Tổng quan luận án

Hiện tượng động đất phát sinh từ sự giải phóng năng lượng đàn hồi được tích lũy trong các tầng quyển cứng (Lithosphere). Dưới tác động rung chấn tuần hoàn, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ($\Delta u$) trong nền đất bão hòa nước gia tăng nhanh chóng, làm giảm ứng suất hữu hiệu và triệt tiêu sức chống cắt của đất, dẫn tới hiện tượng hóa lỏng (liquefaction). Tại khu vực thành phố Quy Nhơn, tỉnh Gia Lai, các công trình xây dựng dân dụng cao tầng và cầu đường phát triển với mật độ lớn. Khu vực này thuộc vùng duyên hải miền Trung nằm trong đới có cấp động đất 6.0, với bờ biển dài 72 km và điều kiện địa tầng phức tạp; trong đó lớp cát bề mặt dày trên 10 m (biến thiên từ 8 m đến 25 m, thậm chí đạt 10 m đến 50 m) là tầng chịu lực trực tiếp của hệ thống móng cọc.

Tuy nhiên, trong thực tiễn khảo sát và thiết kế hiện nay, hệ thống móng cọc hạ qua tầng cát này phần lớn chưa xét đến khả năng suy giảm sức chịu tải dọc trục do hóa lỏng khi động đất xảy ra. Các tiêu chuẩn hiện hành tại Việt Nam (như TCVN 9386:2012, TCVN 10304:2014, TCVN 11823-10:2017) chưa đưa ra quy trình định lượng đầy đủ về sự suy giảm sức kháng cọc theo các tần số dao động động lực học và sự gia tăng áp lực nước lỗ rỗng thặng dư. Các mô hình phần tử hữu hạn số thông thường cũng gặp hạn chế trong việc dự báo chính xác áp lực nước lỗ rỗng dưới tải trọng lặp không thoát nước. Do đó, việc nghiên cứu các thông số bền động gồm chỉ số ứng suất cắt tuần hoàn (CSR) và chỉ số áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ($r_u$) bằng thí nghiệm ba trục gia tải lặp để xác định sức chịu tải cực hạn dọc trục của cọc là yêu cầu cấp thiết về mặt khoa học và thực tiễn kỹ thuật.

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Địa kỹ thuật xây dựng (mã số: 9 58 02 11) của nghiên cứu sinh Hứa Thành Thân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Ngọc Phúc và GS. Trần Thị Thanh tại Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam và Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam (bảo vệ năm 2025 tại Thành phố Hồ Chí Minh), tập trung giải quyết các mục tiêu cụ thể:

  1. Xác định các tính chất cơ học của nền cát khi chịu tải động gồm: chỉ số ứng suất cắt tuần hoàn (CSR) và chỉ số áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ($r_u$), quy luật biến đổi về chỉ số ứng suất cắt tuần hoàn, chỉ số áp lực nước lỗ rỗng thặng dư với số vòng lặp chu kỳ $n$ theo các lộ trình ứng suất nén ba trục (CTC), lộ trình ứng suất hỗn hợp nén ba trục - kéo ba trục (CTC-RTE) và lộ trình ứng suất kéo ba trục (RTE) tương ứng với tần số 1 Hz và tần số 2 Hz.
  2. Nghiên cứu đề xuất các thông số bền phù hợp (chỉ số ứng suất cắt tuần hoàn và chỉ số áp lực nước lỗ rỗng thặng dư) bằng thí nghiệm ba trục gia tải lặp tương ứng với tần số 1 Hz và tần số 2 Hz để tính toán sức chịu tải cực hạn dọc trục của cọc đặc bằng bê tông cốt thép có xét khả năng hóa lỏng của nền cát khi có động đất ở thành phố Quy Nhơn, tỉnh Gia Lai.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là việc xác định chỉ số áp lực nước lỗ rỗng thặng dư của cát trạng thái chặt vừa, nhằm phục vụ công tác tính toán thiết kế sức chịu tải cực hạn dọc trục của cọc có xét khả năng hóa lỏng của nền cát khi có động đất cho các công trình dân dụng tại thành phố Quy Nhơn, tỉnh Gia Lai.

Phạm vi nghiên cứu được xác định cụ thể:

