Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn phân tích sự làm việc của hệ kết cấu bảo vệ ngăn chặn đá rơi tự do tại vách núi thẳng đứng

Khả năng hấp thu năng lượng va chạm cũng như các ứng xử phi tuyến của hệ thống kết cầu mới đưới tác động va chạm của đá rơi tự do sẽ được phân tích kỹ lưỡng và xác định rõ thông qua các

ĐỖ THANH TÙNG

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHAP PHAN TU HUU

HAN PHAN TiCH SU LAM VIEC CUA HE KET |

| CAU BAO VE NGAN CHAN DA ROI TY DO TAI

VACH NUI THANG DUNG LUAN VAN THAC SI

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS.Tran Van Phic

2 TS ĐÀO ĐÌNH NHÂN Phan bién 1

3 TS LUONG VAN HAI Phan bién 2

5 TS TRUGNG QUANG THANH Uy vién, Thu ky

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ :

Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn

ST

61, 2 FHAN

PHONG OLKH - DTSDH

TP.HCM, ngày 4.2.tháng .2#.năm x2 !4

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Đỗ Thanh Tùng Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 07/10/1983 Noi sinh: Nha Trang — Khanh Hoa

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây đựng công trình dân dụng và công nghiệp

MSHV: 1241870030

I— Tên đề tài“ Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn phân tích sự làm việc của

hệ kết cầu bảo vệ ngăn chặn đá rơi tại các vách núi thắng đứng “

II - Nhiệm vụ và nội dung:

1 Tìm biểu về hiện tượng và hậu quả của các tai nạn đá rơi ở Việt Nam và trên thế

4 Xác định khả năng hấp thu năng lượng va chạm của hệ kết cầu

5 Phân tích ứng xử của các kết cấu thành phần cũng như toàn bộ hệ kết cấu trên II— Ngày giao nhiệm vụ :25/06/2014

IV - Ngày hoàn thành nhiệm vụ :25/12/2014

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã ược

cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

NGƯỜI CAM ĐOAN

ĐỖ THANH TÙNG

LOI CAM ON Luận văn tốt nghiệp cao học được hoàn thành tại trường đại học Công Nghệ TP.HCM Để hoàn thành được luận văn này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến trường đại học Công Nghệ TP.HCM, phòng Quản lý khoa học - Đào tạo sau đại học Đặc biệt xin gới lời biết ơn sâu sắc đến TS Trần Văn Phúc, người đã trực tiếp hướng

dẫn, giúp đỡ tôi tiếp cận những kiến thức khoa học quý báu trong suốt quá trình nghiên cứu, xây dựng mô hình, và hoàn thành để tài nghiên cứu “Ứng dụng phương pháp phần

tử hữu hạn phân tích sự làm việc của hệ kết cấu bảo vệ ngăn chặn đá rơi tại các vách

núi thẳng đứng ”

Xin cảm ơn các thầy cô giáo đã trực tiếp giảng dạy, truyền đạt những kiến thức khoa học chuyên ngành xây dựng cho tôi trong suốt thời gian qua

Xin gửi tới trường đại học Kanazawa -Nhật Bản đã giúp xử lý mô hình và cung

cấp tài liệu liên quan để tôi có thể đánh giá và hoàn thành đề tài nghiên cứu

Tôi xin ghi nhận công sức và những đánh giá, góp ý của các bạn học viên lớp cao

học xây đựng 12SXDI trong việc hoàn thiện luận văn nghiên cứu này Đặc biệt là sự

quan tâm động viên, khuyến khích và sự ủng hộ về tỉnh thần của gia đình Đây là động

tực để tôi có thể toàn tâm thực hiện nghiên cứu

Do thời gian có hạn và kinh nghiệm nghiên cứu khoa học chưa nhiều nên luận văn còn nhiều thiếu xót Tôi rất mong nhận được sự đóng góp, phê bình của các Thay

cô, các nhà khoa học, đọc giả và các anh chị, các bạn đồng nghiệp

Xin cam on!

pO THANH TUNG

TOM TAT

Việt Nam là một đất nước nhiều đồi núi, có đặc điểm về địa hình, địa chất phức

tạp Hàng năm, vào mùa mưa, sạt lở đất, đá xảy ra khá phổ biến trên toàn bộ lãnh thổ

Đặc biệt là khu vực miền Trung Sạt lở đã phá hủy và làm hư hại nhiều khu đân cư, các công trình công cộng và thực sự không chỉ thiệt hại về kinh tế mà còn gây hoang mang lo sợ trong nhân dân

Vị vậy dựa trên những nghiên cứu thực nghiệm chính xác trước đây, nghiên cứu

giới thiệu một kết cầu hàng rào mới bảo vệ các tác động do đá rơi gây ra tại các sườn núi Hiệu suất làm việc của kết cầu hàng rào bảo vệ được xác minh bằng cách tiễn hành các kiểm tra tổng thể các ứng xử làm việc của kết câu Trong đó mô hình phải chịu tác động của một khối đá có khối lượng và vận tốc rơi được biết trước Tuy nhiên,

đo chỉ phí và thời gian hạn chế, sẽ không thực hiện được các kiểm tra toàn điện để có

thể có các câu trả lời đầy đủ về thông số cho hàng rào với những điều kiện khác nhau

Vi vay phương pháp số dựa trên đữ liệu thực nghiêm vững chắc đã phát triển và có thể

mô tả chính xác những phản ứng của một hàng rào trong điều kiện chịu tải trọng động Trước đây, đã có nhiều nghiên cứu phát triển một loại hàng rào lưới, gọi là hàng rào lưới thép bảo vệ đá rơi (WRF)(Tran PV, 2012) Các phương pháp số đã được thực hiện để kiểm tra phản ứng của hàng rào trong các điều kiện khác nhau Điều quan trọng là các phương pháp số đó đã được xác nhận chính xác, và đã trở thành công cụ

thiết kế hữu ích cho mẫu hàng rào chịu tác động đá rơi Để phù hợp với điều kiện đồi

núi tại Việt Nam, hàng rào lưới thép được đặt trên vách núi, vuông góc với phương rơi

của khối đá Hàng rào là một hệ khung lưới thép có ba nhịp, hệ khung thép gồm 4 dầm

làm bằng thép ống được khoan sâu vào vách núi Mỗi dầm sẽ được neo bởi giữ bởi 2

sợi dây cáp giằng bố trí đầu và giữa đầm Các cáp giằng này đều được nối với một

thiết bị hấp thu năng lượng va chạm trước khi neo vào vách đá nhằm tránh khả năng

đứt cáp xảy ra Hệ lưới bao gồm 14 sợi cáp thép có vai trò chính trong việc ngăn chặn

đá rơi Mỗi sợi cáp này được nối vào hai đầm thép ngoài cùng thông qua thiết bị hấp thu năng lượng và chỉ liên kết với các dầm thép giữa thông qua một vòng thép cứng

được hàn vào đầm, nghĩa là các sợi cáp này có thé trượt qua hai dằm thép ở giữa Bên

cạnh đó, để giữ khoảng cách giữa các sợi cáp, các bản thép sẽ được bố trí song song

với các dầm thép Liên kết giữa cáp và các bản thép giằng này bằng liên kết bu lông

Đề hề trợ thêm cho hệ lưới cáp trong việc ngăn chặn đá rơi, một hệ lưới thép sẽ được

phủ lên trên và liên kết với hệ lưới cáp thông qua các cuộn thép tròn

Khả năng hấp thu năng lượng va chạm cũng như các ứng xử phi tuyến của hệ thống kết cầu mới đưới tác động va chạm của đá rơi tự do sẽ được phân tích kỹ lưỡng

và xác định rõ thông qua các mô hình động, phi tuyến của hệ thống kết cầu được xây dựng bằng phương pháp phần tử hữu hạn, với phần mém thương mại LS-DYNA có

bản quyền tại trường Đại học Kanazawa, Nhật Bản Cụ thể hơn, trong nghiên cứu này,

độ giãn dai, khả năng hấp thụ năng lượng, biến dạng của dầm, và ảnh hưởng của vị trí tác động được nghiên cứu phân tích So sánh và phân tích hiệu suất làm việc của hàng

rào với các mức tác động khác nhau và vai trò mỗi thành phần của các mẫu thử

nghiệm Ngoài ra, các vấn đề liên quan đến vị trí va chạm cũng được nhắc đến trong

luận văn này Kết quả nghiên cứu đó có thể giúp ích cho việc làm thế nào nâng cao

hiệu suất của hàng rào một cách đơn giản và hiệu quả Đề xuất phương pháp phát triển bằng băng cách sử dụng mô hình số lặp đi lặp lại, các phương pháp luận và kết quả thu được từ công việc này có thể sẽ giúp hiểu các thuộc tính của các loại hàng rào lưới trong nhiều trường hợp khác nhau

