích tải trọng động đất, song chưa có những hướng dẫn thực hành cụ thể; Tiêu chuẩn TCXDVN 375: 2006[22]: “ Thiết kế công trình chịu động đất được biên dịch từ Tiêu chuẩn Châu Âu: Erocode 8, phần 1 và phần 5, chủ yếu được sử dụng trong thiết kế các công trình nhà, nền móng, tường chắn, còn những công trình đặc biệt như nhà máy điện hạt nhân, công trình ngoài khơi, các đập lớn nằm ngoài phạm vi quy định của tiêu chuẩn này và cũng chỉ nêu yêu cầu chung về phân tích động học cho móng cọc nhưng còn thiếu những hướng dẫn chi tiết; Tiêu chuẩn 22 TCN 221- 95[19]:“Công trình giao thông trong vùng động đất” là tiêu chuẩn được biên soạn riêng cho các công trình giao thông trong vùng động đất được biên dịch từ tiêu chuẩn XNiP II-7-81* của Nga[59]. Tiêu chuẩn TCXD 205-1998[21] chỉ đưa ra một số chỉ dẫn liên quan đến giảm khả năng chịu tải của cọc và tác động của lực quán tính tác dụng lên đầu cọc trong khi chưa có những chỉ dẫn liên quan đến tương tác động học. Các chấn động của động đất có thể gây ra sự phá hoại công trình thông qua sự phá hoại của nền đất bên dưới làm giảm sức chịu tải của đất nền, gây biến dạng và trong một số trường hợp có thể dẫn đến hiện tượng hóa lỏng của đất nền. Do đó, việc quan tâm đến tính toán thiết kế nền và móng cho công trình khi chịu tải trọng động đất là một vấn đề rất quan trọng.
Trong các loại móng của công trình, móng cọc là một giải pháp phổ biến và hợp lý vì có nhiều giá trị về kinh tế, kỹ thuật. Những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trong tính toán móng cọc rất phát triển và đạt được nhiều thành tựu quan trọng, tuy nhiên còn nhiều vấn đề phức tạp đặt ra cần phải giải quyết. Khó khăn lớn nhất khi thiết kế móng cọc chịu tải trọng ngang 3 và tải trọng động đất là tính gần đúng khi xác định trạng thái ứng suất biến dạng của cọc, nguyên nhân là do sự gần đúng khi đánh giá tương tác giữa cọc và nền. Do tương tác giữa cọc và nền quá phức tạp nên thường đơn giản hoá bằng các mô hình.
Qua nghiên cứu các tài liệu về tương tác giữa cọc và nền đất, tác giả thấy rằng hầu hết các phương pháp hiện nay đều tập trung nghiên cứu theo hai nhóm chính sau: - Nhóm các phương pháp dựa trên mô hình nền Winkler với “lò xo tuyến tính” và “lò xo phi tuyến” (Chang, 1937; Reese và Matlock, 1956; Zavriev, 1962; Trần Bình, 1968; O’Neill, 1984; Gazetas 1992, Naggar và Novak,1995; Thavaraj 2001…)[2],[4],[13],[15],[16],[17],[18],[31],[38],[41],[48],[51]. - Nhóm các phương pháp dựa trên mô hình đàn hồi liên tục (Gagafov, 1967; Lê Đức Thắng, 1966; Poulos, 1971a,b; Verruijt& Kooijman, 1989; Liam Finn, 2005. Để xét tương tác giữa cọc và đất, các nhóm phương pháp trên thường đưa thêm các liên kết phụ như lò xo, hộp nhớt vào trong mô hình tính toán. Tuy nhiên việc tìm các hệ số độ cứng “lò xo tuyến tính”, “lò xo phi tuyến” (đường cong p-y), hệ số nhớt để xét điều kiện bức xạ ra vô cùng là khó xác định và thiếu độ chính xác, mỗi tác giả đề nghị một cách và chủ yếu dựa vào thực nghiệm xét đối với từng trường hợp cụ thể.
