Toàn văn luận án phạm văn vĩ

Luận án Phạm Văn Vĩ: Tổng hợp toàn văn công trình nghiên cứu khoa học, phân tích chuyên sâu và đánh giá giá trị đóng góp trong lĩnh vực. Tải PDF.

• Tác giả: Pham Van Vi
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Ngọc Anh
• Trường học: Trường Đại học Mỏ - Địa chất
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình ngầm
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Xử Của Kết Cấu Chống Trong Đường Hầm Tiết Diện Hình Chữ Nhật Cong Chịu Tải Trọng Động Đất
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khám phá Ứng Xử Đường Hầm Chữ Nhật Dưới Tải Trọng Động Đất Tổng quan

Các đường hầm chữ nhật đóng vai trò thiết yếu trong hệ thống giao thông và hạ tầng đô thị hiện đại. Tốc độ xây dựng công trình ngầm này đang tăng lên nhằm đáp ứng nhu cầu mở rộng không gian tại các khu vực đô thị đông dân cư và siêu đô thị. Do sự tương tác mật thiết với đất và đá xung quanh, công trình ngầm thường có khả năng chống chịu động đất tốt hơn các công trình trên mặt đất. Tuy nhiên, nhiều trường hợp hư hỏng đã được ghi nhận trong các sự kiện động đất lớn trên thế giới, cho thấy tầm quan trọng của việc nghiên cứu ứng xử đường hầm chữ nhật dưới tải trọng động đất. Việc phân tích động đất kỹ lưỡng là cần thiết cho thiết kế kháng chấn của những kết cấu đường hầm này [Phạm Văn Vĩ, 2022].

Nghiên cứu về ứng xử đường hầm chữ nhật dưới tải trọng động đất là một lĩnh vực phức tạp, đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về địa kỹ thuật động lực và cơ học kết cấu. Các báo cáo về hư hỏng [50],[158],[167] cho thấy sự cần thiết của việc điều tra có hệ thống về tác động tương hỗ giữa đất và đường hầm. Với quy mô và chi phí xây dựng đáng kể, cùng với vai trò then chốt trong xã hội hiện đại, dù chỉ là những tác động nhỏ của tải trọng động đất cũng có thể dẫn đến gián đoạn hoạt động và gây ra những thiệt hại đáng kể trực tiếp và gián tiếp. Vì vậy, việc xem xét cẩn thận ảnh hưởng của tải trọng động đất trong thiết kế, xây dựng, vận hành và đánh giá rủi ro động đất của đường hầm chữ nhật là vô cùng quan trọng để đảm bảo an toàn công trình ngầm và giảm thiểu rủi ro động đất.

Luận án tiến sĩ của Phạm Văn Vĩ (2022) tập trung vào việc nghiên cứu ứng xử của kết cấu chống trong đường hầm tiết diện hình chữ nhật cong chịu tải trọng động đất. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp số sai phân hữu hạn (FDM) và phát triển một sơ đồ tải trọng tĩnh tương đương mới áp dụng trong phương pháp lực kháng đàn hồi (HRM). Mục tiêu chính là làm nổi bật ứng xử khác nhau giữa đường hầm chữ nhật và đường hầm tròn dưới tải trọng động đất, đồng thời đề xuất các giải pháp thiết kế kháng chấn hiệu quả hơn.

1.1. Tầm Quan Trọng Của Công Trình Ngầm và Đường Hầm Chữ Nhật

Sự phát triển của đô thị hóa đã thúc đẩy nhu cầu về công trình ngầm lên một tầm cao mới. Các đường hầm chữ nhật ngày càng được ưa chuộng do khả năng tối ưu hóa không gian sử dụng và phù hợp với nhiều mục đích khác nhau, từ đường tàu điện ngầm đến các hành lang tiện ích. Chúng là một phần không thể thiếu của hệ thống giao thông và tiện ích quốc gia, giúp giải quyết vấn đề tắc nghẽn giao thông và cung cấp không gian cho các dịch vụ thiết yếu dưới lòng đất. Tuy nhiên, việc xây dựng và duy trì an toàn công trình ngầm, đặc biệt là đường hầm chữ nhật trong các khu vực có hoạt động địa chấn, đặt ra những thách thức lớn. Việc hiểu rõ ứng xử của kết cấu đường hầm khi đối mặt với tải trọng động đất là cực kỳ quan trọng để đảm bảo tính liên tục và an toàn của các hệ thống hạ tầng quan trọng này, từ đó giảm thiểu rủi ro động đất cho cộng đồng và tối ưu hóa thiết kế kháng chấn [Phạm Văn Vĩ, 2022].

1.2. Cơ Chế Tác Động Của Tải Trọng Động Đất Lên Kết Cấu Đường Hầm

Ảnh hưởng của động đất lên công trình ngầm có thể chia thành hai loại chính: rung chấn nền đất và sự phá hoại của nền đất [159]. Rung chấn là sự rung động của đất do sóng địa chấn truyền qua vỏ trái đất, bao gồm sóng P (nén), sóng S (cắt), sóng Rayleigh và sóng Love. Khi các sóng địa chấn này truyền qua, nền đất sẽ bị biến dạng, kéo theo sự biến dạng đường hầm [123]. Các nhà nghiên cứu Owen và Scholl [123] chỉ ra rằng ứng xử của kết cấu đường hầm trong một sự kiện động đất có thể được mô phỏng như một dầm đàn hồi chịu biến dạng do nền đất xung quanh áp đặt. Các dạng biến dạng đường hầm chủ yếu bao gồm nén/kéo dọc trục, uốn dọc và biến dạng ovaling/racking. Trong đó, biến dạng ovaling (đối với hầm tròn) hoặc racking (đối với đường hầm chữ nhật) do sóng địa chấn cắt (sóng S) gây ra, được Penzien [129] và Hashash et al. [70] xác định là có ảnh hưởng đáng kể nhất đến ứng xử kết cấu đường hầm. Điều này làm cho việc phân tích động đất tập trung vào các chế độ biến dạng này trở nên cần thiết, đồng thời tối ưu hóa thiết kế kháng chấn cho đường hầm chữ nhật.

