Download luận án tiến sĩ với đề tài: Nghiên cứu phương pháp tính kết cấu công trình ngầm đô thị trong nền đất yếu chịu tác dụng của động đất, cho các bạn làm luận án tham khảo Nhận viết luận văn đại học, thạc sĩ trọn gói, chất lượng, LH ZALO=>0909232620 Tham khảo dịch vụ, bảng giá tại: https://baocaothuctap.net

1. iii
MỤC LỤC
Mục lục .........................................................................................................iii
Danh mục các ký hiệu cơ bản sử dụng trong luận án .................................. viii
Danh mục các chữ viết tắt sử dụng trong luận án.......................................... xi
Danh mục các hình vẽ, đồ thị trong luận án ................................................. xii
Danh mục bảng biểu trong luận án ........................................................... xviii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH NGẦM ĐÔ THỊ
CHỊU TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT .......................................................... 4
1.1.Kháiniệmvềđộngđấtvànhữngtácđộng,thiệthạidođộngđấtđốivớicôngtrình
ngầm...............................................................................................................................................4
1.1.1. Động đất và nguồn gốc..........................................................................................4
1.1.2. Những tác động và mức độ thiệt hại do động đất đối với công trình ngầm.....5
1.1.2.1.Cácbiếndạngcủacôngtrìnhngầmkhibịđộngđất..................................................6
1.1.2.2.Cácdạngpháhủycủacôngtrìnhngầmkhibịđộngđất[31],[37].........................6
1.2. Tiêu chí đánh giá độ mạnh của động đất và Tiêu chuẩn thiết kếkháng chấn của
cácnướcvàViệtNam..............................................................................................................10
1.2.1. Các tiêu chí đánh giá độ mạnh của động đất [8] ...............................................10
1.2.1.1.Đánhgiáđộmạnhcủađộngđấttheothangcườngđộđộngđấtcủathếgiới....10
1.2.1.2.Đánh giá sức mạnh của động đất theo thang độ lớn của thế giới .. 11
1.2.2. Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của các nước và ở Việt Nam.........................13
1.3.Tiêuchíđánhgiámôitrườngnềnđấtyếu...................................................................13
1.4. Công trình ngầm đô thị, hiện trạng và xu hướng phát triển tại Việt nam.....15
1.5. Tổng quan về các phương pháp tính toán công trình ngầm chịu tác động động
đất.................................................................................................................................................18
1.5.1. Nhóm phương pháp giải tích [40], [52] .............................................................18

2. iv
1.5.1.1.Phươngpháptĩnhtảitươngđương..............................................................................18
1.5.1.2.Phươngpháptươngtácbiếndạngkếtcấu–nền[52].............................................19
1.5.2. Phương pháp áp đặt biến dạng của đất nền chịu tác độngcủa động đất vàobiên
(Imposed Seismic Ground Deformation - ISGD) [32], [43]......................................19
1.5.2.1. Phương pháp dùng lò xo thay thế tương tác của kết cấu – môi trường.19
1.5.2.2.Phươngphápápđặtbiếndạng“trườngtựdo“củanềnvàobiên........................20
1.5.3. Phương pháp động lực học..................................................................................21
1.6.Cáckếtquảđạtđượccủacáccôngtrìnhnghiêncứuđãcôngbố..........................23
1.7.Nhữngvấnđềcầntiếptụcnghiêncứu.........................................................................24
1.8.Cáckếtluậnrútratừtổngquan...................................................................................25
CHƯƠNG 2. TÁC DỤNG CHẤN ĐỘNGCỦA ĐỘNGĐẤT VÀ DAO ĐỘNG
CỦA TẦNGĐẤT NHIỀU LỚP TRÊN NỀN ĐÁ CỨNG................................. 26
2.1.Cácloạisóngtrongmôitrườngđấtkhixảy rađộngđất.........................................26
2.1.1. Sóng nén (Sóng ứng suất nén, sóng P)...............................................................27
2.1.2. Sóng cắt (Sóng S).................................................................................................27
2.1.3. Sóng mặt (Sóng Rayleigh) ..................................................................................28
2.1.4. Sóng Love (Sóng L).............................................................................................29
2.2.Daođộngcủatầngđấtnhiềulớptrênnềnđácứng...................................................29
2.2.1. Đặt bài toán và các giả thiết tính toán.................................................................29
2.2.2. Cơ sở lý thuyết truyền sóng 1 chiều [26][27][39][51]......................................30
2.2.3. Hệ phương trình chuyển động của môi trường nền đất nhiều lớp...................31
2.3.Thuậttoángiảihệphươngtrìnhtìmchuyểnvị..........................................................34
2.4.ChươngtrìnhSoilColumnVibration–SCV2015...................................................38
2.5.Vídụsố.................................................................................................................................42
2.6.Kếtluậnchương................................................................................................................45
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH NGẦM CHỊU TÁC DỤNG
ĐỘNG ĐẤT................................................................................................. 46

3. v
3.1. Tính toán công trình ngầm chịu động đất theo phương pháp giải tích......46
3.1.1. Biến dạng của công trình ngầm khi chịu tác dụng động đất............................46
3.1.2. Trạng thái ứng suất – biến dạng của công trình ngầm chịu tác động sóng cắt do
động đất............................................................................................................................46
3.1.2.1.Cácthamsốbiếndạngtrượtcủacôngtrìnhngầmhìnhtròncóxétđếntươngtác
kếtcấuvớimôitrườngnền............................................................................................................46
3.1.2.2.Cácthamsốbiếndạngtrượtcủacôngtrìnhngầmhìnhchữnhậtcóxétđếntương
táckếtcấuvớimôitrườngnền[43],[47],[52]........................................................................50
3.2. Tính toán công trình ngầm chịu động đất theo phương pháp đặt biến dạng của
nềnđấtvàobiên(ISGD)..........................................................................................................53
3.2.1. Đặt bài toán và các giả thiết tính toán.................................................................53
3.2.2. Mô hình tính..........................................................................................................53
3.2.3. Xác định chuyển vị của nền đất..........................................................................54
3.2.3.1.Trườnghợpnềnđồngnhất.............................................................................................54
3.2.3.2.Trườnghợpmôitrườngđấtnhiềulớp.........................................................................54
3.2.4. Thử nghiệm số......................................................................................................55
3.2.4.1.Trườnghợpnềnđồngnhất.............................................................................................55
3.2.4.2.Trườnghợpnềnnhiềulớp..............................................................................................60
3.3. Tính toán công trình ngầm chịu động đất theo phương pháp động lực học –
phươngphápgiảnđồgiatốcnền..........................................................................................62
3.3.1. Đặt vấn đề bài toán và các giả thiết tính toán.....................................................62
3.3.2. Cơ sở phươngphápPTHH phân tích bài toán tương tác giữa kết cấu côngtrình
ngầm và nền đất biến dạng chịu tải trọng động của động đất.....................................63
3.3.3. Trạng thái ứng suất – biến dạng của công trình ngầm chịu tác động ngang hầm
của động đất theo phương pháp giản đồ gia tốc nền...................................................67
3.3.4. Thử nghiệm số......................................................................................................67
3.3.4.1.Tínhtoáncôngtrìnhngầmhìnhtrònchạytuyến.......................................................67

4. vi
3.3.4.2.Tínhtoáncôngtrìnhngầmcómặtcắtnganglàhìnhchữnhật..............................74
3.4.Kếtluậnchương................................................................................................................80
3.4.1. Phương pháp giải tích ..........................................................................................80
3.4.2. Phương pháp ISGD..............................................................................................81
3.4.3. Phương pháp động lực học..................................................................................81
CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN CÁC CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG NGẦM TẠI
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHỊU TÁC DỤNG ĐỘNG ĐẤT ................ 82
4.1.Giớithiệu.............................................................................................................................82
4.2. Điều kiện địa chất khu vực thành phố Hồ Chí Minh và phương pháp xác định
cácthamsốđộngcủanền.......................................................................................................83
4.2.1. Các tham số động nền đất và phương pháp xác định [15], [39], [51]......83
4.2.1.1.Cácthínghiệmtrongphòng[27],[39],[51].............................................................84
4.2.1.2.Cácthínghiệmngoàihiệntrường................................................................................85
4.2.2. Quan hệ giữa các tham số động đạt đỉnh của nền đất khi động đất.................91
4.2.3. Các tham số đặc trưng chuyển động của đất phụ thuộc vào chiều sâu...........92
4.2.4. Các tham số động của điều kiện địa chất công trình và dữ liệu địa chấn ở thành
phố Hồ Chí Minh............................................................................................................93
4.2.4.1.Cácđiềukiệnđịachất......................................................................................................93
4.2.4.2.PhântíchvàchọnmôhìnhnềnđểtínhtoánchonềnđấtyếuởthànhphốHồChí
Minhkhichịuđộngđất[23].........................................................................................................99
4.2.4.3.CácdữliệuđịachấnởthànhphốHồChíMinh......................................................103
4.3.TạogiảnđồgiatốcnềnnhântạođốivớikhuvựcthànhphốHồChíMinh.....106
4.4.Tínhtoánhầmtrònchạy tuyếnchotuyếnmetrosố6............................................110
4.4.1. Xác định sơ đồ tính và kích thước mô hình.....................................................112
4.4.2. Tính toán hầm tròn theo phương ngang tuyến metro số 6 – TP.HCM.........114
4.4.3. Ảnh hưởng của nước ngầm đối với tính toán hầm tròn tuyến metro số 6....118
4.5.Tínhtoáncácnhàgachotuyếnmetrosố6...............................................................119

5. vii
4.6Kếtluậnchương...............................................................................................................125
KẾT LUẬN CHUNG................................................................................. 126
1.Nhữngkếtquảchínhvàđónggópmớicủaluậnán...................................................126
2.Hướngnghiêncứupháttriểntiếptheo.........................................................................126
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................... 128

6. viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CƠ BẢN SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN
Các ký hiệu bằng chữ Latinh
A Biên độ dao động.
ag Gia tốc đỉnh trên nền đá gốc.
ASF Hệ số địa tầng.
C Tỷ số nén.
CS Vận tốc lan truyền sóng.
D0 Biên độ chuyển vị của nền.
Dl Đường kính vỏ hầm.
e Hệ số rỗng của đất.
E Mô đun đàn hồi của vật liệu.
El Mô đun đàn hồi của vỏ hầm.
Em Mô đun đàn hồi của nền.
F Tỷ số khi chịu uốn.
Fr Hệ số độ cứng chịu uốn.
fS Sức kháng ma sát trên thành lỗ xuyên.
fSP Tần suất lấy mẫu.
g Gia tốc trọng trường.
G Mô đun trượt của vật liệu.
H Chiều cao tiết diện hầm.
I Mô men quán tính của vỏ hầm.
Ic Hệ số ứng xử của địa tầng.
KS Độ cứng kết cấu vỏ hầm hình chữ nhật khi trượt.
m Khối lượng.
Mmax Mô men uốn cực đại.
N60
*
Số búa SPT/30cm.

7. ix
Nmax Lực nén cực đại.
PI Chỉ số dẻo của đất.
qc Sức kháng mũi trong thí nghiệm CPT.
Qmax Lực cắt cực đại.
R0tr Tỷ số biến dạng lệch ứng với trường hợp không trượt.
Rtr Tỷ số biến dạng lệch ứng với trường hợp trượt tự do.
Se Hàm phổ phản ứng.
T Chu kỳ.
t Độ dày của lớp vỏ hầm.
u, ux, uy Chuyển vị, chuyển vị theo phương x và y.
vP Vận tốc truyền sóng nén.
vS Vận tốc truyền sóng cắt.
W Chiều rộng tiết diện ngang của hầm.
[B]n Ma trận quan hệ biến dạng - chuyển vị của phần tử.
[C]n, [C] Ma trận cản của phần tử, ma trận cản của hệ.
[K]n, [K] Ma trận độ cứng phần tử, ma trận độ cứng của hệ.
[M]n, [M] Ma trận khối lượng phần tử, ma trận khối lượng của hệ.
{U}n, {U} Véc tơ chuyển vị nút của phần tử, véc tơ chuyển vị nút của hệ.
Các ký hiệu bằng chữ Hy Lạp
,  Các tham số trong tích phân Newmark.
R, R Các hằng số cản Rayleigh.
x, y, z Biến dạng theo phương x, y, z.
1 Chuyển vị tương đối của kết cấu khi lực tập trung p=1.
t Bước thời gian tích phân.
diff Biến dạng của “trường tự do”.
max Biến dạng trượt cực đại.

