Nghiên cứu tính toán công trình ngầm trong môi trường san hô bão hòa nước chịu tải trọng nổ

Nghiên cứu phương pháp sử dụng mô hình tương tác đầy đủ, ứng dụng phần mềm AutoDyn3D để tính toán công trình ngầm chịu tải trọng nổ. Nghiên cứu, so sánh ứng xử của CTN kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) với kết cấu bê tông cốt sợi thủy tinh (GFRP) khi chịu tải trọng nổ. Nghiên cứu tính toán CTN bê tông cốt GFRP trong môi trường cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước chịu tải trọng nổ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực Những kết luận khoa học của luận án chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Tác giả luận án

Trịnh Trung Tiến

LỜI CẢM ƠN

Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc đối với GS.TS

Vũ Đình Lợi đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và có nhiều chỉ dẫn, định hướng khoa học có giá trị giúp cho tác giả hoàn thành luận án này Tác giả trân trọng cảm ơn sự động viên, khuyến khích và những kiến thức khoa học mà Giáo sư

đã chia sẻ cho tác giả trong nhiều năm qua, giúp cho tác giả nâng cao năng lực

và phương pháp nghiên cứu khoa học

Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể Bộ môn Xây dựng Công trình quốc phòng, Viện Kỹ thuật Công trình đặc biệt, Khoa Cơ Khí, Phòng Sau đại học – Học viện Kỹ thuật Quân sự, Tiểu đoàn 93 – Bộ tư lệnh Công Binh đã tạo điều kiện giúp đỡ và hợp tác trong quá trình nghiên cứu Tác giả xin chân thành cảm

ơn các nhà khoa học trong và ngoài Quân đội, các đồng nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến quí báu cho luận án, cung cấp cho tác giả nhiều tài liệu, các kiến thức khoa học và nhiều lời khuyên có giá trị

Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến những người thân trong gia đình

đã thông cảm, động viên khích lệ tinh thần, tạo điều kiện và chia sẻ những khó khăn với tác giả trong suốt thời gian làm luận án

Xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH NGẦM TRÊN ĐẢO SAN HÔ CHỊU TẢI TRỌNG NỔ 4

1.1 Tổng quan về hệ thống công trình quân sự trên các đảo san hô 4

1.2 Tổng quan về các phương pháp tính toán công trình ngầm chịu tải trọng nổ 6

1.2.1 Tính toán không xét tới quá trình nổ và dãn nở của sản phẩm nổ 6

1.2.2 Phương pháp sử dụng mô hình tương tác đầy đủ 9

1.3 Tổng quan về nền san hô và các mô hình nền 11

1.3.1 Nền san hô, các tính chất cơ lý của nền san hô 11

1.3.2 Các nghiên cứu về mô hình nền 14

1.3.3 Lựa chọn mô hình nền cho bài toán nghiên cứu 22

1.4 Vật liệu sử dụng trong các công trình quân sự trên đảo, các nghiên cứu về bê tông cốt sợi thủy tinh 23

1.4.1 Tổng quan về vật liệu sử dụng trong các công trình quân sự trên đảo 23

1.4.2 Các nghiên cứu về bê tông cốt sợi thủy tinh 24

1.5 Đề xuất nội dung nghiên cứu 27

1.6 Kết luận Chương 1 28

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC ĐẦY ĐỦ TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH NGẦM CHỊU TẢI TRỌNG NỔ 29

2.1 Phương pháp sử dụng mô hình tương tác đầy đủ 29

2.2 Giải pháp tính toán bằng phần mềm AUTODYN3D 31

2.3 Cơ sở lý thuyết tính toán các vùng trong bài toán nghiên cứu 37

2.3.1 Vùng thuốc nổ 37

2.3.2 Vùng đất gần tâm nổ 38

2.3.3 Phương pháp hạt không lưới SPH 40

2.3.4 Vùng không khí 46

2.3.5 Vùng đất xa tâm nổ và công trình 48

2.4 Mô hình vật liệu các vùng trong bài toán nghiên cứu 53

2.4.1 Mô hình vật liệu bê tông 55

2.4.2 Mô hình vật liệu thép 55

2.4.3 Mô hình vật liệu cốt sợi thủy tinh 56

2.4.4 Mô hình vật liệu san hô bão hòa nước 57

2.5 Tương tác giữa các vùng trong bài toán sử dụng mô hình tương tác đầy đủ 57

2.5.1 Tương tác giữa thuốc nổ TNT với vùng đất xung quanh vụ nổ 57

2.5.2 Tương tác giữa vùng đất gần tâm nổ (SPH) với vùng đất (Lagrange) 58

2.5.3 Tương tác giữa vùng đất Lagrange với công trình và tương tác giữa bê tông và cốt 59

2.5.4 Tương tác giữa đất (Lagrange) và không khí 61

2.6 Điều kiện biên của bài toán 62

2.7 Kết luận Chương 2 63

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LIỆU CHO CÁT SAN HÔ LẪN CÀNH VỤN BÃO HÒA NƯỚC 64

3.1 Các tính chất cơ lý của san hô 64

3.2 Xác định độ nén động của san hô bão hòa nước bằng thí nghiệm nổ 65

3.2.1 Cơ sở lý thuyết xác định độ nén động 65

3.2.2 Thí nghiệm nổ để xác định độ nén động 67

3.2.3 Xử lý kết quả thí nghiệm, xác định độ nén động 73

3.3 Mô hình vật liệu cho cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước chịu tải trọng nổ 77

3.3.1 Xây dựng phương trình trạng thái (EOS) 79

3.3.2 Xây dựng mô hình bền 87

3.3.3 Xây dựng mô hình phá hủy 89

3.4 Chương trình xây dựng mô hình vật liệu cho cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước dùng trong AutoDyn 89

3.4.1 Các mô đun của chương trình MCORAL 90

3.4.2 Giao diện và kết quả của chương trình MCORAL 92

3.5 Kiểm chứng chương trình xây dựng mô hình vật liệu cho cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước 94

3.5.1 Khi vụ nổ xảy ra trong môi trường san hô 94

3.5.2 Khi vụ nổ xảy ra trong không khí 96

3.6 Kết luận chương 3 101

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH NGẦM BÊ TÔNG CỐT SỢI THỦY

TINH CHỊU TẢI TRỌNG NỔ 102

4.1 Đặt vấn đề 102

4.2 Mô hình vật liệu cốt sợi thủy tinh (GFRP) 102

4.2.1 Tính chất của vật liệu cốt sợi thủy tinh 102

4.2.2 Phương trình trạng thái 103

4.2.3 Mô hình bền 108

4.2.4 Mô hình phá hủy 108

4.3 Mô phỏng số công trình ngầm BTCT và bê tông cốt GFRP chịu tải trọng nổ 108

4.3.1 Mô hình hóa bài toán 109

4.3.2 Mô hình vật liệu 110

4.3.3 Kết quả mô phỏng và nhận xét 113

4.4 Mô phỏng số và thử nghiệm hiện trường mô hình CTN bê tông cốt GFRP chịu tải trọng nổ 119

4.4.1 Mô phỏng số bằng AutoDyn 3D 120

4.4.2 Thử nghiệm nổ tại hiện trường 122

4.4.3 Phân tích và so sánh kết quả 126

4.5 Kết luận chương 4 133

KẾT LUẬN CHUNG 135

5.1 Những kết quả chính và đóng góp mới của luận án 135

5.2 Các hướng nghiên cứu tiếp theo 136

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 137

TÀI LIỆU THAM KHẢO 138

PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH MCORAL 146

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

e: Nội năng đơn vị [J]

Edh: Mô đun đàn hồi [kPa]

G: Mô đun cắt [kPa]

FEM: Phương pháp phần tử hữu hạn

GFRP: Cốt sợi thủy tinh

LATS: Luận án Tiến sỹ

PTHH: Phần tử hữu hạn

SPH: Hạt không lưới

ƯS: Ứng suất

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Phương trình của các định luật bảo toàn [37] 30

Bảng 2.2 Các phương trình bổ trợ cho mô hình hóa [37] 30

Bảng 2.3 Ký hiệu và đơn vị của các đại lượng 30

Bảng 2.4 Các công thức phương pháp sai phân hữu hạn 35

Bảng 3.1 Khối lượng thể tích, khối lượng riêng, độ rỗng và hệ số ma sát của vật liệu san hô [9] 65

Bảng 3.2 Cường độ kháng nén, mô đun đàn hồi và hệ số poisson của vật liệu san hô [9] 65

Bảng 3.3 Bảng tốc độ truyền sóng nén trong môi trường san hô bão hòa nước (D [m/s]) 75

Bảng 3.4 Giá trị lớn nhất của áp lực sóng nổ theo phương pháp tuyến và tiếp tuyến 75