II. Thách Thức và Rủi Ro Nào Khi Ứng Xử Đường Hầm Chữ Nhật Gặp Động Đất

Mặc dù công trình ngầm được đánh giá có khả năng chống chịu động đất tốt hơn các công trình trên mặt đất, ứng xử đường hầm chữ nhật dưới tải trọng động đất vẫn đối mặt với nhiều thách thức nghiêm trọng. Các báo cáo hư hỏng từ các trận động đất lịch sử, như Kobe (1995), Chi-Chi (1999), Bolu (1999) hay Tứ Xuyên (2008), đã chỉ ra rằng việc tương tác giữa đất và đường hầm chưa được nghiên cứu một cách có hệ thống và đầy đủ [50],[158],[167]. Wang (1993) đã nhấn mạnh khái niệm về độ mềm tương đối là một thông số then chốt để hiểu các biến dạng do động đất gây ra trong công trình ngầm khi tương tác với nền đất xung quanh [NCS Phạm Văn Vĩ, 2022].

Một trong những rủi ro lớn nhất là sự phức tạp trong việc dự đoán biến dạng đường hầm và nội lực đường hầm phát sinh dưới tác động của sóng địa chấn. Các đường hầm chữ nhật, với hình dạng góc cạnh của chúng, có thể biểu hiện ứng xử khác biệt đáng kể so với đường hầm tròn dưới cùng một tải trọng động đất. Việc bỏ qua các yếu tố này trong thiết kế kháng chấn có thể dẫn đến các chế độ phá hoại đường hầm không mong muốn. Thách thức khác đến từ việc mô hình hóa chính xác tương tác kết cấu nền (SSI), đặc biệt là trong điều kiện phân tích phi tuyến của đất và kết cấu, vốn là yếu tố quyết định đến ứng suất đường hầm và ổn định đường hầm [NCS Phạm Văn Vĩ, 2022].

Sự tiến bộ của công nghệ máy tính đã giúp tăng cường sử dụng các phần mềm phân tích kết cấu và mô hình phần tử hữu hạn hay sai phân hữu hạn. Tuy nhiên, các phương pháp phân tích động đất truyền thống, đặc biệt là các giải pháp giải tích và mô hình tĩnh tương đương, vẫn còn nhiều hạn chế trong việc xem xét các điều kiện phức tạp của ứng xử đường hầm chữ nhật dưới tải trọng động đất. Điều này đặt ra yêu cầu về việc phát triển các phương pháp phân tích mới, đáng tin cậy hơn để giảm thiểu rủi ro động đất và đảm bảo an toàn công trình ngầm trong các khu vực chịu ảnh hưởng bởi động đất.

2.1. Các Chế Độ Biến Dạng và Phá Hoại Của Đường Hầm Dưới Rung Chấn

Khi động đất xảy ra, đường hầm chữ nhật chịu nhiều chế độ biến dạng đường hầm phức tạp. Chế độ quan trọng nhất là biến dạng racking, xảy ra khi sóng địa chấn cắt truyền vuông góc hoặc gần vuông góc với trục đường hầm [129], [70]. Biến dạng racking gây ra sự biến dạng hình học của mặt cắt ngang, dẫn đến các ứng suất đường hầm và nội lực đường hầm gia tăng đáng kể trong vỏ kết cấu đường hầm. Ngoài ra, tải trọng động đất cũng có thể gây ra biến dạng nén/kéo dọc trục và uốn dọc, mặc dù ảnh hưởng của chúng thường nhỏ hơn. Các chế độ phá hoại đường hầm tiềm năng bao gồm nứt vỡ vỏ hầm, bung mối nối, và thậm chí là sập cục bộ hoặc toàn bộ đường hầm do biến dạng quá mức hoặc ổn định đường hầm bị suy giảm. Để giảm thiểu rủi ro động đất, việc xác định chính xác các biến dạng và nội lực đường hầm này là bước đầu tiên và quan trọng nhất trong thiết kế kháng chấn [NCS Phạm Văn Vĩ, 2022].

2.2. Hạn Chế Của Phương Pháp Phân Tích Động Đất Truyền Thống

Các phương pháp phân tích động đất truyền thống, bao gồm giải pháp giải tích và mô hình thực nghiệm, tồn tại nhiều hạn chế khi nghiên cứu ứng xử đường hầm chữ nhật dưới tải trọng động đất. Các phương pháp giải tích thường dựa trên các giả định đơn giản như vật liệu đàn hồi tuyến tính, đất đồng nhất và không xem xét trình tự thi công [135]. Chúng chủ yếu áp dụng cho đường hầm có mặt cắt tròn hoặc hình chữ nhật đơn giản, gây khó khăn khi áp dụng cho đường hầm chữ nhật cong hoặc các hình dạng phức tạp hơn. Hơn nữa, các mô hình thực nghiệm, dù cung cấp cái nhìn vật lý sâu sắc, lại rất tốn kém và phức tạp trong việc xây dựng và thực hiện, dẫn đến kết quả còn hạn chế về phạm vi. Đặc biệt, nhiều nghiên cứu thực nghiệm không xem xét chi tiết ứng xử phi tuyến của vỏ đường hầm hoặc tương tác kết cấu nền phức tạp, những yếu tố then chốt để hiểu ứng xử đường hầm chữ nhật dưới tải trọng động đất thực tế [NCS Phạm Văn Vĩ, 2022].