8. x
ketcau Biến dạng trượt của kết cấu.
truongtudo Biến dạng trượt của “trường tự do”.
v’ Ứng suất có hiệu thẳng đứng.
 Hệ số Poisson.
i, j Các tần số dao động riêng.
i, j Các tỷ số cản.
 Bước sóng.
L Hằng số Lamé.
 Cản nhớt của vật liệu.

9. xi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN
BEM Phương pháp phần tử biên
CPT Thí nghiệm xuyên tĩnh.
FDM Phương pháp sai phân hữu hạn.
FEM Phương pháp phần tử hữu hạn.
ISGD Phương pháp đặt chuyển vị của nền vào biên.
MC Mô hình Mohr Coulomb.
PGA Gia tốc đạt đỉnh.
PGV Vận tốc đạt đỉnh.
PGD Chuyển vị dao động đạt đỉnh.
PTHH Phần tử hữu hạn.
SDOF Hệ một bậc tự do.
SPT Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn.
SS Mô hình đất soft soil.
TP. HCM Thành phố Hồ Chí Minh.

10. xii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TRONG LUẬN ÁN
Hình 1 - 1. Mô tả các yếu tố của động đất......................................................4
Hình 1 - 2. Các dạng đứt gãy trượt theo đường dốc và trượt ngang, dãn nở. .......5
Hình 1 - 3. Mô tả các dạng trượt giữa các mảng. ...........................................5
Hình 1 - 4. Phá hủy hầm khi trượt đất ở vùng đứt gẫy....................................7
Hình 1 - 5. Dạng phá hủy – sụt trượt mái dốc làm phá hủy hầm. ...................7
Hình 1 - 6. Dạng các khe nứt dọc trục hầm, dọc phía trên nóc và đáy hầm. ...7
Hình 1 - 7. Dạng thiệt hại – Các khe nứt ngang .............................................8
Hình 1 - 8. Dạng thiệt hại – Các khe nứt nghiêng. .........................................8
Hình 1 - 9. Dạng thiệt hại do nứt phần mở rộng.............................................8
Hình 1 - 10. Biến dạng tường hầm.................................................................9
Hình 1 - 11. Các dạng tróc vỏ lót của hầm.....................................................9
Hình 1 - 12. Hình dáng thiệt hại của hầm hình chữ nhật ................................9
Hình 1 - 13. Bản đồ quy hoạch các tuyến metro ở Hà Nội [14], [18]. .......... 16
Hình 1 - 14. Bản đồ quy hoạch các tuyến metro ở TP. HCM [17]................ 17
Hình 1 - 15. Mô hình tính hầm chịu động đất theo tĩnh tải tương đương...... 19
Hình 1 - 16. Sơđồtínhdùngcáclòxothaythếtươngtáccủakếtcấuvớimôitrường[32]...20
Hình 1 - 17. Sơ đồ tính áp đặt biến dạng của nền vào biên........................... 21
Hình 1 - 18. Sơ đồ tính hầm chịu động đất theo giản đồ gia tốc nền. ........... 21
Hình 2 - 1. Sơ đồ phân loại sóng động đất. .................................................. 26
Hình 2 - 2. Biến dạng nền đất do sóng nén gây ra........................................ 27
Hình 2 - 3. Biến dạng nền đất do sóng cắt gây ra......................................... 27
Hình 2 - 4. Sự phân chia sóng S, (a) (SH) và (b) (SV). .................................. 28
Hình 2 - 5. Biến dạng nền do sóng Rayleigh gây ra. .................................... 28
Hình 2 - 6. Biến dạng nền do sóng Love gây ra. .......................................... 29
Hình 2 - 7. Trình tự các sóng được truyền đến theo thời gian. ..................... 29

11. xiii
Hình 2 - 8. Mặt cắt ngang và điều kiện cột đất chịu chuyển dịch ngang tại nền
đá gốc do động đất.................................................................... 30
Hình 2 - 9. Mô tả phần tử theo mô hình Kelvin – Voigt [39] ....................... 30
Hình 2 - 10. Mô hình bài toán nhiều lớp chịu tác dụng sóng ngang.............. 31
Hình 2 - 11. Mô hình một chiều và sơ đồ tính [27]. ..................................... 32
Hình 2 - 12. Mối quan hệ giữa N và T1(s) với giá trị sai số ERS [27]. ......... 34
Hình 2 - 13. Dạng của phổ phản ứng đàn hồi............................................... 37
Hình 2 - 14. Giao diện giới thiệu phần mềm ................................................ 39
Hình 2 - 15. GiaodiệnphầnnhậpdữliệumôđunchínhcủachươngtrìnhSCV-2015......40
Hình 2 - 16. Giao diện xuất kết quả tần số dao động riêng........................... 40
Hình 2 - 17. Giao diện xuất kết quả và xuất file ra Ms Excelhoặc Ms Access..........41
Hình 2 - 18. Sơ đồ khối chung cho toàn bộ chương trình............................. 41
Hình 2 - 19. Sơ đồ khối chi tiết các chương trình con. .................................42
Hình 2 - 20. Phổ phản ứng........................................................................... 43
Hình 2 - 21. Quanhệgiữachuyểnvịvàchiềusâucáccộtđấtmềmtrênnềnđấtcứng....43
Hình 2 - 22. Quan hệ giữa vận tốc, gia tốc và chiều sâu............................... 44
Hình 3 - 1. Công trình ngầm bị biến dạng khi sóng động đất tác động......... 46
Hình 3 - 2. Nội lực trong vỏ hầm, xét cho 1 phân tố. ................................... 47
Hình 3 - 3. Sơ đồ tính trượt đơn giản đối với công trình ngầm tiết diện ngang
hình chữ nhật............................................................................ 50
Hình 3 - 4. Sơ đồ tính nội lực đối với hầm tiết diện ngang hình chữ nhật dựa
theo biến dạng trượt tương ứng................................................. 52
Hình 3 - 5. Mô hình bài toán khi đặt chuyển vị của nền vào biên................. 54
Hình 3 - 6. Sơ đồ tính toán và rời rạc hóa PTHH của hệ. ............................. 55
Hình 3 - 7. Đồ thị quan hệ giữa biến dạng trượt với mô đun đàn hồi............ 56
Hình 3 - 8. Đồ thị quan hệ giữa nội lực và mô đun đàn hồi Gm (kPa). .......... 56
Hình 3 - 9. Đồ thị quan hệ giữa Mmax và hệ số F. ......................................... 57

12. xiv
Hình 3 - 10. Mô men uốn cực đại và lực cắt cực đại trong vỏ hầm. ............. 57
Hình 3 - 11. Sơ đồ hình học, sơ đồ tính và rời rạc hóa PTHH. ..................... 58
Hình 3 - 12. Biểu đồ nội lực theo phương pháp ISGD. ................................ 59
Hình 3 - 13. So sánh kết quả tính theo phương pháp giải tích Wang và phương
pháp ISGD................................................................................ 60
Hình 3 - 14. Sơ đồ tính khi đặt chuyển vị các lớp đất vào biên. ................... 60
Hình 3 - 15. Chia lưới PTHH của hệ............................................................ 61
Hình 3 - 16. Chuyển vị theo phương ngang của hầm. .................................. 61
Hình 3 - 17. Biểu đồ mô men và lực cắt....................................................... 62
Hình 3 - 18. Biểu đồ lực dọc và biến dạng của hầm..................................... 62
Hình 3 - 19. Mô hình bài toán khi hệ chịu tác động động đất....................... 63
Hình 3 - 20. Mô hình tính của bài toán ........................................................ 67
Hình 3 - 21. Bảng ghi gia tốc nền động đất có gia tốc đỉnh là 0,24g. ........... 69
Hình 3 - 22. Mô hình bài toán khi hệ chịu tác dụng động đất....................... 70
Hình 3 - 23. Sơ đồ chia lưới PTHH của mô hình bài toán. ........................... 70
Hình 3 - 24. Chuyển vị theo phương đứng uy tại đỉnh và đáyhầm theo thời gian.... 71
Hình 3 - 25. Chuyển vị theo phương ngang ux tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian.71
Hình 3 - 26. Sơ đồ chia lưới biến dạng của hệ.............................................. 72
Hình 3 - 27. Mô men uốn tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian....................... 72
Hình 3 - 28. Lực cắt tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian............................... 72
Hình 3 - 29. Lực dọc tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian.............................. 73
Hình 3 - 30. Gia tốc nền theo thời gian tại các vị trí nền đá gốc, đỉnh hầm và
tại bề mặt nền. .......................................................................... 73
Hình 3 - 31. Sơ đồ tính hầm hình chữ nhật chịu tác động của động đất........ 74
Hình 3 - 32. Mô men uốn cực đại trong vỏ hầm (gia tốc đỉnh ag = 0,24g).... 75
Hình 3 - 33. Lực cắt cực đại trong vỏ hầm, (gia tốc đỉnh ag = 0,24g). .......... 75
Hình 3 - 34. Biến dạng của hầm dưới tác động của động đất. ...................... 76

13. xv
Hình 3 - 35. Mô men uốn tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian....................... 76
Hình 3 - 36. Lực cắt tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian............................... 77
Hình 3 - 37. Lực dọc tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian.............................. 77
Hình 3 - 38. Biểu đồ so sánh sai số giữa các phương pháp tính.................... 78
Hình 3 - 39. Chuyển vị đứng uy theo thời gian............................................. 78
Hình 3 - 40. Chuyển vị ngang ux theo thời gian tại các điểm tương ứng....... 79
Hình 3 - 41. Mô hình tính hệ công trình ngầm – nền.................................... 79
Hình 3 - 42. Chia lưới PTHH hệ công trình ngầm – nền. ............................. 79
Hình 3 - 43. So sánh giá trị nội lực giữa 2 phương pháp tính. ...................... 80
Hình 4 - 1. Các phương pháp xác định tham số động của nền trong phòng thí
nghiệm và ngoài hiện trường [35]................................................................. 84
Hình 4 - 2. Bố trí sơ đồ cho phương pháp đo - xuyên................................... 85
Hình 4 - 3. Quan hệ giữa tỷ số cản của cát và biên độ biến dạng cắt . ........ 90
Hình 4 - 4. Quan hệ giữa tỷ số cản của sét và biên độ biến dạng cắt .......... 91
Hình 4 - 5. Bản đồ địa chất khoáng sản của khu vực TP. HCM C- 48-XI
(1995) [14] .................................................................. 94
Hình 4 - 6. Đồ thị giá trị sức kháng mũi qc (MPa), sức kháng thành fs (MPa) để
xác định vs (m/s) điển hình tại Km0+900 (HX02) [14]. ............ 96
Hình 4 - 7. Các tham số của mô hình Mohr-Coulomb trong Plaxis [23]..... 101
Hình 4 - 8. Các tham số của mô hình soft soil trong Plaxis [23]................. 102
Hình 4 - 9. Bản đồ phân vùng đứt gãy và bản đồ phân vùng địa chấn theo các
đơn vị gia tốc ngang đạt đỉnh (theo thang MSK 64)................ 105
Hình 4 - 10. Vị trí địa lí thị trấn Upland..................................................... 107
Hình 4 - 11. Giản đồ gia tốc tại Upland, quận Delaware, ........................... 108
Hình 4 - 12. Bảng nhập giản đồ gia tốc thực theo thời gian [3].................. 108
Hình 4 - 13. Đồthị tỷlệ theophổphản ứngđàn hồitrongTCVN9386:2012[3]....109