Bảng 3.5 Bảng hệ số áp lực hông k, ứng suất trung bình σ và biến dạng ε 76

Bảng 3.6 Các hằng số phương trình trạng thái đối với san hô bão hòa 86 Bảng 3.7 Các tham số đầu vào tính toán xây dựng mô hình vật liệu san hô bão hòa nước [4], [9] 92

Bảng 3.8 Giá trị đỉnh áp lực sóng nổ tại 3 vị trí nhận được từ thí nghiệm và mô phỏng 95

Bảng 3.9 Kết quả áp lực sóng nén lớn nhất tại 3 vị trí trong môi trường san hô bão hòa nước với lượng nổ 100 g TNT 100

Bảng 3.10 Kết quả áp lực sóng nén lớn nhất tại 3 vị trí trong môi trường san hô bão hòa nước với lượng nổ 200 g TNT 101

Bảng 4.1 Các thông số đặc trưng của mô hình vật liệu không khí [23] 111

Bảng 4.2 Các thông số đặc trưng của mô hình vật liệu Cát [51] 111 Bảng 4.3 Các thông số đặc trưng của mô hình vật liệu Bê tông [60] 111 Bảng 4.4 Các thông số đặc trưng của mô hình vật liệu Thép [46] 112 Bảng 4.5 Các thông số đầu vào của cốt sợi thủy tinh (GFRP) [64] 112 Bảng 4.6 Gia tốc và biến dạng lớn của công trình theo các phương 114 Bảng 4.7 Kết quả trị số gia tốc và biến dạng lớn nhất tại điểm 1, lượng nổ 100g cách sườn 0,5m 129 Bảng 4.8 Kết quả trị số biến dạng lớn nhất theo phương X đáy và nóc, lượng nổ 100g trên nóc 130

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Ứng xử của đất theo trạng thái cắt [70] 15

Hình 1.2 Mô hình thí nghiệm thanh nén Hopkinson [57] 16

Hình 1.3 Kết quả thí nghiệm thanh Hopkinson [57] 16

Hình 1.4 Quan hệ ƯS-BD của nền thực tế và mô hình Mohr-Coulomb 19 Hình 1.5 Mô hình Mohr-Coulomb (a) không gian ứng suất chính (b) trong mặt phẳng lục giác [70] 20

Hình 1.6 Mặt chảy của mô hình Mohr-Coulomb và mô hình Drucker-Prager [49] 21

Hình 2.1 Sơ đồ giải pháp tính toán bằng AutoDyn [23] 34

Hình 2.2 Biểu diễn hình học các công thức của sai phân hữu hạn 35

Hình 2.3 Rời rạc hóa trong AUTODYN [23] 36

Hình 2.4 Mô hình hóa bài toán tính toán CTN chịu tải trọng nổ 36

Hình 2.5 Sơ đồ thuật toán giải bài toán bằng phương pháp SPH [23], [54] 44

Hình 2.6 Quan hệ của hạt trung tâm với hạt lân cận và khoảng làm mịn [19], [23], [54] 45

Hình 2.7 Mô hình hóa theo phương pháp Lagrange và Euler [23] 47

Hình 2.8 Sơ đồ tích phân theo thời gian khi sử dụng lưới Euler [23] 48

Hình 2.9 Minh họa xác định lực nút trong không gian 3 chiều [23] 50

Hình 2.10 Chu trình tính toán trong vùng Lagrange [23] 53

Hình 2.11 Tương tác giữa thuốc nổ và vùng đất xung quanh [23], [69] 57

Hình 2.12 Sơ đồ minh họa cách các hạt SPH liên kết vào lưới FEM [58] 58

Hình 2.13 Giải thuật tương tác giữa SPH và FEM [58], [69] 59

Hình 2.14 Minh họa tương tác vùng Lagrange – Euler [23] 62

Hình 3.1 Mặt cắt địa chất điển hình tại đảo san hô xa bờ [2], [9] 64

Hình 3.2 Máy đo động NI SCXI–1000DC 68

Hình 3.3 Đầu đo áp lực sóng nổ 69

Hình 3.4 Sơ đồ thí nghiệm số 1 70

Hình 3.5 Sơ đồ thí nghiệm số 2 70

Hình 3.6 Áp lực đầu đo số 1,2 và 3 (Thí nghiệm số 1 – Lần đo thứ 1) 72 Hình 3.7 Áp lực đầu đo số 4,5 và 6 (Thí nghiệm số 1 – Lần đo thứ 1) 72 Hình 3.8 Áp lực đầu đo số 1, 2 và 3 (Thí nghiệm số 2 – Lần đo thứ 1) 73 Hình 3.9 Áp lực đầu đo số 4,5 và 6 (Thí nghiệm số 2 – Lần đo thứ 1) 73 Hình 3.10 Quan hệ giữa ứng suất trung bình và biến dạng thể tích 77

Hình 3.11 Cấu tạo phần tử san hô bão hòa nước [37], [73] 78

Hình 3.12 Mô hình khái niệm (a) và mô hình tính toán (b) cho đất 3 pha [42], [73] 80

Hình 3.13 Giao diện nhập thông số đầu vào của chương trình MCORAL cho mô hình vật liệu san hô bão hòa nước 93

Hình 3.14 Kết quả các quan hệ trong phương trình trạng thái và mô hình bền của san hô bão hòa nước 94

Hình 3.15 Mô hình thí nghiệm xác định áp lực sóng nổ trong cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước 95

Hình 3.16 Áp lực sóng nổ tại 3 vị trí từ thí nghiệm (a) và từ mô phỏng (b) 96

Hình 3.17 Mô hình nghiên cứu sóng nén trong môi trường san hô khi vụ nổ xảy ra trong không khí 97

Hình 3.18 Mô hình bài toán và vị trí các điểm Gauges 97

Hình 3.19 Mô phỏng vụ nổ với đương lượng nổ 100g (a), 200g (b) TNT tại thời điểm 1ms 98

Hình 3.20 Biểu đồ áp lực sóng nén theo thời gian tại 3 điểm trong môi trường san hô bão hòa nước ứng với lượng nổ 100g (a), 200g TNT (b) 99

Hình 3.21 Kết quả áp lực sóng nổ tại các điểm 1, 2, 3 tương ứng với lượng

nổ 100g, 200g TNT 100

Hình 4.1 Sơ đồ bài toán (a); kết cấu công trình ngầm (b) 109

Hình 4.2 Mô hình bài toán 110

Hình 4.3 Sơ đồ các điểm Gauges 113

Hình 4.4 Ứng suất Von – Mises của kết cấu BTCT và bê tông cốt GFRP tại thời điểm đạt giá trị max 114

Hình 4.5 Biến dạng theo phương trục X của kết cấu BTCT và bê tông cốt GFRP tại thời điểm đạt giá trị max 115

Hình 4.6 Biến dạng theo phương trục Y của kết cấu BTCT và bê tông cốt GFRP tại thời điểm đạt giá trị max 115

Hình 4.7 Biến dạng dọc trục của cốt thép và cốt GFRP tại thời điểm đạt giá trị max 116

Hình 4.8 Lực dọc trục của cốt thép và cốt GFRP tại thời điểm đạt giá trị max 116

Hình 4.9 Minh họa vụ nổ do lượng nổ 16,77kg TNT cách công trình 2,0m tại thời điểm 9ms 117

Hình 4.10 Ứng suất Von – Mises của kết cấu BTCT và bê tông cốt GFRP tại thời điểm 9ms (lượng nổ 16,77kg) 118

Hình 4.11 Lực dọc trục của cốt thép và cốt GFRP tại thời điểm 9ms (lượng nổ 16,77kg) 118