III. Phương Pháp Nào Phân Tích Ứng Xử Động Của Đường Hầm Chữ Nhật

Để vượt qua những hạn chế của các phương pháp truyền thống, các kỹ sư và nhà nghiên cứu đã chuyển sang sử dụng các phương pháp số tiên tiến để phân tích động đất và ứng xử đường hầm chữ nhật dưới tải trọng động đất. Đặc biệt, các mô hình số 2D và phân tích tĩnh tương đương đã trở thành công cụ phổ biến. Phương pháp này thường mô phỏng biến dạng đường hầm trong điều kiện biến dạng phẳng (plane strain) dưới tải trọng tĩnh tương đương, bỏ qua ảnh hưởng của lực quán tính [70]. Tuy nhiên, các phương pháp phân tích tĩnh tương đương này vẫn có thể có những hạn chế tương tự như các phương pháp giải tích khi xét đến các giả định đơn giản hóa [NCS Phạm Văn Vĩ, 2022].

Sự phát triển của công nghệ máy tính và các phần mềm phân tích kết cấu đã mở ra kỷ nguyên của các mô hình phần tử hữu hạn (FEM) và sai phân hữu hạn (FDM). Các mô hình số này cho phép xem xét tương tác kết cấu nền phức tạp giữa vỏ đường hầm và môi trường đất xung quanh, cũng như các yếu tố của quá trình thi công. Chúng có khả năng mô phỏng các điều kiện địa chất không đồng nhất, ứng xử phi tuyến của vật liệu và các hình dạng kết cấu phức tạp như đường hầm chữ nhật cong. Luận án của Phạm Văn Vĩ đã sử dụng phương pháp FDM để nghiên cứu ứng xử đường hầm tiết diện hình chữ nhật cong chịu tải trọng động đất, đồng thời phát triển mô hình số 2D cho đường hầm chữ nhật cong dựa trên mô hình đường hầm tròn đã được kiểm chứng bằng cách so sánh với phương pháp giải tích [Phạm Văn Vĩ, 2022].

Nghiên cứu cũng làm rõ sự khác biệt trong ứng xử kết cấu chống giữa hai loại tiết diện đường hầm (tròn và chữ nhật cong) khi chịu tải trọng động đất. Các phần mềm phân tích kết cấu như FLAC (sử dụng FDM) được ứng dụng rộng rãi để mô phỏng ứng xử động của đường hầm chữ nhật. Việc hiểu rõ ưu nhược điểm của từng phương pháp là nền tảng cho việc lựa chọn công cụ phù hợp nhằm đạt được kết quả phân tích động đất đáng tin cậy và tối ưu hóa thiết kế kháng chấn cho đường hầm chữ nhật.

3.1. Phân Tích Động Tĩnh Tương Đương và Mô Hình Số 2D

Trong phân tích động đất cho công trình ngầm, phương pháp tĩnh tương đương thường được sử dụng để đơn giản hóa bài toán phức tạp của tải trọng động đất. Phương pháp này chuyển đổi tác động động lực học của động đất thành các tải trọng tĩnh tương đương tác dụng lên kết cấu đường hầm. Việc mô phỏng thường được thực hiện thông qua mô hình số 2D trong điều kiện biến dạng phẳng. Các mô hình số 2D này cho phép nghiên cứu biến dạng ovaling hoặc racking của đường hầm chữ nhật mà không cần xem xét các hiệu ứng quán tính [70]. Mặc dù đơn giản, phương pháp này vẫn cung cấp cái nhìn hữu ích về nội lực đường hầm và biến dạng đường hầm ban đầu. Luận án của Phạm Văn Vĩ đã phát triển mô hình số 2D cho đường hầm chữ nhật cong dựa trên nguyên lý tải trọng tĩnh tương đương này, sau đó kiểm chứng độ tin cậy bằng cách so sánh với các phương pháp giải tích đã biết, mở đường cho việc nghiên cứu sâu hơn về ứng xử đường hầm chữ nhật dưới tải trọng động đất [Phạm Văn Vĩ, 2022].

3.2. Ưu Nhược Điểm Của Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn FEM và Sai Phân Hữu Hạn FDM

Các phương pháp số như phần tử hữu hạn (FEM) và sai phân hữu hạn (FDM) là công cụ mạnh mẽ trong phân tích động đất cho đường hầm chữ nhật. FEM có ưu điểm trong việc xử lý hình học phức tạp và điều kiện biên linh hoạt, trong khi FDM nổi bật với khả năng mô hình hóa các vật liệu phi tuyến và các vấn đề về địa kỹ thuật động lực một cách hiệu quả. Cả hai phương pháp đều cho phép mô phỏng tương tác kết cấu nền một cách chi tiết, điều mà các phương pháp giải tích truyền thống khó thực hiện. Tuy nhiên, các mô hình số này đòi hỏi thời gian tính toán đáng kể và sự phức tạp trong việc xác định các thông số vật liệu chính xác, đặc biệt khi áp dụng phân tích phi tuyến. Dù vậy, chúng mang lại kết quả chính xác hơn về ứng suất đường hầm, biến dạng đường hầm và nội lực đường hầm khi nghiên cứu ứng xử đường hầm chữ nhật dưới tải trọng động đất, giúp tối ưu hóa thiết kế kháng chấn và giảm thiểu rủi ro động đất [NCS Phạm Văn Vĩ, 2022].