  • Về loại đất: Đất cát trạng thái chặt vừa, phân bố phổ biến ở thành phố Quy Nhơn, tỉnh Gia Lai, nằm ở độ sâu khảo sát từ 0.0 m.
  • Về nội dung chuyên sâu: Tập trung vào các đặc trưng độ bền động gồm chỉ số áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ($r_u$) và chỉ số ứng suất cắt tuần hoàn (CSR) thu được từ thí nghiệm ba trục gia tải lặp chu kỳ tương ứng với hai dải tần số rung chấn $f = 1\text{ Hz}$ và $f = 2\text{ Hz}$.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan lịch sử nghiên cứu cho thấy hiện tượng hóa lỏng của nền đất cát dưới tác động của động đất đã được ghi nhận qua nhiều trận động đất lớn trên thế giới, tiêu biểu như động đất Mino-Owari (Nhật Bản, 1891, $M_s = 8.4$), động đất Niigata (Nhật Bản, 1964), động đất Alaska (Hoa Kỳ, 1964), trận động đất mạnh 7.7 độ Richter tại Naypyidaw (Myanmar, 2025). Tại Việt Nam, nhiều trận động đất kích hoạt từ các đới đứt gãy kiến tạo sâu đã được ghi nhận như Điện Biên (1935, $M_s = 6.7$, đứt gãy sông Mã), Tuần Giáo (1983, $M_s = 6.8$, đứt gãy Sơn La, độ sâu chấn tiêu $h = 23 \div 25\text{ km}$, cấp chấn động $I_0 = 8 \div 9$), Lục Yên (1954), Bắc Giang (1961), vùng biển Vũng Tàu - Phan Thiết (2007, $M_s = 5.7$), Thủy điện Sông Tranh 2 (Quảng Nam, 2011, $M_s < 5.5$) và trận động đất ngoài khơi Tuy Hòa (2023, $M_w = 3.4$, độ sâu tâm chấn $H_0 = 12\text{ km}$).

Về mặt lý thuyết cơ sở và thí nghiệm ba trục chu kỳ:

  • Seed và Lee (1966) đã phát triển thí nghiệm ba trục gia tải lặp nhằm xác định quan hệ giữa tải trọng dọc trục, biến dạng và áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian.
  • Tsuchida (1970) nghiên cứu sự tích lũy áp lực nước lỗ rỗng thặng dư $\Delta u = \sigma_0 - \sigma'{v0}$, chỉ ra rằng khi chu kỳ lặp tăng dẫn đến $\sigma'{v0} = 0$, đồng thời thiết lập ranh giới đường cong cấp phối hạt của đất có khả năng hóa lỏng (hạt từ 0.01 mm đến 1 mm).
  • Castro (1972) phân tích đường cong ứng suất lệch và biến dạng trượt không thoát nước của cát.
  • Kramer (1996) xác định khoảng thời gian tác động hữu hiệu $T_d$ của băng gia tốc động đất đối với đất nền là khoảng thời gian tích lũy từ 5% đến 95% tổng năng lượng ghi nhận ($T_d = 14.7\text{ s}$).
  • Boulanger và Idriss (2004) thiết lập tương quan giữa chỉ số ứng suất cắt tuần hoàn $CSR = \tau_{h,av}/\sigma'{v0}$ với chỉ số xuyên tiêu chuẩn chuẩn hóa $N{1,60}$ và hàm lượng hạt mịn $FC$ ($5%, 15%, 35%$).
  • Zhang (2004) làm rõ quan hệ giữa biến dạng trượt cực đại $\gamma_{\max}$ với hệ số an toàn kháng hóa lỏng $FS_{liq}$ và độ chặt tương đối $D_r$.
  • Dixit và nnk (2012) nghiên cứu hệ số hiệu chỉnh cấp động đất MSF, các chỉ số CSR và CRR.

Về phương pháp đánh giá ứng xử dọc trục của cọc trong nền cát hóa lỏng:

  • Boulanger và nnk (2004) nghiên cứu mặt phẳng trung hòa và tương quan chuyển vị đầu cọc với $\Delta u$, ghi nhận cọc dài $l_p = 17\text{ m}$ cắm vào tầng sét có lớp cát hóa lỏng dày $l_{p,liq} = 5\text{ m}$ ($29.4%$ chiều dài cọc) chịu mức suy giảm sức kháng cực hạn từ $11.9%$ đến $22.9%$.
  • Fellenius và Siegel (2008) phân tích cọc đơn đường kính 0.46 m, dài 30 m tại California ($M_w = 7.8$) có lớp cát hóa lỏng dày 3 m ($10%$ chiều dài cọc), ghi nhận sức kháng cực hạn suy giảm $25%$.
  • Muhunthan và nnk (2017) nghiên cứu cọc khoan nhồi cầu Juan Pablo II (Chile, động đất $M_w = 8.8$) dài 22.8 m có tầng hóa lỏng dày 15.2 m ($66.7%$ chiều dài cọc), ghi nhận mức suy giảm sức chịu tải đạt $30.9%$.
  • Hiệp Hội Cầu Đường Nhật Bản - JRA (2002) đưa ra hệ số suy giảm sức kháng cọc $D_e \le 1.0$ phụ thuộc vào độ sâu $z \le 20\text{ m}$ và hệ số kháng hóa lỏng $F_L$.
  • Sinha (2022) và Sinha và nnk (2022) dùng phần mềm TzQzliq phân tích cọc 3DPlieM dài 15 m; Zakariya và nnk (2023) mô phỏng MIDAS GTS NX kiểm chứng bằng thí nghiệm động biến dạng lớn PDA cho cọc P7 dài 34 m, ghi nhận độ suy giảm sức kháng đạt $18.9%$.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu của Trần Thương Bình (2006), Nguyễn Văn Phóng (2013, 2020), Trần Đình Hòa và Bùi Duy Mạnh (2013), Lương Thị Hằng và Trần Hồng Minh (2015), Phí Hồng Thịnh và nnk (2024) đã bước đầu tiếp cận các bài toán hóa lỏng nền đất ở Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh, Sóc Trăng và Quảng Bình. Tuy nhiên, các tiêu chuẩn xây dựng trong nước hiện hành còn bộc lộ khoảng trống:

  • TCVN 9386:2012 chỉ đưa ra điều kiện loại trừ hóa lỏng sơ bộ khi gia tốc nền $S < 0.15$ hoặc dựa trên ngưỡng $N_{1,60}$.
  • TCVN 10304:2014 loại bỏ sức kháng thân cọc một cách đơn giản trên đoạn độ sâu $h_d \le 3/\alpha_\epsilon$ và giảm góc ma sát trong $\varphi$ theo cấp động đất mà không định lượng theo áp lực nước lỗ rỗng thặng dư thực tế.
  • TCVN 11823-10:2017 biên dịch theo AASHTO nhưng thiếu dữ liệu thực nghiệm kiểm chứng cho cát ven biển miền Trung.

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án lựa chọn là: Thiếu cơ sở dữ liệu thực nghiệm ba trục chu kỳ theo các lộ trình ứng suất biến thiên để xác định sự phát triển của chỉ số áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ($r_u$) và chỉ số ứng suất cắt tuần hoàn (CSR) tại các tần số 1 Hz và 2 Hz cho nền cát ven biển thành phố Quy Nhơn; từ đó thiếu một công thức giải tích có hiệu chỉnh đại lượng $r_u$ để xác định chính xác độ suy giảm sức kháng thân và sức chịu tải cực hạn dọc trục của cọc so với quy chuẩn hiện hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên nền tảng cơ học đất động lực học, lý thuyết lan truyền sóng trong môi trường đàn hồi tuyến tính và đàn hồi - dẻo, lý thuyết dao động của hệ kết cấu một bậc tự do (SDOF) chịu gia tốc nền động đất, cùng các phương pháp phân tích cọc chịu tải dọc trục kết hợp cơ chế mặt phẳng trung hòa.

Khung phân tích lý thuyết bao gồm:

  • Xây dựng băng gia tốc nền $a_g(t)$ theo thời gian từ phổ phản ứng đàn hồi dạng hàm cos, phục vụ việc xác lập hàm gia tốc điều hòa kích động cho địa tầng nghiên cứu.
  • Các mô hình ứng xử của đất trong phần tử hữu hạn: Mô hình đàn hồi tuyến tính (LE), mô hình tuyến tính tương đương (EL) và mô hình phi tuyến (NL) dựa trên mô hình Masing mở rộng. Các thông số đặc trưng bao gồm: mô đun cắt cực đại $G_{\max}$, tỷ số suy giảm mô đun cắt theo biến dạng trượt $G/G_{\max}$, hệ số cản dao động $\xi$, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư $\Delta u$, hệ số giảm ứng suất cắt tuần hoàn $k_{a,G}$, và hệ số hiệu chỉnh ứng suất quá tải $k_{s,G}$ ($K_\sigma$).
  • Đánh giá hệ số an toàn kháng hóa lỏng: $FS_{liq} = CRR / CSR$, kết hợp các phương pháp thực nghiệm tính toán theo số búa SPT chuẩn hóa của Benouar và nnk, Dixit và nnk.
  • Các mô hình tính toán sức chịu tải cực hạn dọc trục của cọc: So sánh mô hình giải tích của Boulanger và nnk (2004), Fellenius và nnk (2008), Muhunthan và nnk (2017) với công thức cải tiến do tác giả đề xuất (có tính toán trực tiếp ảnh hưởng của $r_u$ lên sức kháng đơn vị thành bên thân cọc $f_{s,liq}$ và ứng suất hữu hiệu $\sigma''_{v0}$).
  • Phân tích độ tin cậy kết cấu: Sử dụng chỉ số độ tin cậy $\beta_T$ thông qua hệ số biến thiên sai lệch của tải trọng ($COV_Q$) và sức kháng cọc ($COV_R$).

Phương pháp nghiên cứu thực tế kết hợp ba nhánh kỹ thuật:

  1. Phương pháp thống kê: Thu thập, tổng hợp số liệu khảo sát địa chất, phân vị địa tầng và xây dựng tương quan thực nghiệm giữa các chỉ tiêu cơ lý ($\gamma_w, \varphi$) với số búa xuyên tiêu chuẩn $N_{spt}$ cho khu vực Quy Nhơn.
  2. Phương pháp thực nghiệm:
    • Khảo sát hiện trường: Khoan lấy mẫu nguyên dạng, thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT, thí nghiệm thử tải động biến dạng lớn PDA (cọc khoan nhồi), thí nghiệm thử tải tĩnh cọc ép dọc trục theo chu kỳ.
    • Thí nghiệm trong phòng: Sử dụng hệ thống thiết bị ba trục gia tải lặp chu kỳ Tritech 100 kết hợp bộ thu thập dữ liệu và phần mềm tự động Advanced Cyclic Triaxial V1. Thí nghiệm cắt lặp không thoát nước được thực hiện trên các mẫu cát bão hòa chế bị theo độ chặt tương đối của nền đất tự nhiên dưới 3 lộ trình ứng suất: lộ trình nén ba trục (CTC), lộ trình hỗn hợp nén - kéo ba trục (CTC-RTE), và lộ trình kéo ba trục (RTE), dưới hai tần số kích động $f = 1\text{ Hz}$ và $f = 2\text{ Hz}$. Tiêu chí hóa lỏng được xác định khi chỉ số áp lực nước lỗ rỗng thặng dư đạt ngưỡng $r_u = \Delta u / \sigma'{v0} \ge 0.9$ hoặc ứng suất hữu hiệu triệt tiêu ($\sigma'{v0} = 0$).
  3. Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm địa kỹ thuật GeoStudio 2018 (môđun QUAKE/W và SIGMA/W) để phân tích động lực học bài toán tương tác cọc - đất nền dưới kích động sóng động đất cấp $M_w = 6.0$, trích xuất chuyển vị đứng đầu cọc, mũi cọc, sự phân bố của áp lực nước lỗ rỗng và sức chịu tải theo thời gian rung chấn.

Nguồn tư liệu và dữ liệu kiểm chứng: Hồ sơ địa chất công trình, bình đồ khảo sát và kết quả thử tải cọc thực tế từ hai dự án tiêu biểu tại thành phố Quy Nhơn: Khách sạn Năm Thu (10 tầng, sử dụng cọc khoan nhồi) và Bệnh viện Đa khoa tỉnh (hạng mục Nhà điều trị 9 tầng, sử dụng cọc ép bê tông cốt thép).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về sức chịu tải dọc trục của cọc có xét hiện tượng hóa lỏng của nền cát khi có động đất

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về động đất, sóng địa chấn (sóng dọc P vận tốc $c_P = 7 \div 8\text{ km/s}$, sóng ngang S vận tốc $c_S = 4 \div 5\text{ km/s}$, sóng mặt R vận tốc $c_R = 1.5 \div 15\text{ km/s}$ đối với nền cứng và $0.2 \div 0.5\text{ km/s}$ đối với nền yếu). Tác giả tổng thuật toàn diện các quy định tiêu chuẩn thiết kế trong và ngoài nước liên quan đến bài toán hóa lỏng móng cọc, đồng thời phân tích chi tiết đặc điểm địa chất khu vực thành phố Quy Nhơn, tỉnh Gia Lai.

Về cấu trúc địa tầng khu vực nghiên cứu, luận án xác lập 4 phân vị chính dựa trên bản đồ địa chất tỷ lệ 1:200.000 tờ Quy Nhơn và bản đồ 1:50.000:

  • Hệ tầng Phong Hanh ($PZ_1 ph$): Chiều dày khoảng 300 m, thành phần đá phiến thạch anh biotit sericit, phiến thạch anh mica.
  • Hệ tầng Bà Hỏa ($J_1 bh$): Diện tích lộ khoảng 4 km2, thành phần cuội kết, sạn kết, cát sạn kết.
  • Hệ tầng Mang Yang ($T_2 my$): Thành phần cuội sạn kết tuf, cát kết tuf, ryolit porphyr, ryodacit porphyr ryolit, tuf, aglomerat.
  • Trầm tích Đệ Tứ: Đặc biệt là trầm tích biển - đầm lầy ($mbQ_2^{2-3}$) dày từ 3 m đến 50 m gồm bùn sét, cát, bột chứa di tích thực vật, vỏ sò.

Kết quả thống kê địa kỹ thuật các lớp cát chặt vừa ven biển Quy Nhơn được tổng hợp trong bảng số liệu sau:

Chỉ tiêu cơ lý đặc trưng Ký hiệu và đơn vị Giá trị thực nghiệm
Dung trọng tự nhiên $\gamma_w$ ($\text{kN/m}^3$) $17.7$
Góc ma sát trong $\varphi$ (độ) $28^\circ \div 32^\circ$
Hệ số rỗng tự nhiên $e$ $0.72$
Độ ẩm tự nhiên $W$ ($%$) $2 \div 10$
Mô đun biến dạng $E_0$ ($\text{kPa}$) $10000 \div 25000$
Hàm lượng hạt mịn ($d < 0.1\text{ mm}$) $FC$ ($%$) $5 \div 11$
Chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT $N$ (búa/30cm) $15 \div 32$
Sức kháng mũi xuyên tĩnh CPT $q_c$ ($\text{kPa}$) $18000 \div 26000$
Sức kháng ma sát bên xuyên tĩnh $f_s$ ($\text{kPa}$) $1000 \div 3000$