Hình 4.12 Sơ đồ bài toán khảo sát 119

Hình 4.13 Kết cấu mô hình CTN bê tông cốt GFRP 120

Hình 4.14 Mô hình hóa bài toán và sơ đồ điểm Gauge trong AutoDyn 3D 121

Hình 4.15 Ảnh mô hình thí nghiệm 122

Hình 4.16 Ảnh bố trí thiết bị đo trong mô hình CTN 123

Hình 4.17 Ảnh chuẩn bị mô hình thí nghiệm 123

Hình 4.18 Đầu đo gia tốc 353B33 124 Hình 4.19 Đầu đo biến dạng PL-60-11 124 Hình 4.20 Bố trí đầu đo gia tốc và biến dạng 125 Hình 4.21 Kết quả gia tốc theo phương X điểm 1; (a) Mô phỏng AutoDyn3D, (b) Thí nghiệm hiện trường, lượng nổ 100g cách sườn 0,5m 127 Hình 4.22 Kết quả gia tốc theo phương X điểm 2; (a) Mô phỏng AutoDyn3D, (b) Thí nghiệm hiện trường, lượng nổ 100g cách sườn 0,5m 127 Hình 4.23 Kết quả biến dạng điểm 1; (a) Mô phỏng AutoDyn3D, (b) Thí nghiệm hiện trường, lượng nổ 100g cách sườn 0,5m 128 Hình 4.24 Kết quả biến dạng điểm 2; (a) Mô phỏng AutoDyn3D, (b) Thí nghiệm hiện trường, lượng nổ 100g cách sườn 0,5m 128 Hình 4.25 Kết quả biến dạng theo phương X nóc và đáy; (a) Mô phỏng AutoDyn3D, (b) Thí nghiệm hiện trường, lượng nổ 100g trên nóc 129 Hình 4.26 Ứng suất Von – Mises của kết cấu bê tông cốt GFRP tại thời điểm 1,5ms khi chịu lượng nổ trên nóc 100g và 200g TNT 130 Hình 4.27 Ứng suất Von – Mises của kết cấu bê tông cốt GFRP tại thời điểm 2,0ms khi chịu lượng nổ trên nóc 100g và 200g TNT 131 Hình 4.28 Biến dạng theo phương X của kết cấu bê tông cốt GFRP tại thời điểm 2,0ms khi chịu lượng nổ trên nóc 100g và 200g TNT 131 Hình 4.29 Biến dạng dọc trục của cốt GFRP tại thời điểm 2,0ms khi chịu lượng nổ trên nóc 100g và 200g TNT 131 Hình 4.30 Ứng suất Von – Mises của kết cấu bê tông cốt GFRP tại thời điểm 3,0ms, nổ chính giữa cách sườn 1,0m lượng nổ 200g và 400g 132 Hình 4.31 Biến dạng theo phương Y của kết cấu bê tông cốt GFRP tại thời điểm 3,0ms, nổ chính giữa cách sườn 1,0m lượng nổ 200g và 400g 132 Hình 4.32 Biến dạng dọc trục của cốt GFRP tại thời điểm 3,0ms, nổ chính giữa cách sườn 1,0m lượng nổ 200g và 400g 132

MỞ ĐẦU

Việt Nam là quốc gia có đường bờ biển dài 3260 km, trải dài từ Bắc vào Nam, có các đảo ngoài khơi phần lớn là đảo san hô phân bố theo cụm Các cụm đảo này là lá chắn quan trọng bao quanh vùng biển và dải bờ biển Việt Nam,

nó có nhiệm vụ trấn giữ đường biên giới biển của chúng ta và góp phần to lớn trong việc bảo vệ bờ cõi, giữ vững nền an ninh quốc phòng của đất nước Hiện tại trên các đảo san hô mới chỉ có các công sự kiểu đào (công trình ngầm đặt nông) có kháng lực thấp, các công trình có kháng lực cao chưa được thiết kế và xây dựng

Hiện nay, các nghiên cứu trong nước khi tính toán công trình ngầm (CTN) chịu tải trọng nổ vẫn sử dụng phương pháp truyền thống Phương pháp này không xét tới quá trình nổ và dãn nở của sản phẩm nổ, coi quá trình nổ là thành phần ngoại lực tác dụng lên cơ hệ công trình – nền, tải trọng sóng nổ được tính toán và nhập vào mô hình tính trên một biên nào đó dưới dạng tải trọng động Với bài toán biến dạng lớn, môi trường không liên tục và diễn ra trong thời gian ngắn t ≤ 0,1s thì phương pháp truyền thống tỏ ra kém hiệu quả [23], nên áp dụng các phương pháp tiên tiến như phương pháp sử dụng mô hình tương tác đầy đủ (fully - coupled method)

Trong nghiên cứu của các tác giả [11], [14] quan niệm nền san hô theo mô hình đàn hồi tuyến tính, mô hình này chỉ chấp nhận được với nền đất cố kết chặt, tải trọng tác động nhỏ, nền có tính chất đàn hồi, chấp nhận bỏ quan biến dạng dẻo Khi nghiên cứu, tính toán công trình ngầm chịu tải trọng nổ, mô hình đơn giản này không thể diễn tả được bản chất ứng xử cơ học phức tạp của nền san hô Khi tính toán công trình ở xa tâm nổ chỉ còn tác dụng địa chấn của sóng

nổ có thể áp dụng mô hình này Trong trường hợp công trình ở gần tâm nổ, tải trọng lớn mô hình đàn hồi tuyến tính sẽ có sai số lớn

Công trình quân sự trên các đảo san hô xa bờ chủ yếu sử dụng vật liệu truyền thống như bê tông, bê tông cốt thép, qua thời gian sử dụng do tác động của môi trường nước biển, các công trình sẽ xuống cấp và có thể không đảm bảo các yêu cầu về kỹ chiến thuật [7] Việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu mới như bê tông nước biển, bê tông cốt sợi polyme (FRP) trong xây dựng, gia cường kháng lực, sửa chữa và cải tạo các công trình quân sự là yêu cầu đặt ra

Từ những lý do trên, tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu tính toán công trình ngầm trong môi trường san hô bão hòa nước chịu tải trọng nổ” đây là một

vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Mục đích nghiên cứu của luận án

Nghiên cứu phương pháp sử dụng mô hình tương tác đầy đủ, ứng dụng phần mềm AutoDyn3D để tính toán công trình ngầm chịu tải trọng nổ

Nghiên cứu, so sánh ứng xử của CTN kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) với kết cấu bê tông cốt sợi thủy tinh (GFRP) khi chịu tải trọng nổ

Nghiên cứu tính toán CTN bê tông cốt GFRP trong môi trường cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước chịu tải trọng nổ

Từ đó đưa ra các kiến nghị về: phương pháp tính; kết cấu bê tông cốt GFRP;

mô hình vật liệu cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước trong tính toán CTN chịu tải trọng nổ, phục vụ thiết kế và xây dựng CTN trên các đảo san hô

Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Công trình ngầm BTCT và bê tông cốt GFRP có kích thước cụ thể trong không gian 3 chiều

Công trình ngầm đặt nông chịu tác động của tải trọng nổ do bom đạn Môi trường san hô bão hòa nước nghiên cứu trong luận án cụ thể là lớp cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước

Công trình ngầm nằm trong 1 lớp địa chất là cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước, nên cần nghiên cứu xây dựng chương trình khai báo vật liệu dưới dạng các User trong AutoDyn cho cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng số bằng phần mềm AutoDyn3D và kết hợp với thử nghiệm nổ tại hiện trường

Nội dung và cấu trúc của luận án

Luận án bao gồm 136 trang thuyết minh, trong đó có 73 hình vẽ và đồ thị,

22 bảng, 80 tài liệu tham khảo, được cấu trúc thành các phần: Mở đầu, 4 chương, Kết luận chung, Tài liệu tham khảo và Phụ lục

Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết của đề tài, mục đích, đối tượng, phạm

vi, phương pháp nghiên cứu và cấu trúc của luận án

Chương 1: Tổng quan về tính toán công trình ngầm trên đảo san hô chịu

Kết luận chung: Trình bày những kết quả chính và đóng góp mới của

luận án và các hướng nghiên cứu tiếp theo

Phụ lục: Giới thiệu mã nguồn của chương trình đã lập trong luận án

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH NGẦM

TRÊN ĐẢO SAN HÔ CHỊU TẢI TRỌNG NỔ

1.1 Tổng quan về hệ thống công trình quân sự trên các đảo san hô

Các đảo san hô xa bờ của nước ta nằm ở thềm lục địa phía Nam, là vùng biển có vai trò chiến lược với lợi ích kinh tế an ninh và quốc phòng, có nhiều nguồn tài nguyên sinh vật và khoáng sản phong phú, đa dạng, trong đó nguồn dầu khí được đánh giá có triển vọng to lớn Bên cạnh đó, các đảo này nằm ở vị trí chiến lược trên tuyến hàng hải quốc tế Âu Á, cho phép xây dựng và thiết lập

hệ thống căn cứ để kiểm soát hàng hải trên Biển Đông Với vị trí chiến lược và tầm quan trọng cả về kinh tế, an ninh và quốc phòng, các đảo san hô xa bờ là một điểm nóng về tranh chấp chủ quyền của 6 nước có liên quan Để bảo vệ chủ quyền và toàn vẹn lãnh thổ, cũng như đảm bảo an ninh hàng hải và góp phần giữ gìn hòa bình thế giới, nước ta đã chủ động tham gia các công ước về biển, chủ trương đàm phán đa phương để giữ vững ổn định khu vực Quân đội được sự tin tưởng của Đảng và nhà nước đang ngày đêm bảo vệ, canh giữ và xây dựng các công trình quân sự để bảo vệ chủ quyền, chủ động trong mọi tình huống tại các đảo san hô xa bờ

