Chương 13 – CÁC VẤN ĐỀ VỀ ĐỘNG ĐẤT

13.1 GIỚI THIỆU

Nhìn chung, hầm có biểu hiện tốt hơn trong động đất so với các kết cấu trên mặt đất như cầu và nhà. Kết cấu hầm bị khống chế bởi nền đất xung quanh và nói chung không thể dao động độc lập với nền đất hoặc bị khuếch đại rung động mạnh như phản ứng quán tính của kết cấu cầu trong động đất.

Một yếu tố khác góp phần làm giảm hư hại hầm là biên độ chuyển động nền do động đất có xu hướng giảm theo chiều sâu bên dưới mặt đất. Tuy nhiên, việc thiết kế và thi công đầy đủ các kết cấu hầm kháng chấn vẫn không được xem nhẹ, vì nhiều hầm đã từng chịu hư hại từ mức trung bình đến nghiêm trọng trong các trận động đất, như được tổng hợp bởi Dowding và Rozen (1978), Owen và Scholl (1981), Sharma và Judd (1991), và Power và cộng sự (1998), cùng nhiều tác giả khác.

Tần suất hư hại nghiêm trọng lớn nhất thường liên quan đến chuyển vị lớn của đất do phá hoại nền, tức là đứt gãy xuyên qua hầm, trượt đất, đặc biệt tại cửa hầm, và hóa lỏng đất. Rung lắc nền khi không có phá hoại nền thường gây tần suất và mức độ hư hại thấp hơn, nhưng vẫn đã gây hư hại từ trung bình đến nghiêm trọng cho một số hầm trong các trận động đất gần đây. Nhắc nhở gần đây nhất về rủi ro động đất đối với kết cấu ngầm dưới tác động rung lắc nền là hư hại và gần sập tại các ga tàu điện ngầm Daikai và Nagata thuộc tuyến Kobe Rapid Transit Railway trong trận động đất Kobe năm 1995 tại Nhật Bản.

Các hầm cut-and-cover hình chữ nhật gần mặt đất và các hầm dìm trong đất mềm cũng dễ bị tổn thương trước các chuyển vị ngang tạm thời của nền do động đất, vì các chuyển vị này có xu hướng gây biến dạng nghiêng theo chiều cao hầm và làm tăng áp lực ngang lên tường hầm. Khả năng làm việc kháng chấn của chúng có thể rất quan trọng, đặc biệt khi chúng là các bộ phận quan trọng của một hệ thống giao thông trọng yếu, chẳng hạn hệ thống metro, vốn có ít khả năng dự phòng.

Quy trình chung để thiết kế và phân tích kháng chấn kết cấu hầm nên chủ yếu dựa trên phương pháp biến dạng nền, trái với phương pháp lực quán tính; tức là kết cấu cần được thiết kế để thích ứng với các biến dạng do nền đất áp đặt. Trước hết, có thể phân tích phản ứng kết cấu bằng cách bỏ qua độ cứng của kết cấu, từ đó thu được ước tính thiên về an toàn của biến dạng nền. Quy trình đơn giản hóa này nhìn chung áp dụng cho các kết cấu chôn trong đá hoặc đất rất cứng/chặt.

Trong các trường hợp kết cấu có độ cứng lớn so với đất xung quanh, phải xét đến ảnh hưởng của tương tác đất-kết cấu. Các điều kiện quan trọng khác cần xem xét kháng chấn đặc biệt gồm các trường hợp hầm giao cắt hoặc tiếp giáp với một hầm khác, ví dụ nút giao hầm hoặc giao diện giữa hầm và lối thông ngang, hoặc với một kết cấu khác, chẳng hạn nhà thông gió. Trong các điều kiện đặc biệt này, kết cấu hầm có thể bị cản trở chuyển vị tại điểm nối do độ cứng của kết cấu liền kề, từ đó gây tập trung ứng suất tại tiết diện tới hạn. Đối với các trường hợp như vậy, thường cần các phương pháp số phức tạp hơn do bản chất phức tạp của hệ tương tác đất-kết cấu dưới tác động động đất.

13.2 XÁC ĐỊNH MÔI TRƯỜNG ĐỘNG ĐẤT

13.2.1 Cơ bản về động đất

Khái quát:

Động đất được tạo ra bởi các chuyển động tương đối đột ngột trên các đứt gãy hoặc đới đứt gãy trong vỏ Trái Đất. Các đứt gãy hoặc đới đứt gãy này được gọi là đứt gãy động đất (earthquake faults). Cơ chế chuyển động đứt gãy là sự bật hồi đàn hồi (elastic rebound) do sự giải phóng đột ngột năng lượng biến dạng tích lũy trong vỏ Trái Đất. Năng lượng biến dạng tích lũy này hình thành trong vỏ Trái Đất thông qua chuyển động tương đối của các khối lớn, về cơ bản còn nguyên vẹn, của vỏ Trái Đất gọi là các mảng kiến tạo (tectonic plates).

Sự giải phóng năng lượng biến dạng này, thường được gọi là phá vỡ đứt gãy (fault rupture), diễn ra dọc theo vùng phá vỡ (rupture zone). Khi phá vỡ đứt gãy xảy ra, đá đã bị biến dạng sẽ bật hồi đàn hồi. Sự bật hồi này tạo ra các dao động truyền qua vỏ Trái Đất và dọc theo bề mặt Trái Đất, tạo ra các chuyển động nền là nguồn gây ra phần lớn thiệt hại do động đất. Nếu đứt gãy mà sự phá vỡ xảy ra dọc theo đó lan truyền lên tới bề mặt đất và bề mặt không bị phủ bởi trầm tích, chuyển động tương đối có thể biểu hiện thành phá vỡ bề mặt (surface rupture). Phá vỡ bề mặt cũng là một nguồn gây thiệt hại do động đất đối với các công trình xây dựng, bao gồm cả hầm.

Các mảng kiến tạo chính của vỏ Trái Đất được thể hiện trong Hình 13-1, có chỉnh sửa từ Park, 1983. Ngoài ra còn có nhiều mảng nhỏ hơn không được thể hiện trong hình này. Động đất cũng xảy ra bên trong các mảng, mặc dù với tần suất thấp hơn nhiều so với tại ranh giới mảng.

(elastic rebound là gì?)

Elastic rebound là hiện tượng “bật hồi đàn hồi” của đất đá sau khi ứng suất tích lũy trong vỏ Trái Đất được giải phóng đột ngột do đứt gãy trượt.

Có thể hình dung như sau:

• Hai khối đá ở hai bên mặt đứt gãy bị các lực kiến tạo kéo hoặc ép trong thời gian rất dài.
• Do ma sát, chúng chưa trượt ngay mà bị biến dạng đàn hồi, giống như một cây thước bị uốn cong.
• Năng lượng biến dạng dần tích lũy.
• Khi ứng suất vượt quá sức kháng ma sát của đứt gãy, hai khối đá trượt đột ngột.
• Phần đá bị biến dạng sẽ “bật” trở lại trạng thái cân bằng hơn → đó là elastic rebound.

Chính quá trình bật hồi này tạo ra sóng địa chấn lan truyền trong đất đá và gây ra rung động động đất.

Nói ngắn gọn:

Elastic rebound = sự phục hồi đàn hồi của đất đá sau khi năng lượng biến dạng tích lũy được giải phóng đột ngột tại đứt gãy.

(tectonic plates là gì?)

Mảng kiến tạo (tectonic plates) là các khối lớn của thạch quyển Trái Đất gồm vỏ Trái Đất và phần trên cứng của lớp phủ, chuyển động tương đối với nhau trên lớp vật chất mềm hơn phía dưới. Có thể hình dung Trái Đất giống như một quả trứng có lớp vỏ bị nứt thành nhiều mảnh lớn:

• mỗi “mảnh” đó là một tectonic plate,
• các mảng này không đứng yên mà di chuyển rất chậm, thường chỉ vài cm/năm.

Ví dụ các mảng lớn:

• Mảng Thái Bình Dương (Pacific Plate)
• Mảng Á-Âu (Eurasian Plate)
• Mảng Bắc Mỹ (North American Plate)
• Mảng Ấn-Úc (Indo-Australian Plate)

Tại ranh giới giữa các mảng thường xảy ra:

• động đất,
• núi lửa,
• tạo núi,
• đứt gãy kiến tạo.

Nguyên nhân là do các mảng:

• va vào nhau (convergent boundary),
• tách xa nhau (divergent boundary),
• hoặc trượt ngang nhau (transform boundary).

Năng lượng biến dạng trong vỏ Trái Đất được tích lũy do các mảng kiến tạo chuyển động tương đối với nhau. Khi năng lượng này giải phóng đột ngột dọc đứt gãy sẽ gây ra động đất.

Đối với phần lục địa Hoa Kỳ, ranh giới mảng kiến tạo chính nằm dọc theo bờ biển phía tây của lục địa, nơi Mảng Bắc Mỹ (North American Plate) và Mảng Thái Bình Dương (Pacific Plate) tiếp xúc với nhau. Tại California, ranh giới giữa các mảng này là một đứt gãy chuyển dạng (transform fault), trong đó chuyển động tương đối nói chung là sự trượt ngang (lateral slippage) của một mảng so với mảng kia. Ở những nơi khác dọc theo bờ biển phía tây, ví dụ ngoài khơi Oregon, Washington và Alaska, ranh giới mảng là một đới hút chìm (subduction zone), nơi một mảng lặn xuống dưới mảng kia.

Ở phần nội địa phía tây Hoa Kỳ, kề với rìa phía tây của Mảng Bắc Mỹ, có thể có các mảng phụ (subplates) đã hình thành do dòng chảy dưới vỏ (subcrustal flow). Các nguồn động đất ở Utah và Montana có thể được quy cho các nguồn thuộc mảng phụ như vậy. Các vùng nguồn động đất ở miền trung và miền đông Hoa Kỳ, cũng như dọc theo Thung lũng Sacramento, nằm bên trong Mảng Bắc Mỹ và được xem là các vùng nguồn nội mảng (intraplate source zones).

Các cơ chế tạo ra động đất trong các vùng nội mảng này vẫn chưa được hiểu rõ, nhưng có thể liên quan đến sự giải phóng các ứng suất bị khóa lại (locked-in stresses) từ các chuyển động kiến tạo cổ, sự bật hồi của vỏ Trái Đất (crustal rebound) từ các thời kỳ băng hà, sự tái điều chỉnh ứng suất bên trong mảng do tải trọng biên, tải trọng trầm tích như ở lưu vực sông Mississippi, hoặc các cơ chế khác chưa được nhận biết. Động đất ở Hawaii được cho là có liên quan đến một chùm đá nóng chảy cô lập từ lớp phủ, được gọi là điểm nóng (hot spot).

Cường độ và tác động của động đất bên trong mảng có thể lớn bằng hoặc lớn hơn so với tại các ranh giới mảng đang hoạt động. Sự khác biệt giữa động đất ở ranh giới mảng và động đất nội mảng nằm ở phạm vi phân bố địa lý và tần suất xảy ra. Hoạt động động đất lớn hơn nhiều dọc theo các ranh giới mảng so với bên trong mảng. Tuy nhiên, chuyển động nền do động đất nội mảng có xu hướng suy giảm, hoặc tiêu tán, chậm hơn nhiều so với chuyển động nền do các sự kiện tại ranh giới mảng.

Các đứt gãy ranh giới mảng tương đối dài hơn so với các đứt gãy bên trong mảng và thường gắn với độ sụt ứng suất (stress drop) nhỏ hơn — độ sụt ứng suất (stress drop) là sự giảm ứng suất đột ngột qua mặt phẳng đứt gãy trong quá trình phá vỡ — thời gian rung lắc dài hơn, và tần suất xảy ra động đất cao hơn.

(Đứt gãy chuyển dạng – transform fault là gì?)

Đứt gãy chuyển dạng (transform fault) là loại đứt gãy mà hai mảng kiến tạo trượt ngang qua nhau theo phương gần như song song với ranh giới mảng.

Đặc điểm chính:

• chuyển động chủ yếu là ngang,
• không tạo ra hay phá hủy vỏ Trái Đất,
• ứng suất tích lũy do ma sát giữa hai mảng,
• khi trượt đột ngột sẽ gây động đất mạnh.

Có thể hình dung:

• đặt hai quyển sách sát nhau trên bàn,
• rồi đẩy một quyển tiến lên và kéo quyển kia lùi xuống,
• mép tiếp xúc giữa chúng giống một transform fault.

Ví dụ nổi tiếng nhất là:

• Đứt gãy San Andreas ở California,
  nơi Mảng Thái Bình Dương (Pacific Plate) trượt ngang so với Mảng Bắc Mỹ (North American Plate).

Ba kiểu ranh giới mảng chính:

1. Hội tụ (convergent boundary)
   • hai mảng lao vào nhau,
   • thường tạo hút chìm hoặc tạo núi.
2. Phân kỳ (divergent boundary)
   • hai mảng tách xa nhau,
   • tạo vỏ mới.
3. Chuyển dạng (transform boundary)
   • hai mảng trượt ngang nhau,
   • chủ yếu gây động đất.

(Đới hút chìm – subduction zone là gì?)

Đới hút chìm (subduction zone) là vùng mà một mảng kiến tạo bị ép lặn xuống dưới một mảng khác và đi vào sâu trong lớp phủ Trái Đất.

Đây là một dạng ranh giới hội tụ (convergent boundary).

Cơ chế cơ bản:

• Hai mảng chuyển động tiến lại gần nhau.
• Mảng nặng hơn (thường là mảng đại dương) sẽ chui xuống dưới.
• Mảng còn lại nằm phía trên.

Quá trình này gọi là subduction (hút chìm).

Có thể hình dung như:

• một tấm bìa bị đẩy chui xuống dưới tấm khác.

Các đặc trưng thường gặp tại subduction zone:

• động đất rất mạnh,
• núi lửa,
• rãnh đại dương sâu,
• sóng thần.

Ví dụ nổi tiếng:

• Nhật Bản,
• Indonesia,
• Chile,
• Alaska.

Những nơi này đều nằm gần các đới hút chìm nên có động đất và núi lửa hoạt động mạnh.

Chuyển động đứt gãy:

Đứt gãy được tạo ra khi ứng suất trong các vật liệu địa chất vượt quá khả năng chịu ứng suất của các vật liệu đó. Phần lớn các đứt gãy tồn tại ngày nay là kết quả của hoạt động kiến tạo xảy ra trong các thời kỳ địa chất trước đây. Các đứt gãy này thường không sinh chấn, tức là không có khả năng tạo ra động đất, hoặc không hoạt động. Tuy nhiên, các đứt gãy liên quan đến hoạt động kiến tạo trong quá khứ có thể được tái hoạt hóa bởi hoạt động kiến tạo hiện nay trong các khu vực đang hoạt động địa chấn, và cũng có thể được kích hoạt bởi các hoạt động nhân sinh như tích nước hồ chứa bằng đập hoặc bơm chất lỏng, ví dụ chất thải lỏng, xuống sâu dưới mặt đất. Quy mô lớn nhất của động đất trên một đứt gãy được tái hoạt hóa do con người vẫn còn là vấn đề gây tranh luận, nhưng các trận động đất có độ lớn mô men tới 6.5 đã được cho là có liên quan đến việc tích nước hồ chứa.

Không phải tất cả các đứt gãy đang có chuyển động tương đối đều là nguồn gây động đất. Một số đứt gãy có thể là các mặt mà dọc theo đó chuyển động tương đối xảy ra với tốc độ chậm, tương đối liên tục, với độ sụt ứng suất không đủ để gây ra động đất. Chuyển động như vậy được gọi là trượt rão đứt gãy (fault creep). Trượt rão đứt gãy có thể xảy ra dọc theo một đứt gãy nông, nơi ứng suất phủ thấp trên mặt đứt gãy tạo ra ngưỡng ứng suất tương đối thấp để khởi phát chuyển vị dọc theo đứt gãy. Ngoài ra, một đứt gãy đang trượt rão có thể nằm ở độ sâu trong các vật liệu mềm và/hoặc dẻo có biến dạng dẻo. Cũng có thể thiếu sức kháng ma sát hoặc các chỗ gồ ghề nhấp nhô, tức là các phần không đều dọc theo mặt phẳng đứt gãy, khiến xảy ra trượt rão ổn định và giải phóng năng lượng biến dạng dọc theo đứt gãy.

Trượt rão đứt gãy cũng có thể chiếm ưu thế khi các hiện tượng như magma xâm nhập hoặc các vòm muối đang phát triển kích hoạt các đứt gãy nông nhỏ trong trầm tích mềm. Các đứt gãy phát sinh do khai thác chất lỏng, ví dụ dầu hoặc nước ở miền nam California, gây lún mặt đất và do đó kích hoạt các đứt gãy gần bề mặt, cũng có thể dẫn đến trượt rão đứt gãy. Các đứt gãy được kích hoạt bởi các cơ chế phi kiến tạo khác, ví dụ các đứt gãy phát sinh do trượt trọng lực trong các lớp trầm tích dày, chưa cố kết, cũng có thể tạo ra trượt rão đứt gãy.

Các đứt gãy hoạt động kéo dài vào trong đá gốc kết tinh nhìn chung có khả năng tích lũy năng lượng biến dạng cần thiết để khi phá vỡ sẽ tạo ra động đất đủ mạnh để ảnh hưởng đến công trình giao thông. Phá vỡ đứt gãy có thể lan truyền từ đá gốc kết tinh lên bề mặt đất và tạo ra phá vỡ nền đất. Các phá vỡ đứt gãy lan truyền lên bề mặt trong một đới biến dạng tương đối hẹp, có thể truy ngược về đứt gãy gây ra nó trong đá kết tinh, đôi khi được gọi là phá vỡ đứt gãy sơ cấp (primary fault rupture). Phá vỡ đứt gãy cũng có thể lan truyền lên bề mặt trong các đới biến dạng khuếch tán, phân bố rộng, không thể truy ngược trực tiếp về đá móng. Trong trường hợp này, biến dạng bề mặt có thể được gọi là phá vỡ đứt gãy thứ cấp (secondary fault rupture).

