Tổng quan các nghiên cứu về tương tác đất nền-Kết cấu và đất nền-kết cấu cầu khi phân tích phản ứng động của kết cấu cầu trên móng cọc

đất ngày càng được quan tâm. Bài báo này trình bày sự cần thiết của việc nghiên cứu vấn đề tương tác đất-cọc-kết cấu và tổng quan các nghiên cứu về tương tác đất nền-kết cấu và đất nền-kết cấu cầu khi phân tích phản ứng động của kết cấu cầu trên móng cọc. Từ đó, đưa ra kết luận về các vấn đề cần phải xem xét khi nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác đất-kết cấu lên phản ứng động của kết cấu cầu trên móng cọc. Từ khoá: Soil-pile-structure interaction; Seismic response; Pile-supported bridges; Performance-based design; Nonlinearity of soil; Nonlinearity of structure 1. Sự cần thiết của việc nghiên cứu vấn đề tƣơng tác đất-cọc-kết cấu khi phân tích phản ứng động của kết cấu cầu trên móng cọc Hệ thống giao thông đóng một vai trò quan trọng trong đời sống và sự phát triển của mỗi quốc gia, đặc biệt góp phần to lớn trong việc khắc phục kịp thời các hậu quả của thiên tai. Trong hệ thống đó, các công trình cầu lại đóng vai trò then chốt góp phần tạo nên sự thành công của cả hệ thống. Những trận động đất gần đây ở Sumatra-Indonesia và Nhật Bản đã cho thấy sức mạnh hủy diệt của các cơn địa chấn mạnh. Những trận động đất này cung cấp một nguồn dữ liệu địa chấn vô giá và thúc đẩy các nghiên cứu liên quan. Mục tiêu chính của vấn đề nghiên cứu được trình bày trong bài báo này là làm sáng tỏ tầm quan trọng của tương tác đất-kết cấu (soil-structure interaction) (SSI) lên phản ứng động của các kết cấu hạ tầng quan trọng (kết cấu cầu) đối với các cường độ địa chấn khác nhau. Hiểu rõ ảnh hưởng của SSI giúp các kỹ sư, đặc biệt là các kỹ sư Việt Nam nhận thức đầy đủ hơn về các kết cấu hạ tầng hiện tại cũng như thiết kế một cách hiệu quả cho các kết cấu hạ tầng trong tương lai. Nghiên cứu về ảnh hưởng của SSI vẫn còn là một khía cạnh đầy thách thức trong phân tích phản ứng động của kết cấu, đặc biệt là kết cấu trên móng cọc khi mà vẫn còn một khoảng cách lớn giữa các nghiên cứu về địa kỹ thuật và nghiên cứu về kết cấu. Trong khi các kỹ sư địa kỹ thuật thường tập trung nhiều hơn ở ứng xử phức tạp của đất nền và đơn giản hóa sự hiện diện của kết cấu, các kỹ sư kết cấu lại quan tâm nhiều hơn đến ứng xử của kết cấu và đơn giản hóa đến mức có thể trong việc mô hình đất nền và sự tiếp xúc nền đất-kết cấu móng (soil-foundation interface). Điều này là Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 2-2015 107 do bản chất phức tạp của vấn đề SSI và những hạn chế thực tế của các công cụ tính toán có sẵn không cho phép các kỹ sư thực hành xem xét một cách đầy đủ các khía cạnh khác nhau của vấn đề SSI, chẳng hạn như ứng xử phi tuyến của đất nền, phi tuyến của kết cấu và sự phi tuyến trong tương tác đất-kết cấu móng (soil-foundation interaction). Đặc biệt, SSI trong móng cọc là một hiện tượng rất phức tạp để có thể mô phỏng, do ứng xử phức tạp của các cọc riêng lẻ, tương tác cọc-đất (pile-soil interaction), ứng xử phức tạp của các cọc trong nhóm cọc và tương tác cọc-đất-cọc (pile-soil-pile interaction) [42]. Cùng với sự phát triển của các phương pháp thiết kế kháng chấn dựa trên hiệu năng (performance based earthquake engineering methodologies), yêu cầu về đánh giá mang tính định lượng và chính xác hơn ứng xử phức tạp của kết cấu trong phản ứng động đối với tải trọng động đất ngày càng được quan tâm. Trong khi mục tiêu của các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn là hướng đến trạng thái an toàn, các phương pháp thiết kế gần đây nhấn mạnh đến các mục tiêu hiệu năng khác nhau và yêu cầu về đánh giá phản ứng động của kết cấu tương ứng với