phần mở đầu, nội dung tổng quan tập trung trình bày một số vấn đề: khái niệm về động đất, các phương pháp tính toán công trình ngầm chịu tác dụng của động đất và các phương pháp phát sinh giản đồ gia tốc nhân tạo.1 Một số khái niệm chung về động đất Các vấn đề chung về động đất đã được nhiều tác giả trong và ngoài nước trình bày chi tiết. Trong phạm vi luận án, tác giả chỉ trích lược một số nội dung cơ bản có liên quan đến vấn đề nghiên cứu. Khái niệm chung Động đất là sự rung chuyển bề mặt do sự giải phóng năng lượng bất ngờ ở lớp vỏ Trái đất và phát sinh ra sóng địa chấn [45]. Điểm sóng địa chấn được bắt đầu được gọi là chấn tiêu [11],[19],[20].
Hình chiếu của chấn tiêu lên mặt đất được gọi là chấn tâm. Khoảng cách từ chấn tâm đến chấn tiêu gọi là độ sâu chấn tiêu (Rhyp). Khoảng cách từ chấn tâm và chấn tiêu đến điểm khảo sát tương ứng là tâm cự (Rrup) và tiêu cự (R). Động đất tác dụng lên công trình thông qua sóng địa chấn lan truyền trong đất đá, sóng địa chấn gồm sóng khối và sóng bề mặt.
Sóng khối bao gồm sóng dọc và sóng ngang. Khi sóng dọc (còn được gọi là sóng sơ cấp hay sóng P) lan truyền, các hạt vật chất chuyển dịch theo phương trùng với phương truyền sóng. Môi trường có sóng đó lan truyền chịu các ứng suất nén và kéo kèm theo thay đổi thể tích. Đối với sóng ngang (còn được gọi là sóng thứ cấp hay sóng S), các hạt môi trường chuyển dịch vuông góc với phương truyền sóng.
Sóng ngang tạo ra sự thay đổi hình dạng môi trường, nhưng giữ nguyên thể tích. luan an 4 Sóng bề mặt bao gồm hai loại cơ bản: các sóng Rayleigh (dao động của vật chất theo phương thẳng đứng) và các sóng Love (dao động của vật chất theo phương ngang). Các tiêu chí đánh giá độ mạnh của động đất Sức mạnh của động đất là một đại lượng quan trọng và có thể được định lượng theo nhiều cách khác nhau, tuy nhiên, có thể khái quát qua hai cách tiếp cận cơ bản là đánh giá thông qua thang cường độ và thang độ lớn. Vấn đề này đã được Kramer trình bày một cách hệ thống trong tài liệu [55].
Thang độ lớn trận động đất Các thang độ lớn thường được thể hiện bằng chữ số Ả Rập (1,2,3.) đặc trưng cho quy mô của một trận động đất bằng cách đo gián tiếp năng lượng được giải phóng. Thang độ lớn động đất cho biết thông tin về độ lớn tổng thể hoặc quy mô của trận động đất. Các thang độ lớn kể trên bao gồm hai nhóm: nhóm dựa trên các thông số về biên độ của bản ghi gia tốc (thang độ lớn địa phương - ML; độ lớn sóng khối - mb; độ lớn sóng bề mặt - Ms) và nhóm dựa vào năng lượng tổng thể của trận động đất (thang độ lớn mô men - Mw). Trong các thang kể trên, thang độ lớn mô men đưa ra ước lượng đáng tin cậy nhất về quy mô của trận động đất, kết quả thu được giúp so sánh kích thước của các trận động đất khác nhau dễ dàng hơn nên đang được sử dụng ngày càng phổ biến [55].