Việc một đứt gãy có hay không có tiềm năng tạo ra động đất thường được đánh giá dựa trên mức độ gần đây của các chuyển động đứt gãy trước đó. Nếu một đứt gãy đã lan truyền tới bề mặt đất, bằng chứng về đứt gãy thường được tìm thấy trong các đặc điểm địa mạo liên quan đến phá vỡ đứt gãy, ví dụ chuyển vị tương đối của các trầm tích trẻ về mặt địa chất. Đối với các đứt gãy không lan truyền tới bề mặt đất, bằng chứng địa mạo về các trận động đất trước đó có thể kín đáo hơn và khó đánh giá hơn, ví dụ nếp uốn gần bề mặt trong trầm tích hoặc bằng chứng về hóa lỏng hay trượt lở do động đất gây ra.

Nếu một đứt gãy đã trải qua chuyển vị tương đối trong thời gian địa chất tương đối gần đây, tức là trong khung thời gian của bối cảnh kiến tạo hiện tại, thì có cơ sở hợp lý để giả định rằng đứt gãy này có tiềm năng chuyển động trở lại. Nếu đứt gãy đã chuyển động trong quá khứ địa chất xa, trong thời kỳ của một chế độ ứng suất kiến tạo khác, và nếu đứt gãy chưa chuyển động trong thời gian gần đây, tức là trong Holocene, thường là 11,000 năm qua, thì có thể được xem là không hoạt động.

Đối với các công trình rất quan trọng và trọng yếu, chẳng hạn những công trình mà thiết kế chịu sự chi phối của Ủy ban Điều tiết Hạt nhân Hoa Kỳ, gọi tắt là NRC, đã sử dụng một khung thời gian dài hơn nhiều so với tiêu chí 11,000 năm. Theo các quy định của NRC Hoa Kỳ, một đứt gãy được định nghĩa là “có khả năng hoạt động” (capable) — trái với “hoạt động” (active) — nếu nó đã cho thấy hoạt động trong vòng 35,000 năm qua hoặc lâu hơn.

Bằng chứng địa mạo về chuyển động đứt gãy không phải lúc nào cũng có thể xác định niên đại. Trong thực tế, nếu một đứt gãy làm chuyển vị đáy của phù sa chưa cố kết, trầm tích băng hà, hoặc đất bề mặt, thì đứt gãy đó có khả năng là đứt gãy hoạt động. Ngoài ra, nếu có hoạt động vi địa chấn liên quan đến đứt gãy, đứt gãy đó có thể được đánh giá là đang hoạt động và có khả năng tạo ra động đất.

Các vi động đất xảy ra trong đá móng ở độ sâu từ 7 đến 20 km có thể là chỉ báo về tiềm năng xảy ra động đất lớn hơn so với các vi động đất xảy ra ở độ sâu 1 đến 3 km. Tuy nhiên, chúng không nhất thiết là chỉ báo về tiềm năng xảy ra các trận động đất lớn, gây thiệt hại. Khi không có bằng chứng địa mạo, kiến tạo hoặc lịch sử về các trận động đất lớn gây thiệt hại, các vi chấn nông có thể chỉ đơn giản cho thấy tiềm năng xảy ra các sự kiện địa chấn nhỏ hoặc vừa. Các vi động đất nông có độ lớn từ 3 trở xuống đôi khi cũng có thể liên quan đến khai thác mỏ hoặc các cơ chế không sinh chấn khác. Nếu không có bằng chứng địa mạo về hoạt động địa chấn gần đây và không có hoạt động vi địa chấn trong khu vực, thì đứt gãy có thể không hoạt động và không có khả năng tạo ra động đất.

Trong một số trường hợp, phá vỡ đứt gãy có thể bị giới hạn dưới mặt đất, không có chuyển vị tương đối tại bề mặt đất do chuyển động đứt gãy. Đứt gãy dưới mặt đất mà không có phá vỡ đứt gãy sơ cấp tại bề mặt đất là đặc trưng của hầu hết các trận động đất, ngoại trừ các trận có độ lớn lớn nhất, ở miền trung và miền đông Hoa Kỳ. Do các sự kiện nội mảng có độ lớn lớn hiếm khi xảy ra, các quá trình địa chất có thể xóa mờ các biểu hiện bề mặt của các trận động đất lớn trong những khu vực này. Do đó, các vùng nguồn địa chấn nội mảng thường phải được đánh giá bằng các nghiên cứu địa chấn thiết bị và cổ địa chấn. Điều này đặc biệt đúng nếu các nguồn nội mảng bị phủ bởi một lớp trầm tích dày, như trong các đới địa chấn nội mảng New Madrid, Tennessee và Charleston, South Carolina. Việc ghi nhận bằng thiết bị các sự kiện có độ lớn nhỏ có thể đặc biệt hiệu quả trong việc xác định các vùng nguồn địa chấn.

Về cơ bản, tất cả các đứt gãy hoạt động có dấu vết đứt gãy bề mặt ở Hoa Kỳ đều là các đứt gãy vỏ nông nằm phía tây dãy Rocky Mountains. Tuy nhiên, không phải tất cả các đứt gãy vỏ nông phía tây dãy Rocky Mountains đều có dấu vết đứt gãy bề mặt. Một số trận động đất lớn gần đây dọc theo ranh giới mảng bờ Thái Bình Dương, ví dụ trận Whittier Narrows năm 1987 và trận Northridge năm 1994, là do phá vỡ các đứt gãy nghịch chờm, nén ép, không phá vỡ tới bề mặt đất, được gọi là đứt gãy nghịch chờm ẩn (blind thrust faults).

(Đứt gãy nghịch chờm ẩn – blind thrust faults là gì?)

Đứt gãy nghịch chờm ẩn (blind thrust faults) là các đứt gãy nghịch (thrust faults) nằm dưới mặt đất và không cắt lên tới bề mặt địa hình.

Tách nghĩa:

• thrust fault = đứt gãy nghịch chờm
  → do nén ép (compressional stress), một khối đá bị đẩy chờm lên trên khối kia.
• blind = “ẩn”
  → nghĩa là mặt đứt gãy không lộ ra tới bề mặt đất.

Vì vậy: blind thrust fault = đứt gãy nghịch chờm không biểu hiện rõ trên bề mặt địa hình.

Đặc điểm quan trọng:

• vẫn có thể gây động đất rất mạnh,
• nhưng khó nhận biết hơn vì không có dấu vết bề mặt,
• đôi khi chỉ phát hiện qua:
  • địa chấn,
  • khoan khảo sát,
  • hoặc sau khi động đất xảy ra.

Khác với đứt gãy lộ bề mặt:

• đứt gãy thường:
  • có thể tạo vết nứt, bậc địa hình trên mặt đất.
• blind thrust fault:
  • phá vỡ dừng lại dưới mặt đất,
  • bề mặt chỉ biến dạng nhẹ hoặc gần như không thấy gì.

Ví dụ nổi tiếng:

• động đất Northridge 1994 ở California,
• do một blind thrust fault gây ra.

Trong kỹ thuật công trình và hầm, loại đứt gãy này nguy hiểm vì:
* nhưng vẫn có thể tạo gia tốc nền rất lớn.
* khó lập bản đồ,
* khó dự đoán vị trí,

Một đứt gãy dài, như đứt gãy San Andreas ở California hoặc đứt gãy Wasatch ở Utah, thông thường sẽ không chuyển động dọc theo toàn bộ chiều dài của nó tại cùng một thời điểm. Các đứt gãy như vậy thường chuyển động theo từng phần, tức từng đoạn một.

Một đoạn bất động, hay “bị khóa” (locked), là đoạn vẫn đứng yên trong khi các đoạn lân cận của đứt gãy đã chuyển động, được xem là một ứng viên có khả năng cao cho đợt chuyển động kế tiếp.

Các loại đứt gãy:

Đứt gãy có thể được phân loại một cách tổng quát dựa trên dạng, hoặc kiểu chuyển động tương đối của chúng. Các dạng chuyển vị tương đối chính được minh họa trong Hình 13-2 và sẽ được mô tả tiếp theo.

Đứt gãy trượt bằng (Strike Slip Faults):

Các đứt gãy mà chuyển động tương đối về cơ bản là theo phương ngang, tức là hai phía đối diện của đứt gãy trượt ngang qua nhau, được gọi là đứt gãy trượt bằng (strike slip faults). Các đứt gãy trượt bằng thường có dạng gần như tuyến tính hoặc phẳng. Các đứt gãy trượt bằng không đủ thẳng có thể tạo ra các đặc điểm bề mặt phức tạp. Đứt gãy San Andreas là một đứt gãy trượt bằng có dạng gần như tuyến tính theo hướng bắc–nam trên phần lớn chiều dài của nó.

Các đứt gãy trượt bằng đôi khi có thể sắp xếp theo kiểu so le (en-echelon), trong đó các đoạn gần song song riêng lẻ được bố trí dọc theo một xu thế tuyến tính. Đứt gãy trượt bằng kiểu so le đôi khi đi kèm các đới chuyển bước (step over zones), nơi chuyển vị đứt gãy được truyền từ các đứt gãy trượt bằng lân cận. Dạng phá vỡ nền đất trong các đới này có thể đặc biệt phức tạp.

Đứt gãy trượt dốc (Dip Slip Faults):

Các đứt gãy mà biến dạng vuông góc với mặt phẳng đứt gãy có thể xảy ra do chuyển động thuận (normal – kéo giãn) hoặc nghịch (reverse – nén ép). Các đứt gãy này được gọi là đứt gãy trượt dốc (dip slip faults). Các đứt gãy nghịch cũng được gọi là đứt gãy chờm (thrust faults). Các đứt gãy trượt dốc có thể tạo ra nhiều khe nứt trong các đới đứt gãy tương đối rộng và không đều.

Các trường hợp đặc biệt khác (Other Special Cases):

Các đứt gãy thể hiện cả chuyển vị trượt bằng và trượt dốc có thể được gọi là đứt gãy trượt xiên (oblique slip faults).

Độ lớn động đất:

Độ lớn động đất (earthquake magnitude), ký hiệu M, là thước đo năng lượng được giải phóng bởi một trận động đất. Có nhiều thang đo độ lớn động đất khác nhau. Sự khác biệt giữa các thang đo này xuất phát từ đặc trưng động đất được sử dụng để định lượng hàm lượng năng lượng. Các đặc trưng dùng để định lượng năng lượng động đất bao gồm cường độ cục bộ của chuyển động nền, sóng khối (body waves) do động đất tạo ra, và sóng bề mặt (surface waves) do động đất tạo ra.

Ở miền đông Hoa Kỳ, độ lớn động đất thường được đo bằng độ lớn sóng khối chu kỳ ngắn (short period body wave magnitude), ký hiệu \(m_b\). Tuy nhiên, thang độ lớn sóng khối chu kỳ dài (long period body wave magnitude), \(m_B\), đôi khi cũng được sử dụng tại miền trung và miền đông Hoa Kỳ. Tại California, độ lớn động đất thường được đo bằng độ lớn địa phương Richter (local (Richter) magnitude), M(_L), hoặc độ lớn sóng bề mặt (surface wave magnitude), \(M_s\). Tại Nhật Bản, thang độ lớn của Cơ quan Khí tượng Nhật Bản (Japan Meteorological Agency Magnitude), ký hiệu \(M_{JMA}\), được sử dụng phổ biến.

Do hạn chế trong khả năng của một số thiết bị ghi đo khi đo các giá trị vượt quá một biên độ nhất định, một số thang độ lớn có xu hướng đạt đến một giới hạn trên tiệm cận. Để khắc phục điều này, thang độ lớn mô men (moment magnitude), ký hiệu \(M_w\), đã được các nhà địa chấn học phát triển (Hanks và Kanamori, 1979).

Độ lớn mô men của một trận động đất là thước đo năng lượng động học được giải phóng bởi trận động đất. \(M_w\) tỷ lệ với mô men địa chấn (seismic moment), được định nghĩa là tích của độ cứng vật liệu, diện tích phá vỡ đứt gãy, và độ dịch chuyển trung bình của bề mặt phá vỡ. Độ lớn mô men đã được đề xuất như một thước đo thống nhất và nhất quán cho năng lượng động đất. Hình 13-3 (Heaton và cộng sự, 1986) đưa ra sự so sánh giữa các thang độ lớn khác nhau với thang độ lớn mô men.

(hình vẽ mô tả sóng khối chu kỳ ngắn – short period body wave magnitude)

(hình vẽ sóng khối chu kỳ dài – long period body wave magnitude)

Tâm chấn, chấn tâm và khoảng cách từ vị trí đến nguồn:

Tâm chấn (hypocenter, hay focus) của một trận động đất là điểm mà từ đó các sóng địa chấn phát sinh đầu tiên. Về mặt khái niệm, nó có thể được xem là điểm trên một mặt phẳng đứt gãy nơi sự trượt gây ra động đất được khởi phát. Chấn tâm (epicenter) là điểm trên bề mặt đất nằm trực tiếp phía trên tâm chấn. Hình 13-4 thể hiện mối quan hệ giữa tâm chấn, chấn tâm, mặt phẳng đứt gãy và vùng phá vỡ của một trận động đất. Hình 13-4 cũng thể hiện định nghĩa của các góc strike và dip của mặt phẳng đứt gãy.

Khoảng cách theo phương ngang từ vị trí quan tâm đến chấn tâm được gọi là khoảng cách chấn tâm (epicentral distance), \(R_E\), và thường được sử dụng ở miền đông Hoa Kỳ. Khoảng cách giữa vị trí quan tâm và tâm chấn, được sử dụng phổ biến hơn ở miền tây Hoa Kỳ, được gọi là khoảng cách tâm chấn (hypocentral distance), \(R_H\).

13.2.2 Phân tích nguy cơ chuyển động nền

Đối với thiết kế kháng chấn cho các công trình hầm ngầm, một trong những nhiệm vụ chính là xác định động đất thiết kế và các mức chuyển động nền tương ứng, cũng như các nguy cơ địa chấn liên quan khác. Quá trình thiết lập các thông số chuyển động nền thiết kế cho phân tích địa chấn được gọi là phân tích nguy cơ địa chấn (seismic hazard analysis). Phân tích nguy cơ địa chấn thường gồm các bước sau:

• Xác định các nguồn địa chấn có khả năng gây ra chuyển động nền mạnh tại vị trí dự án
• Đánh giá tiềm năng địa chấn của từng nguồn có khả năng gây động đất
• Đánh giá cường độ chuyển động nền thiết kế tại vị trí dự án

Việc xác định các nguồn địa chấn bao gồm xác lập loại đứt gãy, vị trí địa lý, độ sâu, kích thước và hướng của đứt gãy. Việc xác định nguồn địa chấn cũng có thể bao gồm việc chỉ định một nguồn địa chấn ngẫu nhiên để xét đến các trận động đất không liên quan đến bất kỳ đứt gãy đã biết nào. Đánh giá tiềm năng địa chấn của một nguồn đã được xác định bao gồm đánh giá độ lớn động đất, hoặc khoảng độ lớn động đất, mà nguồn đó có thể sinh ra, và thường là cả tốc độ xuất hiện dự kiến của các sự kiện có độ lớn đó.

Việc xác định các nguồn địa chấn có khả năng gây động đất, cùng với việc đánh giá tiềm năng địa chấn của từng nguồn đó, có thể được gọi là đặc trưng hóa nguồn địa chấn (seismic source characterization). Sau khi các nguồn địa chấn đã được đặc trưng hóa, cần phải đặc trưng hóa cường độ chuyển động nền tại vị trí dự án do các nguồn này gây ra. Trong thực tế, có ba cách tổng quát để đánh giá cường độ chuyển động nền tại vị trí dự án, theo thứ tự mức độ phức tạp là: (1) sử dụng các kết quả phân tích nguy cơ hiện có do các cơ quan đáng tin cậy công bố, chẳng hạn như Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS) và một số cơ quan cấp bang; (2) đánh giá nguy cơ địa chấn tất định theo dự án và vị trí cụ thể; và (3) đánh giá nguy cơ địa chấn xác suất theo dự án và vị trí cụ thể.

Việc lựa chọn phương pháp cụ thể nào có thể phụ thuộc vào tầm quan trọng và mức độ phức tạp của dự án, và có thể do các cơ quan quản lý quy định.

Việc lựa chọn mức chuyển động nền thiết kế, dù dựa trên phân tích xác suất hay tất định, không thể được xem xét tách rời khỏi mức độ làm việc được quy định cho sự kiện thiết kế. Đôi khi, công trình có thể được thiết kế theo nhiều mức làm việc, với một mức chuyển động nền khác nhau được gán cho mỗi mức làm việc; cách tiếp cận này được gọi là thiết kế dựa trên mức làm việc (performance based design). Các mức làm việc phổ biến được sử dụng trong thiết kế công trình giao thông bao gồm bảo vệ an toàn tính mạng và duy trì chức năng sau sự kiện. Tiêu chí động đất thiết kế ở mức an toàn tính mạng thường được sử dụng trong thiết kế địa chấn. Việc giữ cho công trình vẫn hoạt động sau một trận động đất lớn bổ sung thêm một yêu cầu khác, ngoài việc chỉ duy trì an toàn tính mạng, và thường được yêu cầu đối với các công trình trọng yếu.

Sự sụp đổ của một hầm giao thông hiện đại (đặc biệt là hầm phục vụ vận tải công cộng khối lượng lớn) trong hoặc sau một sự kiện động đất lớn có thể gây ra hậu quả thảm khốc cũng như các tác động sâu rộng về xã hội và kinh tế. Vì vậy, các hầm giao thông hiện đại và trọng yếu thường được thiết kế để chịu được chuyển động nền động đất có chu kỳ lặp 2.500 năm (tương ứng với xác suất vượt quá 2% trong 50 năm, hoặc 3% trong 75 năm).

Ngoài ra, để tránh thời gian gián đoạn kéo dài và giảm thiểu chi phí sửa chữa, một hầm giao thông hiện đại và trọng yếu thường còn được yêu cầu chịu được một trận động đất xảy ra thường xuyên hơn (tức là động đất cấp thấp hơn) với mức hư hỏng tối thiểu. Hầm phải có khả năng được đưa trở lại khai thác ngay sau khi kiểm tra theo trận động đất thiết kế cấp thấp này.

