Nội dung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI HUỲNH VĂN QUÂN NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC KẾT CẤU-ĐẤT NỀN DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHẦN TỬ VĨ MÔ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI HUỲNH VĂN QUÂN NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC KẾT CẤU-ĐẤT NỀN DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHẦN TỬ VĨ MÔ Ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 9520101 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1: PGS. TS. Nguyễn Xuân Huy 2: PGS. TS. Nguyễn Trung Kiên HÀ NỘI - 2021 i LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành gửi lời cám ơn đến hai cán bộ hướng dẫn khoa học PGS. TS. Nguyễn Xuân Huy và PGS. TS. Nguyễn Trung Kiên đã tận tình hướng dẫn khoa học, động viên và giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin bày tỏ sự biết ơn đến sự quan tâm của Phòng Đào tạo Sau đại học, Bộ môn Sức bền vật liệu, Bộ môn Cơ lý thuyết, Phân hiệu Trường Đại học Giao thông Vận tải tại TP. HCM đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng tôi xin chân thành cám ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, ủng hộ tôi trong thời gian qua. ii LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng mình. Các số liệu, kết quả được đưa ra trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Huỳnh Văn Quân iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TƯƠNG TÁC KẾT CẤU-ĐẤT NỀN .......................5 1.1 Lý thuyết tương tác kết cấu-đất nền .......................................................................5 1.1.1 Khái niệm .........................................................................................................5 1.1.2 Tương tác động và tương tác quán tính dưới tải trọng động đất .....................8 1.1.3 Ứng xử phi tuyến hệ móng-đất nền dưới tải trọng động đất ...........................9 1.2 Các phương pháp phân tích tương tác kết cấu-đất nền ........................................11 1.2.1 Phương pháp trực tiếp ....................................................................................11 1.2.2 Phương pháp kết cấu phụ...............................................................................13 1.2.3 Phương pháp lai .............................................................................................14 1.3 Phần tử vĩ mô trong phân tích tương tác kết cấu-đất nền ....................................14 1.3.1 Khái niệm phần tử vĩ mô ...............................................................................14 1.3.2 Một số mô hình phần tử vĩ mô.......................................................................16 1.4 Các nghiên cứu thực nghiệm về tương tác kết cấu-đất nền chịu động đất ..........31 1.4.1 Mô hình móng-đất nền...................................................................................32 1.4.2 Mô hình hệ kết cấu phần trên-móng-đất nền .................................................37 1.5 Một số nhận xét và đặt vấn đề nghiên cứu ...........................................................40 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC KẾT CẤU-ĐẤT NỀN CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHẦN TỬ VĨ MÔ .......................................................................42 2.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................42 2.2 Các đặc trưng cơ bản của phần tử vĩ mô ..............................................................42 2.2.1 Véc-tơ lực và véc-tơ chuyển vị ......................................................................42 2.2.2 Ứng suất chịu nén cực hạn của đất dưới đáy móng .......................................44 2.2.3 Hàm dẻo và quy luật chảy .............................................................................45 2.2.4 Ma trận độ cứng của phần tử vĩ mô ...............................................................46 2.3 Mô hình tương tác kết cấu-đất nền bằng phần tử vĩ mô ......................................51 2.3.1 Hệ móng-đất nền............................................................................................51 2.3.2 Hệ kết cấu phần trên-móng-đất nền ...............................................................53 2.4 Tích phân số các phương trình vi phân chuyển động của hệ ...............................55 2.5 Ví dụ áp dụng .......................................................................................................56 Kết luận Chương 2 .....................................................................................................60 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TƯƠNG