Xem mẫu
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0
SỰ LAN TRUYỀN SÓNG ĐỘNG ĐẤT:
THÍ NGHIỆM MÁY LY TÂM VÀ MÔ PHỎNG TRONG FLAC
Ngô Văn Linh
Phân hiệu Trường Đại học Thủy lợi tại Bình Dương, email: ngovanlinh@tlu.edu.vn
1. TỔNG QUAN là modun cắt và vận tốc sóng cắt, các chỉ tiêu
động của lớp đất đó như độ giảm modun
Sự lan truyền sóng trong đất và sự gia tăng
cắt [2].
gia tốc động đất ở trong lớp đất yếu là một
Nghiên cứu này nghiên cứu sự lan truyền
yếu tố quan trọng trong phân tích động đất.
sóng trong đất và quy trình xác định các đặc
Nghiên cứu này đánh giá sự lan truyền sóng
trưng tính chất của đất để mô phỏng chính
trong đất sử dụng thí nghiệm mô hình ly tâm
xác được sự lan truyền sóng trong đất xét về
và mô hình trong FLAC3D. Kết quả nghiên
cả thời gian và tần số của một trận động đất.
cứu cho thấy đỉnh gia tốc tăng nhiều trong
Thí nghiệm ly tâm cho một tầng cát với điều
tầng đất, đặc biệt ở trên bề mặt nền trong các
kiện dao động ở đáy lớp đất tương ứng với
trường hợp cường độ động đất nghiên cứu.
trận động đất Hachinohe. Mô phỏng bằng
Các thông số thể hiện phi tuyến động của đất
FLAC3D với các tính chất đất được xác định
như độ giảm cường độ kháng cắt G/Gmax, hệ
từ thí nghiệm và kết quả gia tốc trong đất thu
số cản nhớt và biên vô hạn là hết sức quan
được tương đồng với thí nghiệm máy ly tâm.
trọng trong các mô hình phân tích động đất
theo thời gian. 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2. GIỚI THIỆU CHUNG 3.1. Thí nghiệm ly tâm
Sự lan truyền sóng động đất trong môi Thí nghiệm máy ly tâm cho mô hình đất
trường đất đá là một vấn đề hết sức quan được thực hiện tại trung tâm Centrifuge, Viện
trọng trong tính toán thiết kế cho công trình Khoa học công nghệ Hàn Quốc (KAIST). Máy
đặt trên nền khi có động đất xảy ra. Khi một ly tâm có bán kính 5 m và tải trọng đầy tải là
chấn động xảy ra ở nền đá, sóng động đất sẽ 2400 kg. Trên máy có gắn một máy tạo gia tốc
được lan truyền qua các lớp đất đá và gây ra động đất theo phương ngang với đỉnh gia tốc
sự dịch chuyển và dao động cho bề mặt đất 40 g ở tải gia tốc trọng trường do li tâm là 70 g.
cũng như những công trình đặt trên nền đất. Mẫu đất cát silica được tạo trong một hộp mẫu
Trong phân tích ảnh hưởng động đất đến tương đương (hộp được tạo từ những khung
công trình khi có xét đến tương tác công trình nhôm ngăn cách bởi những lớp cao su và viên
- móng - nền (phân tích phi tuyến theo thời bi sắt để có thể dịch chuyển cùng với đất). Do
gian), sự lan truyền sóng động đất trong đất vậy ảnh hưởng của biên hộp có thể được giảm
nền là hết sức quan trọng và ảnh hưởng trực bớt. Kích thước hộp (Dài-rộng-cao) là
tiếp đến dao động của mặt nền và của công (490-490-630) mm. Gia tốc trọng trường do
trình [1]. Sự lan truyền sóng trong đất và sự máy ly tâm tạo ra được chọn là 45 g.
gia tăng gia tốc nền khi sóng lan truyền từ đá Phương pháp rót cát được sử dụng để tạo
lên mặt đất cần được nghiên cứu do phụ mẫu đồng nhất với độ chặt khoảng 80 % thông
thuộc nhiều vào yếu tố như cấu tạo địa chất qua hiệu chỉnh. Tính chất của đất được xác
đất nền, chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất đặc biệt định thông qua các thí nghiệm trong phòng
145
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0
như thí nghiệm xác định khối lượng riêng, thí Drnevich không thể mô phỏng. Phần tử biên
nghiệm cắt ba trục trên mẫu đất cùng độ chặt vô hạn (Free-field) được sử dụng cho các
với các chỉ tiêu thu được trong Bảng 1. biên bên cạnh của mô hình để mô phỏng hộp
Tính chất động của đất được thực hiện từ thí tương đương trong thí nghiệm ly tâm cũng
nghiệm cột cộng hưởng (RCT) và kết quả thu như biên vô hạn trong phân tích động [2].
được như Hình 1. Trong thí nghiệm ly tâm, Giao động động đất được đưa vào đáy mô
một cột bender-element được gắn vào trong hình tương tự với thí nghiệm.
đất với 8 cặp bender được sử dụng để đo phân
bố vận tốc sóng theo chiều sâu trong quá trình
thí nghiệm (Hình 2) [3]. Dao động động đất
tương ứng với trận động đất Hachinohe (năm
1968 tại Tokachi Oki, Nhật Bản) được đưa vào
đáy mô hình. Gia tốc được chỉnh sao cho đỉnh
gia tốc đưa vào (PGABM) là khoảng 0,1g,
0,2g và 0,3g để xét ảnh hưởng của cường độ
động đất trong nghiên cứu.