ABSTRACT

Vietnam is a moutainious, complicated geographically country Every year, rockfall has been popularly happened in the whole country, especially in the middle of area Landslide has been destroyed many residential areas and many public projects, it

is not only harmful to economic but also to residents Although the government has tried to handle some temporary problems in order to limit the evil of landslide

Thus, this study introduced a new method of protecting against rockfall at the tidge based on the accurate empiric Effectiveness of structural fence was verified by testing overall of system This performance uses a block of stone which had anticipated weight and falling velocity Due to limited cost and time, this performance was not achieved comprehensive examination to get fully answer about parameters for the fences in many condition There for based on empirical data, a numerical method was developed and accurately described the response of a structural barrier in dynamic load conditions

Previously, a rock fence called wire mesh rock fence (WRF) was researched and

developed The numerical method was performed to test the reaction of the fence in

many different conditions It is important that the method was confirmed exactly, and

become an useful tool for the fence influenced rock fall Wire mesh rock fence is placed on a cliff and being perpendicular to the falling of rocks WRF is a three- span wire netting Steel grid system has 4 beams made of posts drilled into the cliff This cables are connected to an energy absorbers before anchoring to the cliff in order to avoid cable parting Wire netting is consists of 14 steel cables has a main role to prevent from the falling rocks Each cable is connected to the two outer steel beams by energy absorbers The cables link to a central steel round welded to the beam It means that the cable can slide in 2 beams Besides, in order to keep the distance of the wire rope, the plate will be arranged parallel to the steel beam The wire ropes link with the the plate by bound bolts Wire netting is overlaid on the grid and link with cable netting by the wire round in order to support for cable netting

The ability to absorb collision energy as well as the nonlinear behavior of the new structure under the impact of collision rockfall will be carefully analyzed and defined by the dynamic, nonlinear model The finite element method was applied with the

commercial software LS-DYNA - copyrighted of Kanazawa University, Japan Specifically, in this study elongation, energy absorption, deformation of the beam and effect of the impact location was researched, analysed and compared the performance

of the fence with different levels and role of each component of the prototype

Inaddition, the issue related to the collision location is also mentioned in this thesis

The research results can improve the performance of fence in a simple and effective way A method was developed by using a series of numerical simulations, the methodology The results obtained from this work can help to understand the attributeof the rock fence in many cases

MUC LUC

LOL CAM DOAN onsseccocsoscosccsscssssssessscsscssscnssoscasenccnssenssossansensenssnesscsacsuscnnenscnsessesssesnsonces i

LOT CAM ON 2 5 TT ii TÓM TẮTT -°-<©<£©Z€ES£+EESEE+eEE.£t+2treteEd.E22072707310740029400220.010741n0000 00 iii Non Ằ L.LĂLẴÔÐ v DANH MỤC CÂC BẢNG cccceesetrrrrteterrtrrreneeirrrnrrerarnerrremh x

DANH MUC CAC HINH ANHL sscsssscssssscsosescensecssnnscccsnsensenvecossacenssnessennesssnnsscenseses xi

¡0771 Ẽ8 ~ ,./|Ả 1 1 1.ĐẶT VẤN ĐỀ: 22 222crtrtrriierErrriEt t rrriirrrriirirrriirrrrrir 1

2 TINH CAP THIET CUA DE TAI: csscecssessescnecseecesessecseesncessceneesneesneenesennensesanenneessees 1 3.MỤC TIÍU, ĐÓI TƯỢNG VĂ PHƯƠNG PHÂP NGHIÍN CÚU 2 4.PHƯƠNG PHÂP NGHIÍN CU: . -5 552S52‡2tseerrttrrtrtrrritrrrrrrerrre 5 5.BÓ CỤC LUẬN VĂN / 22tr 5

CHUONG 1: TONG QUAN VE NGHIÍN CỨU -©<s++eesseesettsee 6

1.1GIGI THIEU HIEN TUGNG SAT LO DAS ee essssesessseecssstecessaecessnnecesansensanessnnesee 6 1.2 TONG QUAN VE NGHIEN CUU TREN THĨ GIỚI: - 8 1.3 TONG QUAN VE NGHIEN CUU TRONG NUGGC, u.sssssessssscsceesseennnenninnesessetoe 10 1.4 GIỚI THIỆU GIẢI PHÂP BỊ ĐỘNG TRÍN THĨ GIỚI: . - 13 CHƯƠNG 2: ĐẺ XUẤT CÂU TẠO VĂ PHĐN TÍCH SỰ LĂM VIỆC CỦA HỆ KẾT CÂU BẢO VỆ CHÓNG ĐÂ RƠI e-sc5osSScSnsnererrriiriirrrrerseree 19 2.1 ĐỀ XUÂT CHI TIẾT SƠ ĐỎ CÂU TẠO CỦA HĂNG RĂO BẢO VỆ: 19

2.2 PHĐN TÍCH SỰ LĂM VIỆC CỦA HĂNG RĂO BẢO VỆ: 21

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ TH YÍTT -°-2©essvsstrsststtrsesrerrterrerrsroee 24 3.1 LÝ THUYĨT CHUNG VỀ PHĂN TỬ HỮU HẠN: -: +- 24

3.2UU VA NHUGC DIEM CUA PHUONG PHAP PHAN TU HUU HAN : 27

3.4 NHUNG VAT LIEU CHINH DUGC MO PHONG TRONG NGHIEN CUU: 30 CHUONG 4: MO PHONG HE KET CAU BANG PP.PHAN TU HUU HAN

DỰA TRÊN PHÀN MÈM LS - DYNA 5sesceerrerrrrertretrrrrrrrrrrrrrreie 35 4.1 QUY TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ KÉT CÁU HÀNG RÀO BẢO VỆ 35 4.2 PHÂN TÍCH KÉT QUẢ TỪ MÔ HÌNH - -:-cccccsenrrrrrrrrrrrrree 40

KÉẾT LUẬN VÀ KIỄN NGHỊ HƯỚNG NGHIÊN CỨU -+ - 67

5089 1 — ÔÔ 1 Ô 67 2KIÉN NGHỊ HƯỚNG PHÁT TRIÊN ĐỀ TÀI -csscsrereerrrrrrrrre 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO - -<<55es+++eeeretrtrrttrtrasrretrrtererererree 70

DANH MUC CAC TU VIET TAT

PP : Phuong phap

PTHH : Phần tử hữu hạn

RC : Reinforced — concrete/ bé tong cét thép WRE _ : Hang rao thép bao vé da roi (Tran PV, 2012) .BTD : Bậc tự do

DANH MUC CAC BANG

Bang | 1:Tóm tắt các phương pháp bảo vệ nguy cơ đá rơi c cccc sec 9

Bảng 2 1:Chỉ tiết cầu tạo hàng rào lưới thép bảo vệ tác động đá rơi 21

Bảng 4 1: Vận tốc và năng lượng va chạm trong hai mô hình khảo sát 40 Bang 4 2:Các định nghĩa tiếp xúc trong mô hình(Tran PV, 2012) 52

DANH MỤC CÁC HÌNH ANH

Hình 1 1: Các khối đá rơi trên đường ở Colorado(Turner et al., 2012) - 6 Hình ] 2: Va chạm cực mạnh của những khối đá rơi đã phá hoại nghiêm trong san cầu

ở phía Tây của đường ham Hanging Lake, Colorado (Turner et al., 2012) 7

Hình 1 3: Sơ đồ cho thấy những quá trình đá rơi điển hình cia Ritchie (1963) 8

Hình 1 4: Giải pháp nỗ mìn vi sai(Cty CN Hóa chất mỏ Nam Bộ - Micco) 10 Hình 1 5: Giải pháp nêm thủy lực tách đá (Cty CN Hóa chất mỏ Nam Bộ - Micco) Ì Hình 1 6: Giải pháp lưới thép bao vách núi(Cíy CN Hóa chất mỏ Nam Bộ - Micco) L1 Hình 1 7: Giải pháp khoan neo gia cố (Cty CN Hóa chất mỏ Nam Bộ - Micco) 12 Hình 1 8: Hệ thống chống sạt lở tuyết sử dụng hệ cáp tam giác căng trên giá gỗ Ứng dụng đầu tiên là vào năm 1951 trên Schafberg ở Pontresina trong thung lũng Engadine