TÁC HỆ KẾT CẤU-ĐẤT NỀN DƯỚI TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT .......................................................................61 iv 3.1 Cơ sở thiết kế mô hình thí nghiệm .......................................................................61 3.2 Thiết lập mô hình thí nghiệm ...............................................................................64 3.2.1 Xác định kích thước mô hình ........................................................................64 3.2.2 Vật liệu của mô hình ......................................................................................67 3.2.3 Tải trọng .........................................................................................................69 3.2.4 Các thiết bị đo đạc .........................................................................................71 3.3 Quá trình tiến hành thí nghiệm ............................................................................73 3.4 Kết quả thí nghiệm ...............................................................................................74 3.4.1 Hệ móng-đất nền............................................................................................74 3.4.2 Hệ kết cấu phần trên-móng-đất nền ...............................................................78 Kết luận Chương 3 .....................................................................................................88 CHƯƠNG 4. PHÂN TÍCH ỨNG XỬ KẾT CẤU CHỊU ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHẦN TỬ VĨ MÔ .....................................................................................................................89 4.1 Giới thiệu..............................................................................................................89 4.2 Ứng xử chịu động đất của hệ móng-đất nền ........................................................90 4.2.1 Các thông số tương đương của mô hình thí nghiệm ......................................90 4.2.2 So sánh kết quả phân tích lý thuyết với thí nghiệm .......................................90 4.3 Ứng xử chịu động đất của hệ kết cấu phần trên-móng-đất nền ...........................95 4.3.1 Các thông số tương đương của mô hình thí nghiệm ......................................95 4.3.2 So sánh kết quả phân tích lý thuyết với thí nghiệm .......................................96 4.3. Phân tích sự ảnh hưởng của độ cứng 𝑲𝑺 đến ứng xử của kết cấu phần trên ....103 4.3.1 Đặt vấn đề ....................................................................................................103 4.3.2 Ảnh hưởng của độ cứng 𝑲𝑺 đến gia tốc kết cấu phần trên .........................105 4.3.3 Ảnh hưởng của độ cứng 𝑲𝑺 đến chuyển vị kết cấu phần trên ....................106 Kết luận Chương 4 ...................................................................................................109 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................110 I. Kết luận .................................................................................................................110 II. Kiến nghị .............................................................................................................111 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ...........................................................112 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................113 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 𝐵 Bề rộng móng 𝑪 Ma trận cản 𝑐 Sức chống cắt của đất 𝐷𝑓 Chiều sâu chôn móng 𝑓 Tần số cơ bản của kết cấu khi coi liên kết cứng với nền 𝐻𝑥 Lực thu gọn theo phương 𝑥 𝐻𝑦 Lực thu gọn theo phương 𝑦 𝐻𝑧 Lực thu gọn theo phương 𝑧 𝑲 Ma trận độ cứng ℎ Chiều cao kết cấu 𝑰 Véc-tơ hệ số ảnh hưởng LPM Mô hình thông số tập trung 𝑘𝑣 Hệ số đàn hồi tương đương của đất theo phương đứng 𝑘0 Hệ số đàn hồi tương đương của đất theo phương ngang 𝑘𝑟 Hệ số đàn hồi tương đương của đất theo góc xoay 𝑴 Ma trận khối lượng 𝑀 Mô men thu gọn 𝑀𝑥 Mô men thu gọn quanh trục 𝑥 𝑀𝑦 Mô men thu gọn quanh trục 𝑦 𝑁 Phản lực theo phương đứng 𝑛 Số tầng của tòa nhà PsDT Tải trọng động giả QST Tải trọng tĩnh tương đương 𝑞𝑚𝑎𝑥 Ứng suất chịu nén tới hạn của đất dưới tải trọng đúng tâm thẳng đứng 𝑟 Bán kính quán tính vi SSI Tương tác đất-kết cấu STT Thí nghiệm bàn rung 𝒖 Véc-tơ chuyển vị tương đối 𝒖̈ 𝑔 Gia tốc của đất 𝑢𝑥 Chuyển vị thu gọn theo phương 𝑥 𝑢𝑦 Chuyển vị thu gọn theo phương 𝑦 𝑢𝑧 Chuyển vị thu gọn theo phương 𝑧 𝑢 Chuyển vị tịnh tiến theo phương ngang 𝑉𝑠 Vận tốc sóng cắt 𝑉 Phản lực theo phương ngang 𝜈 Chuyển vị tịnh tiến theo phương đứng 