IV. Bí Quyết Mô Phỏng Tương Tác Đất Kết Cấu Đường Hầm Chữ Nhật Dưới Tải Trọng Động Đất

Một trong những thách thức lớn nhất trong việc nghiên cứu ứng xử đường hầm chữ nhật dưới tải trọng động đất là mô hình hóa chính xác tương tác kết cấu nền (SSI). SSI mô tả cách kết cấu đường hầm và nền đất xung quanh ảnh hưởng lẫn nhau trong quá trình rung chấn. Luận án của Phạm Văn Vĩ đã tập trung vào việc phát triển một sơ đồ tải trọng tĩnh tương đương mới áp dụng trong phương pháp lực kháng đàn hồi (Hyperstatic Reaction Method - HRM) cho đường hầm tiết diện hình chữ nhật cong [Phạm Văn Vĩ, 2022]. Phương pháp HRM là một phương pháp phần tử hữu hạn cho phép tính toán nội lực đường hầm phát sinh trong vỏ đường hầm một cách nhanh chóng và chính xác, phù hợp cho quá trình thiết kế tối ưu hóa.

HRM đã được áp dụng thành công để thiết kế đường hầm tròn và các loại đường hầm không tròn (ví dụ: đường hầm chữ U) dưới cả tải trọng tĩnh và tải trọng động đất. Gần đây, phương pháp này cũng được phát triển để đánh giá ứng xử đường hầm chữ nhật dưới tải trọng tĩnh. Điểm cốt lõi của phương pháp HRM là ước tính tải trọng chủ động của khối đất tác dụng trực tiếp lên vỏ đường hầm, cùng với tải trọng bị động do phản ứng của đất khi vỏ đường hầm dịch chuyển về phía môi trường đất. Điều này giúp đánh giá chính xác hơn ứng suất đường hầm và biến dạng đường hầm.

Nghiên cứu đã đề xuất một sơ đồ tải trọng tĩnh tương đương mới áp dụng trong đường hầm chữ nhật bằng phương pháp HRM, dựa trên nguyên lý tải trọng tĩnh tương đương. Độ tin cậy của sơ đồ này được chứng minh thông qua việc kiểm chứng bằng các tính toán FDM trong nhiều tình huống khác nhau. Việc phát triển phương pháp này là một bước tiến quan trọng trong việc giảm thiểu rủi ro động đất và tăng cường an toàn công trình ngầm cho đường hầm chữ nhật [NCS Phạm Văn Vĩ, 2022]. Các nghiên cứu cũng đi sâu vào ảnh hưởng của các thông số như độ cứng đất nền, gia tốc nền cực đại, và chiều dày vỏ đường hầm đến ứng xử kết cấu dưới tải trọng động đất.

4.1. Khai Thác Phương Pháp Lực Kháng Đàn Hồi HRM Cho Đường Hầm Chữ Nhật

Phương pháp lực kháng đàn hồi (HRM) cung cấp một cách tiếp cận hiệu quả để phân tích động đất và tính toán nội lực đường hầm cho đường hầm chữ nhật dưới tải trọng động đất. HRM đòi hỏi ước tính các tải trọng chủ động từ khối đất tác dụng trực tiếp lên vỏ đường hầm và các tải trọng bị động do phản ứng của đất khi vỏ đường hầm dịch chuyển. Phương pháp này đặc biệt hữu ích vì nó cho phép thực hiện các phép tính trong thời gian rất ngắn với độ chính xác tốt, làm cho nó phù hợp cho các quy trình thiết kế tối ưu hóa. Nghiên cứu của Phạm Văn Vĩ đã phát triển một sơ đồ tải trọng tĩnh tương đương mới cho HRM, tập trung vào đường hầm tiết diện hình chữ nhật cong. Điều này cho phép các kỹ sư đánh giá nhanh chóng và đáng tin cậy ứng xử đường hầm chữ nhật dưới tải trọng động đất, từ đó tối ưu hóa thiết kế kháng chấn và đảm bảo ổn định đường hầm [NCS Phạm Văn Vĩ, 2022].

4.2. Ảnh Hưởng Của Các Thông Số Đến Ứng Xử Kết Cấu Đường Hầm Phi Tuyến

Nghiên cứu ứng xử đường hầm chữ nhật dưới tải trọng động đất đòi hỏi sự xem xét kỹ lưỡng các thông số ảnh hưởng đến ứng xử kết cấu và khả năng chịu tải của chúng. Các yếu tố quan trọng bao gồm độ cứng đất nền (Young’s modulus của đất nền, Es), gia tốc nền cực đại (aH) và chiều dày vỏ đường hầm (t). Luận án của Phạm Văn Vĩ đã điều tra ảnh hưởng của các thông số này lên ứng xử của kết cấu chống trong đường hầm chữ nhật cong [Phạm Văn Vĩ, 2022]. Kết quả chỉ ra sự khác biệt đáng kể trong ứng xử của đường hầm chữ nhật so với đường hầm tròn khi chịu tải trọng động đất. Việc mô hình hóa phân tích phi tuyến của đất và vỏ đường hầm là cần thiết để nắm bắt chính xác biến dạng đường hầm, nội lực đường hầm và ứng suất đường hầm phát sinh. Hiểu rõ các mối quan hệ này giúp tối ưu hóa vật liệu vỏ đường hầm và thiết kế kháng chấn hiệu quả hơn, đảm bảo an toàn công trình ngầm.