Tại các khu vực có địa chấn mạnh, trận động đất cấp thấp này thường được xác định với xác suất vượt quá 50% trong 75 năm, tương ứng với chu kỳ lặp 108 năm. Ở miền đông Hoa Kỳ, nơi động đất xảy ra ít thường xuyên hơn nhiều, động đất thiết kế cấp thấp cho các hầm giao thông hiện đại và trọng yếu thường được xác định với chu kỳ lặp cao hơn, chẳng hạn 500 năm.

Sử dụng các kết quả phân tích nguy cơ hiện có:

Thông tin dùng để đặc trưng hóa nguồn địa chấn thường có thể lấy từ các ấn phẩm của Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS), hoặc từ các cơ quan cấp bang khác nhau. Các kết quả đã công bố này thường được sử dụng vì chúng tạo độ tin cậy cho người thiết kế và có thể giúp kỹ sư cảm thấy yên tâm. Tuy nhiên, nếu có độ trễ đáng kể giữa thời điểm xây dựng và công bố, các kết quả nguy cơ đã công bố có thể không bao gồm các phát triển gần đây về địa chất hoặc địa chấn tại địa phương. Hơn nữa, có những trường hợp trong đó các kết quả nguy cơ đã công bố có thể không đầy đủ và cần đánh giá nguy cơ địa chấn riêng cho từng vị trí. Các trường hợp này có thể bao gồm: (1) mức động đất thiết kế, ví dụ xét theo chu kỳ lặp, khác với các mức được giả định trong kết quả đã công bố; (2) đối với các vị trí nằm trong phạm vi 6 dặm của một đứt gãy nông đang hoạt động, nơi ảnh hưởng trường gần là quan trọng; và (3) các kết quả nguy cơ đã công bố không xét đến các phát triển lớn gần đây về địa chấn địa phương hoặc khu vực.

Các bản đồ nguy cơ địa chấn bao gồm giá trị gia tốc phổ tại nhiều chu kỳ phổ khác nhau đã được USGS xây dựng trong khuôn khổ Chương trình Giảm nhẹ Nguy cơ Động đất Quốc gia (NEHRP). Các giá trị bản đồ đối với gia tốc đỉnh và gia tốc phổ, với xác suất vượt quá 2%, 5% và 10% trong 50 năm, tương ứng xấp xỉ với chu kỳ lặp 2.500 năm, 1.000 năm và 500 năm, có thể được trích xuất dưới dạng bảng. Hình 13-5 bên dưới thể hiện một ví dụ về bản đồ nguy cơ chuyển động nền quốc gia xét theo gia tốc nền đỉnh, tại Loại vị trí B – nền đá mềm, cho sự kiện có xác suất vượt quá 2% trong 50 năm, tức là chu kỳ lặp 2.500 năm. Ngoài ra, USGS cũng cung cấp thông tin, ví dụ nguy cơ được phân rã (de-aggregated hazard), có thể được dùng để ước tính “độ lớn và khoảng cách” đại diện cho một vị trí trong lục địa Hoa Kỳ.

Phương pháp phân tích nguy cơ tất định:

Trong phân tích nguy cơ địa chấn tất định, nhà địa chấn học thực hiện phân tích trước hết xác định các nguồn địa chấn có khả năng gây động đất và gán một độ lớn động đất cực đại cho mỗi nguồn. Sau đó, cường độ rung lắc tại vị trí từ từng nguồn có khả năng gây động đất được tính toán, và động đất thiết kế được xác định dựa trên nguồn có khả năng gây thiệt hại lớn nhất. Các bước trong phân tích nguy cơ địa chấn tất định như sau:

1. Xác lập vị trí và đặc trưng, ví dụ kiểu đứt gãy, của tất cả các nguồn động đất tiềm tàng có thể ảnh hưởng đến vị trí. Đối với mỗi nguồn, gán một độ lớn động đất đại diện.
2. Chọn một quan hệ suy giảm phù hợp và ước tính các thông số chuyển động nền tại vị trí từ từng đứt gãy có khả năng gây động đất, như một hàm của độ lớn động đất, cơ chế đứt gãy, khoảng cách từ vị trí đến nguồn và điều kiện nền tại vị trí. Các quan hệ suy giảm phân biệt giữa các kiểu đứt gãy khác nhau và giữa vị trí nền đá và nền đất.
3. Sàng lọc các đứt gãy có khả năng gây động đất, tức là các đứt gãy đang hoạt động, trên cơ sở độ lớn động đất và cường độ chuyển động nền tại vị trí, để xác định nguồn chi phối.

Phương pháp phân tích tất định cung cấp một khuôn khổ để đánh giá các kịch bản bất lợi nhất tại một vị trí. Phương pháp này cung cấp rất ít thông tin về khả năng hoặc tần suất xảy ra của trận động đất chi phối. Nếu cần loại thông tin này, nên sử dụng phương pháp phân tích xác suất để xác định tốt hơn nguy cơ chuyển động nền địa chấn.

(nhiều nguồn địa chấn đồng thời xẩy ra)

Trong phân tích nguy cơ địa chấn thông thường, người ta gần như luôn giả định rằng các nguồn động đất hoạt động độc lập và không xảy ra đồng thời. Vì vậy:

• Với phân tích tất định (deterministic seismic hazard analysis – DSHA), người thiết kế xét từng nguồn riêng lẻ, rồi chọn nguồn gây chuyển động nền lớn nhất tại công trình làm trường hợp chi phối.
• Với phân tích xác suất (probabilistic seismic hazard analysis – PSHA), ảnh hưởng của tất cả các nguồn được cộng gộp theo xác suất xuất hiện của chúng, nhưng vẫn giả định mỗi trận động đất là một sự kiện riêng biệt.

Tuy nhiên, trong thực tế vẫn có khả năng nhiều đoạn đứt gãy hoặc nhiều nguồn liên kết với nhau bị phá hủy gần như đồng thời. Khi đó:

• Độ lớn động đất có thể lớn hơn nhiều do chiều dài vùng phá hủy tăng lên.
• Thời gian rung lắc kéo dài hơn.
• Phổ phản ứng và đặc tính chuyển động nền có thể thay đổi đáng kể.
• Hiệu ứng trường gần (near-field effects) có thể nghiêm trọng hơn.

Ví dụ:

• Một đứt gãy lớn gồm nhiều segment có thể “cascade rupture” — tức là phá hủy lan truyền từ đoạn này sang đoạn khác.
• Trận động đất Sumatra 2004 hay Kaikōura 2016 là các ví dụ nổi tiếng của phá hủy nhiều đứt gãy liên tiếp/liên kết.

Trong thiết kế hiện đại, vấn đề này thường được xử lý bằng cách:

• Xác định “maximum credible earthquake” (MCE) cho toàn hệ đứt gãy thay vì từng đoạn riêng lẻ.
• Dùng các mô hình nguồn địa chấn phức hợp.
• Xét kịch bản động đất đa đoạn (multi-segment rupture scenario).
• Áp dụng các quan hệ suy giảm và mô hình nguồn mới có xét hiệu ứng rupture complexity.

Đối với công trình đặc biệt quan trọng như:

• hầm giao thông lớn,
• đập,
• nhà máy điện hạt nhân,
• cầu chiến lược,

người ta thường không chỉ xét “một đứt gãy đơn” mà xét cả khả năng phá hủy liên hoàn của nhiều đoạn đứt gãy trong cùng hệ kiến tạo.

Phương pháp phân tích nguy cơ xác suất:

Phân tích nguy cơ địa chấn xác suất xét đến khả năng một đứt gãy bị phá vỡ và phân bố độ lớn động đất liên quan đến sự phá vỡ đứt gãy trong việc đánh giá cường độ chuyển động nền thiết kế tại một vị trí. Mục tiêu của phân tích nguy cơ địa chấn xác suất là tính toán, đối với một thời gian phơi nhiễm nhất định, xác suất vượt quá tương ứng với các mức khác nhau của một thông số chuyển động nền, ví dụ xác suất vượt quá gia tốc nền đỉnh 0.2 g trong chu kỳ 100 năm.

Thông số chuyển động nền có thể là giá trị đỉnh, ví dụ gia tốc nền đỉnh, hoặc tung độ phổ phản ứng gắn với chuyển động nền mạnh tại vị trí. Giá trị xác suất của thông số thiết kế bao gồm cả sự không chắc chắn của quá trình suy giảm chuyển động nền mạnh và tính ngẫu nhiên của sự xuất hiện động đất. Phân tích nguy cơ địa chấn xác suất thường bao gồm các bước sau, như minh họa trong Hình 13-6:

1. Xác định các nguồn địa chấn có khả năng tạo ra chuyển động nền mạnh tại vị trí dự án. Ở những khu vực không thể dễ dàng xác định các đứt gãy đang hoạt động, có thể cần dựa vào phân tích thống kê thuần túy từ các trận động đất lịch sử trong khu vực.
2. Xác định độ lớn động đất nhỏ nhất và lớn nhất liên quan đến từng nguồn, đồng thời gán phân bố tần suất xuất hiện động đất cho khoảng độ lớn đã xác lập. Quan hệ độ lớn–tần suất xuất hiện Gutenberg–Richter (Gutenberg-Richter magnitude-recurrence relationship) là quan hệ được sử dụng phổ biến nhất để mô tả phân bố tần suất xuất hiện động đất. Trong khi độ lớn cực đại là một thông số vật lý liên quan đến kích thước đứt gãy, độ lớn cực tiểu có thể liên quan đến cả các tính chất vật lý của đứt gãy và các giới hạn của phân tích số.
3. Đối với mỗi nguồn, gán một quan hệ suy giảm dựa trên kiểu đứt gãy. Độ không chắc chắn thường được gán cho các quan hệ suy giảm dựa trên phân tích thống kê về suy giảm trong các trận động đất trước đây.
4. Tính xác suất vượt quá của thông số chuyển động nền đã chỉ định trong một khoảng thời gian xác định bằng cách tích phân quan hệ suy giảm trên phân bố độ lớn đối với từng nguồn và cộng các kết quả lại.

13.2.3 Các thông số chuyển động nền

Sau khi các sự kiện động đất thiết kế được xác định, cần có các thông số chuyển động nền thiết kế để đặc trưng hóa các sự kiện động đất thiết kế. Có thể yêu cầu nhiều loại thông số chuyển động nền khác nhau, tùy thuộc vào loại phương pháp phân tích được sử dụng trong thiết kế. Nhìn chung, chuyển động nền có thể được đặc trưng bằng ba thành phần tịnh tiến, ví dụ thành phần dọc, ngang và thẳng đứng so với trục hầm. Các loại thông số chuyển động nền thường dùng được mô tả trong các đoạn sau.

Các thông số chuyển động nền đỉnh:

Gia tốc nền đỉnh (PGA), đặc biệt theo phương ngang, là chỉ số phổ biến nhất biểu thị cường độ của chuyển động nền mạnh tại một vị trí. Vận tốc nền đỉnh (PGV) và chuyển vị nền đỉnh (PCD) cũng được sử dụng trong một số phân tích kỹ thuật để đặc trưng hóa khả năng gây hư hỏng của chuyển động nền.

\[
PGV = 0.394 \times 10^{0.434C}\tag{13-1}
\]

Trong đó:

PGV tính bằng in/sec.

\[
C = 4.82 + 2.16 \log_{10} S_1 + 0.013 \left[2.30 \log_{10} S_1 + 2.93\right]^2\tag{13-2}
\]

Việc xây dựng tương quan PGV–\(S_1\) dựa trên một cơ sở dữ liệu động đất rộng, được thiết lập từ các giản đồ gia tốc ghi nhận, đại diện cho cả vị trí nền đá và nền đất ở miền tây Hoa Kỳ cũng như miền trung và miền đông Hoa Kỳ. Độ lớn động đất được nhận thấy chỉ đóng vai trò nhỏ và không được đưa vào tương quan khi xây dựng các Phương trình 13-1 và 13-2. Phương trình 13-1 dựa trên giá trị trung bình cộng một độ lệch chuẩn từ phân tích hồi quy, tức là 1.46 lần giá trị trung vị, nhằm đảm bảo tính bảo thủ.

Phổ phản ứng thiết kế (Design response spectra):

Phổ phản ứng biểu thị phản ứng của một hệ một bậc tự do có cản đối với chuyển động nền. Phổ phản ứng thiết kế, bao gồm cả việc xét đến ảnh hưởng của điều kiện nền đất tại vị trí, có thể được thiết lập bằng các quy trình chuyên biệt theo tiêu chuẩn, chẳng hạn như các ấn phẩm NEHRP hoặc các Chỉ dẫn kỹ thuật AASHTO LRFD mới, sử dụng các thông số động đất thiết kế phù hợp với các mức nguy cơ động đất thiết kế mong muốn.

Hình 13-7 minh họa bằng sơ đồ phương pháp xây dựng phổ phản ứng thiết kế theo quy trình NEHRP. Các thuật ngữ và thông số dùng trong Hình 13-7 được trình bày chi tiết trong NEHRP 12-70 (2008) và AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (2008 Interim Provisions). Ngoài ra, cũng có thể thực hiện phân tích nguy cơ theo dự án và theo vị trí cụ thể để xây dựng phổ phản ứng thiết kế. Phân tích phản ứng động của nền đất riêng cho vị trí cũng có thể được thực hiện để nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện nền đất/vị trí tại địa phương (site effects).

Cần lưu ý rằng mặc dù phổ phản ứng thiết kế thường được sử dụng cho thiết kế và phân tích địa chấn các công trình trên mặt đất như cầu và nhà, chúng không hữu ích bằng trong đánh giá địa chấn đối với công trình ngầm. Nguyên nhân là phổ phản ứng phù hợp hơn để đánh giá phản ứng quán tính của công trình trên mặt đất, trong khi đối với công trình ngầm, biến dạng nền hoặc chuyển vị nền mới là yếu tố chi phối.

Ngoài ra, phổ phản ứng thiết kế cũng có thể được dùng làm phổ mục tiêu để tạo các lịch sử thời gian chuyển động nền thiết kế, sau đó có thể dùng trong phân tích địa chấn cho công trình ngầm nếu cần phân tích số tinh vi hơn.

Lịch sử thời gian chuyển động nền và ảnh hưởng của chuyển động nền biến thiên theo không gian:

Các lịch sử thời gian được xây dựng phải phù hợp với phổ phản ứng thiết kế mục tiêu và có các đặc trưng đại diện cho môi trường địa chấn của vị trí cũng như điều kiện nền đất cục bộ tại vị trí.

Các đặc trưng của môi trường địa chấn tại vị trí cần xét khi lựa chọn lịch sử thời gian bao gồm: môi trường kiến tạo, ví dụ vùng hút chìm; các đứt gãy nông trong vỏ Trái Đất ở miền tây Hoa Kỳ, hoặc môi trường vỏ Trái Đất tương tự; miền trung và miền đông Hoa Kỳ, hoặc môi trường vỏ Trái Đất tương tự; độ lớn động đất; kiểu đứt gãy, ví dụ trượt bằng, nghịch, normal; khoảng cách từ nguồn đến vị trí; điều kiện nền đất cục bộ; và các đặc trưng chuyển động nền thiết kế hoặc dự kiến, ví dụ phổ phản ứng, thời lượng rung lắc mạnh, và các đặc trưng chuyển động nền đặc biệt như đặc trưng gần đứt gãy.

Nên lựa chọn các lịch sử thời gian đã được ghi nhận trong những điều kiện tương tự với điều kiện địa chấn tại vị trí, như mô tả ở trên. Tuy nhiên, thường cần có sự thỏa hiệp do có nhiều thuộc tính của môi trường địa chấn và ngân hàng dữ liệu lịch sử thời gian ghi nhận còn hạn chế. Việc lựa chọn các lịch sử thời gian có độ lớn động đất và khoảng cách tương tự, trong phạm vi hợp lý, là đặc biệt quan trọng, vì các thông số này có ảnh hưởng mạnh đến nội dung phổ phản ứng, hình dạng phổ phản ứng, thời lượng rung lắc mạnh và các đặc trưng chuyển động nền gần nguồn.

Đối với các công trình dài như hầm, các phần khác nhau của công trình có thể gặp các chuyển động nền khác nhau. Do đó, đôi khi cần đánh giá hầm xét đến ảnh hưởng của chuyển động nền biến thiên theo không gian, đặc biệt khi phản ứng dọc hầm là vấn đề cần quan tâm.

Trong trường hợp này, chuyển vị tương đối và sự tích lũy nội lực dọc theo chiều dài hầm có thể phát sinh do ảnh hưởng của chuyển động nền biến thiên theo không gian. Khi xây dựng các lịch sử thời gian chuyển động nền biến thiên theo không gian, tối thiểu cần xét các yếu tố sau:

• Ảnh hưởng của điều kiện nền đất cục bộ
• Ảnh hưởng truyền sóng/lan truyền sóng
• Ảnh hưởng nguồn mở rộng
• Ảnh hưởng trường gần

Sự suy giảm các thông số chuyển động nền theo độ sâu:

Các thông số chuyển động nền đã thảo luận ở trên thường được thiết lập tại bề mặt đất. Tuy nhiên, hầm thường được xây dựng ở một độ sâu nào đó bên dưới bề mặt đất. Đối với đánh giá địa chấn kết cấu hầm, các thông số chuyển động nền nên được xác định tại cao độ của hầm.

Do chuyển động nền thường giảm theo độ sâu bên dưới bề mặt đất, các thông số này nhìn chung có giá trị thấp hơn so với các giá trị ước tính cho chuyển động tại bề mặt đất, ví dụ Chang và cộng sự, 1986. Tỷ số giữa các giá trị chuyển động nền ở độ sâu hầm và các giá trị tại bề mặt đất có thể lấy theo các tỷ số tóm tắt trong Bảng 13-1, trừ khi có cơ sở từ các đánh giá riêng cho vị trí để sử dụng các giá trị thấp hơn.