14. xvi
Hình 4 - 14. Tạo giả giản đồ gia tốc nhân tạo theo điều kiện gia tốc đỉnh tại
TP. HCM (ag = 0,07g) ........................................................ 109
Hình 4 - 15. Giản đồ gia tốc nền nhân tạo theo thời gian được tạo giả ở TP.
HCM có gia tốc đỉnh ag = 0,07g.............................................. 109
Hình 4 - 16. Mặt cắt ngang tuyến tại Km0+900 tuyến số 6 – TP. HCM..... 112
Hình 4 - 17. Mặt cắt ngang tuyến tại Km6+700 tuyến số 6 – TP. HCM..... 112
Hình 4 - 18. Mô hình tính phẳng và tải trọng tác động của động đất.......... 113
Hình 4 - 19. Sơ đồ chia lưới PTHH của mô hình. ...................................... 113
Hình 4 - 20. Biểu đồ giá trị nội lực theo chiều dọc tuyến. .......................... 115
Hình 4 - 21. Nội lực cực đại trong kết cấu hầm tại các lý trình. ................. 115
Hình 4 - 22. Chuyển vị của hầm theo phương ngang tại các lý trình. ......... 115
Hình 4 - 23. Mô men cực đại và đường bao mô men trong vỏ hầm............ 116
Hình 4 - 24. Lực cắt cực đại và đường bao lực cắt trong vỏ hầm. .............. 116
Hình 4 - 25. Lực dọc cực đại và đường bao lực dọc trong vỏ hầm. ............ 116
Hình 4 - 26. Chuyển vị của hầm theo phương ngang và phương đứng....... 116
Hình 4 - 27. Mô men tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian. .......................... 117
Hình 4 - 28. Lực cắt tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian............................. 117
Hình 4 - 29. Lực dọc tại đỉnh và đáy hầm theo thời gian............................ 117
Hình 4 - 30. Nội lực cực đại trong vỏ hầm tương ứng với trường hợp có và
không có xét đến mục nước ngầm........................................... 118
Hình 4 - 31. Sơ đồ hình học, tải trọng động đất tác dụng lên kết cấu. ........ 119
Hình 4 - 32. Chia lưới phần tử PTHH của mô hình.................................... 120
Hình 4 - 33. Các dạng tải tĩnh tác dụng lên hệ............................................ 120
Hình 4 - 34. Giá trị nội lực của các kết cấu nhà ga mô tả theo tuyến.......... 121
Hình 4 - 35. Giá trị nội lực của kết cấu nhà ga mô tả theo chiều sâu. ......... 122
Hình 4 - 36. Mô men tại đỉnh và đáy hầm biến thiên theo thời gian........... 122
Hình 4 - 37. Lực cắt tại đỉnh và đáy hầm biến thiên theo thời gian. ........... 123

15. xvii
Hình 4 - 38. Lực dọc tại đỉnh và đáy hầm biến thiên theo thời gian. .......... 123
Hình 4 - 39. Biến dạng của hầm................................................................. 124
Hình 4 - 40. Gia tốc nền tại nền đá gốc và mặt đất..................................... 124
Hình 4 - 41. Biểu đồ lực cắt và mô men cực đại điển hình tại Km6+635. .. 124

16. xviii
DANH MỤC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN ÁN
Bảng 1. 1. Tình trạng hư hỏng công trình ngầm theo gia tốc đỉnh [28]...........6
Bảng 1. 2. Thang độ mạnh của động đất theo thang Richter......................... 11
Bảng 1. 3. Bảng thống kê các tuyến metro ngầm và nổi ở Hà Nội [16],[18].16
Bảng 2. 1. Tham số môi trường đất nền nhiều lớp trên nền đá gốc............... 43
Bảng 2. 2. Giátrịgiatốc,vậntốcvàchuyểnvịđượctínhtừchươngtrìnhSCV–2015......44
Bảng 3. 1. Các tham số môi trường nền và hầm. .......................................... 55
Bảng 3. 2. Kết quả nội lực tương ứng các trường hợp..................................56
Bảng 3. 3. Kích thước hình học và các tham số vật liệu của hầm ................. 58
Bảng 3. 4. Kếtquảnộilựctheophươngphápgiảitíchvàphươngphápsố(ISGD)........ 59
Bảng 3. 5. Kết quả tính toán nội lực trong kết cấu hầm................................ 61
Bảng 3. 6. Các tham số môi trường.............................................................. 68
Bảng 3. 7. Kích thước hình học và các chỉ tiêu vật liệu của hầm.................. 69
Bảng 3. 8. Kết quả nội lực trong vỏ hầm do tải trọng của động đất. ............. 70
Bảng 3. 9. Kết quả tính theo phương pháp giải tích và phương pháp số. ...... 75
Bảng 3. 10. Giá trị nội lực cực đại trong vỏ hầm.......................................... 80
Bảng 4. 1. Bảng thống kê các tuyến Metro tại TP. HCM ............................. 82
Bảng 4. 2. Các phương trình xác định vs cho môi trường nền đất [50]. ........ 87
Bảng 4. 3. Bảng xác định hệ số ASF tương ứng với CPT cho nền đất [50]. .88
Bảng 4. 4. Các tham số ảnh hưởng đến tỷ số cản [24], [39].......................... 89
Bảng 4. 5. Tỷ số tương quan giữa vận tốc đạt đỉnh, chuyển vị đạt đỉnh với gia
tốc đạt đỉnh [45]........................................................................ 92
Bảng 4. 6. Hệ số xét đến sự giảm dần của các tham số đặc trưng chuyển động
của đất theo chiều sâu [44]........................................................ 93
Bảng 4. 7. Phương trình hồi qui xác định vS cho các lớp đất theo độ sâu dọc
tuyến metro 6............................................................................ 97

17. xix
Bảng 4. 8. Bảng kết quả các tham số động điển hình tại tuyến metro số 6.... 98
Bảng 4. 9. Các vùng phát sinh động đất mạnh trên lãnh thổ Việt Nam [13]104
Bảng 4. 10. Kích thước hình học của hầm tuyến metro số 6....................... 110
Bảng 4. 11. Các chỉ tiêu cơ lý của nền đất tuyến metro số 6 (km 0+900) ... 111
Bảng 4. 12. Giá trị nội lực và chuyển vị của kết cấu hầm tròn chạy tuyến theo
các mặt cắt ngang dọc theo tuyến............................................ 114
Bảng 4. 13. Giá trị nội lực, chuyển vị của hầm theo chiều dài tuyến. ......... 121

18. 1
MỞ ĐẦU
Công trình giao thông ngầm của Việt Nam những năm vừa qua có sự phát
triển mạnh mẽ đặc biệt ở Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh. Khi khai thác cơ sở hạ
tầng giao thông đô thị ngầm sẽ hạn chế tình trạng tắc nghẽn, lưu lượng xe trên
mặt đất giảm đáng kể. Do đó, có nhiều giải pháp đã được nghiên cứu, điển hình
là Hà Nội và TP. HCM đã quy hoạch xây dựng mạng tàu điện đô thị hiện đại
kết hợp với nhiều giải pháp khác như trên cao và ngầm trong lòng đất.
Động đất là một dạng thiên tai, thảm họa tự nhiên cực kỳ nguy hiểm có
thể gây thương vong đối với con người đồng thời 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, đứt gãy Sông Cả...[4],[8].
Gần đây ở Việt Nam một số công trình thủy điện, hồ chứa nước lớn được
xây dựng đã làm xảy ra các các trận động đất kích thích như: khu vực thủy điện
Sông Tranh 2- Bắc Trà Mi, Quảng Nam. Để thực hiện sự nghiệp công nghiệp
hóa hiện đại hóa đất nước chúng ta sẽ xây dựng các công trình có tầm quan
trọng đặc biệt như nhà máy điện hạt nhân, các công trình hạ tầng kỹ thuật lớn,
các nhà siêu cao tầng…, các công trình nói trên đặt ra cho các cơ quan quản lý
nhà nước cần phải xây dựng biện pháp phòng tránh và giảm nhẹ hậu quả động
đất ở Việt Nam. 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
như hoàn chỉnh tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn, dữ liệu động đất; mô hình,
phương pháp tính toán thiết kế. Hiện tại TCVN 9386: 2012 được ban hành chủ

19. 2
yếu dùng cho công trình trên mặt đất. Việt Nam chưa ban hành tiêu chuẩn thiết
kế kháng chấn cho công trình ngầm.
Khi hệ thống tàu điện ngầm được xây dựng tại hai thành phố lớn ở Việt
Nam là Hà Nội và TP. HCM như hiện nay, thực sự cần thiết phải nghiên cứu
xây dựng phương pháp thiết kế kháng chấn do động đất xảy ra cho hệ thống
metro, vì đây là hệ thống giao thông công cộng rất đông người qua lại tham gia
giao thông. Vì vậy luận án “Nghiên cứu phương pháp tính kết cấu công trình
ngầm đô thị trong nền đất yếu chịu tác dụng của động đất” là vấn đề có ý
nghĩa khoa học và thực tiễn.
* Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án:
- Phân tích và lựa chọn phương pháp xác định các tham số động của nền
đất theo điều kiện thực tế ở Việt Nam, sử dụng kết quả làm cơ sở giải quyết bài
toán tương tác kết cấu công trình ngầm – nền phù hợp với điều kiện đất mềm
tại TP. HCM.
- Nghiên cứu bài toán truyền sóng trong môi trường đất nhiều lớp, tính toán
biến dạng của nền đất do tải trọng động của động đất gây ra bằng phương pháp
phần tử hữu hạn, trên cơ sở bài toán phẳng và phân tích ảnh hưởng của biến dạng
nền đất đến kết cấu công trình ngầm trong môi trường nền đất yếu.
- Phân tích tính toán công trình ngầm đô thị trong môi trường đất yếu theo
các phương pháp giải tích, phương pháp phân tích tích phân trực tiếp phương
trình chuyển động theo thời gian (Full dynamic method) và phương pháp áp đặt
chuyển vị của nền đất vào tính toán kết cấu công trình ngầm chịu tác dụng của
động đất (Imposed Seismic Ground Deformation - ISGD).
* Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận án:
Đối tượng nghiên cứu:
Hệ kết cấu công trình ngầm và nền đất xung quanh trong đô thị chịu tác
động của tải trọng động đất.

20. 3
Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu bài toán tương tác tĩnh học và động lực học của công trình
ngầm – nền đất yếu trên sơ đồ bài toán biến dạng phẳng có sự tách trượt giữa
kết cấu và nền đất chịu tác động của động đất.
Công trình ngầm nằm trong tầng đất mềm khi xảy ra động đất sẽ chịu tác
động của sóng nén (sóng P), sóng cắt (sóng S) và đối với công trình đặt nông
còn chịu tác động của sóng bề mặt (sóng Rayleigh, sóng Love). Trong phạm vi
luận án chỉ nghiên cứu sóng cắt là sóng có vai trò chủ đạo gây nên phá hoại đối
với công trình ngầm.
* Phương pháp nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu lý thuyết, sử dụng phương pháp PTHH tiến hành thử nghiệm
số tính toán hệ “kết cấu công trình ngầm – nền đất” và lập trình tính toán số
liệu đầu vào theo ngôn ngữ lập trình Pascal trong môi trường Window để ứng
dụng phần mềm Plaxis 2D version 2010.01 (code DP11 – 1208 – f12a – 2cfd –
6c81 – 34e0) tính toán.
* Nội dung và bố cục của luận án
Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết của luận án, và bố cục của luận án.
Chương1: Tổngquan tính toán côngtrìnhngầmđô thị chịu tác dụngcủađộngđất.
Chương 2: Tác dụng chấn động của động đất và dao động của tầng đất
nhiều lớp trên nền đá cứng.
Chương 3: Tính toán công trình ngầm chịu tác dụng của động đất.
Chương 4: Tính toán các công trình giao thông ngầm tại thành phố Hồ Chí
Minh chịu tác dụng của động đất.
Kết luận chung: Trình bày các kết quả chính và những đóng góp mới của
luận án.
Phụ lục: chương trình tính và các bài báo của tác giả.