các mức độ địa chấn khác nhau. Đánh giá phản ứng động phải xem xét phản ứng của hệ thống trong miền phi đàn hồi để có thể xác định được các mức độ phá hoại của hệ thống. Một vấn đề khác của các phương pháp thiết kế dựa trên hiệu năng là sự xem xét một cách rõ ràng những thiếu sót về đánh giá khả năng và phản ứng của kết cấu để tối ưu hóa thiết kế, đáp ứng các tiêu chuẩn hiệu năng khác nhau với những mức độ khác nhau về độ tin cậy (e.g. Bertero and Bertero 2002 [1], Krawinkler and Miranda 2004 [2]) [42]. SSI có thể đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong phản ứng của các kết cấu cầu, do dạng kết cấu tương đối đơn giản của chúng và mức độ dư thừa thấp của những kết cấu này làm cho chúng trở nên nhạy cảm với ảnh hưởng của SSI và chuyển vị gây ra bởi SSI. Điều này đặc biệt đúng cho các cầu có trụ dạng cột đơn và dầm nhịp giản đơn. SSI có thể ảnh hưởng đáng kể đến tính dẻo dai của trụ cầu hoặc gây ra sự sai khác lớn về chuyển vị giữa các trụ. Điều này có thể gây nguy hại cho các thành phần của kết cấu cầu nhạy cảm với chuyển vị và làm thay đổi tính nguyên dạng của cầu. Các thành phần nhạy cảm với chuyển vị bao gồm cả những thành phần kết cấu và phi kết cấu [42]. Thiết kế kết cấu cầu trên móng cọc dựa vào hiệu năng, yêu cầu phải đánh giá nghiêm ngặt ảnh hưởng của SSI lên phản ứng động của trụ cầu để có thể đánh giá chính xác hơn và hiểu rõ hơn vai trò của SSI. Mặt khác, trọng tâm của thiết kế dựa vào hiệu năng là tính toán và xem xét các chuyển vị phi tuyến như là một chỉ số thể hiện mức độ phá hoại trong miền phi đàn hồi tốt hơn so với các thông số về lực đạt được từ phân tích đàn hồi tuyến tính thường được sử dụng trong thiết kế kết cấu và nền móng (thiết kế dựa vào thông số chuyển vị so với thiết kế dựa vào thông số về lực). Vì vậy, xem xét về SSI trong thiết kế dựa vào hiệu năng đòi hỏi phải đánh giá chính xác ảnh hưởng của SSI lên các Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 2-2015 108 chuyển vị phi tuyến của hệ; điều này lại yêu cầu phải xét đến đồng thời ứng xử phi tuyến của đất nền, phi tuyến của tương tác nền đất-móng và ứng xử phi tuyến của kết cấu để có thể đánh giá chính xác tương tác của các thành phần khác nhau trong hệ thống nền đất-móng- kết cấu [42]. 2. Tổng quan các nghiên cứu về tƣơng tác đất nền-kết cấu và đất nền-kết cấu cầu khi phân tích phản ứng động của kết cấu cầu trên móng cọc 2.1. Tổng quan về các mô hình thí nghiệm Nhiều nhà nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu trên các mô hình thí nghiệm thực tế và mô hình thu nhỏ để tìm hiểu về vấn đề tương tác đất-kết cấu và ảnh hưởng của tương tác này lên phản ứng của cả hệ thống kết cấu. Các mô hình thí nghiệm này có thể phân loại thành bốn nhóm như sau: Thí nghiệm chấn động của môi trường (Ambient Vibration Tests), Thí nghiệm chấn động cưỡng bức (Forced Vibration Tests), Thí nghiệm bàn lắc (Shake Table Tests), Thí nghiệm quay ly tâm (Centrifugal Tests). 2.2. Tổng quan về các phƣơng pháp phân tích Trong các thập kỷ qua, nhiều tác giả đã nghiên cứu về vấn đề tương tác động lực học nền đất-cọc-kết cấu (seismic soil-pile-structure interaction) (SSPSI) và ảnh hưởng của hiện tượng này lên phản ứng của các kết cấu khác nhau. Các phương pháp phân tích đã được phát triển để nghiên cứu về tương tác đất-cọc-kết cấu có thể phân loại thành ba nhóm như sau [3]: (i) Substructure Methods (Winkler methods), trong đó một chuỗi các lò xo và cản được sử dụng để mô tả ứng xử của đất. Các phương pháp ―substructure‖ có sẵn dùng để mô hình ứng xử động lực học của đất nền có thể được phân loại từ lò xo tuyến tính đơn giản xuất phát từ giả định bán không gian đàn hồi (Gazetas, 1991 [4]) đến các