Để đánh giá chính xác hơn các thông số chuyển động nền ở độ sâu, nên thực hiện phân tích phản ứng động của nền đất riêng cho vị trí, nhằm xét đến điều kiện địa tầng chi tiết và hình học của vị trí. Kết quả phân tích phản ứng động của nền đất sẽ cung cấp các thông số chuyển động nền theo hàm của độ sâu, trong phân tích phản ứng vị trí một chiều, hoặc theo hàm của tọa độ không gian, trong phân tích phản ứng vị trí hai chiều hoặc ba chiều.

Bảng 13-1 Suy giảm chuyển động nền theo chiều sâu

Độ sâu hầm (m)	Tỷ số chuyển động nền tại độ sâu hầm so với chuyển động tại mặt đất
≤ 6	1.0
6 – 15	0.9
15 – 30	0.8
≥ 30	0.7

13.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CHỊU ĐỘNG ĐẤT CỦA HẦM

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng làm việc chịu động đất của hầm nhìn chung có thể được tóm tắt thành: (1) hiểm họa động đất, (2) điều kiện địa chất, và (3) thiết kế, thi công và tình trạng hầm. Mỗi yếu tố này được mô tả ngắn gọn trong các mục sau.

13.3.1 Hiểm họa động đất

Theo nghĩa rộng, tác động của động đất lên kết cấu hầm ngầm có thể được chia thành hai nhóm: (1) rung động nền và (2) phá hoại nền. Dựa trên hồ sơ làm việc của hầm trong các trận động đất trước đây, tác động gây hư hại của phá hoại nền đối với hầm lớn hơn đáng kể so với tác động do rung động nền.

Rung động nền:

Rung động nền là dao động của nền do sóng động đất truyền qua vỏ Trái Đất. Khu vực chịu rung động này có thể bao phủ hàng trăm dặm vuông lân cận vị trí phá vỡ đứt gãy. Cường độ rung động giảm dần theo khoảng cách từ vị trí phá vỡ đứt gãy. Chuyển động rung động nền gồm hai loại sóng động đất khác nhau, mỗi loại có hai kiểu phụ, được mô tả như sau:

• Sóng khối truyền trong vật liệu của Trái Đất. Chúng có thể là sóng P dọc hoặc sóng S cắt ngang, và có thể truyền theo mọi hướng trong nền.
• Sóng mặt truyền dọc theo bề mặt Trái Đất. Chúng có thể là sóng Rayleigh hoặc sóng Love.

Khi nền bị biến dạng do các sóng truyền qua, bất kỳ kết cấu hầm nào nằm trong nền cũng sẽ bị biến dạng, vì kết cấu hầm bị môi trường xung quanh ép buộc biến dạng. Khi nền, tức môi trường xung quanh, ổn định, kết cấu không thể chuyển động độc lập với nền. Do đó, thiết kế và phân tích kết cấu ngầm dựa trên biến dạng/chuyển vị của nền hơn là các giá trị gia tốc nền. Nếu mức độ biến dạng nền trong quá trình động đất nhỏ, ảnh hưởng động đất đối với hầm là không đáng kể. Ví dụ, trong các đá cứng nhìn chung ít cần quan tâm đối với các đoạn hầm được xây dựng trong đá có năng lực tương đối tốt, vì biến dạng/độ biến dạng do động đất gây ra trong đá thường rất nhỏ, trừ khi gặp phải vùng đứt gãy/cắt hoặc khi có các khối đá rời lớn phía sau lớp lót. Ngược lại, trong trầm tích đất rời hoặc đất mềm, biến dạng đất phát triển trong trận động đất thiết kế cần được ước tính và sử dụng cho thiết kế và phân tích kết cấu. Nhìn chung, các ảnh hưởng tiềm tàng của rung động nền dao động từ nứt nhỏ trên lớp lót bê tông đến sụp đổ lớp lót và sập lở lớn vật liệu địa chất vào trong hầm.

Phá hoại nền:

Phá hoại nền, theo nghĩa rộng, bao gồm nhiều dạng mất ổn định nền như phá vỡ đứt gãy, nâng kiến tạo và lún sụt, trượt đất và hóa lỏng đất. Mỗi hiểm họa này có thể gây hậu quả nghiêm trọng đối với kết cấu hầm, mặc dù hư hại thường mang tính cục bộ. Thiết kế kết cấu hầm để chống lại các vấn đề mất ổn định nền thường khả thi, tuy nhiên chi phí có thể cao.

Nếu một đứt gãy đang hoạt động cắt qua tuyến hầm, sẽ có nguy cơ xảy ra chuyển vị cắt trực tiếp xuyên qua hầm khi có động đất trung bình đến lớn. Các chuyển vị này có thể dao động từ vài inch đến hơn 10 feet, và trong nhiều trường hợp có thể tập trung trong một vùng hẹp dọc theo đứt gãy. Phá vỡ đứt gãy có thể gây và từng gây ra các ảnh hưởng rất phá hoại đối với hầm. Nâng kiến tạo và lún sụt cũng có thể có các ảnh hưởng tương tự như phá vỡ đứt gãy, nếu các chuyển động nâng/lún sụt gây ra biến dạng vi sai đủ lớn cho hầm.

Trượt đất xuyên qua hầm, dù phát sinh do tĩnh tải hay do động đất, có thể tạo ra các chuyển vị cắt lớn, tập trung và dẫn đến hư hại toàn bộ hoặc một phần tiết diện hầm. Hư hại do trượt đất thường lớn nhất khi khối trượt hiện hữu cắt qua hầm. Một khối trượt vốn ổn định có thể được kích hoạt bởi rung động động đất. Nguy cơ trượt đất thường lớn nhất ở các đoạn nông của tuyến hầm và tại các cửa hầm.

Đối với các hầm nằm trong đất dưới mực nước ngầm, có thể tồn tại nguy cơ hóa lỏng nếu đất rời đến chặt vừa không dính, như cát, bột và sỏi, nằm kề hầm. Các ảnh hưởng tiềm tàng của hóa lỏng đất kề hầm bao gồm: tăng áp lực ngang lên lớp lót hoặc tường hầm, có thể dẫn đến phá hoại lớp lót hoặc tường tùy theo thiết kế; nổi lên hoặc lún xuống của hầm chôn trong đất hóa lỏng, tùy thuộc vào trọng lượng tương đối của hầm và đất bị thay thế bởi hầm; và chuyển vị ngang của hầm nếu có bề mặt tự do mà đất hóa lỏng có thể dịch chuyển về phía đó hoặc nếu hầm được xây dựng dưới nền dốc.

13.3.2 Điều kiện địa chất

Các điều kiện địa chất bất lợi khác có thể dẫn đến khả năng làm việc địa chấn không đạt yêu cầu của hầm, nếu không được nhận diện và xét đến đầy đủ trong thiết kế và thi công hầm.

Các điều kiện địa chất bất lợi bao gồm: đất mềm; đá có các mặt yếu cắt qua hầm, chẳng hạn như đới cắt hoặc các mặt phân lớp yếu phát triển rõ, cùng với các hệ khe nứt phát triển rõ, ở trạng thái mở hoặc được lấp đầy bằng đá phong hóa và phân hủy; các phá hoại gặp phải trong quá trình thi công hầm có thể đã làm suy yếu thêm các thành tạo địa chất kề cận hầm, ví dụ hang rỗng hoặc ground raveling để lại các khoảng rỗng chưa được lấp đầy hoặc đá bị nới lỏng phía sau lớp vỏ hầm; nền bị ép trồi với hệ số an toàn tĩnh chống sụp đổ lớp vỏ tương đối thấp; và các đơn vị địa chất kề cận có sự tương phản lớn về độ cứng, có thể dẫn đến tập trung ứng suất hoặc chuyển vị tương đối.

13.3.3 Thiết kế, thi công và tình trạng hầm

Các yếu tố về thiết kế, thi công và tình trạng hầm có thể ảnh hưởng đến ứng xử địa chấn của hầm bao gồm:

1. Tải trọng địa chấn và ứng xử địa chấn có được xét đến rõ ràng trong thiết kế hầm hay không
2. Bản chất của lớp vỏ hầm và hệ chống đỡ, ví dụ loại lớp vỏ, mức độ tiếp xúc giữa lớp vỏ/hệ chống đỡ với vật liệu địa chất, việc sử dụng bu lông đá và chốt neo
3. Các vị trí nối tiếp giữa hầm với các kết cấu khác
4. Lịch sử làm việc tĩnh của hầm, xét theo các hư hỏng, nứt hoặc biến dạng của lớp vỏ/hệ chống đỡ
5. Tình trạng hiện tại của lớp vỏ/hệ chống đỡ, chẳng hạn mức độ nứt của bê tông và sự suy giảm chất lượng của bê tông hoặc vật liệu thép theo thời gian

Khi đánh giá một hầm hiện hữu ở giai đoạn sàng lọc hoặc trong một đánh giá chi tiết hơn, hoặc khi thiết kế các biện pháp gia cường, cần thu thập thông tin đầy đủ nhất có thể về thiết kế, thi công và tình trạng hầm, cũng như các điều kiện địa chất dọc theo tuyến hầm.

Để có được các thông tin này, nhóm thiết kế và đánh giá nên xem xét bản vẽ thiết kế và các nghiên cứu thiết kế, bản vẽ hoàn công, hồ sơ thi công có trong các báo cáo nhật ký thi công hằng ngày và các báo cáo chuyên đề, hồ sơ bảo trì và kiểm tra, cùng với các báo cáo và bản đồ địa chất, địa kỹ thuật. Có thể cần thực hiện các đợt kiểm tra và khảo sát đặc biệt để mô tả đầy đủ tình trạng hiện hữu và xác định nguyên nhân của bất kỳ biểu hiện xuống cấp nào của hầm.

13.4 KHẢ NĂNG LÀM VIỆC ĐỊA CHẤN VÀ HƯỚNG DẪN SÀNG LỌC ĐỐI VỚI HẦM

13.4.1 Hướng dẫn sàng lọc áp dụng cho mọi loại hầm

Có một số điều kiện rõ ràng cho thấy nguy cơ địa chấn tiềm tàng đáng kể đối với hầm khoan, hầm đào hở, hoặc hầm dìm, và do đó cần có các đánh giá chi tiết hơn. Các điều kiện này bao gồm:

• Một đứt gãy đang hoạt động cắt qua hầm;
• Một khối trượt cắt qua hầm, bất kể khối trượt đó có đang hoạt động hay không;
• Đất có khả năng hóa lỏng nằm kề hầm; và
• Lịch sử hư hại tĩnh của hầm, ví dụ sụp đổ cục bộ, biến dạng lớn, nứt hoặc bong bật lớp vỏ do chuyển động đất, trừ khi đã thực hiện các biện pháp gia cường để ổn định hầm.

Ngoài các điều kiện trên, cũng nên thực hiện đánh giá địa chấn chi tiết đối với các hầm được xem là công trình huyết mạch, tức là các công trình quan trọng và trọng yếu phải sử dụng được hoặc vẫn mở cho giao thông ngay sau động đất. Các hầm giao thông trong khu vực đô thị thường được xem là công trình trọng yếu/huyết mạch, và do đó cần được đánh giá địa chấn chi tiết.

13.4.2 Hướng dẫn sàng lọc bổ sung cho hầm đào kín

Nếu các điều kiện nêu trên không tồn tại, thì nguy cơ đối với hầm đào kín là hàm của thiết kế và thi công hầm, các đặc trưng của môi trường địa chất, và mức độ rung lắc nền. Trong phần này, các hướng dẫn sàng lọc bổ sung được trình bày trên cơ sở xét đến các yếu tố này và các quan sát thực nghiệm về khả năng làm việc của hầm trong động đất.

Cần lưu ý rằng mặc dù không gây hư hại mạnh như các ảnh hưởng phá hoại nền, chỉ riêng ảnh hưởng rung lắc nền, tức là trong trường hợp không có phá hoại nền, cũng đã gây ra hư hại từ trung bình đến nghiêm trọng cho nhiều hầm trong động đất. Hình 13-8 cho thấy một hầm đường bộ gặp hiện tượng rơi lớp vỏ hầm từ vòm hầm do ảnh hưởng rung lắc nền trong trận động đất Niigata năm 2004 ở Nhật Bản. Trong một sự cố khác, trận động đất Kocaeli năm 1999 ở Thổ Nhĩ Kỳ đã gây sụp đổ hai hầm, tức các hầm Bolu, được thi công bằng phương pháp NATM, cao 15 m và rộng 16 m. Vào thời điểm xảy ra động đất, đoạn hầm bị sụp đã được ổn định bằng sườn thép, bê tông phun và neo.

Hình 13-9 trình bày tóm tắt các quan sát thực nghiệm về ảnh hưởng của rung lắc nền do động đất đến khả năng làm việc của hầm đào kín/hầm đào mỏ. Hình này dựa trên nghiên cứu của Power và cộng sự (1998), trong đó cập nhật các trình bày trước đó về dữ liệu khả năng làm việc của hầm của Dowding và Rozen (1978), Owen và Scholl (1981), và Sharma và Judd (1991).

Các dữ liệu này chỉ xét hư hỏng do rung lắc; không bao gồm hư hỏng chắc chắn hoặc có khả năng được quy cho phá vỡ đứt gãy, trượt đất và hóa lỏng. Dữ liệu chỉ áp dụng cho hầm đào kín/hầm đào mỏ; dữ liệu đối với hầm đào hở và hầm dìm không được đưa vào Hình 13-9.

Hình 13-9 tổng hợp các quan sát đối với 192 hầm từ mười trận động đất có độ lớn trung bình đến lớn, với độ lớn mô men (M_w) từ 6.6 đến 8.4, tại California, Nhật Bản và Alaska. Trong đó, 94 quan sát lấy từ trận động đất Kobe, Nhật Bản năm 1995, có độ lớn mô men (M_w = 6.9). Trận động đất này cung cấp nhiều quan sát nhất đối với các mức rung lắc từ trung bình đến cao, với gia tốc nền đỉnh ước tính tại mặt đất phía trên hầm khoảng 0.4 g đến 0.6 g đối với dữ liệu Kobe.

Các giá trị gia tốc nền đỉnh trong Hình 13-9 được ước tính cho điều kiện đá lộ thiên thực tế hoặc giả định tại mặt đất phía trên hầm. Các quan sát khác lấy từ các trận động đất có độ lớn trung bình đến lớn, (M_w) từ 6.7 đến 8.4, tại California và Nhật Bản. Hình 13-9 thể hiện mức độ hư hỏng phát sinh trong các hầm có các loại lớp vỏ khác nhau khi chịu các mức rung lắc nền đã nêu.

Hư hỏng được phân thành bốn trạng thái: không hư hỏng hoặc không quan sát thấy hư hỏng; nhẹ đối với nứt và bong bật nhỏ; trung bình đối với nứt và bong bật lớn, rơi các mảnh lớp vỏ và đá; và nặng đối với sụp lớn, tắc nghẽn và sụp đổ. Hình này cho thấy các xu hướng sau:

• Với PGA bằng hoặc nhỏ hơn 0.2 g, rung lắc nền về cơ bản không gây hư hỏng cho hầm.
• Với PGA trong khoảng 0.2 g đến 0.5 g, có một số trường hợp hư hỏng từ nhẹ đến nặng. Lưu ý rằng ba trường hợp hư hỏng nặng đều thuộc trận động đất Kanto, Nhật Bản năm 1923. Đối với quan sát của trận động đất Kanto năm 1923 với PGA bằng 0.25 g thể hiện trong Hình 13-9, các khảo sát đối với hầm này cho thấy hư hỏng có thể do trượt đất. Đối với hai quan sát khác của trận động đất Kanto, sụp đổ xảy ra ở các đoạn nông của hầm.
• Với PGA vượt khoảng 0.5 g, có một số trường hợp hư hỏng nhẹ đến trung bình, và một trường hợp hư hỏng nặng đã nêu ở trên đối với trận động đất Kanto.
• Các hầm có lớp vỏ bền chắc hơn dường như làm việc tốt hơn, đặc biệt là các hầm có lớp vỏ bê tông cốt thép và/hoặc lớp vỏ thép.

Các xu hướng trong Hình 13-9 có thể được sử dụng như một chỉ dẫn khi đánh giá nhu cầu thực hiện các đánh giá bổ sung về ảnh hưởng của rung lắc nền đối với hầm đào kín/đào ngầm.

13.4.3 Hướng dẫn sàng lọc bổ sung cho hầm đào hở

Các báo cáo về khả năng làm việc địa chấn của các hầm đào hở nông dạng hộp còn tương đối ít so với khả năng làm việc của hầm đào kín/hầm đào ngầm. Điều này đặc biệt rõ trong trận động đất Kobe, Nhật Bản năm 1995 (O’Rourke và Shiba, 1997; Power và cộng sự, 1998).

Hình 13-10 và Hình 13-11 cho thấy hư hỏng ở các cột giữa của các hầm đào hở chạy giữa ga Daikai và ga Nagata trong trận động đất Kobe năm 1995.

Trận động đất Kobe năm 1995 cũng gây ra sự sụp đổ nghiêm trọng của ga tàu điện ngầm Daikai, vốn được thi công bằng phương pháp đào hở mà không có các quy định thiết kế địa chấn chuyên biệt.

Sơ đồ trong Hình 13-12, theo Iida và cộng sự (1996), cho thấy sự sụp đổ xảy ra ở các cột giữa của nhà ga, đi kèm với sự sụp đổ của bản mái và độ lún của nền đất hơn 2.5 m.

Khả năng làm việc tương đối kém của hầm đào hở dưới ảnh hưởng rung lắc nền có thể phản ánh:

(1) vật liệu địa chất gần bề mặt xung quanh loại kết cấu này tương đối mềm hơn so với các vật liệu cứng hơn thường bao quanh hầm đào kín ở độ sâu lớn hơn;
(2) mức gia tốc tại và gần mặt đất cao hơn so với ở dưới sâu, do chuyển động nền có xu hướng rung mạnh hơn gần mặt đất so với ở dưới mặt đất; và
(3) tính dễ bị tổn thương của các kết cấu dạng hộp này đối với các biến dạng racking của mặt cắt hộp do động đất gây ra, trừ khi chúng được thiết kế riêng để chịu các biến dạng racking này.