, Thụy Sĩ ( Turner và đồng nghiệp , 2012 ) .-. ccscsccrrissrrrrrrrrriieririrrrirree 14

Hình 1 9: Chỉ tiết các loại hấp thu năng lượng của hàng rào bảo vệ . 15 Hình 1.10: Thử nghiệm đá rơi tự do tại Nhật Bản Hee 17

Hình 2 1: Chỉ tiết thiết bị hấp thu năng lượng(Tran PV, 2012) - - ‹ - 19 Hình 2 2: Mô hình hàng rào bảo vệ đề xuất . -:©csseeserrertrrriretriiirrrirrrie 20

Hình 2 3: Trình bày quy trình kiểm tra khả năng làm việc của thiết bị hấp thu năng lượng trong phòng thí nghiệm (Tran PV, 2012) -ceerrerrrrrrrrrrrrrtrrrrrrrrer 22 Hình 3 1: Một số dạng phần tử thường gặp . -55ccnssrrrerrrerreiirrrrerirrrierre 24 Hình 3 2: Các loại nút và phần tử trong FEM -. . -cc-ccerierrtrirrririrerrrriee 25

Hình 3 3: So sánh sự hội tụ về kết quả trong việc việc chia nút trong phan tử 27

Hình 3 4: Đa giác lồi và đa giác lõm trong chia nút phần tử -c c-esecee 27

Hình 3 5: Đánh giá sai số trong phân tích kết quả . -++c+crerisrrreererree 27

Hình 3 6:Mô phỏng vật liệu khối đá trong Ls-Dyna - ¿22 55<cs<cecereetserrerre 30 Hình 3 7:Mô phỏng vật liệu thanh thép giằng trong Ls-Dyna -©-< 31 Hình 3 8:Mô phỏng vật liệu thiết bị hấp thu năng lượng trong Ls-Dyna 31 Hình 3 9:Mô phỏng vật liệu thép giảng đầu dầm trong Ls-Dyna -: 32 Hình 3 10:Mô phỏng vật liệu móc thép trong Ls-ÏÖyna ‹ <-c<<teeereeererre 32 Hình 3 11:Mô phỏng vật liệu phần tử lưới phá hủy trong Ls-Dyna - 33

Hình 3 12:Mô phỏng vật liệu dây cáp thép trong Ls-Dyna -ceerereeeeeerree 33

Hình 3 13:Mô phỏng vật liệu hệ lưới thép trong Ls-ÏDyna -sessererrrr 34

Hinh 3

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

Hinh 4

14:Mô phỏng vật liệu phần tử liên kết trong Ls-Dyna -+ - 34

1:Vị trí cáp thép trong mô hình -. -+ +>+++rertretterertrseterrerrrrrrrrr 36 2: Đường cong ứng suất biển dạng của cáp thép (a) và lưới thép (b) 37

3: Giả định đơn giản cho thiết bị hấp thu nang lugng(Tran PV, 2012) 37

4: Mô hình toán áp dụng cho thiết bị hấp thu năng lượng -. - 38

5: Đường ứng suất giả định của của dầm đỡ -cnenieerrrrrrrie 38 6: Minh họa sơ đồ hàng rào nghiên cứu trong Ls-Dyna -. -+ 39

7 : Quá trình chuyển động của khối đá khi chịu mức năng lượng 500K} 41

8: Qua trình chuyén động của khối đá khi chịu mức năng lượng 47SK] 43

9: Biểu diễn độ giãn dài của hai trường hợp mô phỏng . - 44

10: Sự phá hủy cáp của hàng rào lưới thép khi chịu mức năng lượng 500KJ 44

11: Hàng rào lưới thép bắt giữ khối đá khi chịu mức năng lượng 475KT 45

12: Độ giãn dài của hàng rào theo phương Z trong 2 mô hình khảo sát 45

13 : Lực căng của dây cáp trong mô phỏng thứ 1 - Mức năng lượng 500KJ 46

14: Lực căng của các sợi dây cáp 5-9 với mức năng lượng 500K 47

15: Lực căng của dây cáp 2-7 tại dầm cuối với mức năng lượng 500K” 48

16: Lực căng của các sợi dây cáp với mức năng lượng 457K] - 50

17 : Lực căng của dây cáp số 7 — 8 với mức năng lượng 475KI - 31

18 : Mức năng lượng hấp thu của các chỉ tiết — Mức năng lượng 475K1 52

19: Lực căng của các sợi dây cáp tại khu vực va chạm - -c +- 53

20 : Mô tả vị trí tác động của khối đá lên hàng rào lưới thép . 34

21 : Mô phỏng viên đá rơi sát cột ở nhịp giữa.(Vị trí va chạm D) - 35

22 : Mô phỏng viên đá rơi sát mép ngoài ở nhịp giữa.(VỊ trí va chạm E) 35

23: Biểu diễn độ dan dài của va chạm tại điểm A và điểm D 56

24 :Lịch sử biến dạng tại dau dam giữa của 2 vi tri tác động A và D 56

25 :Lịch sử độ giãn dài của hàng rào tại 2 vị trí tác động A và D 57

26 : Lực căng của các sợi dây cáp ứng với thời gian tại điểm va chạm D 59

27 : So sánh lực căng của dây cáp số 9 tại hai điểm va cham A và D 60

28: So sánh khả năng hấp thu năng lượng tại hai điểm va chạm A và D 61

29: Quá trình chuyển động của khối đá tại điểm va chạm E - 63

30: Lực căng dây cáp tại điểm khảo sát E ¿5-5 5S srekererrerrrrrrre 65 31: Chuyển vị đầu đầm theo phương Z.— Tại điểm va chạm E 66

1 Dat van dé:

Sạt lở đá tại các vách núi có độ dốc thắng đứng là hiện tượng thường xuyên xảy

ra ở các nước có mật độ đổi núi cao và chịu ảnh hưởng bởi thiên tai Các liên kết trong

các vách núi bị mắt ổn định do bị ảnh hưởng bởi nhiều lí đo khách quan Loại thiên tai

này thường chỉ xảy ra và tác động đến phạm vi khu vực nhỏ nhưng do yếu tổ bất ngờ, nên có thê gây ra thiệt hại rất lớn về người và cơ sở hạ tang ma không được dự báo

trước

Sạt lở đá đã phá hủy và làm hư hại nhiều khu dân cư, các công trình công cộng và

thực sự không chỉ thiệt hại về kinh tế mà còn gây hoang mang lo sợ trong nhân dân

Song do chưa có sự nghiên cứu đúng mức, và các biện pháp bảo vệ hiệu quả dẫn đến

việc giải quyết hậu quả do các sự cố đạt hiệu quả còn rất thấp

Việc bảo vệ cơ sở hạ tầng, con người dưới nguy cơ thảm họa đá rơi tự do bằng các hệ thống kết cấu có khả năng hấp thu năng lượng va chạm cao được nghiên cứu và

sử dụng rộng rãi tại các nước phát triển trên thế giới, nhưng chưa được nghiên cửu và

áp dụng trong thực tế tại nước ta Vì vậy rất cần thiết cho việc nghiên cứu và phát triển

một hệ thống bảo vệ để giảm thiểu tối đa thiệt hại đo thảm họa đá rơi gây ra, phù hợp

với điều kiện tại Việt Nam

2 Tính cấp thiết của đề tài:

Theo quan sát từ vệ tính, diện tích các lớp băng ở Bắc cực, Nam cực, băng ở

Greenland và một số núi băng ở Trung Quốc đang dần bị thu hẹp Chính sự tan chảy của các lớp băng cùng với sự nóng lên của khí hậu các đại dương toàn cầu (tới độ sâu