V. Đánh Giá Thực Nghiệm Ứng Dụng Thiết Kế Kháng Chấn Đường Hầm Chữ Nhật

Việc đánh giá ứng xử đường hầm chữ nhật dưới tải trọng động đất không chỉ dừng lại ở phân tích động đất lý thuyết mà còn cần được kiểm chứng thông qua thí nghiệm mô hình đường hầm và quan trắc ứng xử động đất thực tế. Các mô hình vật lý, dù phức tạp và tốn kém, vẫn cung cấp dữ liệu quý giá để xác minh các phương pháp thiết kế và phân tích hiện tại [19],[30],[39],[42],[96]. Nhiều nghiên cứu thực nghiệm đã được thực hiện để điều tra cách đường hầm hoạt động và kiểm tra các phương pháp thiết kế/phân tích hiện hành. Hầu hết các mô hình vật lý được xây dựng để thu thập dữ liệu đo lường và xác minh các mô hình thiết kế [19],[30],[39],[42],[96]. Đặc biệt, các thí nghiệm mô hình ly tâm động và bàn rung 1g đã được sử dụng để nghiên cứu phản ứng của đường hầm trong các điều kiện rung chấn khác nhau, cung cấp bằng chứng thực nghiệm về biến dạng đường hầm và nội lực đường hầm phát sinh [NCS Phạm Văn Vĩ, 2022].

Các kết quả từ thí nghiệm mô hình thường được dùng để hiệu chỉnh và kiểm định các mô hình số như FEM hay FDM. Điều này giúp cải thiện độ chính xác của các dự đoán về ứng xử đường hầm chữ nhật dưới tải trọng động đất và tăng cường độ tin cậy của thiết kế kháng chấn. Một trong những kết luận quan trọng từ các thí nghiệm ly tâm động là sự xuất hiện của nội lực đường hầm dư sau khi rung chấn kết thúc, đặc biệt đối với các vỏ đường hầm mềm dẻo hơn so với đất xung quanh (với hệ số mềm dẻo F > 10) [NCS Phạm Văn Vĩ, 2022]. Điều này nhấn mạnh sự cần thiết của việc xem xét ứng xử phi tuyến và các yếu tố tương tác đất-kết cấu trong thiết kế kháng chấn.

Trong ứng dụng thực tiễn, các tiêu chuẩn thiết kế đường hầm và quy định về an toàn công trình ngầm được xây dựng dựa trên các kết quả nghiên cứu và kinh nghiệm tích lũy. Việc áp dụng các giải pháp thiết kế kháng chấn phù hợp, bao gồm lựa chọn vật liệu vỏ đường hầm có khả năng chống chịu cao và các biện pháp gia cường, là yếu tố then chốt để đảm bảo ổn định đường hầm và giảm thiểu rủi ro động đất trong suốt vòng đời của công trình ngầm.

5.1. Thí Nghiệm Mô Hình và Quan Trắc Ứng Xử Động Đất

Thí nghiệm mô hình đường hầm, như thí nghiệm ly tâm động và thí nghiệm bàn rung, đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu ứng xử đường hầm chữ nhật dưới tải trọng động đất. Các thí nghiệm ly tâm động cho phép tái tạo trường ứng suất thực tế của đất và đường hầm ở quy mô nhỏ dưới gia tốc nền cao, cung cấp dữ liệu về biến dạng ovaling/racking và nội lực đường hầm [38],[40],[41],[96],[97]. Quan trắc ứng xử động đất thông qua các cảm biến gia tốc, dịch chuyển và biến dạng trong các thí nghiệm mô hình giúp thu thập dữ liệu quan trọng để hiệu chỉnh các mô hình số. Các kết quả này đặc biệt hữu ích để kiểm tra độ chính xác của các giải pháp giải tích và mô hình số, đồng thời làm sâu sắc thêm hiểu biết về tương tác kết cấu nền dưới tải trọng động đất. Việc hiểu rõ ứng xử kết cấu trong môi trường động giúp các kỹ sư đưa ra các quyết định thiết kế kháng chấn sáng suốt hơn [NCS Phạm Văn Vĩ, 2022].

5.2. Tiêu Chuẩn Thiết Kế Đường Hầm An Toàn Công Trình Ngầm

Để đảm bảo an toàn công trình ngầm và giảm thiểu rủi ro động đất, việc tuân thủ các tiêu chuẩn thiết kế đường hầm là bắt buộc. Các tiêu chuẩn này đưa ra các yêu cầu về thiết kế kháng chấn, bao gồm việc xác định tải trọng động đất thiết kế, phương pháp phân tích động đất được chấp nhận, và các yêu cầu về vật liệu vỏ đường hầm. Ví dụ, Wang [159] đã phát triển quy trình đơn giản hóa cho phân tích racking của đường hầm chữ nhật, dựa trên phân tích phần tử hữu hạn động đất và xem xét các đặc tính đất và kết cấu đường hầm. Các tiêu chuẩn cũng thường đề cập đến việc đánh giá ứng suất đường hầm, nội lực đường hầm và biến dạng đường hầm để đảm bảo ổn định đường hầm trong điều kiện rung chấn [NCS Phạm Văn Vĩ, 2022]. Việc cập nhật và áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế đường hầm tiên tiến là yếu tố then chốt để bảo vệ công trình ngầm trước các tác động của động đất, đặc biệt là trong bối cảnh ứng xử đường hầm chữ nhật dưới tải trọng động đất ngày càng được nghiên cứu sâu.