mô hình phức tạp hơn, trong đó môi trường đất được chia thành vùng bên trong, tiếp giáp với cọc để xem xét sự phi tuyến của đất, và vùng bên ngoài ứng với sự lan truyền sóng ở xa cọc và xem xét tính cản của môi trường đất (Mostafa and El Naggar, 2002 [5]). Do tính chất đơn giản nên các phương pháp Winkler thường được sử dụng trong thực tế để mô tả môi trường đất khi phân tích SSI xét đến ứng xử động lực học của đất nền và khả năng phình trồi, hở hoặc trượt. Tuy nhiên, như đã đề cập bởi nhiều nhà nghiên cứu (e.g., Allotey and El Naggar, 2008 [6]; Finn, 2005 [7]; Hokmabadi et al., 2012a [8]), việc lý tưởng hóa sự liên tục của đất nền bằng các phản lực nền rời rạc và không xét đến sự truyền cắt trượt giữa các lò xo rõ ràng là những thiếu sót cơ bản về cơ chế trong các mô hình Winkler. (ii) Elastic Continuum Methods, dựa trên lời giải có nghiệm kín của Mindlin (1936) [10] khi cho tải trọng tập trung tác dụng lên môi trường đàn hồi bán vô hạn. Tajimi (1969) [11] là người đầu tiên sử dụng lý thuyết ―elastic continuum‖ để mô tả tương tác động lực học đất nền-cọc. Poulos (e.g., Tabesh and Poulos, 2001 [12]) là người tiên phong trong việc sử dụng lời giải Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 2-2015 109 đàn hồi cho phản ứng của móng cọc đối với các tải trọng dọc trục và tải trọng ngang, và đã trình bày một loạt các phương pháp phân tích và thiết kế toàn diện cho móng cọc dựa trên lý thuyết ―elastic continuum‖. Tuy nhiên, trong các phương pháp ―elastic continuum‖, độ chính xác của lời giải dựa trên việc đánh giá các tham số đàn hồi của đất nền và rất khó để xem xét các tính chất phi tuyến của đất. Vì vậy, các phương pháp này thích hợp hơn cho các bài toán liên quan đến biến dạng nhỏ và trạng thái ổn định. (iii) Numerical Methods (phương pháp số): sự phát triển mạnh mẽ của máy vi tính đã làm thay đổi đáng kể khả năng tính toán và làm cho các phương pháp này trở nên phổ biến hơn khi nghiên cứu các ứng xử tương tác phức tạp. Sử dụng các phương pháp này, chúng ta có thể thực hiện các phân tích theo thời gian xét đến các ảnh hưởng như quan hệ ứng suất-biến dạng phi tuyến của đất nền và kết cấu, vật liệu và tính cản, các điều kiện biên phức tạp, và sự tiếp xúc đất-kết cấu. Một ưu điểm khác của việc sử dụng các phương pháp số là khả năng thực hiện phân tích SSPSI cho nhóm cọc một cách đầy đủ và đồng thời mà không cần đến việc tính toán độc lập cho cọc hay phản ứng của kết cấu, hoặc phải sử dụng hệ số tương tác của nhóm cọc (Meymand, 1998 [13]). Do đó, các phương pháp số có thể giúp thu thập được các thông số khác nhau liên quan đến SSPSI sát với thực tế hơn (e.g., Dutta and Roy, 2002 [14]; Tabatabaiefar et al., 2013 [15]). 2.3. Tổng quan về tƣơng tác đất nền- kết cấu và đất nền-kết cấu cầu Ảnh hưởng của SSI cần phải được xem xét để đánh giá một cách hiệu quả phản ứng của hệ thống đất nền-kết cấu cầu. Để đơn giản trong quá trình phân tích động lực học kết cấu, các kỹ sư thường giả định điều kiện ―fixed-base‖ (Hình 1). Trong nhiều trường hợp, điều kiện ―fixed-base‖ không phản ánh đúng thực tế. Kết cấu phần trên của cầu được gánh đỡ bởi kết cấu móng bên dưới, và đất nền xung quanh móng có khả năng biến dạng; do vậy cho phép móng có các chuyển vị xoay và/hoặc chuyển vị thẳng — điều này thường được gọi là điều kiện ―flexible-base‖. Do đó, giả định ―fixed-base‖ thường được sử dụng đã bỏ qua ảnh hưởng của SSI, trong khi giả định ―flexible-base‖ lại xét đến ảnh hưởng này [43]. Mylonakis and Gazetas (2000) [16] đã kiểm chứng sự khác biệt giữa kết cấu có ―fixed-base‖ và kết cấu có ―flexible- base‖. Một ví dụ của hai dạng kết cấu này được thể hiện trên Hình 1. Hai kết cấu có đặc điểm dao động khác nhau, vì vậy phản ứng động của chúng cũng khác nhau. Đối với kết cấu có ―flexible-base‖, vị trí tiếp xúc đất nền-móng có thể biến dạng được; do đó, chu kỳ cơ bản T của kết cấu có ―flexible-base‖ sẽ dài hơn và tỷ số cản của nó  sẽ lớn hơn so với kết cấu có ―fixed-base‖ tương ứng [43]. Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 2-2015 110 Hình 1. Ảnh hưởng của tương tác đất nền-kết cấu (soil-structure interaction) (SSI) đến chu kỳ cơ bản và tỷ số cản của kết cấu có “flexible-base” theo NEHRP-97 (Mylonakis and Gazetas, 2000). Hình 2 mô tả một phổ phản ứng thiết kế trơn lý tưởng tổng quát thường được trình bày trong các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn. Khi xem xét ảnh hưởng của SSI (chẳng hạn sự gia tăng của chu kỳ cơ bản và cản có hiệu), gia tốc và ứng suất trong kết cấu và móng thông thường sẽ nhỏ hơn, như được miêu tả bởi đường nét đứt trên Hình 2. Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 2-2015 111 Hình 3. Sự suy giảm trong lực cắt chân kết cấu do tương tác đất nền-kết cấu (SSI) theo tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn NEHRP-97 (Mylonakis and Gazetas, 2000). Mặc dù điều nói trên là đúng cho nhiều kết cấu và môi trường địa chấn, tuy nhiên vẫn có nhiều trường hợp được ghi nhận trong lịch sử đã chứng minh rằng điều này không phải là luôn luôn đúng. Gazetas and Mylonakis (1998) [17] đã đưa ra một nhìn nhận tổng quan về phương pháp phân tích SSI và tái khám phá vai trò của SSI lên phản ứng động của trụ cầu trên móng cọc bằng cách nghiên cứu sự phá hủy của các cầu trên tuyến cao tốc Hanshin số 3 ở Higashi-nada, với các cột đơn tiết diện tròn được gánh đỡ bởi móng cọc, trong trận động đất mạnh Hanshin xảy ra vào năm 1995 ở Nhật Bản (Động đất Kobe). Họ đã phát hiện ra rằng SSI có thể đã góp phần vào sự phá hoại các cây cầu này bằng cách làm gia tăng (kéo dài) chu kỳ tự nhiên của hệ kết cấu, dẫn đến phổ gia tốc cao hơn ở chu kỳ đã bị thay đổi. Mylonakis and Gazetas (2000) [18] tiếp tục khám phá ra ảnh hưởng của SSI bằng cách thảo luận về những quan niệm sai lầm liên quan đến việc bỏ qua SSI như một giả định bảo thủ và giải thích các đặc trưng phổ địa chấn phụ thuộc vào cả thông số đầu vào địa chấn và điều kiện đất nền có thể dẫn đến những phản ứng động cao hơn ở chu kỳ tự nhiên được kéo dài của kết cấu như thế nào khi xem xét ảnh hưởng của SSI, mặc dù lúc này đặc trưng cản có thể gia tăng do SSI. Họ chứng minh rằng SSI có thể dẫn đến sự gia tăng đặc trưng dẻo dai của trụ cầu trên đất yếu và đã kết luận rằng điều này không thể thấy được nếu các phổ thiết kế thông thường (trái ngược với phổ phản ứng thực tế) được sử dụng khi đánh giá phản ứng động xét đến SSI. Khả năng gia tăng phản ứng do SSI cũng đã được đề cập trước đó bởi Jennings and Bielak (1973) [19], and Veletsos (1993) [20] và gần đây đã được chứng minh bởi nhiều nhà nghiên cứu khác như Sextos et al. (2002) [21] and Jeremic et al. (2004) [22]. Martin and Lam (2000) [23] giải thích rằng việc thiết kế kết cấu theo truyền thống dựa vào lực, giả định các thành phần của kết cấu móng là tuyệt đối cứng hoặc đàn hồi và phải đảm bảo là hiệu ứng của tải trọng lên kết cấu phải nhỏ hơn sức kháng của nền móng. Họ đề cập đến một sự thay đổi lớn trong triết lý thiết kế theo truyền thống của lĩnh vực địa kỹ thuật đó là khái niệm về cho phép huy động sức kháng cực hạn của nền móng trong quá trình xảy ra địa chấn và phát biểu rằng các phương pháp thiết kế cần phải xét đến hiệu năng của nền móng và ảnh hưởng của nó lên phản ứng tổng thể của cầu. Martin and Lam (2000) cùng với Fenves (1998) [24] đã thực hiện các nghiên cứu về độ nhạy cảm của phản ứng động lực học của mô hình