3.000m) đã góp phần làm cho mực nước biển dâng cao Dự báo đến cuối thế kỷ 21,

nhiệt độ trung bình sẽ tăng lên khoảng từ 2,0-4,5°C và mực nước biển toàn cầu sẽ tăng

từ 0,18-0,59m Trong đó Việt Nam là một trong bốn nước chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của sự biến đổi khí hậu và dâng cao của mực nước biên Sự biến đổi khí hậu toàn

cầu đang diễn ra ngày càng nghiêm trọng Biểu hiện là sự nóng lên của trái đất là băng

tan, mực nước biển đâng cao, dẫn đến hiện tượng thời tiết bất thường, bão lũ, động dat,

gây sạt lở núi gây nguy hiểm cho con người và hạ tang kỹ thuật

Tại Việt Nam, những năm qua, thiệt hại do đá rơi gây ra là vô cùng lớn, gây ra thiệt hại về người và gây tắc nghẽn tuyến đường này trong nhiều ngày Tại khu vực

miền Trung, gần đây nhất là đợt thiên tai kéo dài, dẫn đến sạt lở đá gây thiệt hại lên tới

hàng ngàn tỷ đồng về người và của trong các lĩnh vực nông nghiệp, ngư nghiệp và ảnh hưởng nghiêm trọng các khu đô thị ven biển, gây ảnh hưởng đến các công trình giao

thông, và các hạ tầng kỹ thuật

Mặc dù chính quyền địa phương đã tiến hành xử lý các sự cố tạm thời hạn chế tác

hại của sạt lở, song do chưa có sự nghiên cứu đúng mức, và các biện pháp bảo vệ hiệu

quả dẫn đến việc giải quyết hậu quả do các sự có đạt hiệu quả còn rất thấp Việc bảo

vệ cơ sở hạ tầng, con người dưới nguy cơ thảm họa đá rơi tự do băng các hệ thông kết cấu có khả năng hấp thu năng lượng va chạm cao được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi tại các nước phát triển trên thế giới, nhưng chưa được nghiên cứu và áp dụng trong

thực tế tại nước ta

Do vậy việc đề xuất, phát triên hệ thông kết câu bảo vệ chông đá rơi được xem là vấn đẻ cấp thiết trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng nhăm giảm thiêu tôi

đa thiệt hại về người và tài sản do các tai nạn sạt lở đá gây ra

Đồng thời giúp bổ sung và hoàn chỉnh các phương án bảo vệ, phòng chống sạt lở

do đá rơi tùy theo từng địa chất và khu vực cụ thể tại nước ta, giúp ích cho các nhà quy

hoạch có thêm phương án lựa chọn và tự tin có thể đảm bảo an toàn cho người và các công trình liên quan nêu có sự cô xảy ra

4 Mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài:

Trong những năm gần đây tại những nước phát triển trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu nhằm phát triển những hệ thống kết cấu tê hợp từ nhiều cầu kiện kết cấu thép và các thiết bị có khả năng hấp thụ và phân tán năng lượng va chạm do hiện tượng sạt lở đất đá gây ra Hệ thống kết cầu bảo vệ này sẽ giúp ngăn chặn không cho

đất đá sạt lở với động năng cực kỳ lớn tiếp cận được khu vực cần bảo vệ bao gồm

công trình hạ tầng, giao thông và đặc biệt là con người Việt Nam chúng ta hằng năm cũng phải đối mặt với những thiệt hại rất lớn do loại hình thiên tai này gây ra

Tuy nhiên, hướng nghiên cứu này tại Việt Nam đang còn là đề tài mới, chưa được phát triển Do đó, mục tiêu chính của đề tài này là giới thiệu tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới liên quan đến lĩnh vực này, sau đó nghiên cứu chọn lọc, phát triển để đưa ra được một giải pháp kết cầu an toàn và hiệu quả, phù hợp với điều kiện

thuc té cha Viét Nam nham giam thiểu tối đa thiệt hai về người và tài sản do hiện tượng

sat lo da gay ra

Trên quan điểm tiếp tục giữ lại những ưu điểm của hệ thống kết cầu tiêu điểm và

nghiên cứu tìm cách cải tiễn, khăc phục những nhược điểm để cuối cùng cho ra một hệ

thông kết cầu bảo vệ mới phù hợp hơn Dùng phương pháp phân tích cả định tính, định lượng, và so sánh dé đánh giá hệ thông kết cấu mới theo các tiêu chí:

> Hiệu quả về mặt kinh tế

> Mức năng lượng va chạm tối đa mà hệ thống có thé hap thu duoc

> Tinh kha thi trong việc triển khai áp dụng hàng loạt trong thực tế

Kết quả nghiên cứu sẽ giúp cho kỹ sư và các nhà quản lý có thêm sự lựa chọn phương pháp bảo vệ con người và cơ sở hạ tầng thích hợp với điều kiện thực tế cho

từng khu vực địa chất ở Việt Nam

Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu cụ thể là một hệ khung lưới thép có ba nhịp, gồm 4 dầm

làm băng thép ống được khoan sâu vào vách núi Mỗi dầm sẽ được neo bởi giữ bởi 2

soi day cáp giằng bố trí đầu và giữa dầm Ngoài ra hệ khung thép còn có hệ thống dây

cáp bao gồm 14 sợi cáp thép có vai trò chính trong việc ngăn chặn đá rơi Mỗi sợi cáp

này được nối vào hai dằm thép ngoài cùng thông qua thiết bị hấp thu năng lượng và chỉ liên kết với các dầm thép giữa thông qua một vòng thép cứng được hàn vào dầm,

nghĩa là các sợi cáp này có thể trượt qua hai dầm thép ở giữa

Bên cạnh đó, để giữ khoảng cách giữa các sợi cáp, các bản thép sẽ được bố trí song song với các dầm thép Liên kết giữa cáp và các bản thép giằng này bằng liên kết

bu lông Đề hỗ trợ thêm cho hệ lưới cáp trong việc ngăn chặn đá rơi, một hệ lưới thép

sẽ được phủ lên trên và liên kết với hệ lưới cáp thông qua các cuộn thép tròn (liên kết

cấu của hệ thống kết cầu bảovệ chống lại hiện tượng sạt lở đất đá (Rockfall Protection Systems) ở mỗi quốc gia là không giống nhau.Tuy nhiên, nhìn chung là giữa các nước châu Âu và Mỹ có nhiều điểm tương đồng, còn Nhật Bản gần đây đã phát triển thêm

nhiều hệ thống mới, với nhiều đặc điểm riêng biệt, phù hợp với địa hình chật hẹp, hệ

thống giao thông đan xen sát với nhiều dãy đồi núi

Tại Việt Nam, do điều kiện thực tế: nhiều đổi núi xen kẻ với các khu dân cư

hay tuyến giao thông quan trọng rên để quy hoạch khu dân cư hay rút ngắn khoảng cách tuyến giao thông, các đồi núi được cắt, xẻ với độ dốc rất lớn và gần như thẳng đứng Như vậy gây ảnh hưởng rất lớn đến sự an toàn của con người và các cơ sở vật chất lân cận khi có sự cố sạt lở xảy ra Vì vậy phạm vi dé tài là nghiên cứu và phát

triển hệ thống kết cấu bảo vệ chống đá rơi tự do tại các vách núi có độ đốc thẳng đứng, nhằm bảo vệ các công trình bên dưới, phù hợp với địa hình tại Việt Nam

Cụ thể hơn, tác giả sẽ xây dựng một mô hình mô phỏng một hệ thống kết cầu hàng rào chịu tác động đá rơi Dựa trên những nghiên cứu thực nghiệm chính xác trước đây và ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn được hoạt động trên nên phần

mềm thương mại có bản quyền LS-DYNA để phân tích khả năng làm việc của hệ kết

cầu ngăn chặn đá rơi tự do tại vách núi thẳng đứng

Giới hạn của đề tài:

Đây là bài toán mô phỏng, mô hình được xây dựng dựa trên những nghiên cứu thực nghiệm đã được thực hiện trước đây (Tran PV., 2012), nhằm giảm chỉ phí và thời

gian trong quá trình khảo sát nhằm đưa ra cấu tạo chỉ tiết cho từng bộ phận Mặc dù

vậy nhưng vẫn chưa có kết quả thực nghiệm theo hướng mà tác đang nghiên cứu, do

đó vẫn chưa được kiểm chứng bằng những kết quả thực nghiệm và có thể so sánh với

mô hình mà luận văn đưa ra

Ngoài ra, hình dạng, kích thước, và vận tốc rơi của khối đá cũng ảnh hưởng rất

nhiều đến ứng xử làm việc của hàng rào Tuy nhiên trong luận văn này, tác giả cũng chưa khảo sát được mức ảnh hưởng của các yếu tổ trên nhằm phân tích ứng xử làm việc của hàng rào

Đồng thời, do thời gian nghiên cứu có hạn, luận văn vẫn chưa đưa hết được

những khảo sát tại các vị trí đặc biệt khác trên mô hình như đá rơi trực tiếp lên dầm