21. 4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH NGẦM ĐÔ THỊ
CHỊU TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT
1.1. Khái niệm về động đất và những tác động, thiệt hại do động đất đối
với công trình ngầm
Động đất là hiện tượng dao động rất mạnh nền đất xảy ra khi một nguồn
năng lượng lớn được giải phóng trong thời gian rất ngắn do sự rạn nứt đột ngột
trong phần vỏ hoặc trong phần áo trên của trái đất [8]. Động đất xảy ra làm ảnh
hưởng lớn đến đời sống con người, đồng thời gây mỏi kết cấu, chuyển vị, hư
hỏng công trình xây dựng và được con người cảm nhận qua sự chuyển động
mặt đất, rung lắc công trình. Ảnh hưởng của động đất đối với công trình ngầm
thường được thể hiện qua hai dạng: rung lắc của đất nền bởi động đất và hư
hỏng đất nền do hóa lỏng nền đất, do chuyển vị và mất ổn định hay trượt.
1.1.1. Động đất và nguồn gốc
Động đất là sự dao động của bề mặt trái đất do các sóng truyền đến từ một
nguồn gây ra trong lòng quả đất. Trung tâm của chuyển động của động đất nơi
phát ra năng lượng được gọi là chấn tiêu. Hình chiếu của chấn tiêu lên bề mặt
trái đất gọi là chấn tâm. Khoảng cách từ chấn tâm đến chấn tiêu được gọi là độ
sâu chấn tiêu (H). Khoảng cách từ chấn tâm đến điểm quan trắc được gọi là tâm
cự hoặc là khoảng cách chấn tâm (L). Khoảng cách từ chấn tiêu đến điểm quan
trắc được gọi là tiêu cự hoặc là khoảng cách chấn tiêu (R).
Hình 1 - 1. Mô tả các yếu tố của động đất.

22. 5
Nguồn gốc của động đất xuất hiện từ các yếu tố sau:
- Động đất do từ đứt gãy kiến tạo. Nguyên nhân do năng lượng biến dạng
được tích lũy trong các đứt gãy, nó sẽ giải phóng năng lượng khi nó vượt quá
giới hạn đàn hồi của vật liệu.
Hình 1 - 2. Các dạng đứt gãy trượt theo đường dốc và trượt ngang, dãn nở.
- Động đất xảy ra do các hoạt động kiến tạo mảng: do các mảng lớn như
Châu Phi, Châu Mỹ, Châu Úc - Ấn, Châu Á – Âu, Châu Nam cực và các mảng
khác bị tách đứt thành các mảng nhỏ hơn. Sự tách làm giải phóng năng lượng
biến dạng làm xảy ra động đất. Thông thường các trận động đất này xảy ra gần
biên của các mảng.
Hình 1 - 3. Mô tả các dạng trượt giữa các mảng.
- Động đất phát sinh từ các nguồn khác như các vụ nổ lớn của thuốc nổ,
các hoạt động của núi lửa, do bị kích thích bởi xây dựng công trình như đập
thủy điện tích nước, ..v.v.
1.1.2. Những tác động và mức độ thiệt hại do động đất đối với công trình ngầm
Dowding C.H., và Rozen A. (1978), thống kê các trận động đất mạnh
Vùng gờ mở rộng Vùng hút chìm
Mảng trườn lên
Mảng rúc xuống
Vùng đứt gãy
Dung nham trào lên

23. 6
làm ảnh hưởng đến một số công trình ngầm bị thiệt hại nghiêm trọng và bị hư
hỏng nặng. Các nhà khoa học đưa ra các quan điểm về tình trạng tác hại động
đất gây hư hỏng công trình ngầm tương ứng với gia tốc đạt đỉnh của các hạt
môi trường nền đất đá như Bảng 1. 1,[28],[47].
Bảng 1. 1. Tình trạng hư hỏng công trình ngầm theo gia tốc đỉnh [28],[47]
Gia tốc đạt đỉnh của các
hạt môi trường nền
đất đá
Tình trạng hư hỏng công trình ngầm
a g ≤ 0,19g Các hầm không bị thiệt hại khi động đất xảy ra
0,19g < a g ≤ 0,5g Hầm bị thiệt hại chút ít
ag > 0,5g Hầm có thể bị hư hại nghiêm trọng
1.1.2.1. Các biến dạng của công trình ngầm khi bị động đất
Khi động đất xảy ra sóng cắt lan truyền vuông góc với trục hầm làm cho hầm
tròn bị biến dạng thành hình o van và hầm hình chữ nhật biến dạng thành hình bình
hành. Đồng thời công trình ngầm cũng bị các biến dạng dọc trục (chịu kéo dãn, nén)
hay biến dạng uốn, biến dạng trượt do sóng truyền dọc theo trục hầm.
Theo Dowding và Rozen (1978), Owen và Scholl (1981), Sharma và
Judd, và Power (1998) [47] đã mô tả các biến dạng này bởi do một hay tổ hợp
các nguyên nhân:
- Các thiệt hại xuất hiện bởi sự phá hủy môi trường xung quanh như sự
kéo dãn hay trượt;
- Các thiệt hại do chuyển dịch trong vùng đứt gãy;
- Các thiệt hại do xuất hiện dao động của đất môi trường khi lan truyền
sóng địa chấn..v..v..
1.1.2.2. Các dạng phá hủy của công trình ngầm khi bị động đất [31],[37]
a. Dạng hầm bị phá hủy khi bị trượt
Trường hợp này xảy ra khi hầm xuyên ngang qua vùng đứt gãy thể hiện
trên Hình 1 - 4.

24. 7
Hình 1 - 4. Phá hủy hầm khi trượt đất ở vùng đứt gẫy.
b. Công trình ngầm bị sụt trượt mái dốc
Xuất hiện khi hầm được bố trí song song với mái dốc và mái dốc có khả
năng trượt khi xảy ra động đất.
Hình 1 - 5. Dạng phá hủy – sụt trượt mái dốc làm phá hủy hầm.
c. Công trình ngầm nứt dọc trục hầm
Hiện tường này do bị tác động của sóng dọc trục hầm và do sự lan truyền
sóng ngang dưới góc 450
với trục hầm.
Hình 1 - 6. Dạng các khe nứt dọc trục hầm, dọc phía trên nóc và đáy hầm.
Các khe nứt
Sụt trượt
mái dốc
Tách bóc
Khe nứt

25. 8
d. Công trình ngầm bị nứt ngang hầm
Xuất hiện khi sóng dọc lan truyền dọc trục hầm trong các tiết diện ngang
xuất hiện ứng suất kéo – nén, các ứng suất này gây nên các khe nứt hoặc các
mối nối giữa các đốt hầm không đủ khả năng chịu lực.
Hình 1 - 7. Dạng thiệt hại – Các khe nứt ngang
e. Công trình ngầm bị nứt nghiêng
Ngoài các khe nứt dọc, nứt ngang, có các khe nứt nghiêng một góc 300
–
600
với mặt cắt ngang, thường xuất hiện một bên và kết thúc tại các liên kết
giữa các vành tròn kết cấu như Hình 1 - 8.
Hình 1 - 8. Dạng thiệt hại – Các khe nứt nghiêng.
f. Công trình ngầm bị nứt phần mở rộng
Vết nứt phần mở rộng xảy ra khi có sự sụp đổ một phần của hầm do biến
dạng địa chấn lớn; thường xảy ra tại các vị trí giao nhau như buồng thiết bị
thông gió, buồng cứu hỏa,.v..v.
Hình 1 - 9. Dạng thiệt hại do nứt phần mở rộng.
Các khe
nứt
Các khe nứt
Vị trí sụt phần vỏ hầmVị trí bị
bong tróc
Vết nứt

26. 9
g. Biến dạng tường hầm
Sự thiệt hại của tường hầm do kích thước của vòm ngược bị giảm, hệ quả
của nó là sự phá hủy.
Hình 1 - 10. Biến dạng tường hầm.
j. Bong tróc của vỏ hầm
Hiện tượng bong tróc của vỏ hầm được mô tả như Hình 1 - 11.
Hình 1 - 11. Các dạng tróc vỏ lót của hầm.
k. Dạng thiệt hại của các hầm có mặt cắt ngang hình chữ nhật
Hầm hình chữ nhật thường được đặt nông và thi công bằng phương pháp
lộ thiên (đào hở). Khi động đất xảy ra, các cột đỡ, các liên kết ở các góc trên và
góc dưới mặt cắt bị phá hỏng.
Hình 1 - 12. Hình dáng thiệt hại của hầm hình chữ nhật
(ga metro Daika ở Kobe - Nhật Bản, năm 1995) [31].
Biến dạng
tường
Tường nguyên
trạng
Bong tróc
vỏ hầm
Vết nứt

27. 10
1.2. Tiêu chí đánh giá độ mạnh của động đất và Tiêu chuẩn thiết kế kháng
chấn của các nước và Việt Nam.
1.2.1. Các tiêu chí đánh giá độ mạnh của động đất [8]
Sức mạnh của động đất được đánh giá thông qua thang cường độ động
đất và thang độ lớn động đất.
1.2.1.1. Đánh giá độ mạnh của động đất theo thang cường độ động đất của
thế giới
a. Đánh giá độ mạnh động đất theo thang cường độ động đất ở Châu Âu.
Từ 1883 Rossi Forel [8] xác định 10 cấp, đến đầu thế kỷ 20 nhà địa chấn
Mercalli đã sửa đổi thành thang cường độ Mercalli. Thang Mercalli cải tiến
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. Hiện đang được sử dụng rộng
rãi ở các nước Châu Âu, Bắc Mỹ và nhiều khu vực khác trên thế giới.
b. Đánh giá độ mạnh động đất theo thang JMA, Nhật bản [8]
Đến năm 1949, cơ quan khí tượng Nhật Bản đưa ra thang đánh giá cường
độ động đất theo định tính. Đánh giá độ mạnh của động đất dựa hoàn toàn vào
hậu quả của nó tác động đến con người, đồ vật, công trình xây dựng và trên cơ
sở cảm giác chủ quan của con người. Thang JMA có 8 cấp và được sử dụng ở
Nhật Bản cho tới nay.
c. Thang cường độ động đất MSK – 64
Được sử dụng rộng rãi ở Nga, các nước thuộc khối SNG (cộng đồng các
quốc gia độc lập), một số nước XHCN cũ và Việt Nam. Cường độ động đất
theo thang MSK - 64 được đánh giá dựa hoàn toàn vào hậu quả của nó tác động
đến con người, đồ vật, công trình xây dựng và trên cơ sở cảm giác chủ quan
của con người, được đánh giá qua biên độ dao động tương đối của con lắc chuẩn
mô tả chuyển động địa chấn.
Vào khoảng năm 1964, ba nhà khoa học Medvedev, Sponhauer và Karnic
đề xuất thang cường độ động đất MSK – 64 và được chia thành 12 cấp.