cầu tổng thể với sự mô tả cải tiến về đặc trưng của nền móng bằng cách sử dụng các lò xo phi tuyến (nonlinear springs) với các phần tử hở (gapping elements) và họ đã kết luận rằng các nghiên cứu trong tương lai nên chú trọng vào việc tìm hiểu và mô hình ứng xử phi tuyến của nền móng và tích hợp những mô hình như thế với phân tích phi tuyến kết Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 2-2015 112 cấu để cho phép đánh giá hiệu năng một cách tổng thể. Finn (2004a, 2004b) [25, 26] nghiên cứu thực tế về đặc điểm làm việc của nền móng ảnh hưởng lên phản ứng của kết cấu và đã đánh giá tính hiệu quả của các phương pháp xấp xỉ khác nhau. Ông cho rằng một điểm yếu trong việc mô hình kết cấu trên móng cọc đó là sự mô tả không đầy đủ về nền móng do bỏ qua sự kết hợp giữa độ cứng chống trượt và xoay của nền và thay nền bằng các lò xo đơn giản. Ông cho biết thêm rằng hầu hết các phương pháp xấp xỉ được sử dụng để đánh giá độ cứng của nền đều dựa trên phân tích cho cọc đơn và các giả định khác được đưa ra để xem xét phản ứng của nhóm cọc. Ông cho rằng các yếu tố như sự phi tuyến của đất nền, tương tác động học (kinematic interaction) giữa các cọc và đất nền, tương tác quán tính (inertial interaction) của kết cấu với đất nền và các cọc, tương tác động lực học (dynamic interaction) giữa bản thân các cọc với nhau, và áp lực nước lỗ rỗng do chấn động phải được xem xét đồng thời để có thể có được một cái nhìn hoàn chỉnh về ảnh hưởng của nền móng lên phản ứng động của kết cấu. Ông cũng đã khảo sát độ tin cậy của các phương pháp xấp xỉ trong việc mô tả độ cứng chống trượt và xoay của móng cọc trong các mô hình số của trụ cầu trên móng cọc bằng cách sử dụng một mô hình đất nền liên tục ba chiều giả lập phi tuyến (a pseudo-3- dimensional nonlinear continuum soil model) (Wu and Finn 1997a and 1997b [27, 28], Thavaraj and Finn 2001 [29]), và nêu bật tầm quan trọng của độ cứng tương đối của tương tác kết cấu và nền móng, và phải xem xét cả tương tác động học và tương tác quán tính khi phân tích. Crouse and McGuire (2001) [30] đề cập đến ảnh hưởng của SSI bằng quan điểm tiêu tán năng lượng. Họ đã trình bày tình trạng chung của việc đánh giá SSI bởi các kỹ sư kết cấu liên quan đến sự tiêu tán năng lượng và cho rằng sự tiêu tán năng lượng trong SSI thường bị bỏ qua hoặc áp dụng sai khi thiết kế kết cấu. Họ đã đề cập đến những lỗ hổng kiến thức trong việc đánh giá SSI, và đã trình bày các phương pháp thực hành nhận dạng hệ thống để đánh giá tỷ số cản kết hợp cho những mode dao động quan trọng của kết cấu xem xét cả về đặc trưng vật liệu và đặc trưng cản của SSI. Kim and Roesset (2004) [31] đã nghiên cứu tính chất quan trọng của việc xét đến ứng xử phi tuyến của đất nền trong quá trình đánh giá ảnh hưởng của SSI lên phản ứng phi đàn hồi của kết cấu. Họ đã chứng minh sự khác biệt đáng kể giữa phản ứng với đất nền đàn hồi và phản ứng với đất nền phi đàn hồi, và cho thấy tầm quan trọng của việc xét đến sự phi tuyến của phản ứng đất nền, đặc biệt là đối với móng cọc. Shamsabadi et al. (2007) [32] đã phát triển một mô hình động lực học phi tuyến ba chiều cho công trình cầu (3D nonlinear dynamic bridge model) để phân tích các mô hình hyperbolic của đất đắp ở hai mố cầu. Dữ liệu của hai trận động đất với xung vận tốc mạnh đã được sử dụng để phân tích cho mô hình cầu bao gồm: 1994 Northridge, Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 2-2015 113 California, Rinaldi Station và 2005 Kobe, Japan, Takarazu Station. Shamsabadi et al. (2007) kết luận rằng sức kháng của đất đắp ở mố cầu có ảnh hưởng đáng kể lên chuyển vị cực đại của kết cấu phần trên của cầu. Do đó, khi đánh giá phản ứng của cầu đối