VI. Tương Lai Nào Cho Ứng Xử Đường Hầm Chữ Nhật An Toàn Trước Động Đất

Nghiên cứu về ứng xử đường hầm chữ nhật dưới tải trọng động đất là một lĩnh vực không ngừng phát triển, với mục tiêu cuối cùng là nâng cao an toàn công trình ngầm và giảm thiểu rủi ro động đất. Dù đã có nhiều tiến bộ trong phân tích động đất và thiết kế kháng chấn, vẫn còn nhiều khoảng trống nghiên cứu cần được lấp đầy. Việc hiểu rõ hơn về phân tích phi tuyến của đất và kết cấu đường hầm dưới các kịch bản động đất phức tạp là hướng đi quan trọng. Đồng thời, sự phát triển của vật liệu vỏ đường hầm mới, có khả năng tự phục hồi hoặc hấp thụ năng lượng tốt hơn, cũng hứa hẹn mang lại các giải pháp kháng chấn đường hầm hiệu quả hơn trong tương lai [NCS Phạm Văn Vĩ, 2022].

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể bao gồm việc phát triển các mô hình số 3D chi tiết hơn, có khả năng mô phỏng toàn diện tương tác kết cấu nền và các hiệu ứng động lực học phức tạp. Việc tích hợp trí tuệ nhân tạo và học máy vào quá trình phân tích động đất để dự đoán ứng xử đường hầm chữ nhật dưới tải trọng động đất một cách chính xác hơn cũng là một tiềm năng lớn. Ngoài ra, việc nghiên cứu về quan trắc ứng xử động đất dài hạn và hệ thống cảnh báo sớm cho công trình ngầm sẽ giúp tăng cường khả năng ứng phó khi có rung chấn xảy ra.

Kết luận, lĩnh vực nghiên cứu về ứng xử đường hầm chữ nhật dưới tải trọng động đất đang hướng tới các giải pháp sáng tạo và tích hợp. Từ việc cải tiến các phần mềm phân tích kết cấu đến việc phát triển các tiêu chuẩn thiết kế đường hầm mới, mục tiêu chung là xây dựng những đường hầm chữ nhật không chỉ hiệu quả về mặt chức năng mà còn kiên cường trước các thách thức của tự nhiên, đảm bảo sự an toàn và bền vững cho hạ tầng đô thị trong tương lai [NCS Phạm Văn Vĩ, 2022].

6.1. Giảm Thiểu Rủi Ro Động Đất và Các Hướng Nghiên Cứu Mới

Để giảm thiểu rủi ro động đất cho đường hầm chữ nhật, các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc phát triển các chiến lược thiết kế kháng chấn toàn diện hơn. Một hướng quan trọng là nghiên cứu sâu hơn về ứng xử phi tuyến của cả đất và vật liệu vỏ đường hầm dưới tải trọng động đất cường độ cao. Việc tích hợp các hệ thống giảm chấn chủ động hoặc bị động vào kết cấu đường hầm cũng là một lĩnh vực tiềm năng để cải thiện ổn định đường hầm và ứng xử kết cấu [NCS Phạm Văn Vĩ, 2022]. Hơn nữa, việc xem xét các kịch bản động đất phức tạp hơn, bao gồm tác động của nhiều sóng địa chấn đồng thời và ảnh hưởng của sự không đồng nhất địa chất, sẽ cung cấp cái nhìn thực tế hơn về ứng xử đường hầm chữ nhật dưới tải trọng động đất, góp phần nâng cao an toàn công trình ngầm và kháng chấn đường hầm trong tương lai.

6.2. Phát Triển Vật Liệu Vỏ Đường Hầm và Công Nghệ Giám Sát

Sự đổi mới trong vật liệu vỏ đường hầm đóng vai trò then chốt trong việc cải thiện kháng chấn đường hầm. Các loại vật liệu composite, bê tông sợi hoặc các vật liệu tự phục hồi có thể cung cấp độ bền và khả năng chịu biến dạng cao hơn dưới tải trọng động đất, từ đó nâng cao ổn định đường hầm. Nghiên cứu về vật liệu vỏ đường hầm phải đi đôi với việc phát triển công nghệ quan trắc ứng xử động đất tiên tiến. Hệ thống cảm biến thông minh, kết hợp với phân tích dữ liệu lớn, có thể cung cấp thông tin thời gian thực về ứng suất đường hầm, nội lực đường hầm và biến dạng đường hầm trong và sau sự kiện rung chấn [NCS Phạm Văn Vĩ, 2022]. Điều này không chỉ giúp đánh giá nhanh chóng mức độ hư hại mà còn cho phép đưa ra các biện pháp ứng phó kịp thời, đảm bảo an toàn công trình ngầm và tuổi thọ của đường hầm chữ nhật.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HANOI UNIVERSITY OF MINING AND GEOLOGY PHAM VAN VI BEHAVIOR OF SUB-RECTANGULAR TUNNELS UNDER SEISMIC LOADING PhD THESIS HANOI, May 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT PHẠM VĂN VĨ NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CHỐNG TRONG ĐƯỜNG HẦM TIẾT DIỆN HÌNH CHỮ NHẬT CONG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 05/2022 MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HA NOI UNIVERSITY OF MINING AND GEOLOGY PHAM VAN VI BEHAVIOR OF SUB-RECTANGULAR TUNNELS UNDER SEISMIC LOADING Major: Underground construction engineering Code: 9580204 PhD THESIS SUPERVISORS: 1. Do Ngoc Anh 2. Dias Daniel HA NOI, May 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT PHẠM VĂN VĨ NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CHỐNG TRONG ĐƯỜNG HẦM TIẾT DIỆN HÌNH CHỮ NHẬT CONG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT Ngành đào tạo: Kỹ thuật Xây dựng Công trình ngầm Mã số ngành: 9580204 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1.TS Đỗ Ngọc Anh 2.TS Dias Daniel HÀ NỘI - 05/2022 i ACKNOWLEDGEMENTS The work described within this thesis was conducted at the Underground and Mining Construction Department, Faculty of Civil Engineering, Hanoi University of Mining and Geology, Vietnam. First of all, I am particularly grateful to my supervisors, Associate Professor, Dr.