28. 11
1.2.1.2. Đánh giá sức mạnh của động đất theo thang độ lớn của thế giới
Thang độ lớn động đất cho ta biết thông tin về độ lớn tổng thể hoặc quy
mô của nó.
a. Thang độ lớn của động đất theo thang Richter (1935)
Gọi M là độ lớn của 1 trận động đất. Khi đó độ lớn của động đất được
xác định là:
0M lgA lgA  (1.1)
trong đó:
A: biên độ lớn nhất của trận động đất đang xét do địa chấn kế Wood -
Anderson ghi được tại trạm quan trắc (mm).
A0:biênđộlớnnhấtcủatrậnđộngđấtchuẩncócùngkhoảngcáchchấntâm(mm).
Trường hợp địa chấn kế chuẩn đặt cách chấn tiêu tương đương 100 km
thì độ lớn của trận động đất là:
M lgA (1.2)
Bảng 1. 2. Thang độ mạnh của động đất theo thang Richter.
Mô tả Độ Richter Tác hại
Không đáng kể nhỏ hơn 2,0 Động đất thật nhỏ, không cảm nhận được.
Thật nhỏ 2,0-2,9 Thường không cảm nhận nhưng đo được.
Nhỏ 3,0-3,9 Cảm nhận được nhưng ít khi gây thiệt hại
Nhẹ 4,0-4,9 Rung chuyển đồ vật trong nhà. Thiệt hại khá nghiêm trọng.
Trung bình 5,0-5,9
Có thể gây thiệt hại nặng cho những kiến trúc không
theo tiêu chuẩn phòng ngừa địa chấn. Thiệt hại nhẹ cho
những kiến trúc xây cất đúng tiêu chuẩn.
Mạnh 6,0-6,9
Có sức tiêu hủy mạnh trong những vùng đông dân trong
chu vi 180 km bán kính.
Rất mạnh 7,0-7,9 Có sức tàn phá nghiêm trọng trên những diện tích to lớn.
Cực mạnh 8,0-8,9
Có sức tàn phá vô cùng nghiêm trọng trên những diện
tích to lớn trong chu vi hàng trăm km bán kính.
Cực kỳ mạnh 9,0-9,9 Sức tàn phá vô cùng lớn
Ngoại lệ 10+ Chưa được ghi nhận

29. 12
Thang độ lớn Richter có các tính chất đặc trưng sau:
- Được đề xuất cho vùng phía nam của California, nên đối với vùng khác
phải có các hiệu chỉnh xét đến các yếu tố cấu trúc của vỏ quả đất;
- Độ sâu của chấn tiêu không được xét đến;
- Thang Richter này chỉ có giá trị cho địa chấn kế Wood – Anderson;
- Thang Richter không xét tới các tính chất địa chất cục bộ.
Công thức (1.1) xác định độ lớn động đất M do Richter đề xuất cho vùng
California không thể áp dụng trực tiếp cho các vùng khác. Nhằm áp dụng cho
các vùng khác cần có những hiệu chỉnh. C. Tsuboi, Nhật đã kiến nghị xác định
độ lớn động đất với bất cứ loại địa chấn kế nào để xác định chuyển vị Am theo
công thức sau [48]:
mM lgA , .lgL – ,  1 73 0 83 (1.3)
trong đó: Am- chuyển vị lớn nhất của nền đất, µm;
L - khoảng cách chấn tâm, km.
b. Các thang độ lớn động đất khác
b1. Thang độ lớn sóng mặt được xác định theo biểu thức:
sM lgA 1,66lgL 2   (1.4)
trong đó: A - chuyển vị nền đất lớn nhất, µm;
L - khoảng cách chấn tâm của địa chấn kế, tính theo độ.
b2. Thang độ lớn sóng khối được xác định:
bM lgA – lgT 0,01.L 5,9   (1.5)
trong đó: A - biên độ của sóng P, µm;
T - chu kỳ của sóng P, (thường khoảng 1s).
b3. Thang độ lớn momen động đất được Hank và Kanamori đề xuất như sau:
w 0
2
M . lgM – 10,7
3
 (1.6)

30. 13
trong đó:
Mo: Mô men động đất và được xác định thông qua biểu thức sau:
M G.s.A0 (1.7)
Với: G - môdun cắt của môi trường, thường lấy bằng 3.107
kPa;
s - chuyển vị trung bình của đứt gãy, m;
A - diện tích mặt phá hủy hay mặt đứt gãy, m2
.
1.2.2. Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của các nước và ở Việt Nam
Hiện tại trên thế giới có các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của một vài
nước như: Nga có tiêu chuẩn kháng chấn SNiP II – 7 – 1981*
, Mỹ có tiêu chuẩn
tính toán thiết kế động đất Uniform Building code -1997, ngoài ra còn có Trung
Quốc ,..v..v..hiện tại Việt Nam chỉ ban hành tiêu chuẩn áp dụng cho dạng công
trình dân dụng, công nghiệp, nhà cao tầng và chưa có tiêu chuẩn áp dụng cho
công trình ngầm đô thị, nhất là trong nền đất yếu.
Ở Việt Nam có TCVN 9386:2012 được chuyển đổi từ TCXDVN
375:2006 thành Tiêu chuẩn Quốc gia, yêu cầu thiết kế công trình chịu động đất
được biên soạn trên cơ sở chấp nhận Eurocode 8 có bổ sung hoặc thay thế các
phần mang tính đặc thù Việt Nam đồng thời kết hợp bản đồ phân vùng động
đất chu kỳ lặp 500 năm do Viện Vật lý địa cầu lập [15]. Tuy nhiên, trong Tiêu
chuẩn đó vẫn thiếu phần quy định về tính toán công trình ngầm.
1.3. Tiêu chí đánh giá môi trường nền đất yếu
Môi trường nền đất yếu thường gặp ở khu vực miền duyên hải (bãi bồi
ven sông, biển) hoặc ở các thung lũng thuộc vùng núi… hình thành từ các khu
vực châu thổ Bắc Bộ, Thanh - Nghệ Tĩnh, ven biển Trung Bộ, đến đồng bằng
Nam bộ đều có những vùng đất yếu.
Đất yếu là một trong những đối tượng nghiên cứu và xử lý rất phức tạp,
đòi hỏi công tác khảo sát, điều tra, nghiên cứu, phân tích và tính toán rất công
phu. Nói chung đất yếu là loại đất có khả năng chịu tải nhỏ (áp dụng cho đất có

31. 14
cường độ kháng nén quy ước dưới 50 kPa), hầu như bão hòa nước, khi xây
dựng công trình trên loại đất này dễ bị lún sụt, cần các biện pháp xử lý thích
đáng và hợp lý nếu không sẽ phát sinh biến dạng, thậm chí gây hư hỏng công
trình. Cách phân biệt nền đất yếu ở trong nước cũng như ở nước ngoài đều có
các tiêu chí cụ thể để phân loại nền đất yếu như sau:
* Theo nguyên nhân hình thành: loại đất yếu có nguồn gốc khoáng vật hoặc
nguồn gốc hữu cơ.
- Loại có nguồn gốc khoáng vật: thường là sét hoặc á sét trầm tích trong nước
ở ven biển, vũng vịnh, đầm hồ, thung lũng.
- Loại có nguồn gốc hữu cơ: hình thành từ đầm lầy, nơi nước tích đọng
thường xuyên, mực nước ngầm cao, tại đây các loại thực vật phát triển, thối
rữa phân huỷ tạo ra các vật lắng hữu cơ lẫn với trầm tích khoáng vật.
* Theo sức kháng cắt không thoát nước (su ), và trị số xuyên tiêu chuẩn (N)
tương ứng:
- Đất rất yếu: su ≤ 12,5 kPa hoặc N ≤ 2.
- Đất yếu: su ≤ 25 kPa hoặc N ≤ 4.
* Phân biệt theo chỉ tiêu cơ lý (trạng thái tự nhiên): Thông thường phân
biệt theo trạng thái tự nhiên và tính chất cơ lý như hàm lượng nước tự nhiên,
nếu ở trạng thái tự nhiên độ ẩm gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, độ lún
cao, có tính nén lún lớn, hệ số rỗng lớn (e >1), độ sệt lớn (B>1), có môđun biến
dạng thấp (Eo < 50.102
kPa), góc nội ma sát từ 00
đến 100
và có sức kháng cắt
nhỏ (<35kPa), dung trọng bé, hàm lượng nước trong đất cao và độ thoát nước
kém.
*Theocáctham sốđộnglựchọc:thườngđấtyếucótốcđộtruyềnsóngvs <180m/s.
Đất yếu được phân bố trải dài từ Bắc vào Nam, như khu vực Đồng bằng
sông Cửu Long và nam bộ thuộc vùng châu thổ của hệ thống sông Cửu Long
nên được bồi tích với nguồn gốc sông, đầm lầy, sông biển, vũng vịnh hổn hợp.

32. 15
Tầng trầm tích biến đổi khá lớn và phức tạp, chiều dày một vài mét đến trăm
mét tùy thuộc vào từng khu vực [12].
1.4. Công trình ngầm đô thị, hiện trạng và xu hướng phát triển tại Việt nam
Hiện nay ở Việt Nam có tới 747 đô thị với tỷ lệ đô thị hóa là 30,5% và dự
báo còn phát triển mạnh hơn rất nhiều trong thời gian tới. Ở các đô thị lớn như
Hà Nội và TP. HCM, do tốc độ phát triển nóng, quỹ đất bề mặt gần như đã ở tình
trạng cạn kiệt, các không gian xanh, công trình công cộng ngày càng bị thu hẹp.
Để phát triển công trình ngầm cũng đòi hỏi phải có những bước đột phá. Quy
hoạch dưới lòng đất rất phức tạp bởi ngoài chuyện phải sử dụng kỹ thuật hiện
đại của nhiều chuyên ngành như: địa chất, thủy văn, xây dựng, văn hóa, lịch sử…
còn phải có nguồn lực tài chính lớn và quan trọng nhất là tầm nhìn quy hoạch.
Ở tầm vĩ mô và xu hướng phát triển công trình ngầm như hiện nay, Nhà
nước và các bộ, ngành cần có chiến lược tổng thể, quy hoạch một cách bài bản
nhằm tạo điều kiện cho việc phát triển không gian ngầm trong tương lai, đặc
biệt tại các đô thị lớn có kế hoạch hợp lý trong đầu tư, khai thác không gian ngầm
phục vụ hài hòa cho các mục đích phát triển đô thị. Việc quy hoạch, thiết kế
công trình ngầm phải được tính toán hợp lý như khi đấu nối vào các đầu mối
giao thông, đồng thời tạo ra sự tiện dụng nhất trong việc kết nối các chức năng
khác, kết cấu công trình ngầm phù hợp với địa chất của từng vùng cũng như
các tải trọng tác động lên công trình ngầm ở những vùng có khả năng xảy ra
động đất, đặc biệt vùng đất yếu.
Trong các năm vừa qua, quá trình phát triển ở các đô thị lớn như Hà Nội
và TP. Hồ Chí Minh tạo ra một áp lực lớn đối với cơ sở hạ tầng giao thông đô
thị. Từ đây có nhiều giải pháp đã được nghiên cứu đưa vào áp dụng và thực
hiện. Điển hình là Hà Nội và TP. HCM đã quy hoạch xây dựng mạng lưới
đường sắt đô thị hiện đại kết hợp với nhiều giải pháp khác.

33. 16
Hệ thống metro Hà Nội được quy hoạch gồm 6 tuyến với lưu lượng vận
chuyển khoảng 10~15 vạn khách/ngày trong giai đoạn đầu và 40~45 vạn
khách/ngày trong giai đoạn sau [14]. Dự kiến xây dựng các tuyến vành đai và
hướng xuyên tâm với mục đích giải quyết giảm ùn tắc. Quy hoạch giao thông
Hà Nội với 8 tuyến đường sắt đô thị, 6 tuyến đường ô tô, 9 tuyến đường bộ trên
cao đã được phê duyệt.
Mặt bằng quy hoạch tổng thể hệ thống giao thông đô thị thành phố Hà
Nội thể hiện theo Hình 1 - 13 và chi tiết theo Bảng 1. 3.
Hình 1 - 13. Bản đồ quy hoạch các tuyến metro ở Hà Nội [14], [18].
Bảng 1. 3. Bảng thống kê các tuyến metro ngầm và nổi ở Hà Nội [16],[18]
TT Tên tuyến Tuyến Dài
1 Tuyến 1 Ngọc Hồi – Yên Viên 38,7 km
2 Tuyến 2 Nội Bài – Thượng Đình 35,2 km
3 Tuyến 2a Cát Linh – Hà Đông 14,0 km
4 Tuyến 3 Trôi - Nhổn – Yên Sở 21,0 km
5 Tuyến 4 Liên Hà – Bắc Thăng Long 53,1 km
6 Tuyến 5 Nam Hồ Tây – Hòa Lạc (Cổ Loa-An Khánh) 34,5 km

34. 17
TT Tên tuyến Tuyến Dài
7 Tuyến 6 Nội Bài – Ngọc Hồi 47,0 km
8 Tuyến 7 Mê Linh – Ngọc Hồi 35,0 km
9 Tuyến 8 Cổ Nhuế – Trâu Quỳ 28,0 km
Mạng lưới metro đô thị TP. HCM [17] theo quy hoạch có 6 tuyến với
tổng chiều dài 107 km, cùng với ba tuyến metro trên mặt đất và monorail có
tổng chiều dài 35km nhằm mục tiêu thay thế 25% lượng xe gắn máy lưu thông
trên đường vào giai đoạn cuối 2020 sẽ giảm một nửa lượng xe gắn máy lưu
thông trên đường. Năng lực chuyên chở ước tính trong điều kiện chạy 5
phút/chuyến tàu 5-6 toa là 1,644 triệu lượt hành khách/năm [17].
Hình 1 - 14. Bản đồ quy hoạch các tuyến metro ở TP. HCM [17]
Hiện tại tuyến số 1 có điểm đầu ga là khu vực vòng xoay Quách Thị
Trang và điểm cuối bến xe quận 9, tổng chiều dài 19,7 km, trong đó có 2,6 km
đi ngầm và 17,1 km đi trên cao đang được xây dựng. Các đoạn ngầm được xây
dựng trong phần đất yếu. TP. Hà nội và TP. Hồ Chí Minh là khu vực có nền đất