với địa chấn thực tế theo các phân tích và thiết kế dựa trên hiệu năng cần phải có sự phân tích các mố cầu. Zhang et al. (2008) [33] đã phát triển một mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến hai chiều tiên tiến (2D advanced nonlinear finite-element model) cho công trình cầu Humboldt Bay Middle Channel (HBMC) trong chương trình phần tử hữu hạn OpenSees để đánh giá phản ứng động của cầu xét đến ảnh hưởng của SSI. Mô hình phần tử hữu hạn bao gồm kết cấu, nhóm cọc, nền đắp đường đầu cầu, và đất nền. Dựa trên kết quả mô phỏng, Zhang et al. (2008) đã kết luận rằng phản ứng của kết cấu phần trên của cầu chịu ảnh hưởng đáng kể bởi biến dạng phi đàn hồi của đất nền. Những phát hiện này phù hợp với những nghiên cứu phân tích khác đã được thực hiện bởi nhiều tác giả cho các cầu vượt nhịp ngắn và chỉ ra rằng phản ứng động của kết cấu phần trên của cầu cùng với phản ứng của mố và đất đắp chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi ứng xử của đất nền (Werner et al., 1987, 1990, 1994 [34, 35, 36]; Wilson and Tan, 1990a,b [37, 38]). Aygün et al. (2010) [39] đã phát triển những mối tương quan mới nhằm thu thập dữ liệu xác suất có điều kiện của các thành phần của hệ kết hợp kết cấu cầu-đất nền-móng (coupled bridge- soil-foundation) (CBSF) đạt tới hoặc vượt các quá mức hiệu năng xác định trước như là một hàm của cường độ địa chấn nguy hiểm và tiềm năng hóa lỏng cho vùng trung và đông nước Mỹ. Hệ thống CBSF bao gồm các thành phần kết cấu cầu 3D và đất nền 2D được kết nối bởi các phần tử đất đặc trưng bằng các lò xo 1D p-y. Hệ thống phần tử hữu hạn của cầu được mô hình trong chương trình OpenSees như một cầu dầm thép liên tục nhiều nhịp. Các kết quả nghiên cứu của Aygün et al. (2010) đã chứng minh tầm quan trọng của việc xem xét ảnh hưởng của SSI lên phản ứng động của hệ thống CBSF (3D bridge- foundation system with 2D soil mesh connected by 1D p-y soil springs) và đã đưa ra một cơ sở lý thuyết đầy đủ và hiệu quả để đánh giá các cơ chế phá hoại cầu. Sử dụng phương pháp này để phát triển các phân tích xác suất chi tiết của một hệ đất nền-kết cấu cầu cho phép chúng ta xác định một cách hiệu quả nguy cơ địa chấn và có thể đưa tính chất mỏng manh của hệ thống vào các nghiên cứu độ tin cậy trong tương lai. Khosravifar (2012) [40] đã phát triển một mô hình phần tử hữu hạn 2D trong chương trình OpenSees để đánh giá ảnh hưởng của sự nở ngang và hóa lỏng lên phản ứng phi đàn hồi của kết cấu trên móng cọc đài bè. Hệ thống đất nền-kết cấu bao gồm một móng cọc đơn đài bè phi tuyến, trụ cầu dạng cột phi tuyến, bản mặt cầu, và cột đất một lớp phi tuyến kết nối với cọc bằng các phần tử đất đặc trưng bởi các lò xo nằm ngang, thẳng đứng và bên dưới mũi cọc. Khosravifar (2012) đã đánh giá một cách cụ thể phản ứng của cọc theo phương Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 2-2015 114 ngang và một nghiên cứu về tham số đã được tiến hành để xác định độ nhạy cảm của hệ thống với các tham số khác nhau. Các kết quả nghiên cứu của Khosravifar (2012) mặc dù chủ yếu liên quan đến ảnh hưởng của sự nở ngang và hóa lỏng nhưng đã làm nổi bật ảnh hưởng của SSI lên phản ứng động của hệ thống đất nền- kết cấu cầu. Chiaramonte (2011) [41] đã phát triển một loạt các mô hình phân tích phần tử hữu hạn 2D trong chương trình OpenSees của một kết cấu cầu cảng trên móng cọc ở Oakland, California. Kết cấu bao gồm một bản mặt cầu bê tông cốt thép được gánh đỡ bởi hệ các cọc bê tông cốt thép dự ứng lực. So sánh với kết quả từ phân tích tĩnh pushover (static pushover analysis) (no soil column) và phân tích động lực học tương ứng với 13 dữ liệu địa chấn khác nhau đã cho thấy được ảnh hưởng của SSI. 