Thang độ lớn mô men được phát triển năm 1979 bởi Tom Hanks và Kanamori Hiroo [49] để kế tiếp thang độ lớn địa phương (thang Richter) nhằm so sánh năng lượng được phát ra bởi động đất. Độ lớn mô men là số không thứ nguyên được tính theo công thức: 2 M w = log(M 0 ) - 6,1 (1.1) 3 trong đó: M0 là mô men địa chấn (N. Thang cường độ địa chấn Trong khi thang độ lớn tập trung vào quy mô, sức mạnh của trận động đất tại nguồn phát sinh, thang cường độ địa chấn lại là cách đánh giá tác động của động đất đến một địa điểm nhất định, được định lượng thông qua sự phá hoại các dạng công trình và tác động đến con người tại địa điểm tiếp nhận động đất. Các thang cường độ hiện được sử dụng phổ biến như: thang đo Medvedev-Sponheuer-Karnik (MSK-64), thang đo Mercalli sửa đổi (MM).
Thang cường độ Mercalli sửa đổi (MM), được đề xuất bởi nhà địa chấn Mercalli vào đầu thế kỷ 20 trên cơ sở sửa đổi thang đo Rossi Forel (1883). Thang Mercalli sửa đổi đánh giá độ mạnh của động đất dựa hoàn toàn vào hậu quả của động đất tác động đến con người, đồ vật, công trình xây dựng. thang đo này được sử dụng phổ biến tại các nước Châu Âu, Bắc Mỹ. Thang MSK-64 với 12 cấp (đánh số bằng ký tự La Mã: I, II,.,XII) được đề xuất bởi ba nhà khoa học Medvedev, Sponhauer và Karnic (1964) dựa vào việc đánh giá biên độ dao động tương đối của con lắc chuẩn mô tả chuyển động địa chấn.
Thang đo này dựa trên các kinh nghiệm có sẵn vào đầu thập niên 1960 từ việc áp dụng thang Mercalli sửa đổi (MM) và phiên bản năm 1953 của thang Medvedev và còn gọi là thang GEOFIAN. Với các sửa đổi nhỏ vào giữa thập niên 1970 và đầu thập niên 1980, thang MSK đã được áp dụng rộng rãi. Tiêu chuẩn TCVN 9386-2012 [22] sử dụng đồng thời hai thang cường độ MSK-64 và Mercalli sửa đổi (MM). Liên hệ giữa hai thang cường độ này với gia tốc đỉnh được thể hiện trong bảng 1.1 Liên hệ giữa thang cường độ MSK-64, MM và gia tốc đỉnh Thang MSK-64 Thang MM Cường độ động đất PGA (g) Cường độ động đất PGA (g) (IMSK-64) (IMM) luan an 6 Thang MSK-64 Thang MM Cường độ động đất PGA (g) Cường độ động đất PGA (g) (IMSK-64) (IMM) V 0,012 - 0,03 V 0,03 - 0,04 VI 0,03 - 0,06 VI 0,06 - 0,07 VII 0,06 - 0,12 VII 0,10 - 0,15 VIII 0,12 -0,24 VIII 0,25 - 0,30 IX 0,24 - 0,48 IX 0,50 - 0,55 X > 0,48 X > 0,60 1.
Một số đặc trưng của dao động nền Theo Kramer [55], dao động nền thường được chia thành hai nhóm cơ bản: các tham số đặc trưng về độ lớn và các tham số đặc trưng về sự biến đổi theo thời gian, tần số. Các tham số đặc trưng về độ lớn cực đại của dao động nền Giá trị gia tốc nền cực đại (PGA) là giá trị tuyệt đối lớn nhất của gia tốc dao động của nền. Vận tốc nền cực đại (PGV) là giá trị lớn nhất của trị tuyệt đối của vận tốc dao động của nền, có thể thu được bằng cách tích phân gia tốc nền. Chuyển dịch nền cực đại (PGD) là giá trị tuyệt đối lớn nhất của chuyển vị nền, thu được bằng cách tích phân vận tốc nền.