Trong thực tế, để chủ động bảo vệ chủ quyền, toàn vẹn lãnh thổ và phát triển kinh tế - quốc phòng, ngay từ sau giải phóng, các đảo san hô xa bờ đã được tiến hành nhiều hoạt động sửa chữa, cải tạo và xây dựng mới các hệ thống công trình quân sự trên đảo, cụm đảo, bãi ngầm Tuy nhiên trong giai đoạn đầu,

do chưa có nhiều kinh nghiệm thiết kế và thi công, đặc biệt trong điều kiện tự nhiên khắc nghiệt, các công trình quân sự trên các đảo, cụm đảo, bãi ngầm đã xuống cấp, hư hỏng hoặc chưa đáp ứng đủ yêu cầu tác chiến trong điều kiện chiến tranh hiện đại Trong nhiệm vụ nghiên cứu của mình, các nhà khoa học của Học viện KTQS được giao nhiệm vụ nghiên cứu theo hướng bảo đảm an

ninh quốc phòng, nghiên cứu các giải pháp nâng cao năng lực phòng thủ và đảm bảo an ninh biển đảo

Hiện tại trên các đảo san hô xa bờ chỉ mới có các công sự kiểu đào (công trình ngầm đặt nông) được xây dựng Mặc dù với điều kiện địa chất phức tạp, thời tiết và khí hậu khắc nghiệt nhưng thiết kế và công nghệ thi công không khác nhiều so với các công trình trong đất liền Các công trình ngầm có khả năng chịu tác dụng của bom đạn cỡ lớn chưa được thiết kế và xây dựng [7] Về

cơ sở tính toán công trình ngầm đặt nông chịu tải trọng nổ, vẫn áp dụng các phương pháp truyền thống

Với yêu cầu xây dựng các công trình quân sự lâu bền, có khả năng kháng lực cao, đòi hỏi cần có những nghiên cứu chuyên sâu về điều kiện địa chất, thủy hải văn và vật liệu xây dựng chịu được điều kiện khắc nghiệt của biển đảo Chính vì các yêu cầu cấp bách trên: về điều kiện địa chất, thủy hải văn từ năm

2000 trở lại đây, đã có rất nhiều nhà khoa học tập trung trí tuệ công sức với trọng điểm là các đề tài khoa học công nghệ cấp nhà nước thuộc chương trình KC.09/11-15 [2], [7]; về vật liệu xây dựng, các công trình chủ yếu sử dụng vật liệu truyền thống như bê tông, bê tông cốt thép, qua thời gian sử dụng do tác động của môi trường nước biển, các công trình đã xuống cấp và có thể không đảm bảo các yêu cầu về kỹ chiến thuật [7] Việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu mới như bê tông nước biển, bê tông cốt FRP trong xây dựng, gia cường kháng lực, sửa chữa và cải tạo các công trình quân sự đang được tiến hành Hướng nghiên cứu ứng dụng vật liệu mới trong xây dựng công trình quốc phòng và nâng cấp kháng lực công trình quốc phòng đã có trên các đảo san hô xa bờ do GS.TS Vũ Đình Lợi chủ trì đang được triển khai

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trên, tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu tính toán công trình ngầm trong môi trường san hô bão hòa nước chịu tải trọng nổ” Với mục đích nghiên cứu, tính toán công trình ngầm nằm trong nền

địa chất của đảo san hô chịu tải trọng nổ bằng phương pháp tiên tiến, ngoài ra

có phân tích, so sánh đề xuất lựa chọn vật liệu có khả năng chịu được điều kiện khắc nghiệt ngoài biển đảo Để giải quyết tốt vấn đề nghiên cứu, trong các mục tiếp theo, tác giả trình bày tổng quan về các phương pháp tính toán công trình ngầm chịu tải trọng nổ, tổng quan về nền san hô và các mô hình nền điển hình, tổng quan về vật liệu sử dụng trong công trình ngầm

1.2 Tổng quan về các phương pháp tính toán công trình ngầm chịu tải trọng nổ

Để phân tích ứng xử kết cấu công trình chịu tác dụng của tải trọng nổ, có

2 hướng tiếp cận:

- Không xét tới quá trình nổ và dãn nở của sản phẩm nổ;

- Xét tới toàn bộ quá trình nổ và dãn nở của sản phẩm nổ

1.2.1 Tính toán không xét tới quá trình nổ và dãn nở của sản phẩm nổ

Đây là hướng đơn giản hóa bài toán nổ, theo hướng này, quá trình nổ và

sự dãn nở của sản phẩm nổ không được xét tới Coi quá trình nổ là thành phần ngoại lực tác dụng lên cơ hệ công trình – nền Tải trọng sóng nổ được tính toán

từ trước và nhập vào mô hình tính tại một biên nào đó dưới dạng tải trọng động của áp lực theo thời gian Việc tính toán tải trọng sóng nổ có thể được tính toán theo mô hình của M.A Sadovsky [62], Brode (1955), Newmark và Hanse (1961) [8], [65] hoặc được tính toán theo tiêu chuẩn của Mỹ UFC 3 -340 -02 [56], [67] Phương pháp này phù hợp để tính toán kết cấu công trình cách xa tâm nổ Trong trường hợp công trình ở gần tâm nổ cách đơn giản hóa như trên

sẽ gây ra sai số lớn do khó xác định chính xác hàm tải trọng hoặc do tải trọng quá lớn dẫn đến công trình bị phá hủy, biến dạng lớn

Ngay trong hướng tiếp cận này, tùy theo quan điểm về tải trọng (coi tải trọng nổ là tĩnh hay động) và quan niệm về quan hệ giữa kết cấu với môi trường

(có xét tới tương tác hay không xét tới tương tác) mà chia thành các nhóm phương pháp tính toán chính khác nhau

1.2.1.1 Phương pháp tải trọng tĩnh tương đương

Tính CTN chịu tác dụng của nổ theo phương pháp tĩnh học dựa trên quan điểm cơ bản là coi tác dụng của tải trọng nổ lên kết cấu là tác dụng tĩnh, với trị

số tải trọng tĩnh tương đương do bom đạn nổ được xác định quy đổi theo trạng thái nội lực nguy hiểm nhất của kết cấu và được xác định theo các công thức:

- Nếu áp lực sóng nén lên công trình cho dưới dạng xung tức thời [12]:

e

trong đó: p e là tải trọng phân bố quy tĩnh tương đương; i là cường độ của

xung (xung riêng) tức thời được xác định theo từng trường hợp cụ thể do nổ của bom đạn;  là tần số dao động riêng thấp nhất của kết cấu

- Nếu áp lực sóng nén cho dưới dạng tải trọng ngắn hạn [12]:

a Phương pháp tính với việc tách kết cấu ra khỏi môi trường

Theo phương pháp này kết cấu được tách ra khỏi môi trường, tương tác của môi trường lên kết cấu được thay bằng một trong các mô hình quen biết (hệ

số nền , thay thanh )

b Phương pháp khảo sát hệ "kết cấu - môi trường" như một hệ liên tục biến dạng duy nhất

Theo phương pháp này khảo sát hệ ''kết cấu - môi trường'' như là bán không gian (hay bán mặt phẳng) đàn hồi, vô hạn và biến dạng liên tục với tải trọng đặt trên bề mặt của hệ "kết cấu - môi trường" Tiếp đó sử dụng các phương pháp giải tích hoặc các phương pháp số để giải bài toán

Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ các công cụ tính toán, phương pháp tải trọng tĩnh tương đương sẽ được giải quyết đơn giản, cho phép kiểm soát được kết quả tính toán Tuy nhiên, do áp dụng quá nhiều giả thiết đơn giản hóa, việc tính toán không thể mô tả hết tương tác của nền với môi trường, ứng xử của nền cũng như tính chất kháng lực của kết cấu Nó thường được coi là giải pháp thiết kế sơ bộ, thiên về an toàn Theo hướng tính toán này có bảng tính SBEDs do Bộ quốc phòng Hoa Kỳ biên soạn [56], [67], cho phép người sĩ quan công binh tính nhanh được khả năng bảo vệ và lựa chọn sơ bộ giải pháp kết cấu cho các cấu kiện như tường chắn bảo vệ, cửa bảo vệ, công sự