3. Kết luận Tổng quan các nghiên cứu liên quan nói trên cho thấy sự cần thiết phải đánh giá chính xác ảnh hưởng của SSI lên phản ứng động của kết cấu cầu trên móng cọc và cần phải xem xét các vấn đề sau: Cần phải có một nhìn nhận mang tính định lượng về ảnh hưởng của SSI lên phản ứng của kết cấu cầu trên móng cọc để có thể xác định được các trường hợp chịu ảnh hưởng đáng kể của SSI và có thể định lượng được các ảnh hưởng của SSI là gì và chúng ảnh hưởng như thế nào đến hiệu năng tổng thể của kết cấu cầu. Để đánh giá chính xác SSI yêu cầu phải có một phương pháp tiếp cận hệ thống trong phân tích SSI với sự mô tả kết hợp đầy đủ các thành phần chính của hệ thống và với sự xem xét xác đáng ứng xử phi tuyến của đất nền, kết cấu và sự tiếp xúc đất nền-kết cấu. Đặc trưng cản của hệ thống cũng cần phải được xem xét một cách thích hợp. Đánh giá ảnh hưởng của SSI phải xem xét các mục tiêu hiệu năng khác nhau và các mức độ địa chấn khác nhau. Đánh giá SSI phải phù hợp với các phương pháp thiết kế dựa trên chuyển vị, tức là phù hợp với mục tiêu đánh giá các chuyển vị phi đàn hồi của kết cấu cầu và nền móng như là những tham số yêu cầu chính. Đánh giá SSI phải xem xét những thiếu sót liên quan đến thông số đầu vào địa chấn, các điều kiện đất nền và các đặc trưng của hệ để hệ có thể được thiết kế tối ưu, đáp ứng các tiêu chuẩn hiệu năng khác nhau với các mức độ khác nhau về độ tin cậy thiết kế cho một công trình cụ thể. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bertero, R.D. and Bertero, V.V. (2002). Performance-Based Seismic Engineering: the Need for a Reliable Conceptual Comprehensive Approach, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 31, No. 3, pp 627-652. [2] Krawinkler, H. and Miranda E. (2004). Performance-Based Earthquake Engineering, Earthquake Engineering from Engineering Seismology to Performance Based Design, Ed. Bozorgnia, Y. and Bertero V.V., CRC Press, FL. Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 2-2015 115 [3] A.S. Hokmabadi, B. Fatahi , B. Samali(2014) ―Seismic Response of Mid-rise Buildings on Shallow and End-bearing Pile Foundations in Soft Soil, ‖Soils and Foundations ,Vol.54, No.3, pp 345–363. [4] Gazetas, G., 1991. Formulas and charts for impedances of surface and embedded foundations. J. Geotech. Eng. 117, 1363–1381. [5] Mostafa, Y.E., El Naggar, M.H., 2002. Dynamic analysis of laterally loaded pile groups in sand and clay. Can. Geotech. J. 39, 1358–1383. [6] Allotey, N., El Naggar, M.H., 2008. Generalized dynamic Winkler model for nonlinear soil–structure interaction analysis. Can. Geotech. J. 45, 560–573. [7] Finn, W.D., 2005. A study of piles during earthquakes: issues of design and analysis. Bull. Earthquake Eng., 3. Springer, pp. 141–234. [8] Hokmabadi, A.S., Fakher, A., Fatahi, B., 2012a. Full scale lateral behaviour of monopiles in granular marine soils. Mar. Struct. 29, 198–210. 9] Hokmabadi, A.S., Fatahi, B., Samali, B., 2012b. Recording inter-storey drifts of structures in time-history approach for seismic design of building frames. Aust. J. Struct. Eng. 13, 175–179. [10] Mindlin, R.D., 1936. Force at a point in the interior of a semi-infinite solid. Physics 7, 195–202. [11] Tajimi, H., 1969. Dynamic analysis of a structure embedded in an elastic stratum. In: Proceedings of Fourth World Conference on Earthquake Engineering, Santiago, USA, 53–69. [12] Tabesh, A., Poulos, H.G., 2001. The effects of soil yielding on seismic response of single piles. Soils Found. 41, 1–16. [13] Meymand, P.J., 1998. Shaking Table Scale Model Tests of Nonlinear Soil–Pile– Superstructure in Soft Clay. University of California, Berkley. [14] Dutta, S.C., Roy, R., 2002. A critical review on idealization and modeling for interaction among soil–foundation–structure system. Comput. Struct. 