Tác giả thiết lập công thức tương quan giữa các thông số cơ lý và chỉ số SPT tại Quy Nhơn: $$\gamma_w = 16.5 + 0.05 N_{spt}$$ $$\varphi = 27.5 + 0.35 N_{spt}$$

Đường cong phân bố cấp phối hạt của các dự án tại Quy Nhơn có kích thước hạt biến thiên từ 0.05 mm đến 4 mm. Khi đối chiếu với biểu đồ ranh giới của Tsuchida (1970), toàn bộ các đường cong cấp phối hạt của nền cát nghiên cứu đều rơi hoàn toàn vào phạm vi đất cát có nguy cơ hóa lỏng cao dưới tác động động đất.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về sức chịu tải dọc trục của cọc có xét hiện tượng hóa lỏng của nền cát khi có động đất

Chương 2 thiết lập hệ thống phương trình giải tích và cơ sở số học mô phỏng bài toán. Nội dung tập trung vào:

  • Xây dựng phương trình dao động của hệ đàn hồi tuyến tính một bậc tự do (SDOF) khi chịu kích động địa chấn; thiết lập hàm gia tốc nền điều hòa $a_g(t)$ theo thời gian dựa trên phổ phản ứng đàn hồi dạng cos và so sánh với phương pháp Newmark.
  • Phân tích tính năng và cấu trúc các mô hình đất nền trong Geostudio 2018: Mô hình tuyến tính tương đương (EL) và mô hình phi tuyến (NL) mô tả suy giảm mô đun cắt $G_s/G_{\max}$ theo logarit biến dạng trượt $\gamma$ và sự tiêu tán năng lượng thông qua tỷ số cản $\xi$.
  • Phương pháp tính toán hệ số kháng hóa lỏng $FS_{liq} = CRR / CSR$ theo công thức thực nghiệm SPT của Benouar và nnk, Dixit và nnk, có xét đến hệ số hiệu chỉnh cấp động đất MSF và hàm lượng hạt mịn $FC$.
  • Trình bày chi tiết 3 phương pháp lý thuyết quốc tế xác định sức chịu tải cọc trong vùng hóa lỏng: phương pháp Boulanger và nnk (2004), phương pháp Fellenius và nnk (2008), và phương pháp Muhunthan và nnk (2017).
  • Đề xuất phương pháp tính toán sức chịu tải cực hạn dọc trục cải tiến của luận án: Cường độ sức kháng đơn vị thân cọc trong tầng cát hóa lỏng $f_{s,liq}$ được hiệu chỉnh thông qua chỉ số áp lực nước lỗ rỗng thặng dư $r_u$, phản ánh sự suy giảm trực tiếp ứng suất pháp hữu hiệu tiếp xúc thân cọc: $$\sigma''{v0} = \sigma'{v0} (1 - r_u)$$ $$f_{s,liq} = \beta \cdot \sigma''{v0} = \beta \cdot \sigma'{v0} (1 - r_u)$$
  • Thiết lập quy trình tính toán chỉ số độ tin cậy $\beta_T$ nhằm định lượng mức độ an toàn của cọc giữa các phương pháp lý thuyết, phương pháp số và tiêu chuẩn TCVN.

Chương 3: Nghiên cứu chỉ số ứng suất cắt tuần hoàn, chỉ số áp lực nước lỗ rỗng thặng dư bằng thí nghiệm ba trục gia tải lặp theo các lộ trình ứng suất

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm trong phòng trên thiết bị ba trục gia tải lặp chu kỳ Tritech 100. Tác giả tiến hành chương trình thí nghiệm trên các mẫu cát bão hòa chặt vừa lấy tại Quy Nhơn, được cố kết đẳng hướng và gia tải chu kỳ không thoát nước:

  • Khảo sát 3 dạng lộ trình ứng suất trên mặt phẳng ứng suất lệch $q$ và ứng suất hữu hiệu trung bình $p'$: Lộ trình nén ba trục (CTC), lộ trình hỗn hợp nén - kéo ba trục (CTC-RTE), và lộ trình kéo ba trục (RTE).
  • Kích động tải trọng lặp chu kỳ tại hai mức tần số: $f = 1\text{ Hz}$ và $f = 2\text{ Hz}$.

Các mẫu cát được định danh và theo dõi ứng xử:

  • Nhóm tần số $f = 1\text{ Hz}$: Mẫu C1 (chế độ CTC); Mẫu CC1-1, CC2-2, CC4-4, CS2 (chế độ CTC-RTE); Mẫu CC3-3 (chế độ RTE).
  • Nhóm tần số $f = 2\text{ Hz}$: Mẫu CC1, CC2, CC4, CS2-1 (chế độ CTC-RTE); Mẫu CC3 (chế độ RTE).