Hầm đào hở trong đất thường dễ bị tổn thương hơn so với hầm đào trong đá, vì biến dạng cắt lớn hơn của đất gây ra hiện tượng racking của hầm. Hầm trong đất mềm có thể đặc biệt dễ bị tổn thương. Yếu tố quan trọng nhất khi đánh giá có cần thực hiện đánh giá địa chấn chi tiết hơn cho hầm đào hở hay không là xem thiết kế ban đầu đã xét đến tải trọng và biến dạng phù hợp với môi trường địa chấn và điều kiện địa chất hay chưa, và đặc biệt là ứng xử racking có được xét đến trong phân tích địa chấn, thiết kế và cấu tạo chi tiết của kết cấu hay không.

13.4.4 Hướng dẫn sàng lọc bổ sung cho hầm dìm

Hầm dìm đặc biệt dễ bị ảnh hưởng bởi các chuyển động nền vĩnh viễn trong quá trình rung lắc địa chấn. Hầm dìm thường được đặt ở độ sâu nông và trong đất mềm hoặc đất rời rạc.

Hiện tượng hóa lỏng của đất rời không dính có thể gây lún, nâng nổi hoặc lan truyền ngang. Rung lắc động đất cũng có thể gây chuyển vị vĩnh viễn của đất sét mềm trên nền dốc.

Các mối nối liên kết giữa các đốt hầm phải có khả năng thích ứng với chuyển vị tương đối của các đốt liền kề trong khi vẫn duy trì độ kín nước.

Nhìn chung, hầm dìm có thể được loại khỏi các đánh giá chi tiết hơn nếu thiết kế ban đầu đã xét và phân tích đầy đủ khả năng xảy ra các dạng phá hoại nền, và nếu các mối nối đã được thiết kế cẩn thận để đạt độ kín nước.

13.5 CÁC QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ ĐỘNG ĐẤT – ẢNH HƯỞNG RUNG LẮC NỀN ĐẤT

Các kết cấu hầm ngầm trải qua ba dạng biến dạng chính trong quá trình rung lắc do động đất: biến dạng ovaling/racking, biến dạng dọc trục và biến dạng uốn. Biến dạng ovaling/racking chủ yếu do các sóng động đất lan truyền vuông góc với trục dọc của hầm gây ra, làm phát sinh biến dạng trong mặt phẳng của tiết diện ngang hầm (tham khảo Hình 13-3, Wang, 1993; Owen và Scholl, 1981). Các sóng cắt lan truyền theo phương thẳng đứng thường được xem là loại sóng nguy hiểm nhất đối với dạng biến dạng này. Biến dạng dọc trục và biến dạng uốn được gây ra bởi các thành phần của sóng động đất lan truyền dọc theo trục dọc của hầm (tham khảo Hình 13-14, Wang, 1993; Owen và Scholl, 1981).

13.5.1 Đánh giá phản ứng ovaling/racking theo phương ngang của kết cấu hầm

Các quy trình đánh giá phản ứng theo phương ngang của kết cấu hầm có thể dựa trên: (1) phương pháp phân tích đơn giản hóa, hoặc (2) phương pháp mô hình số phức tạp hơn, tùy thuộc vào mức độ phức tạp của hệ đất–kết cấu, điều kiện dưới mặt đất, mức nguy cơ động đất và tầm quan trọng của kết cấu. Phương pháp mô hình số nên được xem xét trong các trường hợp mà các phương pháp phân tích đơn giản hóa ít áp dụng được, không chắc chắn hoặc không kết luận được; hoặc khi một kết cấu rất quan trọng nằm trong môi trường động đất nghiêm trọng; hoặc khi dữ liệu từ các trường hợp thực tế cho thấy loại hầm đó có mức độ dễ bị tổn thương do động đất tương đối cao hơn, chẳng hạn như hầm đào hở-lấp lại hình chữ nhật trong các khu vực có động đất mạnh. Phương pháp mô hình số được thảo luận thêm trong Mục 13.5.1.4.

13.5.1.1 Quy trình đơn giản hóa cho phản ứng ovaling của hầm tròn

Mục này trình bày các phương pháp để định lượng ảnh hưởng ovaling do động đất lên vỏ hầm tròn. Trước tiên, phương pháp biến dạng free-field đơn giản, thường được sử dụng, được thảo luận, bỏ qua các ảnh hưởng tương tác đất–kết cấu. Vì vậy, việc sử dụng phương pháp này bị giới hạn trong các điều kiện mà kết cấu hầm có thể được giả định hợp lý là biến dạng theo các chuyển vị free-field trong quá trình động đất.

Sau đó, một phương pháp tinh chỉnh được trình bày trong Mục 13.5.1.2; phương pháp này cũng đơn giản nhưng có khả năng loại bỏ các nhược điểm gắn với phương pháp biến dạng free-field. Phương pháp tinh chỉnh này — được xây dựng dựa trên một lý thuyết quen thuộc với hầu hết các kỹ sư khai khoáng/ngầm — có xét đến các ảnh hưởng tương tác đất–kết cấu. Dựa trên phương pháp này, một loạt biểu đồ thiết kế được phát triển để hỗ trợ quá trình thiết kế.

Hiệu ứng ovaling:

Như đã đề cập trước đó, hiện tượng ovaling của vỏ hầm tròn chủ yếu do các sóng động đất lan truyền trong các mặt phẳng vuông góc với trục hầm gây ra. Kết quả là xuất hiện các chu kỳ tập trung ứng suất bổ sung, với ứng suất nén và ứng suất kéo luân phiên trong vỏ hầm. Các ứng suất động này chồng lên trạng thái ứng suất tĩnh hiện hữu trong vỏ hầm. Một số dạng tới hạn có thể xảy ra (Owen và Scholl, 1981):

• Ứng suất động nén cộng thêm vào ứng suất tĩnh nén có thể vượt quá khả năng chịu nén cục bộ của vỏ hầm.
• Ứng suất động kéo làm giảm ứng suất tĩnh nén, từ đó làm giảm khả năng chịu moment của vỏ hầm; và trong một số trường hợp, ứng suất tổng hợp tạo ra có thể là ứng suất kéo.

Biến dạng cắt của đất nền trong điều kiện free-field:

Như đã đề cập trước đó, biến dạng cắt của nền đất do các sóng cắt lan truyền theo phương thẳng đứng gây ra có lẽ là dạng chuyển động địa chấn tới hạn và chi phối nhất. Nó làm cho hầm tròn bị ovaling và làm cho kết cấu ngầm hình chữ nhật bị racking (chuyển động ngang), như thể hiện trong Hình 13-13.

Các quy trình phân tích bằng phương pháp số thường cần thiết để đưa ra ước tính hợp lý về biến dạng cắt free-field, đặc biệt đối với khu vực có địa tầng phân lớp phức tạp. Hiện có nhiều chương trình máy tính với mức độ phức tạp khác nhau, ví dụ SHAKE, FLUSH, FLAC, PLAXIS, v.v. Cách tiếp cận được sử dụng rộng rãi nhất là đơn giản hóa địa chất khu vực thành hệ nhiều lớp nằm ngang và xác định lời giải bằng phân tích truyền sóng một chiều (Schnabel, Lysmer và Seed, 1972).

Biến dạng cắt free-field của nền đất thu được từ loại phân tích này có thể được biểu diễn dưới dạng phân bố biến dạng cắt hoặc biểu đồ biến dạng cắt theo chiều sâu.

Đối với hầm sâu nằm trong đất hoặc đá tương đối đồng nhất, và trong trường hợp không có các phân tích phản ứng nền chi tiết, quy trình đơn giản hóa của Newmark (1968) và Hendron (1985) có thể cung cấp một ước tính hợp lý. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng phương pháp này có xu hướng cho kết quả bảo thủ hơn, đặc biệt khi bỏ qua ảnh hưởng suy giảm chuyển động nền theo chiều sâu (tham khảo Bảng 13-1). Khi đó, biến dạng cắt free-field lớn nhất, \(\gamma_\text{max}\), có thể được biểu diễn như sau:

\[
\gamma_\text{max} = \frac{V_s}{C_{se}}\tag{13-3}
\]

trong đó:
\(\qquad \qquad V_s = \) vận tốc hạt lớn nhất
\(\qquad \qquad C_{se} = \) vận tốc lan truyền sóng cắt hiệu dụng

Vận tốc sóng cắt hiệu dụng của sóng cắt lan truyền theo phương thẳng đứng, \(C_{se}\), nên tương thích với mức biến dạng cắt có thể phát triển trong nền đất tại cao độ của hầm trong quá trình rung lắc do động đất thiết kế. Các giá trị \(C_{se}\) có thể được ước tính bằng cách giảm phù hợp từ vận tốc sóng cắt ở mức biến dạng nhỏ, \(C_s\), thu được từ thí nghiệm tại hiện trường, chẳng hạn như phương pháp cross-hole, down-hole và P-S logging, để xét đến ảnh hưởng phụ thuộc vào mức biến dạng.

Đối với đá, tỷ số \(C_{se}/C_s\) có thể giả định bằng 1.0. Đối với đất cứng đến rất cứng, \(C_{se}/C_s\) có thể nằm trong khoảng từ 0.6 đến 0.9. Ngoài ra, có thể thực hiện các phân tích phản ứng nền riêng cho từng khu vực để ước tính \(C_{se}\). Các phân tích phản ứng nền riêng cho từng khu vực nên được thực hiện để ước tính \(C_{se}\) cho các hầm chôn trong đất mềm.

Một phương trình liên hệ vận tốc lan truyền hiệu dụng của sóng cắt với mô đun cắt hiệu dụng, \(G_m\), được biểu diễn như sau:

\[
C_{se} = \sqrt{\frac{G_m}{\rho}}\tag{13-4}
\]

trong đó: \(\qquad \rho = \) khối lượng riêng của nền đất

Một phương pháp đơn giản hóa thay thế để tính biến dạng cắt nền free-field, \(\gamma_\text{max}\), là chia ứng suất cắt do động đất gây ra \((\tau_\text{max})\) cho độ cứng cắt, tức là mô đun cắt hiệu dụng tương thích với mức biến dạng, \(G_m\). Phương pháp này đặc biệt phù hợp với các hầm có chiều sâu chôn nông.

Trong phương pháp đơn giản hóa này, biến dạng cắt nền free-field lớn nhất được tính bằng phương trình sau:

\[
\gamma_\text{max}=\frac{\tau_\text{max}}{G_m} \tag{13-5}
\]

\[
\tau_\text{max}=(PGA/g) \sigma_v R_d \tag{13-6}
\]

\[
\sigma_v=\gamma_t(H+D) \tag{13-7}
\]

trong đó:

\(\qquad \qquad G_m = \) mô đun cắt hiệu dụng tương thích với mức biến dạng của nền đất xung quanh hầm (ksf)
\(\qquad \qquad \tau_\text{max} = \) ứng suất cắt lớn nhất do động đất gây ra (ksf)
\(\qquad \qquad \sigma_v = \) áp lực phủ đất thẳng đứng tổng cộng tại cao độ đáy hầm (invert) (ksf)
\(\qquad \qquad \gamma_t = \) dung trọng tổng cộng của đất (kcf)
\(\qquad \qquad H = \) chiều dày lớp đất phủ, đo từ mặt đất đến đỉnh hầm (ft)
\(\qquad \qquad D = \) chiều cao hầm, hoặc đường kính đối với hầm tròn (ft)
\(\qquad \qquad R_d = \)hệ số giảm ứng suất phụ thuộc chiều sâu; có thể ước tính theo các quan hệ sau:

\(\qquad \qquad R_d = \) 1.0-0.00233z với z <30 ft
\(\qquad \qquad R_d = \) 1.174-0.00814z với 30 ft< z < 75 ft
\(\qquad \qquad R_d = \) 0.744-0.00244z với 75 ft < z < 100 ft
\(\qquad \qquad R_d = \) 0.5 với z>100 ft

trong đó: z = chiều sâu (ft) từ mặt đất đến cao độ đáy hầm (invert), được biểu diễn bằng: z = (H+D).

Vỏ hầm phù hợp với biến dạng cắt free-field:

Khi vỏ hầm tròn được giả định là bị ovaling theo các biến dạng do nền đất xung quanh gây ra, chẳng hạn biến dạng cắt, thì độ cứng tiết diện ngang của vỏ hầm bị bỏ qua hoàn toàn. Giả thiết này có lẽ hợp lý đối với hầu hết các hầm tròn trong đá và trong đất cứng, vì độ cứng của vỏ hầm chống lại biến dạng méo nhỏ so với độ cứng của môi trường xung quanh. Tuy nhiên, tùy thuộc vào định nghĩa “biến dạng của môi trường xung quanh”, thiết kế dựa trên giả thiết này có thể quá bảo thủ trong một số trường hợp và không bảo thủ trong các trường hợp khác. Nội dung này sẽ được thảo luận thêm bên dưới.

Trong phần thảo luận này, biến dạng cắt của nền đất xung quanh có thể được định nghĩa theo hai cách. Nếu nền đất nguyên vẹn trong điều kiện free-field được dùng để xác định biến dạng cắt xung quanh vỏ hầm, thì vỏ hầm phải được thiết kế để phù hợp với độ thay đổi đường kính lớn nhất, \(\Delta D_\text{free-field}\), như thể hiện ở phần trên của Hình 13-15.

Độ thay đổi đường kính lớn nhất của lớp lót trong trường hợp này có thể được xác định như sau:

\[
\Delta D_{free-field} = \pm(\gamma_{max}/2)D\tag{13-8}
\]

Trong đó:
\(\qquad \qquad D = \) đường kính hầm
\(\qquad \qquad \gamma_\text{max} = \) biến dạng cắt free-field lớn nhất

Mặt khác, nếu biến dạng nền đất được xác định bằng cách giả định sự hiện diện của một khoang rỗng do đào hầm (phần dưới của Hình 13-15, đối với nền đất đã bị khoét rỗng), thì lớp lót hầm phải được thiết kế theo biến dạng đường kính được biểu diễn như sau:

\[
\Delta D_{cavity} = \pm 2\gamma_{max}(1-\nu_m)D\tag{13-9}
\]

Trong đó: \(ν_m = \) hệ số Poisson của môi trường

Các phương trình 13-8 và 13-9 đều giả định không có vỏ hầm. Nói cách khác, tương tác hầm–nền đất bị bỏ qua.

So sánh giữa các phương trình 13-8 và 13-9 cho thấy biến dạng của nền đất đã bị khoét rỗng sẽ tạo ra biến dạng lớn hơn nhiều so với trường hợp free-field (nền đất chưa bị khoét rỗng). Đối với môi trường đất điển hình, sự khác biệt có thể lên đến khoảng ba lần. Dựa trên các giả định đã nêu, có thể rút ra một số kết luận sơ bộ như sau:

• Phương trình 13-9, đối với biến dạng nền đất đã bị khoét rỗng, nên cho một ước tính hợp lý về biến dạng của vỏ hầm có độ cứng chống biến dạng nhỏ so với môi trường xung quanh.
• Ngược lại, phương trình 13-8, đối với biến dạng free-field của nền đất, nên cho kết quả hợp lý đối với vỏ hầm có độ cứng chống biến dạng gần bằng hoặc bằng môi trường xung quanh.

Dựa trên các thảo luận ở trên, có thể đề xuất thêm rằng vỏ hầm có độ cứng chống biến dạng lớn hơn môi trường xung quanh sẽ chịu biến dạng nhỏ hơn cả biến dạng free-field. Trường hợp sau cùng này có thể xảy ra khi hầm được xây dựng trong đất mềm đến rất mềm. Do đó, rõ ràng là độ cứng tương đối giữa hầm và nền đất xung quanh, tức là hiệu ứng tương tác đất–kết cấu, đóng vai trò quan trọng trong việc định lượng phản ứng của hầm trong điều kiện tải trọng động đất. Ảnh hưởng này sẽ được thảo luận tiếp theo.

Tầm quan trọng của độ cứng vỏ hầm – Tỷ số nén lún và tỷ số mềm dẻo:

Để định lượng độ cứng tương đối giữa vỏ hầm tròn và môi trường xung quanh, hai tỷ số được gọi là tỷ số nén lún C và tỷ số mềm dẻo F (Hoeg, 1968; Peck và cộng sự, 1972) được định nghĩa theo các phương trình sau:

Tỷ số nén lún:

\[
C=\frac{E_m(1-\nu_l^2)R_l}{E_lt_l(1+\nu_m)(1-2\nu_m)}\tag{13-10}
\]

Tỷ số mềm dẻo:

\[
F=\frac{E_m(1-\nu_l^2)R_l^3}{6E_lI_{l,1}(1+\nu_m)}\tag{13-11}
\]

Trong đó:
\(\qquad \qquad E_m = \) mô đun đàn hồi tương thích biến dạng của nền đất xung quanh
\(\qquad \qquad \nu_m = \) hệ số Poisson của nền đất xung quanh
\(\qquad \qquad R_l = \) bán kính danh định của vỏ hầm
\(\qquad \qquad \nu_l = \) hệ số Poisson của vỏ hầm
\(\qquad \qquad I_{l,1} = \) mô men quán tính của vỏ hầm trên một đơn vị bề rộng hầm theo trục hầm
\(\qquad \qquad t_l = \) chiều dày vỏ hầm

Trong hai tỷ số này, thường có ý kiến cho rằng tỷ số mềm dẻo là quan trọng hơn, vì nó liên quan đến khả năng của vỏ hầm trong việc chống lại biến dạng do nền đất áp đặt. Như sẽ được thảo luận sau, tỷ số nén lún cũng có ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng lực dọc của vỏ hầm.

Đối với hầu hết các hầm tròn gặp trong thực tế, tỷ số mềm dẻo F có khả năng đủ lớn, chẳng hạn F > 20, để có thể bỏ qua hiệu ứng tương tác hầm–nền đất (Peck, 1972). Cần lưu ý rằng F > 20 cho thấy nền đất cứng hơn vỏ hầm khoảng 20 lần. Trong các trường hợp này, các biến dạng mà vỏ hầm phải chịu có thể được giả định hợp lý là bằng với biến dạng của nền đất đã bị khoét rỗng, tức là ΔD_cavity.