Bảng 1. Tính chất của đất cát
Tính chất Giá trị
Tỷ trọng, Gs 2,65
Thành phần hạt sét (%) 0,9
Hệ số rỗng lớn nhất, emax 1,137 Hình 1. Kết quả đo sóng - thí nghiệm ly tâm
Hệ số rỗng nhỏ nhất, emin 0,616
Hệ số đồng đều, Cu 1,6
Độ chặt tương đối, Dr (%) 80
Khối lượng riêng khô, ρd (t/m3) 1,54
Góc ma sát trong, φ (độ) 36,6
3.2. Mô phỏng trong FLAC3D
Mô phỏng mô hình được thực hiện bằng
phần mềm FLAC3D, phần mềm sai phân hữu
Hình 2. Kết quả thí nghiệm RCT
hạn chuyên sử dụng cho phân tích địa kỹ và mô hình trong FLAC3D
thuật và tương tác công trình - nền. Mô hình
Mohr-Coulomb được sử dụng để mô phỏng 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
tính chất đất nền với các thông số lấy từ kết
quả thí nghiệm đã cho ở Bảng 1. Tính phi Hình 3 thể hiện kết quả hệ số gia tăng đỉnh
tuyến động của đất được mô phỏng sử dụng gia tốc theo chiều sâu nền (bằng tỷ số giữa
mô hình Hardin-Drnevich với giá trị biến đỉnh gia tốc tại vị trí đo và đỉnh gia tốc đầu
dạng tham khảo (γref = 0,16) được lấy từ kết vào) trong thí nghiệm ly tâm. Khi sóng động
quả thí nghiệm RCT. Hình 2 thể hiện sự đất lan truyền lên trên bề mặt, gia tốc sóng
tương đồng giữa đường G/Gmax và hệ số cản tăng lên đặc biệt ở bề mặt đất. Đồng thời khi
nhớt trong thí nghiệm và trong mô hình độ lớn trận động đất tăng lên (PGABM tăng từ
FLAC. Mô hình cản nhớt Rayleigh được sử 0,1g lên 0,2g và 0,3g) thì hệ số gia tăng đỉnh
dụng để bù cho hệ số cản nhớt ở biến dạng động đất giảm xuống. Điều này có thể giải
rất nhỏ (dưới 0,0001%) mà mô hình Hardin- thích do biến dạng cắt trong đất tăng lên và hệ
146
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0
số cản nhớt của đất tăng theo (Hình 2), làm đường chuẩn (γref = 0,16). Kết quả cho thấy
giảm sự khuếch đại sóng động đất trong nền. sự quan trọng của hệ số cản nhớt của đất và
phần tử biên trong mô phỏng bài toán động
khi có xét đến sự lan truyền sóng trong đất.
Khi hệ số cản nhớt giảm (γref tăng), dao động
mặt nền tăng cả về biên độ và tần số cộng
hưởng. Việc không sử dụng biên vô hạn hoặc
dùng hộp cứng trong mô hình vật lý làm giảm
gia tốc bề mặt lớp đất.
Hình 3. Hệ số gia tăng đỉnh gia tốc
Hình 5. Biểu đồ phổ phản ứng gia tốc
5. KẾT LUẬN
Kết quả nghiên cứu cho thấy tính phi tuyến
động của đất cần được xác định để thu được
kết quả mô phỏng một cách chính xác. Sự giảm
độ cản nhớt có thể làm tăng biên độ dao động
cũng như tần số cộng hưởng của mô hình và
Hình 4. Gia tốc bề mặt theo thời gian ngược lại. Không sử dụng phần tử biên vô hạn
có thể dẫn đến sai số lớn.
Hình 4 so sánh biểu đồ gia tốc theo thời
gian trong thí nghiệm ly tâm và trong mô 6. TÀI LIỆU THAM KHẢO
phỏng FLAC3D thu được trên bề mặt lớp đất [1] Ha, J.G., và cộng sự, Simulation of soil-
với cường độ các trận động đất khác nhau. Sự foundation–structure interaction of Hualien
tương đồng giữa kết quả thí nghiệm mô hình large-scale seismic test using dynamic
và mô hình cho thấy khả năng mô phỏng của centrifuge test. Soil Dyn. & Ear. Eng.,
phần mềm trong bài toán lan truyền sóng khi 2014. 61(C): p. 176-187.
các thông số phi tuyến của đất xác định. Kết [2] Rayhani, M.T. và M.H. El Naggar, Physical
quả tương tự cũng thu được với các đầu đo and Numerical Modeling of Seismic Soil-
gia tốc A3, A4, và A5 ở trong đất. Structure Interaction in Layered Soils. Geot.
Hình 5 so sánh phổ phản ứng gia tốc của & Geo. Eng., 2012. 30(2): p. 331.
của chuyển động mặt trong mô phỏng với gia [3] Lee, S.-H., Y.-W. Choo, và D.-S. Kim,
tốc đưa vào 0,1g ở các điều kiện khác nhau Performance of an equivalent shear beam
như tăng độ cản nhớt (γref = 0,06), giảm độ (ESB) model container for dynamic
cản nhớt (γref = 0,26), không dùng mô hình geotechnical centrifuge tests. Soil Dyn. &
cản nhớt, và không dùng biên vô hạn so với Ear. Eng., 2013. 44(C): p. 102-114.
147
nguon tai.lieu . vn