Kết quả quan trắc thực nghiệm cho thấy:

  • Quá trình gia tải chu kỳ làm áp lực nước lỗ rỗng thặng dư gia tăng theo số vòng lặp $n$, làm giảm ứng suất hữu hiệu trung bình $p'$ và di chuyển lộ trình ứng suất về phía gốc tọa độ. Khi mẫu tiếp cận trạng thái hóa lỏng hoàn toàn ($r_u \ge 0.9$), biến dạng dọc trục tương đối $\varepsilon_a$ và chỉ số ứng suất lệch $r_{ds}$ tăng đột ngột.
  • Ảnh hưởng của tần số rung chấn: Ở cùng một biên độ ứng suất tác dụng, tần số $f = 2\text{ Hz}$ đòi hỏi số vòng lặp chu kỳ $n$ để đạt ngưỡng hóa lỏng lớn hơn so với tần số $f = 1\text{ Hz}$ (đối với mẫu cát Quy Nhơn, thời gian tích lũy áp lực nước lỗ rỗng ở tần số cao bị chậm pha hơn so với tải trọng lặp tần số thấp).
  • Xây dựng được đường bao chỉ số ứng suất cắt tuần hoàn giới hạn ($CSR_{gh}$) theo số vòng chu kỳ $n$: Tác giả thiết lập hệ phương trình tương quan thực nghiệm giữa CSR và $n$ (cho dải $n < 30$ vòng ở tần số 1 Hz và $n < 60$ vòng ở tần số 2 Hz), tương quan giữa chỉ số áp lực nước lỗ rỗng thặng dư $r_u$ với $n$, mối liên hệ giữa $r_u$ và CSR, cũng như tương quan giữa hệ số biến dạng thể tích $k$ và $r_u$ theo số chu kỳ $n$.

Chương 4: Sức chịu tải dọc trục của cọc có xét hiện tượng hóa lỏng của nền cát khi có động đất cho công trình thực tế ở thành phố Quy Nhơn

Chương 4 áp dụng bộ thông số bền động thực nghiệm và quy trình tính toán đề xuất để kiểm chứng trên hai công trình thực tế tại thành phố Quy Nhơn, kết hợp mô phỏng phần tử hữu hạn bằng Geostudio 2018 và đối chiếu với kết quả thí nghiệm thử tải hiện trường:

  1. Công trình Khách Sạn Năm Thu (quy mô 10 tầng):

    • Sử dụng kết cấu móng cọc khoan nhồi cắm qua tầng cát bão hòa dày. Có dữ liệu thí nghiệm thử tải động biến dạng lớn PDA trên cọc kiểm tra CTN2-T7 ($Q_{d,PDA}, R_{s,PDA}, R_{t,PDA}$).
    • Mô phỏng số trên Geostudio 2018 dưới tác động sóng động đất với hai cấp tải dọc trục đầu cọc $P_G = 1325\text{ kN}$ và $P_G = 2650\text{ kN}$ tương ứng với hai tần số $f = 1\text{ Hz}$ và $f = 2\text{ Hz}$.
    • Kết quả xác định sự biến thiên của hệ số an toàn hóa lỏng $FS_{liq}$ theo độ sâu, tương quan của CSR và $r_u$ với chỉ số $N_{60}$, chuyển vị đứng đầu cọc ($S_{v,đ}$) và mũi cọc ($S_{v,m}$).
    • Đánh giá sức chịu tải cực hạn của cọc theo thời gian rung lắc: Sức chịu tải cực hạn $R_{u,liq}$ và sức kháng thân $R_{s,liq}$ bị suy giảm rõ rệt trong giai đoạn áp lực nước lỗ rỗng đạt cực đại.

  2. Công trình Bệnh Viện Đa Khoa tỉnh (hạng mục Nhà Điều Trị 9 tầng):

    • Sử dụng giải pháp cọc ép bê tông cốt thép thi công bằng phương pháp khoan dẫn qua tầng cát chặt vừa. Có dữ liệu thí nghiệm nén tĩnh dọc trục thực tế trên cọc 84a qua hai chu kỳ gia tải ($Q_{d,NT}, R_{s,NT}, R_{t,NT}, S_v$).
    • Mô phỏng số trên Geostudio 2018 với hai cấp tải đầu cọc $P_G = 800\text{ kN}$ và $P_G = 2000\text{ kN}$ tại các tần số $f = 1\text{ Hz}$ và $f = 2\text{ Hz}$.
    • Phân tích diễn biến độ lún và sức chịu tải theo thời gian, đánh giá sự suy giảm sức kháng thân cọc trên từng phân đoạn địa tầng bị hóa lỏng.