Quy trình kinh nghiệm này có thể gây ra một số vấn đề thiết kế khi một kết cấu rất cứng được bao quanh bởi đất rất mềm. Một ví dụ điển hình là xây dựng một hầm dìm rất cứng trong lớp trầm tích mềm ở đáy hồ hoặc lòng sông. Trong trường hợp này, tỷ số mềm dẻo rất thấp, và vỏ hầm cứng không thể được thiết kế một cách thực tế để biến dạng theo các biến dạng do nền đất mềm áp đặt. Khi đó, hiệu ứng tương tác hầm–nền đất phải được xét đến để đạt được thiết kế hiệu quả hơn.

Trong phần tiếp theo, một quy trình tinh chỉnh có xét đến hiệu ứng tương tác hầm–nền đất sẽ được trình bày, nhằm cung cấp đánh giá chính xác hơn về hiệu ứng ovaling do động đất đối với vỏ hầm tròn.

13.5.1.2 Lời giải tương tác vỏ hầm–nền đất bằng phương pháp giải tích cho phản ứng ovaling của hầm tròn

Các lời giải giải tích dạng kín đã được đề xuất (Wang, 1993) để ước tính tương tác đất–kết cấu đối với hầm tròn trong điều kiện tải trọng động đất. Các lời giải này nhìn chung dựa trên các giả định sau:

• Nền đất là môi trường vô hạn, đàn hồi, đồng nhất và đẳng hướng.
• Vỏ hầm tròn nói chung là một ống thành mỏng, đàn hồi, trong điều kiện biến dạng phẳng.
• Điều kiện trượt hoàn toàn hoặc không trượt tồn tại dọc theo mặt tiếp xúc giữa nền đất và vỏ hầm.

Các biểu thức của các phản ứng vỏ hầm này là hàm của tỷ số mềm dẻo và tỷ số nén lún như đã trình bày trước đó trong các phương trình 13-10 và 13-11. Các biểu thức cho lực dọc lớn nhất \(T_{max}\), mô men uốn \(M_{max}\), và biến dạng đường kính \(\Delta D/D\), có thể được trình bày dưới các dạng sau:

\[
M_{max}=\pm \frac{1}{6}K_1 \frac{E_m}{(1+\nu_m)} R_l^2 \gamma_{max}\tag{13-12}
\]

\[
T_{max}=\pm K_2 \frac{E_m}{2(1+\nu_m)} R_l \gamma_{max}\tag{13-13}
\]

\[
\Delta D_{max}/D=\pm \frac{1}{3}K_1 F\gamma_{max}\tag{13-14}
\]

\[
K_1=\frac{12(1-\nu_m)}{2F+5-6\nu_m}\tag{13-15}
\]

\[
K_2=1+\frac{
F[(1-2\nu_m)-(1-2\nu_m)C]-\frac{1}{2}(1-2\nu_m)^2C+2
}{
F[(3-2\nu_m)+(1-2\nu_m)C]+C[\frac{5}{2}-8\nu_m+6\nu_m^2]+6-8\nu_m
}\tag{13-16}
\]

\(K_1\) và \(K_2\) được định nghĩa ở đây là các hệ số phản ứng của vỏ hầm. Tham số tải trọng động đất được biểu diễn bằng biến dạng cắt lớn nhất gây ra trong nền đất free-field, \(\gamma_\text{max}\), có thể được xác định bằng một phương pháp đơn giản hóa, chẳng hạn như phương trình 13-15 hoặc 13-16, hoặc bằng cách thực hiện phân tích phản ứng nền.

Biến dạng thớ biên lớn nhất \(\varepsilon_m\) do mô men uốn gây ra, và biến dạng \(\varepsilon_T\) do lực dọc, tức lực nén vòng, gây ra có thể được xác định như sau:

\[
\varepsilon_m=\pm \frac{1}{6}K_1\frac{E_m}{(1+\nu_m)}R_l^2\frac{\gamma_{max}t_l}{2E_lI_l}\tag{13-17}
\]

\[
\varepsilon_T=\pm K_2\frac{E_m}{2(1+\nu_m)}R_l\frac{\gamma_{max}}{E_lt_l}\tag{13-18}
\]

Để thuận tiện cho quá trình thiết kế, Hình 13-16 trình bày hệ số phản ứng của vỏ hầm \(K_1\) như một hàm của tỷ số mềm dẻo và hệ số Poisson của nền đất. Các biểu đồ thiết kế thể hiện hệ số phản ứng của vỏ hầm \(K_2\), chủ yếu được sử dụng để đánh giá phản ứng lực nén vòng, được trình bày lần lượt trong Hình 13-17, Hình 13-18 và Hình 13-19 cho các giá trị hệ số Poisson bằng 0.2, 0.35 và 0.5.

Cần lưu ý rằng các lời giải theo \(M_{max}\), \(\Delta D_{max}\) và \(\varepsilon_m\) được trình bày ở đây dựa trên giả định mặt tiếp xúc trượt hoàn toàn (full-slip interface). Đối với phản ứng lực nén vòng lớn nhất \(T_{max}\), điều kiện mặt tiếp xúc được giả định là không trượt (no-slip). Các giả định này được áp dụng vì điều kiện trượt hoàn toàn cho kết quả bảo thủ hơn đối với \(M_{max}\) và \(\Delta D_{max}\), trong khi điều kiện không trượt lại bảo thủ hơn đối với \(T_{max}\). Trong động đất, hiện tượng trượt tại mặt tiếp xúc nói chung chỉ có khả năng xảy ra đối với các hầm trong đất mềm, hoặc khi cường độ tải trọng động đất rất lớn. Đối với hầu hết các hầm, điều kiện tại mặt tiếp xúc nằm giữa hai trạng thái trượt hoàn toàn và không trượt. Khi tính toán nội lực và biến dạng trong vỏ hầm, nên khảo sát cả hai trường hợp và sử dụng trường hợp bất lợi hơn trong thiết kế.

Mức độ bảo thủ được mô tả ở trên là cần thiết để bù lại khả năng đánh giá thấp nội lực của vỏ hầm do sử dụng mô hình tĩnh tương đương thay cho điều kiện tải trọng động thực sự. Các nghiên cứu trước đây cho thấy lời giải động thực sự sẽ cho kết quả lớn hơn khoảng 10 đến 15% so với lời giải tĩnh tương đương, với điều kiện bước sóng động đất lớn hơn ít nhất khoảng 8 lần chiều rộng hố đào (khoang rỗng). Do đó, mô hình trượt hoàn toàn được khuyến nghị sử dụng để đánh giá phản ứng mô men và chuyển vị (tức là Hình 13-16 và Phương trình 13-15) của vỏ hầm tròn.

Tuy nhiên, việc sử dụng điều kiện trượt hoàn toàn sẽ đánh giá thấp đáng kể lực nén vòng lớn nhất \(T_{max}\) dưới điều kiện cắt đơn giản do động đất. Vì vậy, giả định mặt tiếp xúc không trượt được khuyến nghị sử dụng khi đánh giá phản ứng lực nén vòng của vỏ hầm (Phương trình 13-16).

Độ cứng hữu hiệu của vỏ hầm:

Các kết quả trình bày ở trên dựa trên giả định rằng vỏ hầm là một vòng tròn liền khối và liên tục, với các đặc tính đàn hồi còn nguyên vẹn. Nhiều hầm tròn được xây dựng bằng vỏ hầm phân đoạn, có bu lông hoặc không có bu lông liên kết. Ngoài ra, vỏ hầm bê tông chịu uốn và lực nén vòng thường sẽ bị nứt và ứng xử theo cách phi tuyến. Do đó, khi áp dụng các kết quả trình bày ở đây, nên sử dụng độ cứng hữu hiệu, hoặc tương đương, của vỏ hầm. Một số phương pháp đơn giản và gần đúng để xét đến ảnh hưởng của mối nối đến độ cứng vỏ hầm có thể được tìm thấy trong tài liệu.

• Monsees và Hansmire (1992) đề xuất sử dụng độ cứng hữu hiệu của vỏ hầm bằng một nửa độ cứng của tiết diện vỏ hầm đầy đủ.
• Các nghiên cứu giải tích của Paul và cộng sự (1983) đề xuất rằng độ cứng hữu hiệu nên nằm trong khoảng từ 30 đến 95% độ cứng của vỏ hầm nguyên vẹn, toàn tiết diện.
• Muir Wood (1975) và Lyons (1978) đã khảo sát ảnh hưởng của các mối nối trong vỏ hầm phân đoạn bê tông đúc sẵn và cho thấy rằng đối với vỏ hầm có “n” phân đoạn, độ cứng hữu hiệu của vòng vỏ hầm là:

\[
I_e = I_j + \left(\frac{4}{n}\right)^2 I\tag{13-19}
\]

Trong đó:
\(\qquad \qquad I_e < I \text{ và } n > 4 \)
\(\qquad \qquad I = \) độ cứng của vỏ hầm nguyên vẹn, toàn tiết diện
\(\qquad \qquad I_j = \) độ cứng hữu hiệu của vỏ hầm tại mối nối
\(\qquad \qquad I_e = \) độ cứng hữu hiệu của vỏ hầm

13.5.1.3 Lời giải tương tác vỏ hầm–nền đất bằng phương pháp giải tích cho phản ứng racking của hầm chữ nhật

Khái quát:

Các hầm giao thông đặt nông thường có dạng chữ nhật và thường được xây dựng bằng phương pháp đào mở lấp lại (cut-and-cover). Thông thường, hầm được thiết kế như một kết cấu hộp khung cứng. Từ quan điểm thiết kế động đất, các kết cấu hộp này có một số đặc điểm khác với hầm tròn khoan/đào, ngoài các khía cạnh hình học. Ý nghĩa của ba đặc điểm này đối với thiết kế động đất được thảo luận dưới đây.

Thứ nhất, hầm đào mở lấp lại thường được xây dựng ở độ sâu nông trong đất, nơi biến dạng nền đất do động đất và cường độ rung lắc có xu hướng lớn hơn so với các vị trí sâu hơn, do độ cứng của đất thấp hơn và hiệu ứng khuếch đại tại hiện trường. Như đã thảo luận trước đó, kinh nghiệm từ các hầm trước đây cho thấy các hầm có lớp đất phủ nông thường dễ bị tổn thương do động đất hơn so với hầm sâu.

Thứ hai, một khung hộp thường không truyền tải trọng tĩnh hiệu quả như vỏ hầm tròn, dẫn đến tường và bản của khung hộp dày hơn nhiều. Do đó, kết cấu hầm chữ nhật thường cứng hơn vỏ hầm tròn theo phương ngang và ít chịu được biến dạng hơn. Đặc điểm này, cùng với các biến dạng nền đất do động đất có thể lớn và thường gặp trong các lớp đất nông, làm cho hiệu ứng tương tác đất–kết cấu trở nên đặc biệt quan trọng đối với thiết kế động đất của hầm chữ nhật đào mở lấp lại, bao gồm cả các hầm được xây dựng bằng phương pháp hạ chìm/hầm dìm.

Thứ ba, đất thường được đắp lại phía trên kết cấu và có thể nằm giữa nền đất tại hiện trường và kết cấu. Thông thường, đất đắp lại có thể gồm vật liệu đầm chặt với các tính chất khác với đất tại hiện trường. Các tính chất của đất đắp lại cũng như của nền đất tại hiện trường cần được xét đến đầy đủ trong thiết kế và phân tích. Tuy nhiên, ảnh hưởng của đất đắp lại không thể được xét đến khi sử dụng các lời giải giải tích dạng kín. Thay vào đó, thường cần phân tích số phức tạp hơn khi ảnh hưởng của đất đắp lại được xem là đáng kể trong việc đánh giá phản ứng động đất của hầm đào mở lấp lại.

Các quy trình đánh giá được trình bày trong mục này dựa trên phương pháp giải tích đơn giản hóa. Phương pháp mô hình hóa số tinh chỉnh hơn được thảo luận trong Mục 13.5.1.4.

Hiệu ứng racking:

Trong động đất, một kết cấu hộp chữ nhật trong đất hoặc đá sẽ chịu biến dạng racking theo phương ngang do biến dạng cắt của nền đất, theo cách tương tự với hiệu ứng ovaling của hầm tròn đã thảo luận trong Mục 13.5.1.1. Hiệu ứng racking lên kết cấu tương tự như điều kiện tải trọng mất cân bằng.

Các lực bên ngoài tác dụng lên kết cấu có dạng ứng suất cắt và áp lực pháp tuyến phân bố quanh các mặt ngoài của hộp. Độ lớn và sự phân bố của các lực bên ngoài này rất phức tạp và khó đánh giá. Tuy nhiên, kết quả cuối cùng là các chu kỳ nội lực và ứng suất bổ sung với chiều luân phiên trong các cấu kiện kết cấu. Các lực và ứng suất động này chồng lên trạng thái ứng suất tĩnh hiện có trong các cấu kiện. Đối với kết cấu khung hộp cứng, dạng hư hỏng tiềm tàng nghiêm trọng nhất do hiệu ứng racking là tình trạng bất lợi tại các nút liên kết phía trên và phía dưới (xem Hình 13-1, Hình 13-11, Hình 13-12 và Hình 13-13).

Do tác dụng tổng thể của tải trọng đất do động đất gây ra là làm cho kết cấu bị racking, nên sẽ hợp lý hơn khi tiếp cận bài toán bằng cách quy định tải trọng dưới dạng biến dạng. Vì vậy, mục tiêu thiết kế kết cấu là bảo đảm kết cấu có thể hấp thụ đầy đủ biến dạng racking áp đặt, tức là phương pháp biến dạng, thay vì sử dụng tiêu chí chống lại một áp lực đất động được quy định trước, tức là phương pháp lực. Do đó, trọng tâm của các phần còn lại trong chương này là phương pháp dựa trên biến dạng racking do động đất.

Phương pháp biến dạng racking free-field:

Trước đây đã có đề xuất rằng kết cấu hầm chữ nhật được thiết kế bằng cách giả định lượng racking áp đặt lên kết cấu bằng với biến dạng cắt free-field của môi trường xung quanh, như minh họa trong Hình 13-20, tức là \(\Delta_{free-field}=\Delta_s\). Theo giả định này, độ cứng racking của kết cấu bị bỏ qua.

Phương pháp biến dạng free-field là một công cụ thiết kế đơn giản và hiệu quả khi biến dạng nền đất do động đất gây ra là nhỏ, ví dụ khi cường độ rung lắc thấp hoặc nền đất rất cứng. Trong các điều kiện này, hầu hết các dạng kết cấu thực tế đều có thể dễ dàng hấp thụ biến dạng của đất mà không bị hư hại. Phương pháp này cũng là hợp lý khi độ cứng chống vênh của kết cấu tương đương với độ cứng của môi trường đất xung quanh.

Tuy nhiên, theo báo cáo của Wang (1993), quy trình đơn giản này có thể dẫn đến thiết kế quá thiên về an toàn (tức là khi Δ_free-field > Δ_s), hoặc thiết kế không thiên về an toàn (tức là khi Δ_free-field < Δ_s), tùy thuộc vào độ cứng tương đối giữa đất và kết cấu. Các trường hợp quá thiên về an toàn thường xảy ra trong đất mềm. Biến dạng free-field do động đất gây ra thường lớn trong đất mềm, đặc biệt khi chúng chịu các hiệu ứng khuếch đại. Trớ trêu là các kết cấu hộp chữ nhật trong đất mềm thường được thiết kế với cấu hình để chống lại tải trọng tĩnh, làm cho chúng kém chịu được biến dạng vênh. Việc áp đặt biến dạng free-field lên kết cấu trong tình huống này có khả năng dẫn đến mức độ bảo thủ không cần thiết, vì kết cấu cứng có thể biến dạng ít hơn đất mềm.

Mặt khác, các trường hợp không thiên về an toàn xuất hiện khi độ cứng chống cắt của đất lớn hơn độ cứng chống vênh của kết cấu — một ứng xử tương tự như hiện tượng ovaling của hầm tròn đã mô tả ở Mục 13.5.1.1. Để định lượng chính xác hơn phản ứng vênh của kết cấu hầm chữ nhật, phần sau trình bày một quy trình hợp lý có xét đến hiệu ứng tương tác hầm–đất.

Phân tích tương tác hầm–đất:

Mặc dù các nghiệm dạng đóng có xét đến tương tác đất–kết cấu, như các nghiệm trình bày ở Mục 13.5.1.1, hiện có sẵn cho các hầm tròn sâu có vỏ hầm, nhưng chúng chưa sẵn có cho hầm chữ nhật, chủ yếu do các đặc trưng hình học rất biến đổi thường gặp ở hầm chữ nhật. Điều kiện ứng suất–biến dạng phức tạp do động đất gây ra cũng là một nguyên nhân khác, vì phần lớn hầm chữ nhật được xây dựng bằng phương pháp đào hở ở độ sâu nông, nơi biến dạng và ứng suất của nền đất do động đất gây ra thay đổi đáng kể theo chiều sâu.

Để phát triển một quy trình thiết kế đơn giản và thực tế, Wang (1993) đã thực hiện một loạt phân tích phần tử hữu hạn động về tương tác đất–kết cấu. Trong nghiên cứu này, các yếu tố chính có khả năng ảnh hưởng đến phản ứng vênh động của kết cấu hầm chữ nhật đã được khảo sát. Các yếu tố này bao gồm:

• Độ cứng tương đối giữa đất và kết cấu. Dựa trên các kết quả thu được từ hầm tròn (xem 13.5.1.1), dự kiến độ cứng tương đối giữa đất và kết cấu là yếu tố chi phối tương tác đất/kết cấu. Một loạt phân tích sử dụng các mặt cắt đất có tính chất thay đổi và các kết cấu có độ cứng chống vênh khác nhau đã được thực hiện nhằm nghiên cứu tham số. Một trường hợp đặc biệt, trong đó kết cấu hầm đặt trực tiếp trên vật liệu móng cứng, ví dụ đá, cũng được khảo sát.
• Hình học kết cấu. Năm loại hình học kết cấu chữ nhật khác nhau đã được nghiên cứu, bao gồm kết cấu hầm một khoang một tầng, một khoang hai tầng và từng khoang hai nhịp.
• Chuyển động động đất đầu vào. Hai gia tốc đồ lịch sử thời gian khác nhau rõ rệt được sử dụng làm kích thích động đất đầu vào.
• Độ sâu chôn hầm. Hầu hết các hầm đào hở được xây dựng ở độ sâu nông. Nhiều độ sâu chôn hầm khác nhau đã được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của hiệu ứng độ sâu chôn hầm.