35. 18
yếu, tuy không nằm trong vùng có hoạt động động đất mạnh tuy nhiên nguy cơ
về động đất vẩn tồn tại, nếu xảy ra động đất thì thiệt hại sẽ lớn hơn rất nhiều
lần so với thiên tai như bão lũ. Chính vậy, việc nghiên cứu các công trình công
trình ngầm chịu tác động động đất trong nền đất yếu là cần thiết.
1.5. Tổng quan về các phương pháp tính toán công trình ngầm chịu tác
động động đất
Hiện nay, khi thiết kế xây dựng công trình ngầm trong các vùng có động
đất thường dựa trên ba phương pháp tính toán, mỗi phương pháp đều có ưu
khuyết điểm, cụ thể.
- Nhóm phương pháp giải tích;
- Nhóm phương pháp áp đặt biến dạng của nền đất bị tác động của động
đất vào biên (Imposed Seismic Ground Deformation - ISGD);
- Phương pháp dựa vào giản đồ gia tốc nền, nghĩa là tích phân trực tiếp
phương trình chuyển động hay còn gọi là phương pháp động lực học.
1.5.1. Nhóm phương pháp giải tích [40], [52]
Nhóm phương pháp này tính toán kết cấu tiếp xúc với môi trường nền
được tách ra tính toán độc lập, kết cấu trực tiếp chịu tải trọng, xem như đặt trên
các liên kết cứng. Sau đó tiến hành tính toán các trạng thái ứng suất, chuyển vị,
biến dạng của kết cấu và phản lực của các liên kết. Tiếp tục đặt các phản lực
lên nền xem như tải trọng tính toán cho nền. Nhóm phương pháp giải tích có 2
phương pháp:
1.5.1.1. Phương pháp tĩnh tải tương đương
Phương pháp này mô tả lực của động đất hoạt động dưới dạng tải trọng
tĩnh tương đương với giá trị trung bình đặt tương ứng với chiều sâu hầm và các
tải trọng động khác qui đổi dưới dạng tĩnh tương đương như mô tả Hình 1 - 15.
Phương pháp này chưa đánh giá sự làm việc thực tế của hệ kết cấu chịu tải
trọng động đất biến đổi theo thời gian.

36. 19
(a) áp lực tĩnh của đất, (b) áp lực động của nước, (c) áp lực tĩnh của nước, (d) ứng
suất của động đất, (e) tải trọng động của động đất, (f) tĩnh tải + tải trọng động.
Hình 1 - 15. Mô hình tính hầm chịu động đất theo tĩnh tải tương đương.
1.5.1.2. Phương pháp tương tác biến dạng kết cấu – nền [52]
Theo Wang (1993) và được Penzien (1998) phát triển cho thấy ưu điểm
của phương pháp này đơn giản xây dựng được công thức tính toán chuyển vị
tại bất kỳ điểm nào trong mô hình. Phương pháp đơn giản là xác định biến dạng
trượt của đất nền do lan truyền sóng khi động đất xảy ra thông qua các phương
pháp số đối với nền nhiều lớp hoặc quy đổi về một lớp tương đương khi phân
tích giải tích. Từ đấy xác định được biến dạng của kết cấu hầm thông qua các
tác động do biến dạng của nền. Tuy nhiên do không kể đến sự phản xạ và khúc
xạ của sóng tại biên các lớp đất vì quy đổi về một lớp đàn hồi, đồng nhất và
đẳng hướng nên phương pháp này chủ yếu sử dụng trong việc ước tính sơ bộ
với mức sai số chấp nhận được.
1.5.2. Phương pháp áp đặt biến dạng của đất nền chịu tác động của động đất vào
biên (Imposed Seismic Ground Deformation - ISGD) [32], [43]
1.5.2.1. Phương pháp dùng lò xo thay thế tương tác của kết cấu – môi trường
Năm 1984, Hamada [32] dùng lò xo thay thế tương tác của kết cấu – môi
trường. Ưu điểm của phương pháp này là mô phỏng dể dàng và tính toán đơn
giản (Hình 1 - 16).
T/lượng
kết cấu
+lực
quán tính
T/lượng kết cấu+lực quán tính

37. 20
Hình 1 - 16. Sơ đồ tính dùng các lò xo thay thế tương tác của kết cấu với
môi trường [32].
1.5.2.2. Phương pháp áp đặt biến dạng “trường tự do“ của nền vào biên
Phương pháp này đặt biến dạng cực đại “trường tự do“ (max) của nền đất
vào miền biên của miền khảo sát để xác định biến dạng trượt của kết cấu hầm
thông qua phương pháp phần tử hữu hạn nên không cần thiết xác định và thiết
lập các lo xo thay thế đất nền xung quanh.
Để xác định biến dạng trượt cực đại của trường tự do (max) có thể sử
dụng theo công thức đơn giản cho trường hợp nền đồng nhất và thông qua
phương pháp số cho trường hợp nền nhiều lớp phức tạp. Sau đó đặt chuyển vị
tương đối (diff ) thu được vào miền biên ngoài của mô hình FEM thể hiện đất
xung quanh hầm. Đất xung quanh được mô hình hóa bằng các phần tử hữu hạn
để nghiên cứu sự ổn định với tác động động đất của đất xung quanh cũng như
kết cấu hầm. Mô hình có thể mô tả như Hình 1 - 17.
ứng suất cắt của
địa chấn
ứng suất cắt của địa chấn
∆ 𝑑𝑖𝑓𝑓
𝑚𝑎𝑥
’x ’x
’x
Trường tự
do ux
ux (m)
t (giây)
Kx, Ky
x(t)= ux(t) mặt đất
– ux(t)đáy
Trường tự do
ux (m)
t (giây)

38. 21
Hình 1 - 17. Sơ đồ tính áp đặt biến dạng của nền vào biên.
1.5.3. Phương pháp động lực học
Bài toán động lực học tương tác kết cấu – môi trường nền phức tạp khó
giải quyết bằng phương pháp giải tích. Nhằm để giải bài toán một đầy đủ và
chi tiết có thể dùng phương pháp số, với công nghệ máy tính có thể giải quyết
những vấn đề phức tạp của tải trọng động đất theo điều kiện thực tế rất phù
hợp, chủ yếu phụ thuộc vào số lượng các tham số nghiên cứu và tính chính xác
của các lưới phân chia sử dụng trong các mô hình tính. Mô tả mô hình tính như
Hình 1 - 18.
Hình 1 - 18. Sơ đồ tính hầm chịu động đất theo giản đồ gia tốc nền.
Một số phương pháp được sử dụng phổ biến nhất khi nghiên cứu bài toán
truyền sóng như phương pháp sai phân hữu hạn (FDM), phương pháp phần tử
hữu hạn (FEM), phương pháp phần tử biên (BEM) và các biến thể khác nhau
của các phương pháp đó.
Biên dưới, đá gốc
đất nền
Đất mềm
Z
s

39. 22
Việc phân tích các tải trọng động phát sinh từ chấn tâm và việc truyền
dẫn các sóng này có thể được mô tả với mô hình bài toán 2D hay mô hình 3D.
Để diển tả trước đây đã có các phần mềm phân tích tải trọng động theo thời
gian như FLUSH (Lysmer 1975), SASSI (Lymer 1991) QUAD4 - (Hudson
1994); sau đó Wang và Makdisi (1999) đã viết chương trình FLAC có thể phân
tích phi tuyến giữa ứng xử của nền và kết cấu chịu tải trọng động theo thời gian
[47]. Từ các phân tích nêu trên cho thấy phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)
được áp dụng để giải bài toán và có thể chọn phần mềm thương mại Plaxis để
tính toán.
Ở Việt Nam, vấn đề nghiên cứu tương tác kết cấu với môi trường chịu
các tác động của tải trọng động đang rất được quan tâm, nhưng so với thế giới
còn nhiều hạn chế do nhu cầu và trình độ phát triển của đất nước. Trong đó,
vấn đề tương tác giữa công trình ngầm – môi trường nền đất dưới tác động của
các loại tải trọng động xuất phát từ bên ngoài hầm đang được nghiên cứu và
thực hiện một cách có hệ thống và đã đạt được nhiều kết quả như: nghiên cứu
tương tác giữa kết cấu hầm công sự và nền đất dưới tác dụng của tải trọng bom
đạn có xét đến tính phi tuyến của nền của Nguyễn Trí Tá [10], tác giả đã tính
toán sử dụng mô hình mũ cho nền và xây dựng thành công chương trình tính
toán nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số nền, tham số tải trọng nổ đến ứng
xử động của kết cấu hầm công sự. Nghiên cứu tương tác động lực học phi tuyến
của kết cấu và nền biến dạng của Nguyễn Tương Lai [5] đã nghiên cứu tính
toán tương tác của kết cấu công trình và nền biến dạng có xét tính phi tuyến
của môi trường dưới tác dụng của tải trọng điều hòa đơn giản. Ngoài ra còn có
Võ Thanh Lương nghiên cứu kết cấu thanh chịu tác dụng động đất có kể đến tính
dẻo của vật liệu..v.v. và một số nghiên cứu khác thuộc Học viện Kỹ thuật Quân
sự. Trong lĩnh vực tính toán công trình ngầm chịu động đất nhóm nghiên cứu
của GS.TS. Nguyễn Quang Phích đã công bố hiện trạng nghiên cứu thiết kế công

40. 23
trình ngầm có xét đến động đất [9]. Các nghiên cứu nêu trên đã đạt được những
kết quả mới, ứng dụng trong tính toán thiết kế, thi công các công trình ngầm và
từng bước hoàn thiện phương pháp tính toán với điều kiện thực tế của Việt Nam.
Nghiên cứu tương tác của công trình ngầm chịu tác động động đất trong nền đất
yếu ở Việt Nam còn rất mới do vậy tác giả tiếp tục nghiên cứu.
1.6. Các kết quả đạt được của các công trình nghiên cứu đã công bố.
Từ các kết quả nghiên cứu tổng quan về tính toán công trình ngầm chịu
động đất trong đất yếu và những kết quả nghiên cứu trước đây của các nhà khoa
học, có thể rút ra nhận xét như sau:
- Trên thế giới phương pháp tính toán công trình ngầm chịu động đất như
phương pháp giải tích, tựa tĩnh, phương pháp số đã được nghiên cứu và áp
dụng vào thực tiễn. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm và phạm vi ứng
dụng riêng.
- Nhiều nghiên cứu xem môi trường đất là một lớp với các tham số nền được
tính toán là trung bình của các lớp hoặc nhiều lớp đàn hồi tuyến tính. Điều
này chưa sát thực tế vì nền đất là môi trường rời rạc có nhiều lớp và mỗi lớp
có các thông số khác nhau. Chính vì vậy việc quy đổi về 1 lớp trung bình khi
đặc tính các lớp đất khác nhau nhiều sẽ dẫn đến kết quả chưa phù hợp.
- Tải trọng động của động đất biến thiên theo thời gian nên rất phức tạp và
bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố liên quan.
- Các nghiên cứu trước đây phần lớn tiến hành tính toán cho các dạng công
trình trong khu vực có môi trường nền đất khá tốt đến tốt như đất trung bình
và nền đất đá. Vì vậy việc áp dụng vào điều kiện đất yếu đô thị Việt Nam
sẽ không phù hợp, và đồng thời cũng chưa nghiên cứu sự ảnh hưởng của
các tham số của đất yếu đến kết cấu công trình chịu động đất.