80, 1579–1594. [15] Tabatabaiefar, H.R., Fatahi, B., Samali, B., 2013. Seismic behavior of building frames considering dynamic soil–structure interaction. Int. J. Geomech. 13, 409–420. [16] G. Mylonakis and G. Gazetas. Seismic soil-structure interaction: beneficial or detrimental? Journal of Earthquake Engineering, 4(03):277–301, 2000. [17] Gazetas, G. and Mylonakis, G. (1998). Seismic Soil-Structure Interaction: New Evidence and Emerging Issues, Proceedings of the Specialty Conference on Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics III, Vol. 1, pp 1119-1174, Edited by Dakoulas, P., Yegian, M. and Holtz, R.D. ASCE Geotechnical Special Publication No.75. [18] Mylanokis G., and Gazetas G., (2000). Seismic Soil-Structure Interaction: Beneficial or Detrimental?, Journal of Earthquake Engineering, Vol. 4, No. 3, pp 277- 301, Imperial College Press. Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 2-2015 116 [19] Jennings, P.C and Bielak, J. (1973). Dynamics of Building-soil Interaction, Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 63, No. 1, pp. 9-48. [20] Veletsos, A.S. (1993). Design Concepts for Dynamics of Soil-Structure Interaction, Developments in Dynamic Soil-Structure Interaction, Ed. Giilkan, P. and Clough R.W., Kluwer Academic Publishers, Netherlands. [21] Sextos, A., Kappos, A. and Pitilakis, K. (2002). Effects of Analysis Complexity on the Calculated Ductility Demand of RAC Bridge Piers, Proceeding of the 12th European Conference on Earthquake Engineering, London, England. [22] Jeremic, B., Kunnath, S. and Xiong, F. (2004). Influence of Soil-Foundation- Structure Interaction on Seismic Response of the 1-880 Viaduct, Engineering Structures, Vol. 26, No. 3,pp 391-402. [23] Martin, G.R. and Lam, LP. (2000). Earthquake Resistant Design of Foundations - Retrofit of Existing Foundations, Proceedings of the GeoEng 2000 International Conference on Geological and Geotechnical Engineering, Melbourne, Australia. [24] Fenves, G. (1998). Effects of Footing Rotation on Earthquake Behaviour of Pile Supported Bridge Piers, Technical Report for Earth Mechanics, Inc., National Centre for Earthquake Engineering, Task E-4.1. [25] Finn, W.D.L. (2004a). Urban Earthquake Engineering: Foundation Characterization for Performance Based Design, International Conference on Urban Earthquake Engineering, Centre for Urban Earthquake Engineering, Tokyo Institute of Technology, Japan. [26] Finn, W.D.L. (2004b). Characterizing Pile Foundations for Evaluation of Performance Based Seismic Design of Critical Lifeline Structures, 13"' World Conference on Earthquake Engineering, Vancouver, BC, Canada [27] Wu, G. and Finn W.D.L. (1997a). Dynamic Nonlinear Analysis of Pile Foundation Using Finite Element Method in the Time Domain, Canadian Geotechnical Journal, Vol. 34, No. l,pp 44-52. [28] Wu, G. and Finn W.D.L. (1997b). Dynamic Nonlinear Analysis of Pile Foundation Using Finite Element Method in the Frequency Domain, Canadian Geotechnical Journal, Vol. 34, No. l,pp 34-43. [29] Thavaraj, T. and Finn, W.D.L. (2001). A Program for Dynamic Analysis of Bridges Incorporating Foundation Springs with Specified Time Histories of Stifnesses, Anabuki Chair of Foundation Geodynamics, Kagawa University, Japan. [30] Crouse, C.B. and McGuire, J. (2001). Energy Dissipation in Soil-Structure Interaction, Earthquake Spectra, Vol. 17, No. 2, pp 235-259. [31] Kim, Y.-S. and Roesset, J.M. (2004). Effect of Nonlinear Soil Behavior on Inelastic Seismic Response of a Structur