Tổng hợp so sánh kết quả tính toán giữa các phương pháp:

  • Sức chịu tải cực hạn dọc trục của cọc tính theo phương pháp đề xuất của luận án có kết quả tương đồng cao với các mô hình lý thuyết quốc tế của Boulanger và nnk (2004), Fellenius và nnk (2008), Muhunthan và nnk (2017) cũng như kết quả mô phỏng số Geostudio 2018.
  • Kết quả cho thấy sự chênh lệch đáng kể so với phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn hiện hành TCVN 10304:2014. Việc TCVN 10304:2014 triệt tiêu hoàn toàn ma sát thân trên đoạn $h_d$ mà không định lượng áp lực nước lỗ rỗng thặng dư dọc theo chiều dài cọc dẫn đến sự sai lệch trong việc phân bố sức kháng thân và chuyển vị đầu cọc.
  • Phân tích chỉ số độ tin cậy $\beta_T$ khẳng định phương pháp cải tiến tích hợp thông số $r_u$ của luận án đạt mức độ tin cậy cơ học hợp lý, phản ánh đúng cơ chế làm việc của móng cọc trong nền cát chịu tác động của động đất.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đạt được những kết quả và đóng góp mới sau:

  1. Đóng góp về lý luận và thực nghiệm:

    • Cung cấp tập dữ liệu thực nghiệm về các thông số độ bền động (chỉ số ứng suất cắt tuần hoàn CSR, chỉ số áp lực nước lỗ rỗng thặng dư $r_u$) của đất cát chặt vừa tại thành phố Quy Nhơn, tỉnh Gia Lai bằng thiết bị ba trục gia tải lặp chu kỳ Tritech 100 dưới 3 lộ trình ứng suất nén - kéo riêng biệt (CTC, CTC-RTE, RTE) tại hai tần số kích động 1 Hz và 2 Hz.
    • Thiết lập được các phương trình tương quan định lượng giữa chỉ số ứng suất cắt tuần hoàn CSR, chỉ số áp lực nước lỗ rỗng thặng dư $r_u$ theo số vòng chu kỳ $n$, chỉ số xuyên tiêu chuẩn chuẩn hóa $N_{60}$, và quan hệ giữa góc ma sát trong tĩnh $\varphi$ với góc ma sát trong hữu hiệu khi hóa lỏng $\varphi'$.

  2. Đóng góp về thực tiễn tính toán và thiết kế:

    • Đề xuất công thức cải tiến tính toán sức chịu tải cực hạn dọc trục thân cọc theo đất nền có tích hợp chỉ số áp lực nước lỗ rỗng thặng dư $r_u$ cho nền cát ven biển chịu tải trọng động đất.
    • Thiết lập tỷ số sai lệch về tổng sức chịu tải cực hạn dọc trục ($R_{u,liq}$) và sức kháng thân ($R_{s,liq}$) giữa phương pháp đề xuất so với phương pháp tính toán theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 10304:2014, tạo cơ sở định lượng để các kỹ sư thiết kế điều chỉnh sức kháng cọc khi công trình đặt trong vùng có nguy cơ hóa lỏng nền cát.

Kiến nghị của luận án:

  • Kiến nghị áp dụng quy trình thí nghiệm ba trục chu kỳ và phương pháp tính toán có xét đến $r_u$ cho công tác khảo sát, thiết kế hệ thống móng cọc các công trình cao tầng tại thành phố Quy Nhơn và các khu vực ven biển duyên hải miền Trung có điều kiện địa chất tương tự.
  • Kiến nghị xem xét bổ sung các thông số suy giảm sức kháng do áp lực nước lỗ rỗng thặng dư vào các quy chuẩn, tiêu chuẩn thiết kế móng cọc chịu tải trọng động đất tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm trong phòng giới hạn ở loại đất cát trạng thái chặt vừa tại khu vực ven biển thành phố Quy Nhơn, tỉnh Gia Lai, phân bố ở độ sâu từ 0.0 m.
  • Dải tần số gia tải lặp trong thí nghiệm ba trục chu kỳ mới chỉ khảo sát tại hai giá trị tần số là $f = 1\text{ Hz}$ và $f = 2\text{ Hz}$.
  • Cấp động đất phân tích trong mô hình số Geostudio 2018 tập trung ở cấp chấn động $M_w = 6.0$ phù hợp với phân vùng địa chấn khu vực Quy Nhơn.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Mở rộng khảo sát thực nghiệm đối với các trạng thái đất cát có độ chặt khác nhau (cát rời, cát chặt) và các loại đất cát có hàm lượng hạt mịn ($FC$) cao hơn.
  • Nghiên cứu dải tần số kích động động lực học rộng hơn ($f > 2\text{ Hz}$) và các cấp độ lớn động đất khác nhau ($M_w > 6.0$).
  • Nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng dịch chuyển ngang của nền đất hóa lỏng (lateral spreading) kết hợp với tải trọng dọc trục lên sức chịu tải toàn diện của nhóm cọc.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Địa kỹ thuật xây dựng, Kỹ thuật xây dựng công trình thủy, Công trình ngầm: Tham khảo phương pháp luận thiết lập thí nghiệm ba trục gia tải lặp, quy trình xử lý dữ liệu động học bằng phần mềm Advanced Cyclic Triaxial V1, và lý thuyết dao động nền SDOF kết hợp mô hình phần tử hữu hạn số.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu - địa kỹ thuật tại các công ty tư vấn xây dựng: Vận dụng công thức cải tiến có xét thông số $r_u$ để xác định chính xác sức kháng thân và sức chịu tải dọc trục của móng cọc khoan nhồi, cọc ép bê tông cốt thép trong vùng cát bão hòa ven biển có nguy cơ hóa lỏng.
  • Các nhà quản lý kỹ thuật và cơ quan biên soạn tiêu chuẩn: Sử dụng kết quả so sánh giữa phương pháp luận án với TCVN 10304:2014 và tiêu chuẩn quốc tế làm cơ sở khoa học để soát xét, cập nhật quy trình tính toán móng cọc chịu tác động địa chấn tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Hiện tượng hóa lỏng nền cát theo luận án được kích hoạt bởi cơ chế vật lý nào?
Hiện tượng hóa lỏng xảy ra khi tải trọng lặp chu kỳ từ động đất làm gia tăng áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ($\Delta u$) trong nền cát bão hòa nước. Khi áp lực này tăng cao khiến ứng suất hữu hiệu thẳng đứng triệt tiêu ($\sigma'{v0} = 0$, tương ứng chỉ số áp lực nước lỗ rỗng thặng dư $r_u = \Delta u / \sigma'{v0} \ge 0.9$), đất chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái hóa lỏng, làm mất hoàn toàn sức chống cắt.