Vấn đề tương tác giữa cọc và đất chưa được xem xét một cách đầy đủ, mới chỉ xét ảnh hưởng của đất lên cọc mà chưa xét ảnh hưởng của cọc lên đất. Mặt khác việc xét điều kiện biên ở vô hạn rất khó khăn, đặc biệt đối với bài toán truyền sóng khi xảy ra động đất. Từ những phân tích trên, thấy rằng nghiên cứu sự làm việc của cọc, trong đó nghiên cứu sự tương tác giữa cọc và nền đất khi chịu tải trọng nằm ngang và tải trọng động đất là vấn đề cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, góp phần xem xét đầy đủ hơn về phương pháp tính toán móng cọc của công trình ở Việt Nam. 2 Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng phương pháp lý thuyết nghiên cứu bài toán tương tác giữa cọc-nền đất và phần mềm tính toán xác định trạng thái ứng suất biến dạng của cọc chịu tải trọng ngang và tải trọng động đất 4 3.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Luận án nghiên cứu cọc đơn thẳng đứng nằm trong bán không gian vô hạn đàn hồi chịu tác dụng của tải trọng tĩnh nằm ngang, tải trọng động nằm ngang và tải trọng động đất. Luận án không tính toán trong mô hình nền đất khác (đàn dẻo, đàn nhớt), không xét hiện tượng hóa lỏng trong nền đất khi xảy ra động đất; không xét ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng trong nền đất bão hòa và không nghiên cứu bài toán trạng thái giới hạn của cọc. Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng khối đất chịu tải trọng tĩnh nằm ngang. Nghiên cứu bài toán tương tác tĩnh học giữa cọc với nền đất khi chịu tải trọng tĩnh nằm ngang.
Nghiên cứu bài toán tương tác động lực học giữa cọc với nền đất khi chịu tải trọng động nằm ngang và chịu tải trọng động đất trong miền tần số và miền thời gian. Xây dựng phần mềm tính toán cho các trường hợp nghiên cứu trên. 5 Phương pháp nghiên cứu Xây dựng bài toán lý thuyết bằng cách sử dụng phương pháp dùng hệ so sánh của Phương pháp nguyên lý cực trị Gauss (sau đây viết tắt là PPNLCT Gauss) khi dùng lời giải tĩnh của bán không gian vô hạn đàn hồi (đối với bài toán tương tác tĩnh học) và lời giải động lực học của không gian vô hạn đàn hồi (đối với bài toán tương tác động lực học) làm hệ so sánh. Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải và dựa trên kết quả bằng số nhận được các kết quả chứng minh tính đúng đắn và độ tin cậy của lý thuyết tính toán.
6 Bố cục của Luận án Luận án được trình bày gồm phần mở đầu và 4 chương, nội dung cụ thể từng chương như sau: 5 Chương 1: Tổng quan các phương pháp nghiên cứu tương tác giữa cọc và nền đất khi chịu tải trọng ngang. Dựa trên các tài liệu thu thập được, tác giả giới thiệu một cách khái quát về động đất và các phương pháp nghiên cứu tương tác giữa cọc với nền đất khi chịu tải trọng tĩnh nằm ngang cũng như chịu tải trọng động nằm ngang, trên cơ sở đó giới thiệu các vấn đề nghiên cứu của luận án. Chương 2: Nghiên cứu trạng thái ứng suất, biến dạng của nền đất thông qua nghiên cứu tương tác giữa khối đất đàn hồi với bán không gian vô hạn đàn hồi khi chịu tải trọng tĩnh nằm ngang. Chương này trình bày về PPNLCT Gauss, cách sử dụng PPNLCT Gauss tìm các phương trình cơ bản của môi trường đàn hồi, các phương trình truyền sóng; lời giải Kelvin đối với không gian vô hạn đàn hồi; lời giải Mindlin đối với bán không gian vô hạn đàn hồi; xây dựng bài toán tương tác giữa khối đất đàn hồi với bán không gian vô hạn đàn hồi còn lại khi chịu tải trọng tĩnh nằm ngang theo phương pháp dùng hệ so sánh của PPNLCT Gauss; xây dựng thuật toán và chương trình tính theo phương pháp phần tử hữu hạn, kiểm tra tính đúng đắn của kết quả.
Kết quả nghiên cứu của chương sẽ là tiền đề cho việc nghiên cứu ở các nội dung tiếp theo của luận án. Chương 3: Nghiên cứu bài toán tương tác giữa cọc với nền đất khi chịu tải trọng tĩnh nằm ngang.