đỡ, hoặc những vị trí sát với chân hàng rào

đá rơi tự do vào một hệ khung lưới thép băng phương pháp phần tử hữu hạn, đồng thời khảo sát các phản ứng phi tuyến của các đối tượng này khi thay đổi mức năng lượng

cũng như vị trí va chạm giữa đá rơi và hệ kết cấu bảo vệ với trợ giúp của phần mềm thương mại LS-DYNA, có bản quyền tại trường Đại học Kanazawa, Nhật Bản

Các mô hình này mô tả được sự làm việc của toàn bộ hệ thông kết câu trong điêu kiện chịu tải trọng động va chạm với mức năng lượng cao Băng việc phân tích chỉ tiết

các mô hình số trên, chúng ta có thê xác định rõ:

> Ứng xử động, phi tuyến của toàn bộ hệ thống kết cấu cũng như từng kết cấu

thành phần đưới tác động va chạm của đá rơi tự do

> D6 bién dang của toàn bộ hệ kết cấu: lực căng của cáp, độ giãn dài của cáp, độ

võng của hệ lưới, độ lớn biến dạng của dâm

> Vai trò ảnh hưởng của các kết cấu thành phần trong việc hắp thu năng lượng va

chạm do đá rơi tự do gây ra

> Phan tích khả năng bị đứt cáp khi chịu tác động va chạm lớn

> Mire nang lượng mà hệ thống kết cấu có thể hấp thu được

> Ảnh hưởng của vị trí va chạm đến khả năng hấp thu năng lượng của kết cấu

Dựa vào kết quả phân tích ở trên, có thể tiếp tục điều chỉnh hệ thống kết cầu nhằm đạt được sự tối ưu hóa cao nhất và phù hợp nhất tại Việt Nam

5 Bố cục luận văn

Luận văn dự kiến gồm 4 chương với nội dung như sau:

MỞ DAU

CHƯƠNG 1: TỎNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

CHƯƠNG 2: DE XUAT CAU TAO VA PHAN TICH SU LAM VIEC CUA HE

KET CAU BAO VE CHONG DA ROI

CHUONG 3: MO PHONG HE KET CAU BANG PP.PHAN TU HUU HAN

DUA TREN PHAN MEM LS - DYNA

KET LUAN VA KIEN NGHI

TAI LIEU THAM KHAO.

CHUONG 1 : TONG QUAN VE NGHIEN CUU

1.1 Giới thiệu hiện tượng sạt lỡ da:

Sạt lở đá được xem là mối nguy hiểm xảy ra trong tự nhiên, do bị ảnh hưởng bởi khí hậu, sự phong hóa của đá theo thời gian, hoặc có thé la mat ổn định liên kết do sự

thẩm thấu của nước ngầm, dòng chảy bề mặt, xói mòn và động đất Ngoài ra, các hoạt động của con người như thi công xây dựng, nỗ khai thác đá, chấn động rung từ các thiết bị, các đoàn tàu cũng được xem là những nguyên nhân bên ngoài gây ra tai

nan sat lở đá (Hoek E ,2007) Sạt lở đá chủ yếu tập trung ở những khu vực sườn đôi

núi có độ dốc lớn, các khu vục dân cư gần thung lũng núi, đường cao tốc Tuy phạm

vi ảnh hưởng là không lớn nhưng do yếu tố bất ngờ và động năng tác động do va chạm

là lớn nên gây thiệt hại rất nghiêm trọng đến con người và cơ sở hạ tằng xung quanh

Rất khác với sạt lở đất, đá bị sạt lở thường có khối tích nhỏ hơn, rời rạc nhưng là những khối rắn cứng (Ladd G E., 1935) Và Ladd cũng chia hiện tượng sạt lở thành 4 loại như sau:

> Dòng sạt lở của đá cuội, kích thước nhỏ;

> Sự rơi liên tục của đá thô cùng với đá nhỏ tích lũy dần tạo thành những bờ đốc;

> Sự tách rời và rơi thắng đứng từ các vách núi;

> Mot hay nhiều tảng đá có kích thước lớn do ảnh hướng của điều kiện thời tiết

khắc nghiệt hay do hiện tượng xói mòn bị mắt én định và tách rời khỏi sườn núi, rơi tự

do xuống từ độ cao rât lớn

Hình I.1:Các khối đá rơi trên đường ở Colorado(Turner ef ai., 2012)

Mot dinh nghia tổng quát khác cho hiện tượng sạt lở đá được Cruden và Varnes

đưa ra (Cruden D.M.,& Varnes D.J., 1996) Hiện tượng sạt lở đá là sự dịch chuyển từ

rất nhanh đến cực kỳ nhanh của bề mặt đổi núi, trong đó, các tảng đá bị tách ra khỏi bề

mặt dốc và dịch chuyển nhanh xuống theo các hình thức: rơi tự do, rơi và lăn đồng

thời Và Ritchie đã đưa ra mối quan hệ giữa độ dốc của sườn núi với hình thức chuyền động của đá rơi (Ritchie A M., 1963) Khi độ dốc lớn hơn 76° (hay 0.25:1), dù cho

tảng đá bị tách ra từ sườn núi với một gia tốc ban đầu rất nhỏ, sự rơi tự do hoàn toàn

có thể xảy Ta Nếu độ dốc nhỏ hơn 76° và lớn hơn 45°, tảng đá rơi sẽ va chạm vào bề mặt sườn dốc, hình thức lăn tự nhiên và nảy bật của đá sẽ hình thành Chuyên động lăn

sẽ chiếm ưu thế nếu độ dốc nhỏ hơn 45°

Bên cạnh đó, liên quan đến thể tích khối đá rơi, Rochet chia hiện tượng đá rơi

thành bốn trường hợp như sau (Rochet L., 1987):

> Đá rơi với từng khối riêng lẽ với thể tích từ 0.01 đến 100 m’

> Những khối đá lớn với thể tích từ 100 đến 100,000 m’

> Những khối đá rất lớn với thể tích từ 100,000 đến 10 triệu m”

> Những khối sạt lở cực lớn với thể tích lớn 10 triệu mỉ

Hình 1.2: Va chạm cực mạnh của những khối đá rơi đã phá hoại nghiêm trọng sàn au

ở phía Tây của đường ham Hanging Lake, Colorado (Turner et al., 2012)

Tóm lại, hiện tượng sạt lở đá luôn luôn găn liên với các yêu tô như khôi tích đá, vận tốc rơi và xoay, chiều cao nảy bật và hoàn toàn phụ thuộc vào đặc điểm địa hình sườn dốc và cơ chê rơi của khôi đá (Bozzolo D và cộng su, 1988)

1.2 Tổng quan về nghiên cứu trên thế giới:

Các phân tích nghiên cứu sớm nhất về sạt lở đá được thực hiện bởi Ritchie (1963)

phục vụ cho Ủy Ban Quan ly đường bộ của tiểu bang Washington Ritchie da nhan

manh rang cần có phương tiện để dự đoán sự ổn định vật liệu trên bề mặt nứt của đá Bằng cách tiến hành hàng trăm thử nghiệm đá rơi với nhiều quy mô lớn nhỏ khác

nhau, Ritchie đã xây dựng, phát triển tiêu chuẩn thiết kế và đang được sử dụng rộng rãi trong các công trình bảo vệ đá rơi Ritchie cũng đá nghiên cứu chuyển động và quỹ

đạo rơi của những tảng đá và đã cố găng phát triển giải pháp phân tích diễn biến và

mối nguy hiểm đo đá rơi dựa trên quy luật chuyển động của đá

nghiên cứu có liên quan đến các dự án phát triển đường cao tốc

Martin (1988) đã cung cấp một bảng tóm tắt về các phương pháp bảo vệ khi cho nguy cơ đá rơi:

Bang 1.1:Téom tắt các phương pháp bảo vệ nguy cơ đá rơi

PP 6n định PP bao vé PP canh PP giam

bao sát theo dõi

Đào rãnh thoát nước và |Mương ngăn chặn và Tuan tra va} Theo dai kiểm soát mực nước ngầm | mương hành lang cảnh báo các cuộc