Tổng cộng 36 phân tích phần tử hữu hạn động đã được thực hiện để xét đến các biến số nêu trên. Dựa trên kết quả phân tích, một quy trình đơn giản hóa có xét đến tương tác đất–kết cấu trong phân tích vênh của hầm chữ nhật đã được phát triển. Quy trình từng bước được trình bày dưới đây (Wang, 1993).

Ngoài ra, có thể thực hiện phân tích đáp ứng nền theo điều kiện riêng của vị trí để đánh giá Δ_free-field chính xác hơn. Phân tích đáp ứng nền theo điều kiện riêng của vị trí được khuyến nghị cho các hầm chôn trong đất mềm.

Mô đun cắt tương thích biến dạng có thể được xác định từ vận tốc sóng cắt hiệu dụng tương thích biến dạng, \(C_{se}\); xem Phương trình 13-4.

Phần suy dẫn chi tiết của tỷ số mềm dẻo \(F_r\) được trình bày trong Wang (1993).

Từ một loạt phân tích phần tử hữu hạn động, Wang (1993) đã trình bày các kết quả cho thấy mối quan hệ giữa vênh của kết cấu và tỷ số mềm dẻo, \(F_r\). Các giá trị \(R_r\) so với \(F_r\) thu được từ các phân tích phần tử hữu hạn động được thể hiện trong Hình 13-21(a) và Hình 13-21(b). Trong các hình này cũng thể hiện các đường cong từ nghiệm tĩnh dạng đóng cho hầm tròn (tham khảo Mục 13.5.1.1). Các nghiệm thể hiện trong hình gồm nghiệm full-slip do Wang (1993) và Penzien (2000) trình bày, và nghiệm no-slip do Penzien (2000) trình bày.

Như có thể thấy trong các hình, các đường cong từ nghiệm dạng đóng cho kết quả xấp xỉ tốt so với kết quả phân tích phần tử hữu hạn. Do đó, các đường cong này có thể được sử dụng để ước tính khá tốt biến dạng vênh của hầm chữ nhật như một hàm của tỷ số mềm dẻo được định nghĩa bởi Phương trình 13-21. Các biểu thức giải tích cho các đường cong trong Hình 13-21 là:

Đối với điều kiện tiếp xúc no-slip:

\[R_r = \dfrac{4(1 − ν_m)F_r}{3 − 4ν_m + F_r} \tag{13-23}\]

Đối với điều kiện tiếp xúc full-slip:

\[R_r = \dfrac{4(1 − ν_m)F_r}{2.5 − 3ν_m + F_r} \tag{13-24}\]

Có thể rút ra một số nhận xét từ Hình 13-21. Khi \(F_r\) bằng 0, kết cấu là cứng tuyệt đối, không có biến dạng vênh được gây ra, và kết cấu chuyển động như một vật thể cứng trong quá trình động đất. Khi \(F_r\) bằng 1, biến dạng vênh của kết cấu xấp xỉ bằng biến dạng của đất, và bằng chính xác biến dạng của đất đối với điều kiện tiếp xúc no-slip. Đối với kết cấu mềm dẻo so với nền đất xung quanh \(F_r > 1\), biến dạng vênh của kết cấu lớn hơn biến dạng free-field. Như Penzien (2000) đã lưu ý, nếu kết cấu không có độ cứng, tức \(F_r\) → ∞, thì \(R_r\) xấp xỉ bằng \(4(1 − ν_m)\), là trường hợp của khoang rỗng không có vỏ hầm.

Như chỉ ra trong Hình 13-22, nên sử dụng hai mô hình lực ngang giả tĩnh. Các phản ứng bất lợi hơn từ hai mô hình này nên được dùng cho thiết kế. Nếu chuyển vị đủ lớn để gây biến dạng không đàn hồi trong kết cấu, cần thực hiện phân tích tương tác đất–kết cấu phi đàn hồi để đánh giá ứng xử kết cấu và bảo đảm kết cấu hầm có đủ cường độ cũng như khả năng chịu chuyển vị.

Dưới tác dụng của động đất thiết kế, biến dạng không đàn hồi trong kết cấu có thể được cho phép tùy thuộc vào tiêu chí tính năng, với điều kiện độ ổn định tổng thể của hầm vẫn được duy trì. Việc cấu tạo chi tiết các cấu kiện và mối nối của kết cấu phải bảo đảm đủ cường độ bên trong, độ dẻo và khả năng hấp thụ năng lượng nếu dự kiến có biến dạng không đàn hồi.

13.5.1.4 Phương pháp mô hình số

Các nghiệm giải tích được trình bày trong Mục 13.5.1.2 và 13.5.1.3 cho ứng xử ngang của kết cấu hầm (tức là ovaling đối với hầm tròn và racking đối với hầm chữ nhật) được xây dựng dựa trên các điều kiện và giả thiết lý tưởng như sau:

• Hầm có dạng tròn hoàn toàn đối với ứng xử ovaling hoặc dạng chữ nhật đối với ứng xử racking.
• Vật liệu bao quanh hầm là đồng nhất và đẳng hướng.
• Hầm nằm rất sâu, cách xa mặt đất, do đó không có phản xạ/khúc xạ sóng động đất từ mặt đất.
• Chỉ xét một hầm đơn lẻ. Không có tương tác từ các hầm hoặc kết cấu khác ở gần.

Hệ đất–kết cấu thực tế gặp tại hiện trường đối với các kết cấu ngầm phức tạp hơn so với các điều kiện lý tưởng nêu trên và có thể cần sử dụng các phương pháp số. Điều này đặc biệt đúng trong trường hợp một kết cấu hầm rất quan trọng nằm trong môi trường động đất mạnh.

Đối với phân tích ovaling/racking theo phương ngang, phương pháp phân tích liên tục bằng phần tử hữu hạn hai chiều hoặc sai phân hữu hạn thường được xem là phương pháp mô hình số phù hợp. Mô hình cần được xây dựng với khả năng xét đến hiệu ứng SSI, cũng như mô tả phù hợp môi trường đất và các chuyển động free-field liên quan (hoặc biến dạng nền đất) thu được từ các phân tích đáp ứng nền của các mặt cắt đất đại diện.

Có ba loại phương pháp phân tích liên tục hai chiều đã được sử dụng trong thực hành kỹ thuật và được mô tả trong các mục sau.

Phương pháp biến dạng dùng hệ số động đất giả tĩnh (pseudo-static):

Trong phương pháp biến dạng dùng hệ số động đất giả tĩnh (pseudo-static), các biến dạng nền đất được tạo ra bởi các hệ số động đất và được phân bố trong miền phần tử hữu hạn/sai phân hữu hạn đang được phân tích. Các hệ số động đất có thể được xác định từ một phân tích đáp ứng nền free-field một chiều riêng biệt.

Phương pháp biến dạng dùng hệ số động đất giả tĩnh (pseudo-static) phù hợp cho các kết cấu ngầm chôn ở độ sâu nông. Quy trình chung khi sử dụng phương pháp này được tóm tắt như sau:

• Thực hiện phân tích đáp ứng nền free-field một chiều, ví dụ dùng chương trình SHAKE. Từ kết quả phân tích, xác định biểu đồ gia tốc nền cực đại theo chiều sâu tính từ mặt đất.
• Xây dựng mô hình liên tục phần tử hữu hạn hai chiều hoặc sai phân hữu hạn hai chiều, bao gồm toàn bộ hệ đào hầm và hệ đất–kết cấu, bảo đảm phạm vi theo phương ngang của miền mô hình, tức khoảng cách ngang đến các biên bên, đủ xa để tránh ảnh hưởng biên. Môi trường địa chất, ví dụ đất, được mô hình hóa bằng các phần tử khối liên tục, còn kết cấu có thể được mô hình hóa bằng phần tử khối liên tục hoặc phần tử khung. Điều kiện biên hai bên cần được đặt sao cho tất cả chuyển vị ngang tại các biên bên được tự do dịch chuyển, còn chuyển vị đứng bị ngăn cản, tức điều kiện biên cố định theo phương đứng và tự do theo phương ngang. Các điều kiện biên bên này được xem là phù hợp cho vị trí có mặt đất tương đối bằng phẳng, chịu các chuyển vị cắt ngang do kích thích theo phương ngang.
• Các mô đun cắt tương thích biến dạng của các lớp đất, được tính từ phân tích đáp ứng nền một chiều, cần được sử dụng trong mô hình liên tục hai chiều.
• Biểu đồ gia tốc nền cực đại, biểu diễn theo chiều sâu tính từ mặt đất, được xác định từ phân tích đáp ứng nền một chiều, được áp dụng cho toàn bộ hệ đất–kết cấu theo phương ngang dưới dạng giả tĩnh (pseudo-static).
• Phân tích được thực hiện với kết cấu hầm đã có trong mô hình, sử dụng biểu đồ gia tốc ngang cực đại quy định và các mô đun cắt tương thích biến dạng trong khối đất. Cần lưu ý rằng phương pháp hệ số động đất giả tĩnh (pseudo-static) này không phải là phân tích động, do đó không xét đến lịch sử chuyển vị, vận tốc hoặc gia tốc. Thay vào đó, phương pháp này tạo ra các chuyển vị cắt nền đất trong toàn bộ hệ đất–kết cấu, tức mô hình liên tục hai chiều, bằng cách áp dụng các ứng suất cắt ngang giả tĩnh (pseudo-static) trong nền đất. Các ứng suất cắt ngang giả tĩnh (pseudo-static) này tăng theo chiều sâu và được tính toán trong phân tích bằng tích của tổng áp lực đất phủ, đại diện cho khối lượng đất, và các hệ số động đất theo phương ngang. Các hệ số động đất này đại diện cho biểu đồ gia tốc ngang cực đại được xác định từ phân tích đáp ứng nền free-field một chiều. Phạm vi theo phương ngang của miền mô hình trong hệ phân tích hai chiều cần đủ xa để tránh ảnh hưởng biên. Theo cách này, các biểu đồ chuyển vị tại hai biên bên được kỳ vọng rất giống với biểu đồ thu được từ phân tích đáp ứng nền free-field một chiều. Tuy nhiên, trong vùng tập trung gần kết cấu hầm, phân bố chuyển vị sẽ khác với free-field, phản ánh ảnh hưởng của tương tác đất–kết cấu, tức sự hiện diện của kết cấu hầm, cũng như ảnh hưởng do một phần khối đất bị loại bỏ để xây dựng hầm, tức một khoảng rỗng trong nền đất.

Phân tích lịch sử thời gian giả động (pseudo-dynamic):

Quy trình sử dụng trong phân tích giả động (pseudo-dynamic) tương tự như phương pháp biến dạng dùng hệ số động đất giả tĩnh (pseudo-static), ngoại trừ việc xác định chuyển vị nền đất và cách áp đặt các chuyển vị này vào hệ liên tục hai chiều là khác nhau.

Phân tích giả động (pseudo-dynamic) bao gồm việc cho hệ đất–kết cấu biến đổi từng bước một cách tĩnh học thông qua mô phỏng lịch sử thời gian chuyển vị của các chuyển vị free-field, thu được từ phân tích đáp ứng nền bằng sóng cắt truyền theo phương đứng, ví dụ phân tích SHAKE.

Dưới tải trọng giả động (pseudo-dynamic), mặt cắt ngang của kết cấu hầm sẽ chịu các méo dạng nền đất gây ra này. Hình 13-23 trình bày ví dụ về phân tích phần tử hữu hạn liên tục hai chiều cho kết cấu hầm dìm chịu lịch sử thời gian chuyển vị động hoặc giả tĩnh.

Trong mô hình này, cả môi trường địa chất, ví dụ đất, và kết cấu hầm đều được mô hình hóa bằng các phần tử khối liên tục. Như thể hiện trong hình, ngoài đất tại hiện trường tự nhiên, mô hình cũng có thể xét đến ảnh hưởng của vật liệu lấp phía sau, trong rãnh nạo vét, đến ứng xử ovaling/racking của kết cấu hầm. Khi cần thiết, ứng xử phi đàn hồi của kết cấu hầm cũng có thể được xét đến và đưa vào mô hình.

Mô hình thể hiện trong Hình 13-23 bao gồm cả môi trường địa chất và kết cấu trong cùng một mô hình. Ngoài ra, phân tích cũng có thể được thực hiện theo cách tách rời (de-coupled), trong đó kết cấu hầm được phân tích riêng biệt với môi trường địa chất xung quanh. Phân tích tách rời (de-coupled) này gồm hai bước chung như sau:

• Tính toán các chuyển vị nền phân tán (scattered ground displacements) tại chu vi khoang rỗng của hầm chịu động đất thiết kế, khi chưa có kết cấu hầm. Lưu ý rằng đây là các chuyển động phân tán (scattered motions), không phải chuyển động free-field, do sự hiện diện của khoang rỗng trong nền đất. Phân tích đáp ứng nền hai chiều thường được thực hiện bằng mô hình biến dạng phẳng phần tử hữu hạn/sai phân hữu hạn liên tục để xác định các chuyển vị nền phân tán này. Mô hình đất liên tục và các đặc trưng tương ứng của đất phải phù hợp với mức biến dạng của đất dự kiến phát triển trong quá trình kích thích động đất, tức sử dụng các đặc trưng đất tương thích biến dạng.
• Áp đặt các chuyển vị thu được tại chu vi khoang rỗng của hầm lên kết cấu hầm, ví dụ mô hình khung, thông qua các lò xo tương tác đất để đánh giá ứng xử động đất của kết cấu hầm. Khi phù hợp, các điều kiện tiếp xúc giữa khung hầm và đất xung quanh cần cho phép hình thành khe hở cũng như trượt.

Phân tích lịch sử thời gian động:

Nhìn chung, quán tính của hầm là nhỏ so với quán tính của môi trường địa chất xung quanh. Do đó, việc phân tích biến dạng hầm bằng phân tích giả tĩnh (pseudo-static) hoặc giả động (pseudo-dynamic), trong đó các chuyển vị hoặc lịch sử thời gian chuyển vị được áp dụng tĩnh học vào hệ đất–kết cấu, là hợp lý. Phân tích lịch sử thời gian động có thể được sử dụng để tinh chỉnh thêm phân tích khi cần thiết, đặc biệt khi một số phần của kết cấu hầm có thể phản ứng động dưới tải trọng động đất, tức trong trường hợp hiệu ứng quán tính (inertial effect) của kết cấu hầm được xem là đáng kể.

Trong phân tích lịch sử thời gian động, toàn bộ hệ đất–kết cấu chịu các kích thích động (dynamic excitations) bằng cách sử dụng các lịch sử thời gian chuyển động nền làm dữ liệu đầu vào tại đáy của hệ đất–kết cấu. Các lịch sử thời gian chuyển động nền dùng cho mục đích này cần được xây dựng sao cho phù hợp với phổ đáp ứng thiết kế mục tiêu và có các đặc trưng đại diện cho môi trường động đất của khu vực cũng như điều kiện địa điểm, xem Mục 13.2.3.

Hình 13-24 trình bày một ví dụ phân tích lịch sử thời gian động bằng mô hình sai phân hữu hạn liên tục hai chiều cho kết cấu hộp đào-lấp. Cần lưu ý trong hình rằng các điều kiện biên bên trong phân tích lịch sử thời gian động cần được thiết lập sao cho các sóng động đất truyền ra ngoài được phép đi qua, thay vì bị giữ lại trong hệ đất–kết cấu đang được phân tích. Các biên hấp thụ năng lượng (energy absorbing boundaries) đặc biệt cần được đưa vào mô hình để cho phép năng lượng động đất bức xạ ra ngoài thay vì bị giữ lại.

13.5.2 Đánh giá đáp ứng dọc của kết cấu hầm

Tương tự các quy trình đã thảo luận để đánh giá đáp ứng ngang của kết cấu hầm, các quy trình đánh giá đáp ứng dọc của kết cấu hầm cũng có thể dựa trên phương pháp phân tích đơn giản hóa hoặc phương pháp mô hình số phức tạp hơn, tùy thuộc vào mức độ phức tạp của hệ đất–kết cấu, mức độ nguy hiểm động đất và tầm quan trọng của kết cấu. Mục 13.5.2.1 trình bày phương pháp biến dạng free-field đơn giản hóa, trong đó bỏ qua ảnh hưởng tương tác đất–kết cấu. Sau đó, một phương pháp tinh chỉnh hơn được trình bày ở Mục 13.5.2.2, có xét đến ảnh hưởng tương tác đất–kết cấu dựa trên lý thuyết dầm trên nền đàn hồi. Phương pháp toàn diện và phức tạp hơn sử dụng mô hình số được trình bày ở Mục 13.5.2.3.

13.5.2.1 Quy trình biến dạng free-field

Quy trình này giả định rằng vỏ hầm biến dạng phù hợp với biến dạng dọc trục và biến dạng cong của nền đất trong điều kiện free-field, tức là khi không có sự hiện diện của hầm. Mặc dù có tính bảo thủ, giả định này vẫn cho kết quả đánh giá hợp lý vì trong hầu hết các trường hợp, độ cứng của vỏ hầm được xem là tương đối mềm dẻo so với nền đất. Quy trình này yêu cầu dữ liệu đầu vào tối thiểu, nên hữu ích như một công cụ thiết kế sơ bộ và như một phương pháp kiểm chứng thiết kế.

Vỏ hầm sẽ phát sinh biến dạng dọc trục và biến dạng uốn để thích ứng với các biến dạng dọc trục và biến dạng cong do nền đất xung quanh gây ra. St. John và Zahrah (1987) đã phát triển các nghiệm cho các biến dạng này do sóng nén P, sóng cắt S và sóng Rayleigh R gây ra.