Do Ngoc Anh, and Professor Daniel Dias. They have enthusiastically supported and directed me to provide invaluable advices in the process of preparing this thesis and research articles. I would like to thank Associate Professor, Dr. Do Ngoc Anh for his regular support from the very beginning to the completion of this thesis.

He pushed me to reach my full potential. His professional guidance and willingness to work on an ongoing basis were key elements in completing this study. I would like to thank Professor Daniel Dias for his invaluable guidance, supervision, encouragement, and support throughout this research process. I would like to record my sincere appreciation for their help and I will never forget my three years of Ph.

studies under their guidance, my respected teachers. Second, I also want to thank the teachers and staff of the Underground and Mining Construction Department, Faculty of Construction, Postgraduate training Office, Hanoi University of Mining and Geology, who helped me in the process of implementing this thesis. Third, I would like to thank the Vingroup JSC and supported by the Master, PhD Scholarship Programme of Vingroup Innovation Foundation (VINIF), Institute of Big Data, code VINIF.167 for financial support. This is an honor and a great motivation that helped me to make this research more focused.

Finally, I am deeply grateful to my family for their support, patience, and love. This study would not have been started, would not have been possible, and would never have been completed without the support of my wife, Vu Thi Hue, and my two children, Khanh An and Minh Tri. Nothing would have happened without their support and I devoted them to this thesis. ii LỜI CẢM ƠN Luận án này được thực hiện tại Bộ môn Xây dựng công trình ngầm và Mỏ, Khoa Xây dựng, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đầu tiên, tác giả xin đặc biệt cảm ơn tới tổ hướng dẫn, PGS.TS Đỗ Ngọc Anh và GS Daniel Dias.

Các Thầy luôn định hướng, khuyến khích, thúc đẩy NCS và có những lời khuyên quý báu, chân thành giúp cho tác giả trong quá trình thực hiện luận án cũng như viết các bài báo khoa học. Thứ hai, tác giả muốn cảm ơn tới các Thầy cô Bộ môn Xây dựng công trình ngầm và mỏ, Khoa Xây dựng, Phòng Đào tạo Sau đại học Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã luôn giúp đỡ, tạo điều kiện cho tác giả trong quá trình thực hiện luận án này. Thứ ba, tác giả muốn cảm ơn tới Tập đoàn Vingroup và sự hỗ trợ của Chương trình học bổng thạc sĩ, tiến sĩ trong nước của Quỹ Đổi mới sáng tạo Vingroup (VINIF), Viện Nghiên cứu Dữ liệu lớn, mã số VINIF. Đây là một vinh dự và là động lực lớn giúp tác giả tập trung hơn trong nghiên cứu khoa học.

Cuối cùng, tác giả vô cùng biết ơn tới gia đình đã luôn bên cạnh với sự kiên nhẫn. Luận án này sẽ không được bắt đầu, được thực hiện và hoàn thành nếu không có sự hỗ trợ của gia đình. iii GUARANTEE I hereby declare that this is my own research work. The data and results presented in this thesis are honest and have never been published in any other works.

PhD candidate Pham Van Vi iv LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả và dữ liệu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào. Nghiên cứu sinh Phạm Văn Vĩ v SUMMARY The principal purpose of this Ph. thesis is to study the behavior of sub-rectangular tunnels under seismic conditions by using a finite difference method (FDM) and then a new quasi-static loading scheme, applied to the Hyperstatic Reaction Method (HRM), was developed.

Firstly, a literature review on the tunnel lining design under seismic condition was conducted. Secondly, 2D numerical models of circular and sub-rectangular tunnels subjected to quasi-static loading were developed. The difference in behavior of these two tunnel types under seismic loading was highlighted. In the final part of the manuscript, a new quasi-static loading scheme applied in sub- rectangular tunnels using the HRM method was proposed based on the quasi-static loading principle.

Its reliability is demonstrated based on validations conducted by using finite difference caculations considering different situations. Keywords: Sub-rectangular tunnel; Hyperstatic Reaction Method; Numerical model; Quasi-static. vi TÓM TẮT Mục tiêu chính của luận án là sử dụng phương pháp số sai phân hữu hạn (FDM) để nghiên cứu ứng xử của đường hầm tiết diện hình chữ nhật cong chịu tải trọng động đất và phát triển một sơ đồ tải trọng tĩnh tương đương mới áp dụng trong phương pháp lực kháng đàn hồi (HRM). Trên cơ sở kết quả nghiên cứu tổng quan chỉ ra khoảng trống nghiên cứu đối với kết cấu đường hầm tiết diện chữ nhật cong chịu tải trọng động đất, luận án đã phát triển mô hình số 2D cho đường hầm tiết diện hình chữ nhật cong chịu tải trọng tĩnh tương đương trên cơ sở mô hình của đường hầm tiết diện hình tròn được kiểm chứng bằng cách so sánh với phương pháp giải tích.