41. 24
- Ở Việt Nam hiện tại chưa có TCVN về tính toán thiết kế công trình ngầm
chịu động đất. Các nghiên cứu về tác động của động đất đối với công trình
ngầm nói chung và công trình ngầm trong nền đất yếu nói riêng còn rất ít.
- Các dữ liệu tích lũy về các trận động đất xảy ra trên lãnh thổ Việt Nam còn
rất hạn chế để phục vụ cho tính toán thiết kế công trình ngầm.
1.7. Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu
Hiện tại có nhiều phương pháp nghiên cứu trước đây về tính toán công
trình ngầm chịu động đất và đã thu được những kết quả đáng kể. Đặc biệt là
phương pháp số, phương pháp áp dụng giản đồ gia tốc nền theo thời gian vào
tính toán với mức độ phức tạp ngày càng tăng. Các thông số đầu vào của dữ
liệu động đất được lấy từ các bảng ghi giản đồ gia tốc tham khảo ở các vùng
khác, chưa có được bảng ghi giản đồ gia tốc nền theo điều kiện địa hình, địa
chất tại Việt Nam.
Đối chiếu các kết quả đã đạt được của các công trình nghiên cứu đã công
bố và nhu cầu thực tế phát triển hạ tầng giao thông đô thị như hiện nay, ta có
thể rút ra những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu và tính toán của lĩnh vực này
như sau:
- Các thành phố lớn ở Việt Nam thường được xây dựng trên nền đất yếu.
Nghiên cứu phương pháp xác định các tham số động của nền đất yếu theo
điều kiện ở Việt Nam để sử dụng trong tính toán công trình ngầm đô thị chịu
tác động của động đất.
- Các quá trình lan truyền sóng chấn động do động đất gây ra từ tầng đá gốc
lên môi trường đất nhiều lớp là bài toán phức tạp cần nghiên cứu.
- Ứng xử công trình ngầm trong môi trường đất đá khác với công trình nổi.
Các phương pháp tính toán áp dụng cho công trình nổi không phù hợp với

42. 25
tính toán công trình ngầm. Tính toán công trình ngầm trong môi trường đất
yếu cho thấy vai trò của biến dạng nền lớn hơn vai trò lực quán tính.
- Việt Nam chưa ban hành tiêu chuẩn thiết kế công trình ngầm chịu động đất
nên việc lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp với từng giai đoạn thiết kế
công trình ngầm là cần thiết.
- Nghiên cứu xây dựng giản đồ giả gia tốc nền nhân tạo theo điều kiện địa lý,
địa hình và địa chất cho các vùng tính toán ở Việt Nam để áp dụng trong bài
toán tính toán công trình ngầm chịu động đất theo phương pháp số (Full
Dynamic Method).
1.8. Các kết luận rút ra từ tổng quan.
Trên cơ sở phân tích tổng quan, luận án “Nghiên cứu phương pháp tính
kết cấu công trình ngầm đô thị trong nền đất yếu chịu tác dụng của động
đất” tập trung giải quyết các vấn đề sau:
1. Nghiên cứu các tham số động của nền đất và phương pháp xác định phù
hợp với điều kiện thực tế hiện nay của Việt Nam.
2. Nghiên cứu và xây dựng chương trình xác định chuyển vị của các lớp đất
mềm trên nền đá cứng để tính toán nội lực của kết cấu công trình ngầm chịu
tác dụng tải trọng động đất trong điều kiện đất yếu ở Việt Nam phù hợp theo
TCVN 9386: 2012.
3. Nghiên cứu tạo giả băng gia tốc nền theo điều kiện địa lý, địa hình và địa
chất cho các vùng tính toán ở thành phố Hồ Chí Minh; tạo cơ sở dữ liệu đầu vào
áp dụng cho phần mềm địa kỹ thuật Plaxis để giải bài toán tương tác động lực
học kết cấu công trình ngầm - nền chịu tác động tải trọng của động đất.
4. Áp dụng phần mềm Plaxis 2D nghiên cứu tính kết cấu công trình ngầm
đô thị trong nền đất yếu chịu tác động động đất và phân tích ảnh hưởng của các
tham số hầm, nền khi động đất.

43. 26
CHƯƠNG 2. TÁC DỤNG CHẤN ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT VÀ DAO ĐỘNG
CỦA TẦNG ĐẤT NHIỀU LỚP TRÊN NỀN ĐÁ CỨNG
Tác dụng chấn động của động đất thể hiện qua việc hình thành lan truyền
các loại sóng trong môi trường. Công trình ngầm trong môi trường đất mềm
thường được xây dựng trong nền đất nhiều lớp. Khi động đất xảy ra từ trong
tầng đá gốc sẽ lan truyền các loại sóng trong môi trường đất ở phía trên. Khi
gặp công trình ngầm các loại sóng nêu trên tương tác với công trình ngầm và
gây biến dạng cho công trình ngầm. Trong phạm vi chương 2 tác giả trình bày
các nội dung:
- Các loại sóng chấn động trong môi trường.
- Dao động của tầng đất nhiều lớp trên nền đá gốc.
- Xây dựng phần mềm xác định dao động của các tầng đất mềm dưới tác
động của động đất.
2.1. Các loại sóng trong môi trường đất khi xảy ra động đất
Các dao động sinh ra bởi động đất lan truyền theo mọi hướng từ chấn
tâm ở dạng sóng ứng suất, chúng còn được gọi là sóng địa chấn. Động đất xảy
ra từ chấn tiêu được lan truyền dưới dạng sóng, có 3 dạng sóng đàn hồi cơ bản
gây nên hư hỏng công trình. Trong đó có 2 dạng sóng có thể truyền qua tầng
đá gốc lan truyền trong môi trường đất mềm là sóng khối (sóng nén, sóng cắt).
Một dạng sóng còn lại chỉ có thể lan truyền sóng trong vùng bề mặt là sóng mặt
(sóng Rayleigh, sóng Love) được phân loại theo Hình 2 - 1.
Hình 2 - 1. Sơ đồ phân loại sóng động đất.

44. 27
2.1.1. Sóng nén (Sóng ứng suất nén, sóng P)
Sóng nén truyền đi nhờ sự thay đổi thể tích vật chất gây ra biến dạng kéo
nén trong lòng đất. Các hạt môi trường sẽ chuyển dịch song song với hướng
truyền sóng. Sóng nén là loại sóng có tốc độ truyền đi cao nhất và là sóng đầu
tiên truyền đến nơi, có khả năng truyền qua môi trường rắn và môi trường lỏng.
Sóng nén cũng được gọi là sóng dọc hay sóng sơ cấp và viết tắt là sóng P.
Hình 2 - 2. Biến dạng nền đất do sóng nén gây ra.
Tốc độ lan truyền sóng nén được xác định:
p
E(1 )
v
(1 )(1 2 )


   
(2.1)
trong đó: E – mô đun đàn hồi, kPa;
 - mật độ khối lượng của nền đất, ( = /g, g= 9,80665 m/s2
);
 - hệ số Poisson của nền đất.
2.1.2. Sóng cắt (Sóng S)
Sóng cắt có hướng chuyển động của các phần tử vật chất vuông góc với
hướng di chuyển của sóng, đồng thời gây ra hiện tượng xoắn và cắt nhưng
không làm thay đổi thể tích của môi trường truyền sóng. Sóng cắt không có khả
năng truyền trong các môi trường không có khả năng chịu ứng suất cắt như chất
lỏng, chất khí; ở mặt đất, sóng cắt có thể gây ra các chuyển động theo phương
đứng lẫn phương ngang.
Hình 2 - 3. Biến dạng nền đất do sóng cắt gây ra
Tốc độ lan truyền sóng cắt được xác định:
Sóng nén
Sóng cắt

45. 28
S
E G
v
2 .(1 )
 
   
(2.2)
trong đó: G – mô đun trượt, kPa;
Sóng cắt truyền đến chậm hơn sóng nén, các hạt môi trường chuyển dịch
theo hướng vuông góc với phương truyền sóng. Chuyển dịch gây ra bởi sóng
cắt có thể theo hướng bất kỳ trong mặt phẳng truyền sóng, để đơn giản hoá Das
B. M. (1993) [27] chia ra 2 thành phần là sóng SH và sóng SV.
Hình 2 - 4. Sự phân chia sóng S, (a) (SH) và (b) (SV).
Các sóng vs và vP quan hệ với nhau theo công thức:
P
S
v 2(1 )
1,
v (1 2 )

  
 
(2.3)
Từ (2.3) cho thấy tốc độ truyền sóng nén nhanh hơn tốc độ truyền sóng
cắt trong môi trường nền đất.
2.1.3. Sóng mặt (Sóng Rayleigh)
Thực tế còn tồn tại một dạng sóng ứng suất gọi là sóng Rayleigh tại biên
của một bán không gian đàn hồi. Dạng sóng này được Lord Rayleigh nghiên
cứu vào năm 1885, hình ảnh của sóng Rayleigh minh họa như dưới đây:
Hình 2 - 5. Biến dạng nền do sóng Rayleigh gây ra.
Mặt đất
Phương truyền sóng

46. 29
Tốc độ lan truyền sóng Rayleigh được xác định theo hệ thức sau
(Achenbach 1973):
r s
0,862 1,14
v .v
1
  
    
(2.4)
2.1.4. Sóng Love (Sóng L)
Sóng Love xuất hiện trên bề mặt lớp mỏng bán không gian được phát
hiện bởi A. M. Love năm 1927, gọi tắt là Sóng L. Các hạt trong sóng L chuyển
động cũng vuông góc với phương truyền sóng (SH) tương tự như sóng S nhưng
không có thành phần thẳng đứng tức là hướng chuyển động trong mặt phẳng
song song với mặt tự do.
Hình 2 - 6. Biến dạng nền do sóng Love gây ra.
Vận tốc sóng L tăng khi tăng bước sóng. Sóng L là sự phân chia của sóng
S theo phương vuông góc với mặt phẳng truyền sóng ngang (sóng SH), Sóng L
phản xạ giữa biên trên và dưới của lớp mỏng trên mặt bán không gian mà không
truyền vào trong bán không gian.
Hình 2 - 7. Trình tự các sóng được truyền đến theo thời gian.
2.2. Dao động của tầng đất nhiều lớp trên nền đá cứng
2.2.1. Đặt bài toán và các giả thiết tính toán
Công trình ngầm chịu tác dụng động đất khác với công trình nổi trên mặt
đất. Tải trọng tác dụng vào công trình ngầm được truyền qua sự dịch chuyển
của nền trong khi tải trọng tác dụng lên công trình nổi là do lực quán tính. Xác
Mặt đất
Sóng mặt
Sóng nén
Sóng cắt
Thời gian

47. 30
định dịch chuyển của nền đất để tính toán nội lực công trình ngầm là cần nghiên
cứu. Trong các loại sóng nêu ở phần 2.1 chỉ xét tác dụng của sóng cắt lan truyền
trong môi trường nền có công trình ngầm.
Để phân tích dao động nền đất chịu tác dụng động đất, từ hệ bán không
gian ta tách ra một miền hữu hạn gọi là miền nghiên cứu chứa cột đất có chiều
dày H (Hình 2 - 8). Khi tính toán thừa nhận:
- Nền đất nhiều lớp, từng lớp là đồng nhất, đàn hồi nhớt;
- Tải trọng động đất tác động vào nền đá gốc làm dịch chuyển ngang dưới
dạng ug(t) theo hàm thời gian t.
Hình 2 - 8. Mặt cắt ngang và điều kiện cột đất chịu chuyển dịch ngang tại
nền đá gốc do động đất.
2.2.2. Cơ sở lý thuyết truyền sóng 1 chiều [26][27][39][51]
Quan hệ ứng suất – biến dạng được trình bày theo Kelvin – Voigt như
Hình 2 - 9 và xác định theo (2.5).
Hình 2 - 9. Mô tả phần tử theo mô hình Kelvin – Voigt [39]
G
t

   

(2.5)
trong đó:  - ứng suất trượt;  - biến dạng trượt và  - cản nhớt.
Mặt đất
Cột đất
Nền đá gốc
Lớp 1
Lớp 2
Lớp 3
Lớp N
H

48. 31
Dao động điều hòa, biến dạng cắt được viết dưới dạng:
0 sin t    (2.6)
Tỷ số cản  cho hệ theo Kelvin – Voigt quan hệ với cản nhớt như sau:
2G
  

(2.7)
Phương trình truyền sóng một chiều theo phương đứng được xác định:
2
2
u
.
t z
 
 
 