Các biến dạng ε do tổ hợp biến dạng dọc trục và biến dạng cong có thể được xác định bằng cách cộng các biến dạng dọc sinh ra từ biến dạng dọc trục và biến dạng uốn như sau:

Đối với P-waves:

\[
\varepsilon = \dfrac{V_P}{C_P} cos^2 \phi + Y \dfrac{A_P}{C_P^2} sin \phi \ cos^2\phi \tag{13-26}
\]

Đối với S-waves:

\[
\varepsilon = \dfrac{V_S}{C_S} \ sin \phi \ cos \phi + Y \ \dfrac{A_S}{C_S^2} \ cos^3\phi \tag{13-27}
\]

Đối với R-waves:

\[
\varepsilon = \dfrac{V_R}{C_R} \ cos^2\phi + Y\dfrac{A_R}{C_R^2} \ sin \phi \ cos^2\phi \tag{13-28}
\]

Trong đó:
\(\qquad V_P = \) vận tốc hạt cực đại của P-waves tại vị trí hầm
\(\qquad V_S = \) vận tốc hạt cực đại của S-waves tại vị trí hầm
\(\qquad V_R = \) vận tốc hạt cực đại của R-waves tại vị trí hầm
\(\qquad A_P = \) gia tốc hạt cực đại của P-waves tại vị trí hầm
\(\qquad A_S = \) gia tốc hạt cực đại của S-waves tại vị trí hầm
\(\qquad A_R = \) gia tốc hạt cực đại của R-waves tại vị trí hầm
\(\qquad C_P = \) vận tốc lan truyền biểu kiến của P-waves
\(\qquad C_S = \) vận tốc lan truyền biểu kiến của S-waves
\(\qquad C_R = \) vận tốc lan truyền biểu kiến của R-waves
\(\qquad Y = \) khoảng cách từ trục trung hòa của mặt cắt ngang hầm đến thớ biên ngoài cùng của vỏ hầm
\(\qquad \phi = \) góc lan truyền của sóng địa chấn trong mặt phẳng ngang so với trục hầm

Cần lưu ý rằng:

• S-wave thường gây ra biến dạng lớn nhất và là loại sóng khống chế.
• Góc lan truyền sóng φ nên được chọn là góc làm cực đại biến dạng dọc trục tổng hợp.

Vận tốc lan truyền ngang của S-wave, \(C_S\), nói chung phản ánh sự lan truyền của sóng cắt địa chấn qua các lớp đá sâu hơn thay vì qua các lớp đất nông nơi hầm được bố trí. Nhìn chung, giá trị vận tốc này thay đổi khoảng từ 2 đến 4 km/s. Tương tự, vận tốc lan truyền của P-wave, \(C_P\), thường thay đổi trong khoảng 4 đến 8 km/s. Người thiết kế nên tham khảo ý kiến các nhà địa chất/địa chấn có kinh nghiệm để xác định \(C_S\) và \(C_P\). Khi không có dữ liệu riêng cho vị trí công trình, có thể giả định vận tốc lan truyền ngang của S-wave và P-wave lần lượt là 2.5 km/s và 5 km/s.

Khi hầm nằm tại vị trí có các lớp trầm tích đất sâu bên dưới, biến dạng phát sinh có thể bị khống chế bởi R-wave. Trong các lớp trầm tích như vậy, cần thực hiện các phân tích địa chất/địa chấn chi tiết để xác định một ước tính đáng tin cậy cho vận tốc lan truyền biểu kiến của R-wave, Cᵣ.

Các biến dạng tổng hợp tính theo các Phương trình 13-26, 13-27 và 13-28 chỉ thể hiện tác động của tải trọng địa chấn. Để đánh giá mức độ phù hợp của kết cấu trong điều kiện tải trọng địa chấn, thành phần tải trọng địa chấn phải được cộng với các thành phần tải trọng tĩnh bằng các tiêu chí tổ hợp tải trọng thích hợp đã được xây dựng cho kết cấu. Các biến dạng tổng hợp thu được sau đó được so sánh với giới hạn biến dạng cho phép, các giới hạn này cần được xây dựng dựa trên mục tiêu làm việc đã thiết lập cho kết cấu, ví dụ mức độ phục vụ yêu cầu và mức độ hư hại chấp nhận được.

13.5.2.2 Quy trình xét đến ảnh hưởng tương tác đất–kết cấu

Nếu một hầm rất cứng được chôn trong nền đất mềm, sẽ tồn tại các ảnh hưởng tương tác đất–kết cấu đáng kể, và quy trình biến dạng free-field trình bày ở trên có thể dẫn đến thiết kế quá thiên về an toàn. Trong trường hợp này, nên sử dụng quy trình đơn giản hóa dầm trên nền đàn hồi để xét đến các ảnh hưởng tương tác đất–kết cấu. Theo St. John và Zahrah (1987), các ảnh hưởng của tương tác đất–kết cấu có thể được xét đến bằng cách áp dụng các hệ số giảm cho biến dạng dọc trục free-field và biến dạng cong free-field, như sau:

Đối với biến dạng dọc trục:

\[
R = 1 + \frac{E_l A_l}{K_a}\left(\frac{2\pi}{L}\right)^2 \cos^2 \phi \tag{13-29}
\]

Đối với biến dạng uốn:

\[
R = 1 + \frac{E_l I_l}{K_b}\left(\frac{2\pi}{L}\right)^4 \cos^4 \phi\tag{13-30}
\]

Trong đó:
\(\qquad \qquad E_l = \) mô đun Young của vỏ hầm
\(\qquad \qquad A_l = \) diện tích mặt cắt ngang của vỏ hầm
\(\qquad \qquad K_b = \) hằng số lò xo ngang của đất
\(\qquad \qquad K_a = \) hằng số lò xo dọc của đất
\(\qquad \qquad L = \) chiều dài sóng của P-waves, S-waves, hoặc R-waves
\(\qquad \qquad I_l = \) mô men quán tính của mặt cắt ngang vỏ hầm

Cần lưu ý rằng biến dạng dọc trục tính theo quy trình trình bày ở trên không được vượt quá giá trị có thể phát triển từ lực ma sát lớn nhất, \(Q_\text{max}\), giữa vỏ hầm và đất xung quanh. \(Q_\text{max}\) có thể được ước tính bằng biểu thức sau:

\[
Q_{max} = \frac{fL}{4}\tag{13-31}
\]

Trong đó: \(f\) = lực ma sát lớn nhất trên một đơn vị chiều dài hầm.

13.5.2.3 Phương pháp mô hình số

Phương pháp mô hình số để đánh giá đáp ứng dọc của kết cấu hầm là cần thiết trong các trường hợp hầm gặp các thay đổi đột ngột về độ cứng kết cấu, hoặc đi qua điều kiện dưới mặt đất biến đổi mạnh, khi ảnh hưởng của chuyển động nền thay đổi theo không gian do hiệu ứng vị trí địa phương trở nên đáng kể. Các điều kiện này bao gồm, nhưng không giới hạn ở:

• Khi một đoạn hầm thông thường nối với tường cuối nhà ga hoặc một kết cấu cứng, lớn như công trình thông gió.
• Tại vị trí nối giữa hai hầm hoặc tại giao diện hầm/lối thông ngang.
• Khi hầm đi qua hai môi trường địa chất riêng biệt có độ cứng tương phản rõ rệt, ví dụ: hầm đi qua mặt phân cách đất/đá.
• Khi hầm được bao quanh cục bộ bởi các xử lý cải tạo nền, tức là “điểm cứng” (hard spots).

Phân tích số để đánh giá đáp ứng dọc của kết cấu hầm thường được thực hiện bằng phân tích lịch sử thời gian giả động ba chiều nhằm nắm bắt hai dạng biến dạng chính: nén/kéo dọc trục và biến dạng cong. Như đã thảo luận trước đó, do quán tính của hầm nhỏ so với đất xung quanh và quá trình tán xạ của sóng tới là không đáng kể, việc phân tích thường được thực hiện bằng phương pháp giả động, trong đó các lịch sử thời gian chuyển vị free-field được áp đặt tĩnh lên các lò xo đất liên kết với mô hình hầm, để xét đến ảnh hưởng tương tác đất–kết cấu. Quy trình chung cho phân tích lịch sử thời gian giả động theo phương dọc gồm các bước sau:

• Các biến dạng free-field của nền đất tại cao độ hầm trước tiên được xác định bằng cách thực hiện các phân tích đáp ứng động vị trí. Đối với phân tích dọc, cần xét đến các ảnh hưởng ba chiều của chuyển động nền cũng như hiệu ứng vị trí địa phương, kể cả thành phần thay đổi theo không gian dọc theo tuyến hầm. Cũng cần xét đến ảnh hưởng của các sóng truyền xiên.
• Dựa trên kết quả phân tích đáp ứng vị trí, các lịch sử thời gian chuyển vị nền free-field được xây dựng dọc theo trục hầm. Các lịch sử thời gian chuyển vị free-field tại từng điểm dọc theo trục hầm có thể được xác định tại giữa chiều cao và giữa bề rộng của hầm; đồng thời có thể được phân giải thêm thành các lịch sử thời gian chuyển vị đại diện cho chuyển động nền theo phương dọc, phương ngang và phương đứng.
• Mô hình ba chiều phần tử hữu hạn/sai phân hữu hạn được xây dựng dọc theo trục hầm. Trong mô hình này, hầm được rời rạc hóa theo không gian dọc theo trục hầm, trong khi đất/đá xung quanh được biểu diễn bằng các lò xo rời rạc. Nếu dự kiến kết cấu có ứng xử phi tuyến, không đàn hồi, nên sử dụng các phần tử kết cấu phi tuyến để biểu diễn hầm trong mô hình. Tương tự chuyển động nền, các lò xo đất/đá cũng được bố trí theo phương dọc, phương ngang và phương đứng. Tính chất của các lò xo phải phù hợp với các tính chất dùng trong phân tích đáp ứng vị trí nêu trên. Nếu ứng xử phi tuyến của đất/đá cần được xét đến, điều này phải được phản ánh trong các lò xo. Tối thiểu, sức kháng ma sát tới hạn giữa hầm và đất/đá xung quanh phải được xét đến trong các lò xo theo phương dọc để cho phép trượt tương đối.
• Các lịch sử thời gian chuyển vị thiết kế tính toán được nêu trên được áp dụng, theo cách tĩnh từng bước, tại đầu gối tựa của các lò xo đất/đá để biểu diễn tương tác đất–hầm. Nội lực và chuyển vị thu được trong các phần tử kết cấu, cũng như tại các mối nối hầm nếu có, là các yêu cầu động đất dưới ảnh hưởng biến dạng dọc trục/biến dạng cong.

13.6 QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ ĐỘNG ĐẤT – ẢNH HƯỞNG PHÁ HOẠI NỀN ĐẤT

Như đã đề cập trước đó, rủi ro lớn nhất đối với kết cấu hầm là khả năng xảy ra chuyển động nền lớn do điều kiện nền đất không ổn định, ví dụ: hóa lỏng và trượt lở, hoặc do chuyển vị đứt gãy. Nhìn chung, không khả thi khi thiết kế kết cấu hầm để chịu được các chuyển vị nền lớn. Các biện pháp thiết kế phù hợp để xử lý điều kiện nền đất không ổn định có thể gồm:

• Ổn định nền đất
• Đào bỏ và thay thế đất có vấn đề
• Định tuyến lại hoặc chôn sâu để tránh vùng có vấn đề

Đối với chuyển vị đứt gãy, chiến lược tốt nhất là tránh mọi vị trí giao cắt tiềm tàng với các đứt gãy đang hoạt động. Nếu không thể, triết lý thiết kế chung là chấp nhận và thích ứng với các chuyển vị, bằng cách dùng hố đào mở rộng, có thể lấp lại bằng vật liệu có khả năng nén/xẹp, hoặc dùng vỏ hầm dẻo để giảm thiểu tính không thể tránh khỏi của vỏ hầm.

Trong trường hợp độ lớn chuyển vị đứt gãy bị giới hạn, hoặc bề rộng vùng cắt trượt đứt gãy đủ lớn để chuyển vị được phân tán dần trên một khoảng cách, việc thiết kế vỏ hầm để kháng chuyển vị có thể khả thi về mặt kỹ thuật. Tuy nhiên, kết cấu có thể chịu các lực dọc trục, lực cắt và mô men uốn lớn.

Nhiều yếu tố cần được xét đến trong đánh giá, bao gồm độ cứng của vỏ hầm và nền đất, góc giao cắt giữa hầm và đứt gãy, bề rộng vùng đứt gãy và hướng chuyển động đứt gãy. Các quy trình phân tích thường được dùng để đánh giá ảnh hưởng của chuyển vị đứt gãy lên đáp ứng của vỏ hầm. Một số quy trình này ban đầu được phát triển cho đường ống chôn (ASCE Committee on Gas and Liquid Fuel Lifelines, 1984). Các phương pháp continuum finite-element hoặc finite-difference cũng đã được sử dụng hiệu quả để đánh giá các ảnh hưởng tương tác hầm–nền–đứt gãy.

Các mục sau sẽ thảo luận ngắn gọn các xem xét chung và phương pháp được sử dụng để xử lý các dạng ảnh hưởng phá hoại nền đất khác nhau.

13.6.1 Đánh giá đối với đứt gãy phá vỡ

Tổng quát:

Việc đánh giá ứng xử của một hầm có thể chịu các chuyển vị cắt trực tiếp dọc theo một đứt gãy bao gồm: thứ nhất, đặc trưng hóa chuyển vị đứt gãy free-field, tức là các chuyển vị trong trường hợp không có hầm, tại vị trí vùng đứt gãy cắt qua hầm; và thứ hai, đánh giá ảnh hưởng của các chuyển vị đã được đặc trưng hóa đó đối với hầm.

Hình 13-25 là một ví dụ về mối quan hệ như vậy, cho thấy lượng chuyển vị phụ thuộc mạnh vào độ lớn động đất và có thể đạt các giá trị cực đại từ vài feet đến thậm chí hàng chục feet đối với các trận động đất lớn.

Phân tích hầm đối với chuyển vị đứt gãy:

Khi chịu các chuyển vị vi sai do đứt gãy, một kết cấu chôn ngầm có độ cứng cắt và độ cứng uốn có xu hướng chống lại cấu hình biến dạng của độ lệch đứt gãy. Điều này gây ra lực dọc trục, lực cắt và mô men uốn trong kết cấu. Biến dạng dọc trục bị kháng bởi các lực ma sát phát triển tại giao diện đất–hầm theo phương dọc trục, trong khi biến dạng cắt và biến dạng cong bị gây ra bởi sức kháng của đất theo phương vuông góc với vỏ hầm hoặc tường hầm.

Nhìn chung, các quy trình phân tích để đánh giá hầm chịu chuyển vị đứt gãy có thể theo các quy trình dùng cho đường ống chôn. Ba phương pháp phân tích đã được sử dụng trong đánh giá và thiết kế các kết cấu chôn dạng tuyến tính (Ủy ban ASCE về Đường ống dẫn Khí và Nhiên liệu Lỏng, 1984). Các phương pháp đó là:
(1) quy trình Newmark-Hall,
(2) quy trình Kennedy cùng cộng sự, và
(3) phương pháp phần tử hữu hạn.
Tuy nhiên, đối với đánh giá chi tiết hầm giao thông tại vị trí giao cắt với đứt gãy, nhìn chung phương pháp phần tử hữu hạn được xem là phù hợp hơn các phương pháp khác. Phương pháp phần tử hữu hạn được ưu tiên vì có thể tích hợp các mô hình thực tế của hầm và môi trường địa chất xung quanh. Hầm được mô hình hóa bằng các phần tử hữu hạn, trong đó có thể xét đến ứng xử phi tuyến (Hình 13-26).

Các lò xo ngang và dọc trục được nối với mô hình hầm để mô phỏng áp lực pháp tuyến của đất tác dụng lên vỏ hầm hoặc tường hầm, cũng như sức kháng ma sát dọc trục (Hình 13-27); các lò xo này cũng có thể xét đến ứng xử phi tuyến nếu phù hợp (Hình 13-28). Có thể xem xét sử dụng nhiều chương trình phần tử hữu hạn thương mại hiện có để phân tích đáp ứng của hầm đối với chuyển vị đứt gãy.

13.6.2 Đánh giá đối với trượt đất hoặc hóa lỏng

Nếu phát hiện các lớp đất có khả năng hóa lỏng hoặc các khối đất không ổn định dễ bị trượt đất dọc theo tuyến hầm, thì có thể cần thực hiện các đánh giá chi tiết hơn để xác định liệu hóa lỏng hoặc trượt đất có thể xảy ra trong trận động đất thiết kế hay không, và để đánh giá các tác động lên hầm.

Nếu chuyển vị mái dốc do trượt đất hoặc chuyển vị lan truyền ngang do hóa lỏng cắt qua một hầm, các tác động tiềm tàng của những chuyển vị này lên hầm tương tự như tác động của chuyển vị đứt gãy. Cũng như trường hợp chuyển vị đứt gãy, nhìn chung không nên dự kiến rằng hầm có thể chống chịu các chuyển vị tập trung do trượt đất hoặc lan truyền ngang lớn hơn vài inch mà không xảy ra hư hỏng cục bộ nghiêm trọng.

Nếu dự báo hóa lỏng xảy ra liền kề vỏ hầm hoặc tường hầm, một hệ quả tiềm tàng có thể là vỏ hầm hoặc tường bị chảy dẻo do áp lực đất ngang tăng trong vùng bị hóa lỏng. Áp lực do đất hóa lỏng gây ra có thể lớn bằng áp lực đất bị động toàn phần. Cũng cần kiểm tra khả năng hóa lỏng gây nổi hầm chôn trong đất hóa lỏng, hoặc làm hầm lún vào trong đất.

Hỗ trợ duy trì trang:

Tôi xây dựng trang này để chia sẻ các tài liệu kỹ thuật cốt lõi trong thiết kế hạ tầng giao thông.

Nếu bạn thấy nội dung hữu ích và muốn góp phần duy trì trang hoạt động bền vững, tôi rất trân trọng mọi sự ủng hộ.

Qua USD (Buy Me a Coffee)

BIDV • STK: 3101226659 • HOANG HAI HA