1.2.1.2 Phương pháp tải trọng động

Ở nhóm phương pháp này, tải trọng được mô tả là các hàm áp lực hoặc dao động theo thời gian Tác giả Nguyễn Duy Túy [20] qua nghiên cứu sự lan truyền sóng nổ trong môi trường đất bão hòa nước, đã tính toán tải trọng tác dụng lên công trình ngầm Tải được gán vào biên của hệ kết cấu hoặc hệ kết cấu – môi trường Nếu tách riêng hệ kết cấu ra khỏi môi trường, tải trọng tác động trực tiếp lên bề mặt kết cấu khi đó không xem xét đến sự tương tác giữa kết cấu và môi trường Khi tách cơ hệ gồm kết cấu-môi trường, tải trọng đặt trên biên của môi trường, lúc này cần quan tâm đến tương tác giữa kết cấu và môi trường

Trong [13] tác giả Nguyễn Trí Tá đã xây dựng chương trình tính kết cấu công sự chịu tác dụng của tải trọng động theo quan điểm tương tác động lực

học kết cấu – môi trường, trong đó tải trọng là áp lực sóng nổ di động trên bề mặt môi trường, môi trường được khảo sát như vật thể đàn dẻo ứng xử theo mô hình mũ, sơ đồ tính toán là bài toán phẳng 2D, chưa xem xét đến sự tách trượt giữa kết cấu và môi trường Tác giả Nguyễn Tương Lai trong công trình [6] đã xây dựng chương trình giải bài toán động lực học của kết cấu với nền biến dạng

có xét đến tính phi tuyến của vật liệu (đàn hồi phi tuyến, đàn dẻo) và tính phi tuyến của liên kết (tách và trượt) trên bề mặt tiếp xúc của hệ kết cấu-nền

Để nghiên cứu ứng xử của CTN theo phương pháp tải trọng động, ngoài việc xây dựng chương trình tính như [6], [13] có thể dùng các phần mềm phân tích phần tử hữu hạn như Plaxis, Sap2000, FEA analysic để tính toán Trong công trình [5] tác giả Vũ Công Hoằng đã ứng dụng phần mềm AnSys tính toán kết cấu công sự dạng tấm đặt nửa nổi nửa chìm trong môi trường nền đàn hồi tuyến tính và phi tuyến đàn dẻo, tải trọng động đặt vào hệ kết cấu môi trường được tính bằng các công thức trong [12] Cũng theo hướng đó, tác giả Nguyễn Hữu Thế [16] tính toán tải trọng động trên biên do vụ nổ tạo ra, sau đó sử dụng phần mềm AutoDyn2D để nghiên cứu quá trình truyền sóng trong môi trường san hô, tác động của sóng đến công trình ngầm dạng vuông và dạng tròn Đối với bài toán công trình nằm trong đất vụ nổ xảy ra trong không khí, khi đó tải trọng được gán trên mặt đất Tải trọng tác dụng trên mặt đất lúc này được tính toán theo các công thức thực nghiệm trong [12] hoặc tính theo tiêu chuẩn UFC 3-340-02 của Mỹ [56], [67]

1.2.2 Phương pháp sử dụng mô hình tương tác đầy đủ

Hướng tiếp cận thứ 2 là xét đến toàn bộ quá trình nổ và dãn nở của sản phẩm nổ (phương pháp sử dụng mô hình tương tác đầy đủ - fully coupled method) Trong trường hợp này cơ hệ được xét đến gồm cả môi trường (môi trường nền, không khí), kết cấu công trình và vật liệu nổ Mục đích là xây dựng một cơ hệ mô tả sát nhất với thực tế diễn ra quá trình tương tác của của công

trình với các tác động bên ngoài Đối với bài toán nổ, quá trình vật lý nổ sẽ được tính toán, mô phỏng như trong thực tế Phương pháp này mô phỏng đầy

đủ quá trình vật lý nổ, hình thành phễu nổ, lan truyền sóng nổ trong môi trường

và tương tác của sóng nổ với công trình Quá trình tính toán bắt đầu từ tâm vụ

nổ, năng lượng lan truyền qua các phần tử môi trường theo bước thời gian và tác dụng vào công trình Hệ công trình và môi trường (không khí, đất…) cùng làm việc đồng thời

Rõ ràng với bài toán biến dạng lớn, môi trường không liên tục và diễn ra trong thời gian ngắn t ≤ 0,1s thì phương pháp truyền thống tỏ ra kém hiệu quả [23], nên áp dụng các phương pháp tiên tiến như phương pháp sử dụng mô hình tương tác đầy đủ để giải quyết Hiện nay có một số phần mềm tính toán tiêu biểu để giải bài toán bằng phương pháp sử dụng mô hình tương tác đầy đủ là AUTODYN, LS-DYNA, ABAQUS [37]…

Vấn đề khó khăn với phương pháp này là phải xây dựng và xác định được

mô hình vật liệu (phương trình trạng thái - equation of state – EOS, mô hình bền - strength material model và mô hình phá hủy - failure model) cho tất cả vật liệu sử dụng trong toàn hệ Phải thiết lập được các điều kiện biên, pha ban đầu cho mô hình

Hiện nay phương pháp sử dụng mô hình tương tác đầy đủ bằng các phần mềm AutoDyn, LS-Dyna, ABAQUS để nghiên cứu tính toán ứng xử của công trình chịu tác động của vụ nổ đã được một số nhà khoa học trong nước và trên thế giới ứng dụng [37], [45], [72], [73], [74], [78] Trong [37] Darina Fišerová ứng dụng phần mềm AutoDyn nghiên cứu ứng xử của công trình dưới tác dụng của vụ nổ, xây dựng mô hình vật liệu đất 3 pha sử dụng trong AutoDyn Trong công trình [72], [73], [74] các tác giả sử dụng phần mềm LS-Dyna để nghiên cứu sự lan truyền sóng trong một số loại đất và ứng xử công trình ngầm sự dưới tác dụng của tải trọng nổ Tuy nhiên các nghiên cứu trong nước theo phương

pháp này để tính toán áp lực sóng nổ và ứng xử của công trình chịu tác động của vụ nổ còn hạn chế Phương pháp này mới được ứng dụng vào một số nghiên cứu trong lĩnh vực vũ khí

Từ tổng quan trên, với yêu cầu đặt ra trong vấn đề nghiên cứu là tính toán công trình ngầm trong môi trường san hô bão hòa nước chịu tải trọng nổ Tác giả lựa chọn phương pháp sử dụng mô hình tương tác đầy đủ ứng dụng phần mềm AutoDyn3D để nghiên cứu tính toán công trình ngầm trong môi trường san hô bão hòa nước chịu tải trọng nổ Đây cũng là một trong những nội dung trọng tâm của luận án

1.3 Tổng quan về nền san hô và các mô hình nền

Như đã trình bày ở mục trên, khi giải bài toán bằng phương pháp sử dụng

mô hình tương tác đầy đủ cần phải xây dựng được mô hình vật liệu cho tất cả vật liệu sử dụng trong toàn hệ Vì thế cần phải nghiên cứu các tính chất cơ lý của san hô, nền san hô và các mô hình nền điển hình làm cơ sở để xây dựng mô hình vật liệu cho cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước

1.3.1 Nền san hô, các tính chất cơ lý của nền san hô

Nghiên cứu về san hô và nền san hô là một hướng nghiên cứu phức tạp và

ít được công bố trên thế giới Ở Việt nam, nền san hô mới được nghiên cứu trong những năm gần đây Các nghiên cứu về cơ chế hình thành rạn san hô, địa mạo, cấu trúc nền san hô đã được một số tác giả trong nước và ngoài nước công

bố [2], [4], [7], [9], [18] Các công trình nghiên cứu về san hô và nền san hô của nước ngoài đều mang tính tổng quan giới thiệu [71], các công bố từ các công trình nghiên cứu của Việt Nam là khá phong phú, rõ ràng

Tác giả Nguyễn Hoa Thịnh [18] trong nghiên cứu của mình đã đưa ra được các giải pháp CTN trên đảo san hô xa bờ, các giải pháp chống xói lở và bảo tồn các đảo san hô xa bờ, bước đầu đã xây dựng được cơ sở khoa học và quy trình

công nghệ thẩm định và chuẩn đoán kỹ thuật công trình trên thềm lục địa Việt Nam Tiếp nối nghiên cứu trong lĩnh vực này, tác giả Hoàng Xuân Lượng [9]

đã có những nghiên cứu chuyên sâu, đưa ra bộ số liệu khá đầy đủ về chỉ tiêu cơ

lý của san hô, nền san hô phục vụ thiết kế tiền khả thi các công trình Tác giả Nguyễn Thái Chung [2] đã có những nghiên cứu khá đầy đủ mô hình nền san

hô trên đảo và bước đầu đã có những kết quả nghiên cứu về địa chất công trình nền san hô trên các bãi cạn ven đảo