(2.8)
Thay (2.5) vào (2.8) với =cu/cz ta được phương trình xác định chuyển vị theo
mô hình tính như Hình 2 - 10:
2 2 3
2 2 2
u u u
G
t z z . t
  
  
   
(2.9)
Hình 2 - 10. Mô hình bài toán nhiều lớp chịu tác dụng sóng ngang.
2.2.3. Hệ phương trình chuyển động của môi trường nền đất nhiều lớp
Khi động đất xảy ra phát sinh sóng cắt lan truyền từ nền đá gốc tạo sự
dịch chuyển các lớp đất nền bên trên. Do cấu tạo nền đất gồm nhiều lớp nằm
ngang có tính chất khác nhau, mỗi lớp được đặc trưng bởi mô đun đàn hồi trượt
(Gi), khối lượng (mi) và chiều dày (hi). Đất nền được mô hình hóa rời rạc theo
phương pháp khối lượng tập trung. Mô hình truyền sóng một chiều có dạng như
Hình 2 - 11 [27].
Lớp 1

49. 32
Hình 2 - 11. Mô hình một chiều và sơ đồ tính [27].
Nền đất nhiều lớp đất được thay thế bằng các khối lượng tập trung như sau:
1 1
1
.h
m
g

 (2.10)
trong đó:
m1 – khối lượng tập trung của lớp trên, lớp thứ 1;
h1 – chiều dày lớp 1;
1 – trọng lượng của lớp 1.
Khối lượng tập trung đặt tại các điểm nút là mặt phân cách giữa hai lớp
đất được phân chia. Tại nút thứ i, giá trị của khối lượng được xác định:
i 1 i i 1 i 1 i i
i
m m .h .h
m ,i 1,2,3,...n
2 2g
     
   (2.11)
với: i 1m và im tương ứng là khối lượng của lớp đất i-1 và i.
Những khối lượng của các lớp đất được nối với nhau bởi các lò xo được
mô tả như Hình 2 - 11. Độ cứng của lò xo xác định theo mối liên hệ với mô đun
đàn hồi trượt như sau:
i
i
i
G
k ,i 1,2,3...,n
h
  (2.12)
trong đó: Gi – mô đun trượt của lớp đất thứ i.
Lớp 1
gu

50. 33
Theo phương pháp PTHH, chuyển vị theo phương trình (2.9) được xác định
xấp xỉ bởi u tại nút trong hệ thông qua hàm dáng sau:
1 1 2 2u N u N u  (2.13)
Được viết dưới dạng ma trận:
  1
1 2
2
u
u N N [N]{u}
u
 
  
 
(2.14)
và: 1 2
z z
N 1 ;N
h h
   (2.15)
Theo phương pháp Galerkin của Smith và Griffiths năm 1997, phương trình
(2.9) cân bằng PTHH của các phần tử được viết dưới dạng ma trận [39].
       g[m] u [c] u [k] u [m] u    (2.16)
với [m], [c] và [k] là ma trận của phần tử và được xác định như sau:
1 1
3 6[m] h
1 1
6 3
 
  
 
 
(2.17)
1 1
[c]
1 1h
 
   
(2.18)
1 1G
[k]
1 1h
 
   
(2.19)
Các lớp đất với các đặc trưng của từng đất nối với nhau được mô tả bởi
lò xo và cản nhớt như Hình 2 - 8. Phương trình dịch chuyển của hệ phân tích
có dạng:        g[M] u [C] u [K] u [M] u    (2.20)
trong đó: [M], [C], [K] là ma trận khối lượng, ma trận cản, ma trận độ
cứng của hệ và  gu gia tốc nền tại nền đá gốc.
Ma trận khối lượng [M] của hệ là:
1
2
3
n
m 0 0 . 0
0 m 0 . 0
M 0 0 m . 0
. . . . 0
0 0 0 0 m
 
 
 
 
 
 
  
(2.21)

51. 34
Ma trận độ cứng [K] của hệ là ma trận đường chéo và đối xứng:
1 1
1 1 2 2
2 2 3
n
n n
k k 0 . 0
k k k k . 0
K 0 k k k . 0
. . . . k
0 0 0 k k
 
    
   
 
 
  
(2.22)
Ma trận độ cản [C] được xác định thông qua các hằng số Rayleigh.
R R[C] .[M] [K]  (2.23)
trong đó: RR  , là các hằng số Rayleigh.
Hàm dáng và tần số dạng dao động riêng được giải theo phương trình sau:
2
[K]{ } [M]{ }   (2.24)
2.3. Thuật toán giải hệ phương trình tìm chuyển vị
Bước 1: Tìm số lớp đất phân tích (N) trong chiều dày miền nghiên cứu, ma trận
độ cứng [K], ma trận khối lượng [M].
1
1(i) S i i
2 4H 4H
T
V G .g /

  
 
(2.25)
Từ giá trị T1 và ERS tra biểu đồ Hình 2 - 12 xác định và lựa chọn số lớp
đất (N) sẽ liên quan đến mức độ chính xác của gộp khối lượng. Trong đó ERS
là giá trị sai số của việc thay thế hệ bằng các khối lượng tập trung.
Hình 2 - 12. Mối quan hệ giữa N và T1(s) với giá trị sai số ERS [27].
Chu kỳ T1 (s)
N
ERS=1%

52. 35
Bước 2: Xác định tần số dạng dao động riêng của nền [27], [39].
Phương trình cần giải tìm trị riêng hay tần số dao động của hệ từ phương
trình (2.24) có dạng như sau:
 2
K M 0   (2.26)
trong đó:
 là tần số dao động riêng;
2
 =  được gọi là trị riêng;
 được gọi là véc tơ riêng.
Đểphươngtrình (2.26) có nghiệm thì định thức của ma trận sau đâyphải bằng0:
2
K .M 0  
(2.27)
Giải phương trình (2.27) sẽ tìm được các giá trị của 2
, từ đó thay vào
phương trình (2.26) để tìm . Do việc giải phương trình (2.27) khi bậc của 2
lớn là khó khăn nên trong thực hành, các phương pháp giải lặp thường được áp
dụng để giải phương trình (2.26) để tìm được đồng thời các giá trị của 2
và .
Giá trị của  được trực giao với ma trận khối lượng theo biểu thức:
T
M 1   (2.28)
và do đó dẫn đến:
T 2
K    (2.29)
Các phương pháp thường được áp dụng là phương pháp lặp ngược véc
tơ, phương pháp lặp không gian con, và phương pháp Lanczos [25]. Phương
pháp lặp ngược véc tơ được trình bày dưới đây để xác định tần số dao động
riêng và biên độ dao động của hệ. Các phương pháp khác cần lập trình trên máy
tính do tính phức tạp và thường chỉ áp dụng cho những bài toán có số ẩn lớn.
* Phương pháp lặp ngược véc tơ [25] tìm trị riêng và véc tơ riêng:
Yêu cầu đối với ma trận độ cứng là phải xác định dương và ma trận khối
lượng là ma trận dạng băng hoặc ma trận chéo. Trong bài toán thực tế ở đây, ma

53. 36
trận độ cứng của hệ luôn xác định dương và ma trận khối lượng là ma trận chéo
như trong các biểu thức (2.21) và (2.22). Biểu thức (2.26) được viết lại như sau:
K M    (2.30)
Giả thiết véc tơ thay cho véc tơ riêng  là x1 và giả thiết  = 1. Do véc tơ
riêng chỉ xác định như một giá trị tỷ lệ nên lựa chọn giá trị của  không ảnh
hưởng đến kết quả tính toán. Vế phải của biểu thức (2.30) trở thành:
1 1R Mx (2.31)
Khi x1 được chọn bất kỳ thì thường xảy ra 1 1Kx R (nếu chọn x1 chính là
véc tơ riêng thì sẽ xảy ra trường hợp 1 1Kx R ). Do vậy cần giải phương trình
sau để xấp xỉ véc tơ riêng:
2 1Kx R (2.32)
trong đó x2 là véc tơ chuyển vị tương ứng với lực 1R và 2 1x x .
Khi giải lặp để tìm véc tơ riêng, bằng trực quan có thể thấy rằng x2 thu
được sau mỗi vòng lặp có giá trị xấp xỉ tốt hơn so với x1. Trị riêng được xác
định bằng cách sử dụng chỉ số Rayleigh và vòng lặp có thể dừng lại khi trị riêng
gần với giá trị chính xác. Sau nhiều vòng lặp, i 1x  sẽ gần tới 1 và trị riêng sẽ
gần tới giá trị 1 .
Quy trình sau đây được bắt đầu với giả thiết véc tơ lặp 1x và bao gồm
các bước lặp với j 1..n cho tới khi hội tụ:
- Xác định j 1x  bằng việc giải hệ phương trình:
j 1 jKx Mx  (2.33)
- Dự tính trị riêng theo chỉ số Rayleigh:
T T
j 1 j 1 j 1 jj 1
T T
j 1 j 1 j 1 j 1
x Kx x Mx
x Mx x Mx
  
   
   (2.34)
- Kiểm tra hội tụ bằng cách so sánh giá trị của  với bước lặp trước:

54. 37
j 1 j
j 1


 
 

(2.35)
- Nếu không thỏa mãn biểu thức trên hay quá trình lặp không hội tụ:
T
j 1
j 1 T
j 1 j 1
x
x
x Mx


 
 (2.36)
Quá trình lặp lại bước đầu tiên cho đến khi hội tụ.
- Nếu n là bước lặp cuối cùng thì:
l 1
1

   và
T
j 1
1 T
j 1 j 1
x
x Mx

 
 
Bước cơ bản trong việc giải lặp là việc giải phương trình để xấp xỉ véc
tơ riêng, sau đó trị riêng được xấp xỉ theo chỉ số Rayleigh. Xấp xỉ trị riêng đồng
thời được sử dụng để kiểm tra hội tụ của phép lặp. Véc tơ riêng được chuẩn hóa
với ma trận khối lượng để giảm sai số trong tính toán đồng thời có thể sử dụng
trực tiếp để tính toán chuyển vị của đất nền.
Bước 3: Phổ phản ứng.
Phổ phản ứng dựa trên gia tốc nền đã xác định tại bề mặt cho từng loại
nền. Bảng tra các loại nền để xây dựng phổ phản ứng cho trong TCVN
9386:2012 [15].
Hình 2 - 13. Dạng của phổ phản ứng đàn hồi.
Biểu thức của hàm phổ phản ứng có dạng như sau [15]:
Nếu 0 BT T  :  1 2,5 1
 
   
 
e g
B
T
S a S
T
 (2.37)
C
D

55. 38
Nếu B CT T T  : 2,5e gS a S (2.38)
Nếu TC  T<TD: 2,5 C
e g
T
S a S
T
 (2.39)
Nếu TDT4: 2
2,5 C D
e g
T T
S a S
T
 (2.40)
trong đó  là hệ số xác định theo biểu thức sau:
10
0,55
5
 



(2.41)
ξ là tỷ số cản nhớt của kết cấu, tính bằng phần trăm.
Bước 4: Xác định chuyển vị của nền tại biên.
Giá trị gia tốc đỉnh xác định từ hàm phổ phản ứng là Se, gia tốc cực đại
của nền theo dạng dao động thứ i được xác định như sau:
i e iu S  (2.42)
trong đó:
Se – hàm phổ phản ứng, được xác định dựa theo TCVN 9386:2012;
i – biên độ dao động của nền;
i – là hệ số tham gia dao động thứ i và được xác định theo biểu thức
sau:
 T
i i M. d  (2.43)
với {d} là véc tơ có giá trị bằng 1, véc tơ {d} dùng để chuyển ma trận M
từ ma trận chéo thành ma trận cột.
Do đó, chuyển vị tương đối của đất nền theo dạng dao động thứ i được
xác định theo biểu thức sau:
2
1
 i i e i
i
u S 

(2.44)
2.4. Chương trình Soil Column Vibration – SCV 2015
Hiện tại phần mềm Plaxis chưa xác định các chuyển vị, gia tốc và vận tốc
cho các lớp đất trong tầng đất nhiều lớp trên đá cứng từ hàm phổ phản ứng. Để
tính toán xác định các tham số chuyển vị, vận tốc, gia tốc đầu vào cho phần