Ứng xử khác nhau của kết cấu chống trong hai loại tiết diện đường hầm khi chịu tải trọng động đất đã được chỉ ra. Dựa vào kết quả phân tích trên mô hình số FDM, luận án đã đề xuất được một sơ đồ tải trọng tĩnh tương đương mới tác dụng lên kết cấu chống đường hầm tiết diện hình chữ nhật cong chịu tải trọng động đất trong phương pháp HRM. Độ tin cậy của sơ đồ tải trọng tĩnh tương đương mới đã được kiểm chứng trên cơ sở so sánh với phương pháp FDM khi xem xét một loạt điều kiện đầu vào khác nhau. Từ khóa: Đường hầm tiết diện chữ nhật cong; Phương pháp lực kháng đàn hồi; Mô hình số; Tĩnh tương đương.

vii CONTENTS ACKNOWLEDGEMENTS. v LIST OF NOMENCLATURE.ix LIST OF FIGURES. xii LIST OF TABLES. xv GENERAL INTRODUCTION.xvi Background and Problematic.

xvii Scope of this study. xviii Original Features. xviii Thesis outline. xviii CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW ON THE BEHAVIOUR OF UNDERGROUND STRUCTURES UNDER SEISMIC LOADING.

Seismic response mechanisms. Sub-rectangular tunnels. 27 CHAPTER 2: NUMERICAL STUDY ON THE BEHAVIOR OF SUB- RECTANGULAR TUNNEL UNDER SEISMIC LOADING. Numerical simulation of the circular tunnel under seismic loading 30 2.

Reference case study- Shanghai metro tunnel. Numerical model for the circular tunnel. Comparison of the numerical and analytical model for the circular tunnel case study. Validation of circular tunnel under seismic loading.

Effect of the peak horizontal seismic acceleration (aH). Effect of the soil Young’s modulus, Es. Effect of the lining thickness, t. Numerical simulation of the sub-rectangular tunnel under seismic loading.

Parametric study of sub-rectangular tunnels in quasi-static conditions. Effect of the peak horizontal seismic acceleration (aH). Effect of the soil’s Young’s modulus (Es). Effect of the lining thickness (t).

48 CHAPTER 3: A NEW QUASI-STATIC LOADING SCHEME FOR THE HYPERSTATIC REACTION METHOD - CASE OF SUB-RECTANGULAR TUNNELS UNDER SEISMIC CONDITION. Fundamental of HRM method applied to sub-rectangular tunnel under static loading. HRM method applied to sub-rectangular tunnel under seismic conditions. FDM numerical model.

Numerical procedure in HRM method. Validation of the HRM method. 77 GENERAL CONCLUSIONS AND PERSPECTIVES.79 PUBLISHED AND SUBMITTED MANUSCRIPTS. 84 ix LIST OF NOMENCLATURE Abbreviations 2D Two-dimensional 3D Three-dimensional DOT Double-O-tube FDM Finite difference method FEM Finite element method fs Full slip HRM Hyperstatic Reaction Method MF Multi-circular face ns No-slip PGA Peak ground acceleration PIV Particle image velocimetry SR Sub-rectangular tunnel TBM Tunnel boring machine Symbols aH Peak horizontal acceleration at the ground surface a, b, β Dimensionless factors C Tunnel lining compressibility ratio c Soil cohesion D Circular tunnel external diameter E Young’s modulus of the tunnel lining F Tunnel lining flexibility ratio G Soil shear modulus x Gmax Maximum ground shear modulus h Tunnel height H Tunnel depth I Inertia moment of tunnel lining per unit length of the tunnel K Soil bulk modulus K0 Lateral earth pressure coefficient K1 Full slip lining response coefficient K2 No-slip lining response coefficient K3 No-slip lining response coefficient K4 No-slip lining response coefficient Li Element length M Incremental Bending moment Mmax Maximum incremental bending moment Mmin Minimum incremental bending moment Mw Moment magnitude N Incremental Normal forces Nmax Maximum incremental normal forces Nmin Minimum incremental normal forces plim Maximum reaction pressure R Tunnel radius Ri Radius of part i (i=1, 2 and 3 corresponding to the crown, shoulder and sidewall) of the tunnel boundary t Tunnel lining thickness u Axial displacement v Transversal displacement Vmax Peak shear wave velocity xi Vs The ground shear wave velocity w Tunnel width ∆zmin Smallest dimension in the normal direction of zones γ Soil unit weight γmax Maximum shear strain ηn,0 Soil initial stiffness θ Angle measured counter-clockwise from spring line on the right λi Transformation matrix ν Tunnel lining Poisson’s ratio νs Soil Poisson’s ratio ρmax Soil density τ Shear stresses applied at the far-field boundary φ Soil internal friction angle Soil initial spring stiffness Normal stiffness Tangential stiffness Vertical loads Horizontal loads [K] Stiffness matrix [S] Nodal displacement matrix [F] Nodal forces matrix xii LIST OF FIGURES Figure 1.

Summary of observed bored/mined tunnel damage due to ground shakings [131]. Typical failure modes of mountain tunnels reported during the 1999 Chi- Chi earthquake in Taiwan [160]. Ground response to seismic waves [159]. Type of tunnel deformations during a seismic event [123].

Examples of the effects of seismically-induced ground failures on tunnels [155]. Seismic shear loading and equivalent static loading (redrawn) [126]. Definition of terms used in racking analysis of a rectangular tunnel [159]. Racking coefficients for rectangular tunnels [59].

Geometry and boundary conditions in the quasi-static model [135] .11 Geometry and boundary conditions in the quasi-static model [49]. (a) Acceleration time history scaled at 0. A photo showing the testing setup after fabrication [72]. Sub-rectangular express tunnel in Shanghai [48], distances in millimeters.

Circular tunnel with the same utilization space area, distances in millimeters. The plane strain model under consideration. Geometry and quasi-static loading conditions for the circular tunnel model. Deformed model and displacement contours in circular tunnel model for no-slip condition.

Deformed model and displacement contours in circular tunnel model for full-slip condition.