Nhìn chung, các tác giả đều thống nhất về đặc trưng địa chất của nền san

hô trên các đảo san hô xa bờ Nền san hô tại các đảo san hô xa bờ có cấu trúc

đa dạng, phức tạp là mô hình phân lớp, trong đó mỗi lớp có các đặc trưng cơ lý khác nhau Nền san hô được hình thành do quá trình sinh trưởng, chết đi của các lớp san hô và quá trình cố kết hóa thạnh của nền Mỗi chu kỳ như thế sẽ tạo thành một nhịp Mỗi nhịp có thể có các lớp như: lớp cát san hô, lớp san hô cành vụn, san hô cứng lẫn cục và san hô đặc sít, liền khối

Qua nghiên cứu, các tác giả đã đưa ra được các chỉ tiêu cơ lý của nền san

hô như:

- Khối lượng thể tích, khối lượng riêng;

- Cường độ kháng nén, hệ số mềm hoá, hệ số Poisson, mô đun đàn hồi;

- Hệ số ma sát trượt giữa san hô và một số loại vật liệu xây dựng;

- Hệ số bão hoà nước;

- Tính từ biến của vật liệu san hô

Các nghiên cứu [2], [4], [7], [9], [18] đã phân chia địa chất tại các đảo san

hô xa bờ làm 2 nhóm chính:

1.3.1.1 Đặc điểm địa chất dạng 1

Nhóm các đảo có chiều cao địa hình so với mặt nước biển tương đối nhỏ (Đá Tây, An Bang, ), địa chất chủ yếu là san hô

- Lớp 1: Đá san hô dạng mảng, khối màu xám trắng, dễ vỡ khi khoan,

- Lớp 1: Lớp đất lấp, cát mịn đến trung, xám nâu xám vàng, chặt vừa

Phân trên cửa lớp có thể cát mịn lẫn vỏ sò, phần dưới là cát hạt trung và có độ chặt tăng dần theo chiều sâu Bề dày lớp (1,7  3,8)m

- Lớp 3: Cát lẫn ít sỏi nhỏ, màu xám xanh, xám trắng, chiều sâu lớp chưa

xác định do chưa xuyên qua

Chỉ tiêu cơ lý của các lớp địa chất trên được trình bày cụ thể trong [4], [9] Qua các nghiên cứu về tính chất của nền san hô, có thể đưa ra các kết luận sau:

Vật liệu nền san hô là loại vật liệu rất phức tạp về mặt cấu trúc và sự phân

bố, các dữ liệu về tính chất cơ lý của nền mang tính phân tán Đặc trưng của vật liệu san hô là vật liệu dòn, đối với tải trọng tĩnh quan hệ ứng suất biến dạng gần như tuyến tính, liên kết giữa nền san hô và kết cấu có tính chất một chiều

Hệ số ma sát giữa san hô với các loại vật liệu như bê tông, thép khá nhỏ Nhìn chung nền san hô có tính phân lớp, ngoài lớp san hô cành vụn lẫn cát san hô, các lớp còn lại có cường độ kháng nén khá lớn (đối với san hô cành, trạng thái bão hoà nước: 5KG/cm2, trạng thái khô: 6 KG/cm2; đối với san hô tảng cứng,

ở trạng thái bão hoà nước: dao động từ 25KG/cm2 đến 85 KG/cm2, ở trạng thái khô từ 28 KG/cm2 đến 120 KG/cm2) [9] thích hợp cho sử dụng làm nền móng cho các công trình móng nông hoặc móng trọng lực, trong đó tốt nhất là lớp san

hô tảng cứng

Do tính phân tán của dữ liệu mà các tác giả đưa ra, nên khi tính toán thiết

kế và thi công các công trình trên đảo san hô, cần tiến hành các thí nghiệm xác định chính xác các tính chất, chỉ tiêu cơ lý của san hô tại khu vực xây dựng

1.3.2 Các nghiên cứu về mô hình nền

Trong mục này tác giả trình bày tổng quan về các loại mô hình nền điển hình, qua đó nghiên cứu, phân tích đề xuất lựa chọn mô hình nền phù hợp cho nền san hô bão hòa nước

1.3.2.1 Ứng xử của nền

Đất nói chung là môi trường phức tạp để có cơ sở tiếp cận các mô hình nền, tác giả giới thiệu khái quát các tính chất cơ bản của ứng xử nền đất:

(1) Cường độ chống cắt và đặc tính biến dạng: Năng lượng tác động lên

nền thông qua tải trọng bên ngoài có thể vượt qua được sức kháng ma sát giữa các hạt đất và gây ra biến dạng đất để chống lại áp lực duy trì của đất Khi sự trượt xảy ra các hạt đất có hình dạng không đều và bị trượt lên nhau [33], [70] Mối quan hệ giữa cường độ chống cắt của đất và các đặc tính biến dạng của nó phụ thuộc chủ yếu vào sự thay đổi thể tích trong quá trình cắt Đường cong điển hình của sự giãn nở đất dưới tải trọng cắt được thể hiện trong Hình 1.1

Hình 1.1 Ứng xử của đất theo trạng thái cắt [70]

(2) Tính dẻo: Là trạng thái của nền khi tăng tải trọng tác dụng, gây ra các

biến dạng không thể phục hồi mà không có dấu hiệu nứt hoặc gián đoạn, hầu hết các loại đất chỉ có vùng đàn hồi nhỏ, tính dẻo thể hiện khi tăng tải trọng tác dụng

(3) Sự tăng bền cơ học (tái bền)/sự hóa mềm: Sau giai đoạn giãn nở ban

đầu, các hạt đất có sự sắp xếp lại, nhờ đó đất nền lại trở nên có đặc tính đàn hồi tốt hơn và có giới hạn đàn hồi cao hơn, đồng thời nó cũng mất đi tính dẻo Bề mặt chảy dẻo cũng thay đổi theo quá trình biến dạng dẻo [53] Kết hợp với quá trình biến dạng – hóa mềm là xu hướng nén chặt của vật liệu, quá trình cố kết đất có liên quan đến sự nén chặt của các vật liệu như cát xốp hoặc quá trình sét

cố kết khi hóa cứng

(4) Ứng xử của đất với tốc độ biến dạng cao: Đất có hàm lượng nước

khác nhau sẽ có ứng xử khác nhau với quá trình gia tải tốc độ cao Các dữ liệu thử nghiệm sử dụng thiết bị truyền sóng trong thanh Hopkinson (SHPB) [57] cho thấy mật độ đất và tốc độ truyền sóng tăng lên khi độ ẩm tăng lên Mô hình thí nghiệm SHPB được thể hiện trong Hình 1.2

Hình 1.2 Mô hình thí nghiệm thanh nén Hopkinson [57]

Một xung ứng suất nén trong thanh mẫu được gây nên bởi búa gõ Biến

dạng tới ε I, ,biến dạng phản xạ ε R, và biến dạng truyền qua ε T trong thanh mẫu

sẽ được đo Quan hệ ứng suất - biến dạng của mẫu đất và tỉ lệ biến dạng được xác định từ mô đun đàn hồi của thanh và dữ liệu biến dạng được ghi lại Trạng thái ứng suất - biến dạng giới hạn của một mẫu đất theo thí nghiệm SHPB theo

3, kết quả thí nghiệm được minh họa trong Hình 1.3

Hình 1.3 Kết quả thí nghiệm thanh Hopkinson [57]

(5) Độ bền kéo: Đất thực chất là một môi trường hạt có liên kết rất phức

tạp Độ bền kéo của nền đất là kết quả tổng hợp của các lực lý hoá liên hệ chặt chẽ với nhau như a) lực hút van der Waals, b) lực hút và lực đẩy tĩnh điện giữa

hai lớp, c) lực kết dính do các chất hóa học trong đất, d) ứng suất mao mạch do sức trương bề mặt chất lỏng [52] Các lực này được thể hiện thông qua lực liên kết giữa các hạt trong môi trường đất và đóng vai trò quan trọng thể hiện quan

hệ giữa ứng suất và biến dạng của nền

(6) Ảnh hưởng của việc thoát nước và sự thay đổi thể tích: Trong môi

trường đất bão hòa nước, khi ứng suất nén tăng lên sẽ làm cho áp lực nước lỗ rỗng tăng lên Trong trường hợp nền có thể thoát nước, do áp lực nén sẽ xuất hiện dòng chảy từ nơi áp lực cao sang vùng xung quanh có áp lực nước lỗ rỗng nhỏ hơn Tỷ lệ thoát nước phụ thuộc vào độ thấm của đất, với đất sỏi và cát, tốc độ thoát nước tương đối nhanh, trong khi đất bùn và sét thì ngược lại Áp lực lỗ rỗng dần chuyển thành áp lực thực khi áp lực lỗ rỗng dư bị triệt tiêu Sự biến dạng của nền không thoát nước có liên quan đến độ cứng kết cấu đất và nước chứa trong lỗ rỗng Khi gia tải từ từ, sao cho nước thoát ra mà không làm tăng áp lực nước lỗ rỗng thì thể tích của khối đất sẽ giảm và quan hệ ứng suất biến dạng phải được xác định theo các ứng suất hiệu quả [70]