Gia cỗ và ôn định đá có | Bờ đề ngăn chặn Hàng rào | điều tra

nguy cơ mắt liên kết: Tường ngăn chặn cảnh báo chính xác

e Bê tông hay vữa liên | Treo và gắn lướibao |Đèn cảnh |về độ biến

mô phỏng bằng máy tính lại được sử dụng rộng rãi hơn Từ đó đưa ra được nhiều giải

pháp tối ưu có thể khắc phục được phạm vi ảnh hưởng tác động do nguy cơ đá rơi Các phương pháp ổn định được sử dụng để giảm vĩnh viễn nguy cơ sạt lở đá, hoặc để cải thiện tăng cường sự ổn định bề mặt cho sườn đốc Điều này có thể thực

hiện được bằng cách quản lý, theo đối và gia có hoặc loại bỏ những kết cầu đá có liên

kết kém (Wyllie D C , 1980) Mục đích là để ngăn chặn những khối đá có thể tách ra

khỏi sườn núi và rơi xuống đường hoặc các công trình lân cận Đồng thời còn có

phương pháp không can thiệp bằng các giải pháp kỹ thuật đó là tăng cường công tác

bảo trì, đặt bản hiệu cảnh báo, và bố trí hệ thống quan sát (Turner A K và Schuster

R.L., 2012) Và họ gọi đó là phương pháp chủ động

Ngoài ra còn có các biện pháp bảo vệ bị động như xây dựng hệ thống mương,

hào, tường chắn, hệ hàng rào và các kết cấu mái chắn - nhằm giữ lại hoặc làm chệch

hướng của các khối đá rơi Trong đó hệ hàng rào là hệ thống hoạt động linh hoạt, tiêu tán năng lượng va chạm bằng chính biến dạng rất lớn của nó khi va chạm xảy ra Đây

là lựa chọn được sử dụng nhiều vì có chỉ phí thấp và hoạt động ổn định Sản xuất don giản, ít tác động đến môi trường và có thể dé dang bao hành sửa chữa

1.3 Tổng quan về nghiên cứu trong nước

Trong thực tế, đa số các sườn dốc đã có độ ôn định tự nhiên, theo thời gian dưới

tác tác động nhiều yếu tố (trọng lực, phong hóa dat da, thủy văn, điều kiện khí hậu ),

các sườn đốc mắt đi trạng thái ôn định Nhiều sườn núi, tuyến đường giao thông tiểm

Ân nhiều nguy cơ sạt lở gây mất an toàn cho người và phương tiện tham gia giao

thông

Như vậy, nguy cơ mất an toàn đo sạt lỡ đất đá đã trở thành một trong những vấn

đề nhức nhối mà các địa phương (đặc biệt là các tỉnh miền núi) đang phải đối mặt, gióng lên những hồi chuông cảnh tỉnh các cơ quan quản lý nhà nước, các địa phương

đá rơi gây ra Trong đó Công ty công nghiệp Hóa chất mỏ Nam Bộ - Micco đã nghiên

cứu tư vấn, triển khai và ứng dụng một số giải pháp nhằm đảm bảo độ ôn định sườn

dốc, vách núi cụ thế như sau:

> Tháo khô đất đá bị sũng nước

> Sử dụng phương pháp nỗ mìn vi sai, nỗ mìn tạo biên, nỗ mìn tách

Hình 1.4: Giải pháp nỗ mìn vi sai(Cty CN Hóa chất mỏ Nam Bộ - Micco)

> Sử dụng nêm thủy lực tách đá có nguy cơ sạt lở

Hình 1.5: Giải pháp nêm thủy lực tách đá (Cty CN Hóa chất mó Nam Bộ - Micco)

» Biện pháp giảm tải

> Sử dụng phương pháp bạt taluy đạt góc ôn định tự nhiên và phủ thảm thực vat

> Str dụng lưới thép bảo vệ chống đá rơi

Hình 1.6:Giải pháp lưới thép bao vách núi(Cty CN Hóa chất mó Nam Bộ - Micco)

> Sử dụng khoan neo gia cô các vách núi

Hình 1.7: Giải pháp khoan neo gia cố (Cty CN Hóa chất mỏ Nam Bộ - Micco)

Nhưng nhìn chung, hầu hết các nghiên cứu và phương pháp được sử dụng rộng

rãi ở nước ta chỉ là phương pháp chủ động, đề phòng trước các khả năng dẫn đến sat

lở Tuy không phải là đối tượng nghiên cứu chính của đề tài, nhưng thông qua các giải pháp trên ta thấy rõ vẫn chưa có nghiên cứu cụ thể nào đi sâu vào việc thiết kế hệ

thống kết cấu hàng rào lưới thép bảo vệ chịu tải trọng đá rơi tự do Vì vậy đây là

hướng nghiên cứu còn khá mới và chưa được thực hiện rộng rãi ở Việt Nam

1.4 Giới thiệu giải pháp bị động trên thế giới:

Khi có được các thông tin cần thiết về nguy cơ xảy ra thảm họa đá rơi tại một sườn đốc cụ thê nào đó, việc xác định một giải pháp phòng chống phù hợp được xem như là một bước quan trọng nhất trong việc quản lí thảm họa và rủi ro, nghĩa là lựa chọn được một giải pháp chính xác sẽ làm giảm thiểu tối đa thiệt hại do đá rơi gây ra

Biện pháp ôn định kết cấu sườn dốc bao gồm thay đổi độ dốc để giảm xác suất

xuất hiện của hiện tượng đá rơi Điều này có thể thực hiện được bằng cách quản lý,

theo đối và loại bỏ những kết cấu đá có liên kết kém(Wyllie D C và cộng sự ,1980)

Tuy nhiên, đối với những khu vực sườn núi có độ ôn định kết cấu sườn dốc là không đều, có độ dốc lớn và nguy cơ sạt lở cao thì biện pháp ổn định kết cấu chưa thật sự

đem lại hiệu quả cao Từ đó bắt đầu khởi xướng ra nhiều phương pháp bảo vệ khác

như lập hàng rào, biển báo, tắm lưới, tường rào chắn để kiểm soát phạm vi ảnh hưởng Mục tiêu chính của các phương pháp này gần như là làm thay đổi quỹ đạo rơi

của đá bằng cách bắt giữ hoặc làm giảm động năng va chạm bằng các thiết bị triệt tiêu

năng lượng va chạm Đây là loại phương pháp thụ động hơn nhưng lại phù hợp với

những khu vực có nguy cơ sạt lở đá ngoài ranh giới bảo vệ, mức độ ôn định kết cầu sườn dốc là không đều và chỉ phí ổn định là quá cao, và việc đi dời khỏi phạm vi ảnh hưởng là không thê thực hiện hoặc chỉ phí cao

Ở một góc độ nào đó thì phương pháp lập hàng rào, kè chắn, kết cấu tường chắn là lựa chọn hợp lý hơn đo dễ thi công, không ảnh hưởng nhiều đến môi trường,

thuận tiện việc bảo hành bảo dưỡng mà chỉ phí là không cao

Hàng rào bảo vệ thường được sử dụng đề kiểm soát hoặc bắt giữ các khối đá rơi xuống với mục đích bảo vệ cơ sở hạ tầng Hàng rào linh hoạt thường có cấu tạo gồm

một tắm lưới mà nhiệm vụ chính là ngăn chặn và bắt giữ khối đá rơi xuống, cấu trúc

trụ đỡ, dây giằng giữa, các thiết bị hấp thu năng lượng và neo giữ Những tắm lưới có

độ biến dạng lớn, đồng thời được sự hỗ trợ đáng kẻ của các thiết bị hấp thu năng có thể

làm tiêu hao động năng khi đá rơi xuống Nếu so sánh với các hàng rào cố định, thi

hàng rào linh hoạt có chi phí hợp lí hơn và đơn giản trong thiết kế Từ đó loại hàng rào

này đã được phát triển mạnh mẽ với mức hấp thu năng lượng từ ¡0 đến 8000K] trên

toàn thế giới

Hàng rào đầu tiên được áp dụng cho bảo vệ tuyết lở ở Thụy Sĩ - bao gồm mạng

lưới dây cáp hình tam giác gắn trên khung gỗ (Spang R M., & Bolliger R., 2001) Vô

tình, loại hàng rào này đã được vận dụng để bảo vệ thành công hiện tượng đá rơi đã

xảy ra trong thời kỳ tuyết rơi, mở ra một ứng dụng mới để bảo vệ đá rơi kể từ thời

điểm đó Các ứng dụng được biết đến đầu tiên như một hàng rào dây cáp được dựng lên vào năm 1958 tại miền Nam Thụy Sĩ Brusio trên để bảo vệ các đường dây tải điện

Hệ thống bao gồm lưới hình chữ nhật có kích thước đo được là 3x5 m, chiều cao 5 m