Được định nghĩa là tổng năng lượng trên một đơn vị trọng lượng lưu trữ trong các hệ một bậc tự do không cản khi trận động đất kết thúc.2) trong đó: a(t) là gia tốc nền (m/s2); t0 là tổng thời gian duy trì của dao động (s); g là gia tốc trọng trường (m/s2); luan an 7 1. Hàm phân bố năng lượng Arias (hay hàm Husid) Hàm phân bố năng lượng Arias hay còn được gọi hàm Husid [52] là đại lượng không thứ nguyên đặc trưng cho biến thiên tích lũy năng lượng của dao động và được tính theo công thức: t ò0 a x (t)dt 2 IA(t) h(t) = t0 = (1. Thời gian duy trì dao động mạnh Thời gian duy trì dao động mạnh t5-95 là thời gian duy trì năng lượng trong khoảng từ 5% đến 95% [55].a là biểu diễn giản đồ gia tốc, hình 1.b là biểu đồ năng lượng Arias tương ứng của gia tốc, hình 1.c là biểu đồ phân bố năng lượng Arias. Biểu diễn thời gian duy trì dao động mạnh t5-95 Khoảng thời gian t5-95 được xác định theo công thức (1.4) với t5 và t95 lần lượt là thời điểm năng lượng Arias tích lũy đạt 5% và 95%.
Gia tốc hiệu dụng Gia tốc nền hiệu dụng aRMS (root mean square of acceleration) [55] là đại lượng được tính toán theo công thức (1.5) với tD là thời gian duy trì tác dụng hiệu quả của gia tốc nền, trong nhiều trường hợp, có thể sử dụng t5-95 để tính toán giá trị gia tốc nền hiệu dụng. Khi đó công thức được viết lại: t 95 1 a RMS5-95 = ò a (t)dt 2 (1.2 Tổng quan về phân tích kết cấu công trình ngầm chịu tác dụng của động đất theo sơ đồ bài toán phẳng Đường hầm thường có kích thước chiều dài dọc theo trục hầm lớn hơn nhiều lần kích thước các chiều còn lại và tiết diện ngang ít biến đổi nên có thể đưa về sơ đồ bài toán biến dạng phẳng. Căn cứ vào tính chất tác dụng của động đất có thể phân chia các phương pháp tính toán công trình chịu động đất về các nhóm cơ bản: nhóm phương pháp phân tích tĩnh áp đặt chuyển vị biên (ISGD), nhóm phương pháp phân tích tĩnh đặt tải trọng trực tiếp lên kết cấu (HRM) và nhóm phương pháp phân tích động lực học (phân tích theo lịch sử thời gian). Phương pháp phân tích tĩnh áp đặt chuyển vị biên Xét cơ hệ kết cấu – môi trường chịu tác dụng của động đất (hình 1.2), cơ hệ này sẽ phát sinh biến dạng trượt, giá trị cực đại được ký hiệu là gmax.
Sau khi xác định được biến dạng cực đại, chuyển vị cưỡng bức được áp đặt lên cơ hệ kết cấu – môi trường để xác định nội lực xuất hiện trong kết cấu. Biến dạng của miền tự do (a) và áp đặt biến dạng lên cơ hệ kết cấu - môi trường (b) Bài toán có thể được khảo sát bằng phương pháp giải tích (Wang [85], Penzien và Wu [64]) hoặc lời phương pháp số ([9], [15], [24], [35]). Lời giải sử dụng các biến đổi giải tích Lời giải bằng giải tích được xây dựng trên cơ sở giả thiết môi trường đất đá xung quanh công trình là đàn hồi, đồng nhất và đẳng hướng. Biến dạng trượt cực đại của miền tự do khi chịu tác dụng của động đất được ký hiệu là gmax (hình 1.
Dựa trên lời giải cho bài toán tấm phẳng có lỗ khoét chịu biến dạng trượt các tác giả Wang (1993) [85], Penzien và Wu (1998) [64], [65] đã đưa ra lời giải theo các bước cơ bản: - Bước 1, xác định biến dạng của nền đất tự do tạo ra bởi sóng cắt truyền vuông góc với mặt đất từ nền đá cứng theo công thức (1.7) Vse trong đó: gmax là biến dạng lớn nhất của miền tự do; vmax là vận tốc cực đại theo phương ngang tại mặt đất (m/s); luan an 10 Vse là vận tốc truyền hiệu quả của sóng cắt trong môi trường Vse=Vs với đá cứng, Vse=0,6-0,9Vs với đất (với Vs là vận tốc truyền sóng cắt trong môi trường đất đá).