𝛽 Hệ số điều chỉnh vị trí của tải trọng cực đại theo phương ngang 𝛾 Khối lượng đơn vị của đất 𝛿 Hệ số cản lan truyền 𝜆𝑠 Tỷ số mảnh của kết cấu λ Hệ số tỷ lệ hình học 𝜇 Hệ số ma sát đất-móng 𝜓 Hệ số không thứ nguyên 𝜃𝑥 Góc xoay thu gọn quanh trục 𝑥 𝜃𝑦 Góc xoay thu gọn quanh trục 𝑦 𝜃 Góc xoay 𝜌𝑐 Hàm lịch sử của hệ 𝜌𝑔 Hệ số tỷ lệ vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Các thông số cơ bản của cát thí nghiệm trong phân tích SSI (Cyclic1D) ....47 Bảng 2.2. Các thông số của địa chất đất nền .................................................................56 Bảng 2.3. Các thông số tương đương của hệ móng-đất nền..........................................57 Bảng 2.4. Sai số gia tốc và chuyển vị cực đại theo phương ngang giữa hai phương pháp phân tích .......................................................................................................58 Bảng 3.1. Hệ số tỷ lệ của các biến xác định theo 𝜆 (Meymand, 1998) .........................65 Bảng 3.2. Kích thước dự kiến của mô hình thí nghiệm theo các hệ số tỷ lệ .................65 Bảng 3.3. Lựa chọn kích thước hộp đất.........................................................................66 Bảng 3.4. Các thông số kỹ thuật của bàn rung R202(UTC) ..........................................71 Bảng 3.5. Ký hiệu các trường hợp gia tải với mô hình móng-đất nền ..........................73 Bảng 3.6. Ký hiệu các trường hợp gia tải với mô hình kết cấu phần trên-móng-đất nền ......................................................................................................................73 Bảng 3.7. Gia tốc cực đại của đỉnh móng T12 ..............................................................74 Bảng 3.8. Gia tốc cực đại của đỉnh móng T13 ..............................................................75 Bảng 3.9. Gia tốc cực đại của đỉnh móng T14 ..............................................................76 Bảng 3.10. Gia tốc cực đại của đỉnh móng T15 ............................................................77 Bảng 3.11. Tổng hợp chênh lệch gia tốc cực đại trong thí nghiệm móng-đất nền........77 Bảng 3.12. Chuyển vị và gia tốc cực đại của kết cấu phần trên T21 ............................78 Bảng 3.13. Chuyển vị và gia tốc cực đại của kết cấu phần trên T22 ............................80 Bảng 3.14. Chuyển vị và gia tốc cực đại của kết cấu phần trên T23 ............................80 Bảng 3.15. Chuyển vị và gia tốc cực đại của kết cấu phần trên T24 ............................83 Bảng 3.16. Gia tốc cực đại của kết cấu phần trên T25 ..................................................84 Bảng 3.17. Gia tốc cực đại của kết cấu phần trên T26 ..................................................86 viii Bảng 3.18. Tổng hợp kết quả chuyển vị cực đại trong thí nghiệm hệ kết cấu phần trênmóng-đất nền................................................................................................87 Bảng 3.19. Tổng hợp kết quả gia tốc cực đại trong thí nghiệm hệ kết cấu phần trênmóng-đất nền................................................................................................87 Bảng 4.1. Các thông số tương đương của mô hình thí nghiệm hệ móng-đất nền .........90 Bảng 4.2. Sai số của giá trị gia tốc cực đại giữa lý thuyết và thí nghiệm T12-00 ........91 Bảng 4.3. Sai số của giá trị gia tốc cực đại giữa lý thuyết với thí nghiệm T13-00 .......92 Bảng 4.4. Sai số của giá trị gia tốc cực đại giữa lý thuyết và thí nghiệm T14-00 ........93 Bảng 4.5. Sai số của giá trị gia tốc cực đại giữa lý thuyết và thí nghiệm T15-00 ........94 Bảng 4.6. Tổng hợp sai số của giá trị gia tốc cực đại giữa lý thuyết và thí nghiệm hệ móng-đất nền................................................................................................94 Bảng 4.7. Các thông số tương đương của kết cấu phần trên .........................................96 Bảng 4.8. Sai số của giá trị gia tốc cực đại giữa lý thuyết và thí nghiệm T21-00 ........97 Bảng 4.9. Sai số của giá trị gia tốc cực đại giữa lý thuyết và thí nghiệm T22-00 ........98 Bảng 4.10. Sai số của giá trị gia tốc cực đại giữa lý thuyết và thí nghiệm T23-00 ......99 Bảng 4.11. Sai số của giá trị gia tốc cực đại giữa lý thuyết và thí nghiệm T24-00 ....100 Bảng 4.12. Sai số của giá trị cực đại giữa lý thuyết và thí nghiệm T25-00 ................100 Bảng 4.13. Sai số của giá trị cực đại giữa lý thuyết và thí nghiệm T26-00 ................102 Bảng 4.14. Tổng hợp sai số của giá trị cực đại giữa lý thuyết và thí nghiệm hệ kết cấu phần trên-móng-đất nền .............................................................................102