được coi là chiều cao tiêu chuẩn như hiện nay (Turner A K.,& Schuster R L., 2012)

lượng luôn là trọng tâm trong quá trình thiết kế, chủ yếu tập trung vào vật liệu sử dụng

và các thành phần cấu thành nên hệ thống bảo vệ bằng cách thay đổi các vật liệu mới

từ lưới thép nhẹ đến các thiết bị làm tiêu hao năng lượng Điều này làm tăng đáng kể

khả năng hấp thu năng lượng khi chịu tác động đả rơi

Hình 1.9 Chỉ tiết các loại hấp thu năng lượng của hàng rào bảo vệ

Khi xảy ra đá rơi, năng lượng do va chạm được chuyển từ vị trí va chạm vào các

thành phần kết cầu lân cận của hệ thông, và ngay lập tức tiêu tan bởi các khả năng chịu

lực của kết cầu lưới bảo vệ và các hệ thống tiêu hao năng lượng Dựa trên nguyên lí làm việc đó, hệ thống kết cấu bảo vệ được phát triển theo hướng là tăng cường khả

năng hấp thu năng lượng do va chạm của hệ thống Đồng thời, nghiên cứu phát triển khả năng tiêu hao năng lượng tại các vị trí cách xa trung tâm lưới bảo vệ dé phù hợp hơn với nhiều trường hợp tác động của đá rơi (Wyllie D C và cộng sự ,1980) Việc

đánh giá hiệu quả hoạt động của hàng rào được dựa vào mỗi quan hệ giữa tải trọng tác động, hiệu quả của việc bắt giữ khối đá và bảo dưỡng dinh ki (Tumer A K.,&

Schuster R L., 2012) Tai tac động đơn giản là động năng va chạm khi khối đá rơi

xuông tác động vào hàng rào

Hiệu quả làm việc của hàng rào dựa vào việc phân bố năng lượng tác động của

các bộ phận cầu tạo và chịu ảnh hưởng lớn bởi vị trị va chạm khi tác động Và vấn đề bảo trì là liên quan đến các sửa chữa cần thiết sau khi chịu tác động va chạm Các hàng rào loại này thường đạt hiệu qua cao nhất tại vị trí trung tâm của tắm lưới bắt giữ, đó là nơi mà hàng rào có biến dạng cao nhất Tính linh hoạt của hàng rào đã làm giảm tải

trọng khi đá rơi xuống, và nói chung là tăng cường khả năng hấp thụ năng lượng của

tổng thể hệ thống lớn lên đồng thời giảm thiêu vấn dé bảo trì sau khi chịu tác động Tuy nhiên, tất cả những hướng phát triển trên đều không thê thực hiện được mà

không cần thử nghiệm rộng rãi cho từng thành phần cấu thành nên hệ thống cả trong

phòng thí nghiệm và tác động thực trong thực tế Kết quả được minh họa ấn tượng bởi

sự gia tăng khả năng hấp thu năng lượng từ 50K] lên 8000K], đồng nghĩa khả năng

hấp thu năng lượng tăng gần 100 lần (Spang R M., & Bolliger R., 2001)

Nhiều cá nhân khác nhau và các nhóm nghiên cứu từ Châu Âu, chủ yếu từ Thụy

SY, Ý, Nhật đã tiến hành nhiều cuộc kiểm tra toàn diện trên các loại khác nhau của

hàng rào để xác minh kết quả và trao đổi thông tin Trong đó Peila cũng đã tiến hành

kiểm tra thực nghiệm bằng cách sử dụng cáp dẫn để đưa khối đá lên trên đỉnh dốc và

diém đến của khối đá là hàng rào lưới được đặt dưới chân dốc (Peila, D.và cộng sự,

1998) Khối đá được thả xuống tác động trực tiếp vào hàng rào, bỏ qua chuyển động

lăn và nảy bật trong quá trình di chuyển.Theo cách này, động năng tác động đã được tính toán chính xác Các máy quay phim, chụp ảnh đã được sử dụng để theo dõi và ghi

lại những hình ảnh tác động trong quá trình kiểm tra thực nghiệm Các lực tác dụng lên các dây cáp, trụ đỡ cũng đã được đo và ghi nhận lại

Muraishi and Sano da dua ra một qui trình thí nghiệm cho hệ hàng rào chống sạt

lở đá và được viện nghiên cứu kỹ thuật đường sắt Nhật Bán sử dụng (Muraishi H.,& Sano S., 1999) Việc kiểm tra đánh giá một hệ hàng rào bảo vệ được thực hiện thông qua các thí nghiệm tĩnh trong phòng thí nghiệm đối với các kết cầu thành phần và thí

nghiệm hiện trường với tỉ lệ thực cho toàn bộ hệ kết cấu Trong thí nghiệm tại hiện trường, một khối đá được thả rơi tự do từ một cần câu xuống hệ kết cấu đã được lắp dựng trên sườn dốc thăng đứng (Hình 1.10).

H, Chiều cao điểm lệch tối đa của hàng rào

Hưu, Độ lệch tỗi đa của hàng rào

Với thử nghiệm thả rơi tự do tại nhiều vị trí tác động và động năng của khối đá

có thể được ghi chép lại một cách chính xác trong hàng loạt các thử nghiệm, để nhằm

giảm số lượng các bài toán kiểm tra cho trường hợp đá rơi và lăn trên sườn đồi

Baumamn đã xem xét lại các bài kiểm tra hàng rào linh hoạt bảo vệ nguy cơ đá rơi ở

Thụy Sĩ (Baumamn R., 2002) Có hơn 350 bài kiểm tra đã thực hiện trong nước từ năm

1988 đến năm 2002, và các thủ tục kiểm tra cũng như thiết kế hàng rào liên tục được

cải thiện trong thời gian đó Một bản tóm tắt các thử nghiệm trên hàng rào được trình

bày trong (Thommen R A (2008) Sau đó, tiến hành kiểm tra toàn điện bằng nhiều

quy mô khác với sự hỗ trợ của phương pháp đo lường tốt hơn để đưa ra được kết quả

chỉ tiét hon (Gottardi, G., & Govoni, L., 2010) Cho đến nay, dựa trên gia tốc rơi của các khối đá rơi xuống, việc kiểm tra khả năng làm việc của hàng rào có thê chia thành

hai loại chính đó là: khối rơi, lăn theo sườn dốc và rơi tự đo

Nhằm giảm số lượng thí nghiệm hiện trường với chi phí quá lớn nhưng vẫn đảm bảo phát triển được những hệ kết cấu hàng rào mới, phương pháp mô phỏng đã được áp dụng, trước hết để hiểu rõ cơ chế ứng xử của hệ kết cấu đối với va chạm của

đá rơi và sau đó được sử dụng cho mục đích thiết kế và phát triển Hơn nữa, phương

pháp mô phỏng còn cho phép xem xét các trường hợp tải trọng đặc biệt khác mà

không thể thực hiện tại hiện trường (đá rơi với vận tốc lớn, các vị trí va chạm đặc biệt

như va chạm vào dầm, vào cáp giằng ) cũng như khảo sát sự thay đổi trong ứng xử

của hệ kết cấu khi có điều chỉnh, thay đổi cần thiết

CHUONG 2: DE XUAT CAU TAO VA PHAN TICH SU LAM

VIEC CUA HE KET CAU BAO VE CHONG DA ROI

2.1 Đề xuất chỉ tiết sơ đồ cầu tạo của hàng rào bảo vệ:

Sơ đồ cấu tạo của hàng rào lưới thép là một hệ khung lưới thép gồm có 04 dầm

đỡ làm bằng thép ống đúc có đường kính ngơài là 219 mm với chiều dày là 30 mm được khoan sâu vào vách núi tạo thành 03 nhịp, với chiều dài mỗi nhịp là 8m Mỗi

dầm sẽ được neo giữ bởi 02 sợi dây cáp có đường kính danh nghĩa là 18mm bồ trí tại

vị trí đầu và giữa của dầm Mỗi cáp giằng này đều được nói với 01 thiết bị hấp thu năng lượng va chạm trước khi neo cô định vào vách núi nhằm giảm khả năng đứt cáp xay ra

Thiết bị hấp thu năng lượng va chạm gồm một bu lông chữ U và hai khối thép

đức, một lớn và một nhỏ, trong đó khối thép nhỏ có thê trượt đợc theo bư long chữ U