2. Thí nghiệm ba trục gia tải lặp trong luận án được tiến hành với các điều kiện kỹ thuật nào?
Thí nghiệm được thực hiện trên hệ thống Tritech 100 với phần mềm Advanced Cyclic Triaxial V1, gia tải không thoát nước trên các mẫu cát bão hòa Quy Nhơn dưới 3 lộ trình ứng suất: nén ba trục (CTC), hỗn hợp nén - kéo ba trục (CTC-RTE), và kéo ba trục (RTE), tương ứng với hai mức tần số dao động là $f = 1\text{ Hz}$ và $f = 2\text{ Hz}$.

3. Kết quả đối chiếu thành phần cấp phối hạt cát Quy Nhơn với tiêu chí Tsuchida (1970) cho thấy điều gì?
Đường cong phân bố cỡ hạt của nền cát điển hình tại thành phố Quy Nhơn có kích thước hạt nằm trong khoảng từ 0.05 mm đến 4 mm. Khi đối chiếu với biểu đồ ranh giới của Tsuchida (1970), các đường cong này nằm trọn trong vùng ranh giới đất cát có nguy cơ hóa lỏng cao dưới tác động của động đất.

4. Sức chịu tải của cọc tính theo phương pháp đề xuất của luận án có mối tương quan thế nào so với tiêu chuẩn TCVN 10304:2014 và các công thức quốc tế?
Kết quả tính toán theo phương pháp đề xuất của luận án tương đồng với các phương pháp quốc tế của Boulanger và nnk (2004), Fellenius và nnk (2008), Muhunthan và nnk (2017) cũng như mô phỏng số Geostudio 2018. Tuy nhiên, kết quả này có chênh lệch đáng kể so với TCVN 10304:2014, do tiêu chuẩn hiện hành loại bỏ hoàn toàn ma sát thân trên đoạn độ sâu $h_d$ mà không phản ánh đúng quy luật suy giảm sức kháng theo sự gia tăng của áp lực nước lỗ rỗng thặng dư $r_u$.

5. Hai công trình thực tế nào tại thành phố Quy Nhơn được lựa chọn để kiểm chứng kết quả nghiên cứu?
Luận án kiểm chứng trên công trình Khách Sạn Năm Thu (quy mô 10 tầng, sử dụng móng cọc khoan nhồi với dữ liệu thí nghiệm thử tải động biến dạng lớn PDA) và công trình Bệnh Viện Đa Khoa tỉnh (hạng mục Nhà Điều Trị 9 tầng, sử dụng móng cọc ép bê tông cốt thép thi công bằng phương pháp khoan dẫn với dữ liệu thí nghiệm nén tĩnh cọc dọc trục).

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Hứa Thành Thân đã giải quyết bài toán xác định sức chịu tải cực hạn dọc trục của móng cọc bê tông cốt thép trong tầng cát bão hòa chịu tác động động đất tại thành phố Quy Nhơn, tỉnh Gia Lai. Thông qua hệ thống thí nghiệm ba trục gia tải lặp Tritech 100 theo 3 lộ trình ứng suất (CTC, CTC-RTE, RTE) tại hai tần số 1 Hz và 2 Hz, tác giả đã làm sáng tỏ quy luật biến thiên của chỉ số ứng suất cắt tuần hoàn CSR và chỉ số áp lực nước lỗ rỗng thặng dư $r_u$. Công thức cải tiến đề xuất tích hợp đại lượng $r_u$ đã được kiểm chứng trên hai công trình thực tế và mô phỏng số Geostudio 2018, cho kết quả tương đồng với các phương pháp lý thuyết quốc tế và khắc phục được sự sai lệch của các quy định trong TCVN 10304:2014. Công trình nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm quan trọng, phục vụ trực tiếp cho công tác khảo sát, thiết kế móng cọc nhà cao tầng tại vùng duyên hải miền Trung.