Ngoài ra, cũng cần lưu ý rằng đất còn có các đặc tính cơ học khác như biến dạng từ biến và tính chất cơ lý còn phụ thuộc vào sự thay đổi của nhiệt độ Trong phạm vi của luận án tác giả không xét tới các ảnh hưởng này

Tóm lại, môi trường đất đá là một môi trường rất phức tạp và khó xây dựng được mô hình cơ học sát với thực tế Tùy theo loại đất và tải trọng tác động, môi trường nền có thể được mô hình hóa theo nhiều cấp độ khác nhau Trong mục tiếp theo, tác giả trình bày các mô hình nền điển hình hiện nay đang được nghiên cứu tại Việt Nam và thế giới

1.3.2.2 Mô hình đàn hồi tuyến tính và đàn hồi phi tuyến

Mô hình đàn hồi tuyến tính, đẳng hướng là mô hình đơn giản nhất, sử dụng định luật Hooke để mô tả quan hệ giữa ứng suất  và biến dạng  trong thí nghiệm một trục theo phương trình:

dh E

trong đó: E dh là mô đun đàn hồi và có giá trị không đổi, vì E dh có giá trị không đổi nên quan hệ giữa ứng suất và biến dạng tương đối là quan hệ tuyến tính, đúng cả với quá trình chất tải và dỡ tải

Quan hệ ứng suất biến dạng của nền đàn hồi tuyến tính trong bài toán không gian có dạng:

trong đó: [D] là ma trận đàn hồi của vật liệu; v là hệ số Poisson;

Mô tả ứng xử của đất theo mô hình đàn hồi tuyến tính chỉ chấp nhận được với nền đất cố kết chặt, tải trọng tác động nhỏ, nền có tính chất đàn hồi, chấp nhận bỏ quan biến dạng dẻo Hiển nhiên mô hình đơn giản này thường không thể diễn tả được bản chất ứng xử cơ học phức tạp của môi trường nền đất, trong các nghiên cứu của các tác giả [11], [14] để đơn giản hóa đã áp dụng mô hình này cho nền san hô Khi tính toán công trình ở xa tâm nổ chỉ còn tác dụng địa chấn của sóng nổ có thể áp dụng mô hình này Trong trường hợp công trình ở gần tâm nổ, tải trọng lớn mô hình đàn hồi tuyến tính sẽ có sai số lớn

Phát triển hơn, một số nhà nghiên cứu đã phát triển mô hình nền đàn hồi phi tuyến Trong mô hình phi tuyến quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là một đường

cong phi tuyến như nhau khi chất tải và dỡ tải Các môi trường phù hợp để áp dụng

mô hình này là môi trường có nước và cát bão hòa nước Mô hình đàn hồi phi tuyến

đã mô tả chính xác hơn quan hệ giữa ứng suất và biến dạng Dù vậy, trong mô hình này không xem xét được sự tồn tại biến dạng dư trong đất và vẫn phải chấp nhận giả thiết quan hệ ứng suất biến dạng đúng cả với chất tải và giỡ tải

Cả mô hình tuyến tính và phi tuyến đều coi đất là môi trường liên tục, không xét tới ảnh hưởng của các pha khác Nói cách khác, các mô hình trên tập trung giải quyết ứng xử của nền chỉ trong khả năng chịu tải Để mô tả ứng xử của nền khi chịu các tác động của tải trọng, trong phạm vi của luận án, tác giả

đề cập tới một số mô hình cơ bản được sử dụng rộng rãi hiện nay và tiến hành lựa chọn mô hình nền phù hợp với nền cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước

1.3.2.3 Các mô hình nền đàn –dẻo lý tưởng

Mô hình Mohr-Coulomb cổ điển thường được sử dụng để mô tả ứng xử của nền Trong mô hình này, đường cong ứng suất - biến dạng bao gồm quá trình đàn hồi và đàn dẻo lý tưởng Hình 1.4 mô tả quan hệ ứng suất - biến dạng của nền thực tế và nền theo mô hình Mohr-Coulomb

Hình 1.4 Quan hệ ƯS-BD của nền thực tế và mô hình Mohr-Coulomb

Theo một phương, mặt chảy Mohr-Coulomb được định nghĩa là một đường tuyến tính giữa ứng suất cắt  và ứng suất pháp  theo quan hệ [70]:

J  s là thành phần bất biến thứ hai của tenxơ lệch ứng suất s;

 là góc đồng dạng được xác định theo phương trình sau:

3 3/ 2 2

3 3

2

J J

trong đó: J3 det( )s là thành phần bất biến thứ ba của tenxơ lệch ứng suất; Mặt chảy của mô hình Mohr-Coulomb trong không gian ứng suất chính là hình lục giác và được thể hiện trong hình dưới đây:

Hình 1.5 Mô hình Mohr-Coulomb (a) không gian ứng suất chính (b) trong mặt

phẳng lục giác [70]

Mô hình Mohr-Coulomb vẫn là mô hình thông dụng và nổi tiếng nhất và được áp dụng cho môi trường nền đẳng hướng, nhạy với sự thay đổi áp suất khi giá trị ứng suất phá hoại thu được bằng thí nghiệm phù hợp với mô hình Tuy nhiên, mô hình Mohr-Coulomb không thuận lợi về mặt mô tả bằng toán học do

sự có mặt của các góc và điểm dị thường (Hình 1.5)

Để giải quyết các vấn đề trên Drucker-Prager (1952) đã xây dựng mô hình Drucker-Prager dựa trên hiệu chỉnh mô hình Mohr-Coulomb [34] Mô hình Drucker-Prager là một hình nón đơn giản trong không gian ứng suất chính Hình 1.6 mô tả mặt chảy của mô hình Mohr-Coulomb và mô hình Drucker-Prager:

Hình 1.6 Mặt chảy của mô hình Mohr-Coulomb và mô hình Drucker-Prager [49]

Cả mô hình Mohr-Coulomb và mô hình Drucker-Prager đều mô tả tính dẻo của nền rất tốt và đảm bảo tính đơn trị của bài toán Tuy nhiên, việc mô tả nền như vật liệu có tính chất dẻo lý tưởng này sẽ có những hạn chế và thiếu sót sau:

- Do tính dẻo lý tưởng nên mức độ trương nở tính toán theo mô hình này

sẽ lớn hơn thực tế;

- Các thí nghiệm cơ đất chỉ ra rằng có hiện tượng trễ đáng kể trong việc gia tải và dỡ tải mà không thể giải thích được bằng mô hình này;

- Không thể mô tả được quá trình hóa mềm;

- Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng không được kể tới;

Tuy nhiên, căn cứ vào mức độ phổ biến và đặc biệt là những khó khăn khi thí nghiệm xác định tính chất cơ học của nền, mô hình Drucker-Prager vẫn được nhiều nhà nghiên cứu phát triển và sử dụng

1.3.2.4 Mô hình MO Granular

Mô hình MO Granular là dạng mở rộng của mô hình Drucker-Prager trong

đó có tính đến sự liên kết của vật liệu dạng hạt, xốp giống như các vật liệu bột, đất, cát, san hô… Ngoài thay đổi ứng suất chảy theo áp suất, mô hình MO Granular cũng thể hiện sự thay đổi ứng suất chảy theo mật độ và sự thay đổi của mô đun cắt với mật độ Ứng suất chảy theo mô hình bền MO Granular được tạo thành từ hai thành phần, một thành phần phụ thuộc vào mật độ, một phụ thuộc vào áp suất

Mô hình MO Granular phù hợp với mô tả đất rời rạc, có tính tới tái bền và

sự thay đổi mô đun cắt

1.3.3 Lựa chọn mô hình nền cho bài toán nghiên cứu

Qua nghiên cứu tổng quan về một số mô hình nền điển hình, cùng với việc nghiên cứu các đặc trưng cơ lý của nền san hô, tác giả nhận thấy:

Với đặc tính phức tạp, tính chất vật liệu rời rạc của nền san hô để lựa chọn

được mô hình nền phù hợp cần phải có những nghiên cứu chuyên sâu, kết hợp với các thí nghiệm chuyên dụng

Trong nội dung của luận án tác giả chỉ nghiên cứu tính toán CTN trong một môi trường cụ thể là “cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước”, các tính chất

cơ lý của môi trường này được tham khảo tài liệu [4], [9] Với mục tiêu luận án

là nghiên cứu ứng xử của CTN trong môi trường san hô chịu tải trọng nổ bằng phần mềm AutoDyn3D Để giải quyết được vấn đề này cần phải xây dựng được

mô hình vật liệu (phương trình trạng thái, mô hình bền và mô hình phá hủy) của cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước khi chịu tải trọng nổ sử dụng trong AutoDyn

Cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước là môi trường rời rạc, các hạt rắn san hô có đặc tính xốp, dòn, có các đặc tính phù hợp với mô hình MO Granular

Đề xuất chọn mô hình MO Granular làm cơ sở để xây mô hình bền cho “cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước”

Trong chương 3 tác giả trình bày cụ thể phương pháp xây dựng mô hình vật liệu người dùng trong AutoDyn từ tính chất cơ lý và thí nghiệm xác định

độ nén động của cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước

1.4 Vật liệu sử dụng trong các công trình quân sự trên đảo, các nghiên cứu về bê tông cốt sợi thủy tinh

1.4.1 Tổng quan về vật liệu sử dụng trong các công trình quân sự trên đảo

Sau giải phóng năm 1975, quân đội ta đã tiếp quản và tiếp tục nâng cấp xây dựng hệ thống công trình quân sự trên các đảo, cụm đảo san hô xa bờ Vật liệu xây dựng chủ yếu vẫn là bê tông, bê tông cốt thép truyền thống Mặc dù trong thiết kế đã cố gắng đưa ra các giải pháp về bảo vệ công trình chống xâm thực của nước biển, tuy nhiên, các công trình bằng bê tông (đặc biệt là bê tông cốt thép) trong môi trường nước biển, nước lợ thường bị rỗ bề mặt, cốt thép bị

gỉ sét gây giãn nở làm nứt, vỡ bê tông Theo thời gian các công trình bị sóng

biển, thuỷ triều bào mòn, xâm thực và giảm chất lượng Việc sửa chữa, gia cố lại các công trình này rất phức tạp, mất nhiều thời gian, công sức và chi phí Vì những vấn đề đó, trong những năm gần đây, nhiều tác giả đã tập trung nghiên cứu, ứng dụng vật liệu mới vào xây dựng các công trình tại khu vực biển đảo

Để giảm thiểu quá trình ăn mòn của môi trường nước biển, gần đây hướng nghiên cứu chế tạo bê tông nước mặn (bê tông nước mặn sử dụng cát mặn, nước biển, xi măng và hoá chất hay bê tông sử dụng xi măng, cát nhân tạo, nước biển), công nghệ bê tông nước mặn TAG đang được nghiên cứu và áp dụng cho các công trình biển đảo

Đối với cốt thép trong bê tông, để tránh bị ăn mòn giảm khả năng chịu lực của kết cấu và phá hoại bê tông, giải pháp bọc kẽm đã được nghiên cứu Tuy nhiên khi bọc kẽm thì giá thành đội lên cao, mặt khác độ bền cũng không được như mong muốn Trong những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của vật liệu composite, bê tông cốt sợi thủy tinh (GFRP) áp dụng cho các công trình biển đảo đang được nghiên cứu ứng dụng

1.4.2 Các nghiên cứu về bê tông cốt sợi thủy tinh

Xuất phát từ nhu cầu cần có một loại vật liệu có thể thay thế một phần cốt thép cho các công trình xây dựng có yêu cầu độ bền vững cao, không bị phá hoại do hiện tượng rỉ sét trong điều kiện môi trường khắc nghiệt (đặc biệt là các công trình vùng biển đảo), không dẫn điện khi sử dụng cho các công trình

có yêu cầu chống sét và cho phép sóng điện từ đi qua … Vào những năm 1970 tại Mỹ vật liệu và cốt FRP bắt đầu được phát triển và sử dụng, năm 1980 ứng dụng cốt FRP thay thế cốt thép trong bản mặt của các công trình cầu ô tô ở Bắc

Mỹ, nhằm hạn chế sự phá hoại cốt thép do phải rải muối lên mặt cầu để phá tan băng tuyết Tại Trung Quốc năm 1982 vật liệu FRP được dùng làm cầu cho xe

cơ giới, năm 1986 được dùng làm cầu cho người đi bộ [15] Ngày nay trên thế giới cốt FRP đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực hẹp của ngành xây dựng

như: cốt FRP được dùng làm kết cấu dầm sàn tầng hầm; kết cấu cọc khoan nhồi, cọc bê tông cốt GFRP; kết cấu móng; kết cấu bao che; hệ thống thoát nước thải và các bể xử lý nước thải; kết cấu công trình cầu cảng và đê sông, biển; bản mặt đường trong thành phố; làm kết cấu nhịp cầu; kết cấu trụ và mố cầu; kết cấu bản mặt cầu

Vật liệu cốt sợi Polyme đã du nhập vào Việt Nam khoảng 15 năm nay, cốt FRP bắt đầu được dùng để thay thế một phần thép trong kết cấu BTCT dùng trong xây dựng, cốt sợi Polyme mang lại nhiều ích lợi to lớn cho công trình xây dựng Hiện nay để phục vụ tính toán thiết kế, thi công và nghiệm thu công trình

sử dụng vật liệu FRP, các nước trên thế giới như Mỹ, Nga… đã ban hành các

bộ tiêu chuẩn cho loại vật liệu này như:

Hệ tiêu chuẩn của ACI 440 (Americal Concrete Institute)

- Chỉ dẫn thiết kế & thi công kết cấu bê tông có cốt là thanh FRP (ACI 440.1R-06)

- Chỉ dẫn kỹ thuật thi công với thanh cốt FRP (ACI 440.5-08)

- Chỉ dẫn cho kết cấu bê tông có cốt là các thanh GFRP và CFRP (ACI 440.6-08)

- Chỉ dẫn các phương pháp thí nghiệm Polyme cốt sợi cho bê tông có cốt và gia cường kết cấu bê tông và kết cấu xây (ACI 440.3R-12)

Hệ tiêu chuẩn Nga

- CTO HOCTPOЙ 2.6.9-2103 “Áp dụng trong xây dựng kết cấu bê tông

và kết cấu địa kỹ thuật cốt sợi phi kim loại” Moskva 2014

- GOST 31938-2012 “Cốt composite polyme trong kết cấu bê tông” Moskva 2014

- Quy trình thiết kế “Kết cấu bê tông với cốt composite phi kim loại” Moskva 2013

Trên cơ sở tham khảo các tiêu chuẩn trên chúng ta cũng đã ban hành Tiêu chuẩn Việt Nam đối với thanh FRP

Việc tính toán kết cấu bê tông cốt FRP phức tạp hơn so với tính toán kết cấu BTCT Những năm gần đây, trên thế giới cũng như tại Việt Nam đã có một

số công trình nghiên cứu liên quan đến độ bền và ứng xử của bê tông cốt FRP dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và động khác nhau Một vài nghiên cứu tiêu biểu trên thế giới như: công trình [36] tác giả tập chung nghiên cứu ứng xử của dầm FRP chịu tải trọng tĩnh dạng xoắn, công trình [29] tác giả tập chung xây dựng cơ sở tính toán và phần mềm để tính toán dầm FRP chịu uốn dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và động Các tác giả trong nước cũng đã có các nghiên cứu, cụ thể: công trình [3] nghiên cứu ứng xử của bản bê tông sử dụng thanh polymer cốt sợi, công trình [10] các tác giả tiến hành nghiên cứu việc sử dụng các thanh FRP cốt sợi các-bon (CFRP) gia cường cho dầm BTCT theo phương pháp NSM (near surface mounted), công trình [1] qua nghiên cứu thực nghiệm, nhóm tác giả đề xuất chế tạo các loại bê tông từ cát biển, nước biển và thay thế cốt thép thông thường bằng cốt GFRP

Mặc dù đã có nhiều tác giả trong nước và quốc tế nghiên cứu về vật liệu FRP, nhưng đến thời điểm này chưa có một công trình nào nghiên cứu ứng xử của CTN bê tông cốt GFRP chịu tác dụng của tải trọng động do vụ nổ gây ra Qua nghiên cứu tổng quan về vật liệu sử dụng trong các công trình quân

sự trên đảo, kết hợp với tính chất và các nghiên cứu về vật liệu cốt GFRP, tác giả nhận thấy trong điều kiện khắc nghiệt như ở các đảo san hô xa bờ có thể ứng dụng bê tông cốt GFRP vào xây dựng các công trình quân sự Trong phạm

vi của luận án, tác giả tiến hành nghiên cứu tính chất cơ lý của vật liệu GFRP, lựa chọn các tham số của cốt GFRP, trên cơ sở đó nghiên cứu ứng xử của công trình ngầm bê tông cốt GFRP khi chịu tải trọng nổ