Mỗi khói gồm 2 bản thép đúc có độ dày từ 25-38mm Hai tắm thép được xếp chồng

lên nhau, ở giữa có một khe lõm (nơi đặt dây cáp thép) và được nén lại với nhau bằng hai bu lông M20 với momen xoắn là 200Nm/1bulông (Hình 3.1) Lực ma sát giữa dây

cáp và 2 tắm ốp thép rất quan trọng, phụ thuộc vào momen xoắn của các bu lông M20

Bu long này đã được khảo sát bằng những thí nghiệm tĩnh tại phòng thí nghiệm (Tran

Chiều cao tinh toán được tính từ vách núi ra đến dây cáp ngoài cùng là 4.2 m và được chia đều cho 14 dây cáp Mỗi dây cáp có đường kính danh định là 18 mm này

được sử dụng như là thành phần chính để bắt giữ những khối đá rơi ra từ vách núi

Chúng được bố trí theo chiều ngang bằng cách kết nối với hai dam đầu và cuối thông

qua các thiết bị hấp thu năng lượng nhằm tăng hiệu quả trong việc ngăn ngừa các dây

cáp thép bị đứt khi chịu tác động va chạm Có một nút dừng được gắn ở phần cuối của

mỗi dây cáp để ngăn chặn các sợi dây trượt ra khỏi thiết bị hấp thu năng lượng (Tran

PV, 2012)

Ngoài ra mỗi dây cáp như vậy được xuyên qua vòng thép được hàn cứng vào các

dầm đỡ trung gian Đẻ giúp duy trì khoảng cách giữa các dây cáp, 4 thanh giằng đứng làm bằng thép tắm được lắp đặt tại vị trí giữa của mỗi nhịp Mỗi thanh giằng được làm

bằng thép tắm dày 9mm được liên kết với từng dây cáp bởi những bu lông Ù bằng sắt Với mục đích hỗ trợ các dây cáp thép trong vai trò bắt giữ khối đá, một lớp lưới thép có đường kính sợi lưới là 5mm và khoảng cách lưới là 50mm đã được sử dụng

Thêm vào đó, để cố định 4 dầm đỡ đều nằm trong một mặt phẳng của hàng rào, phía trên đầu mỗi đầm liền kề đều được liên kết bằng một thanh giằng nằm ngang bằng thép ống có đường kính 114mm dày 4.5mm

Bang 2.1:Chi tiét cdu tao hang rào lưới thép bảo vệ tác động da roi

2.2 Phân tích sự làm việc của hàng rào bảo vệ:

Đây là loại hàng rào mới được phát triển dựa trên một loại hàng rào đã được

kiểm nghiệm trong thực tế (Tran PV, 2012) và được thực hiện bằng cách sử dụng khối

bê tông được bọc bằng thép (RC) có khối lượng đúng với thực tế bị rơi tự do khỏi

sườn núi, ngoài ra không có sự tác động nào trong quá trình rơi Hình dạng của khối

RC được đưa ra là phù hợp với quy định EOTA cho hệ thống bảo vệ đá rơi (ETAG-

027, 2008) Khối RC được bao phủ với lớp thép tắm 6mm và có khối lượng thực 5,2

Khi hàng rào chịu tác động do một khối đá RC rơi tự do xuống, một động năng

va chạm đã tác động vào hàng rào, phần động năng đó được truyền vào hệ thống dây

cáp Khi đó đây cáp bị giãn ra một đoạn nhất định nhưng chưa có hiện tượng trượt qua

các thiết bị hấp thu năng lượng, cho đến khi độ lớn của lực va cham dat đến một giá trị

giới hạn Lúc này các dây thép bắt đầu trượt, các thiết bị hấp thu năng lượng có thé duy trì một lực ma sát động học giữa dây cáp và thiết bị hấp thu năng lượng cho đến khi một điểm dừng tại đoạn cuối của đây cáp tiếp xúc với thiết bị hấp thu năng lượng

Những dây cáp như vậy sẽ giảm được khả năng gây đứt cáp do một phan năng lượng

tác động đã được hấp thu bởi các thiết bị hấp thu năng lượng Hình 2.1 cũng đã trình

HUTECH LIBRARY

AW ES XG

bay cụ thé cdc chi tiết của thiết bi hap thu năng lượng đã được chứng minh bằng thực

nghiệm và mô phỏng số về khả năng làm tiêu hao năng lượng và ngăn chặn tác động

làm đứt cáp (Tran PV, 2012) Hiệu quả của thiết bi hap thu năng lượng là do:

+ Chuyển động ban đầu của khối thép (2) đến khi tiếp xúc với khối thép

(1), nó ngăn chặn sự gia tăng sức căng đột ngột trong dây cáp khi bắt đầu chịu tác

của các bu lông nối các tắm thép (1) và (2) Hình 2.3 miêu tả mô hình và các bước thử

nghiệm trong phòng thí nghiệm cho một thiết bị hấp thu năng lượng (Tran PV, 2012)

Từ đó, mối quan hệ giữa lực căng của mỗi bu lông U được sử dụng trong hàng rào lưới thép và lực căng của dây thép cũng được xác định trong thí nghiệm kéo khi chịu tải trọng tĩnh Mỗi quan hệ này đã được sử dụng dé ước tính lực căng của dây cáp từ di

liệu lực căng của bu long U cho hàng rào chịu tải trọng tác động (Tran PV, 2012)

Thiết bị hấp thu Khối đá được thả

Hình 2.3: Trình bày quy trình kiểm tra khả năng làm việc của thiết bị hấp thu năng

lượng trong phòng thí nghiệm (Tran PV, 2012)

Đồng thời mỗi quan hệ đó cũng có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc của hàng rào Ngoài ra, dầm đỡ, hệ thống lưới thép và các thanh thép giằng cũng là bộ

phận góp phần làm suy giảm động năng va chạm của khối đá và giúp bắt giữ khối đá

tốt hơn

Năng lượng tác động chính là động năng ( Ev ), nó phụ thuộc vào vận tốc tương ứng của chuyển động rơi tự do của khối RC trước khi va chạm:

TỶ =< [2.1]

v : là vận tốc chuyên động rơi tịnh tiến của khối RC

E : là năng lượng tác động

E, : động nang của khối RC

Dựa vào đó, các bài toán đã được đưa ra nhằm khảo sát khả năng làm việc thực

tế của hàng rào Việc lặp đi lặp lại các tính toán trên cho phép chúng ta kiểm tra được

các trạng thái kết cầu của mỗi phần cấu thành nên hàng rào và sự tương tác giữa các

thành phần đó với nhau như thế nào trong quá trình chịu tác động va chạm Đồng thời

cũng xác định được khả năng bắt giữ khối đá tốt nhất của hàng rào với những ứng xử

của các thành phần trên

CHƯƠNG 3: CO SO LY THUYET

3.1 Ly thuyét chung vé phan tir hiru han:

Giới thiệu chung về phần tứ hữu hạn:

Theo thời gian, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật đòi hỏi người nghiên cứu phải

thực hiện những nghiên cứu ngày càng phức tạp, đắt tiền nhưng đòi hỏi độ chính xác,

an toàn cao

Phương pháp phần từ hữu hạn (PTHH) là một phương pháp rất tông quát và hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác nhau Từ việc phân tích trạng

thái ứng suất, biến dạng trong các kết cấu cơ khí, các chỉ tiết trong ô tô, máy bay, tàu

thuỷ, khung nhà cao tầng, dầm câu, v.v, đến những bài toán của lý thuyết trường như:

lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thuỷ đàn hồi, khí đàn hồi, điện-từ trường v.v

Với sự trợ giúp của ngành Công nghệ thông tin và hệ thống CAD, nhiều kết cầu phức

tạp cũng đã được tính toán và thiết kế chỉ tiết một cách đễ đàng

Hiện nay có rất nhiều phần mềm sử dụng phương pháp PTHH nỗi tiếng như:

ANSYS, LS-DYNA ,ABAQAUS, SAP, v.v

Có rất nhiều dạng phần tử hữu hạn: phần tử một chiều, hai chiều và ba chiều

Trong mỗi dạng đó, đại lượng khảo sát có thể biến thiên bậc nhất (gọi là phần tử bậc

nhất), bậc hai hoặc bậc ba v.v Dưới đây, chúng ta làm quen với một số dạng phần tử

Quy trình tổng thể giải bài toán PTHH

Bước 1: Phương trình vi phân (strong form)

Bước 2: Thành lập dạng yếu (weak form)

Bước 3: Rời rạc miễn bài toán:

#

e—e—s