Nghiên cứu lan truyền sóng trong nền đất do hoạt động thi công cọc ảnh hưởng đến công trình lân cận trên địa bàn tỉnh trà vinh

Tóm tắt - Hiện nay vẫn còn rất nhiều bất cập tồn tại trong hoạt động thi công công trình cầu đường trên địa bàn tỉnh Trà Vinh, một trong số đó là các sự cố ảnh hưởng, hư hỏng đến các cô

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

––––––––––––––––––––––––

VÕ ĐÌNH DUY KHOA

NGHIÊN CỨU LAN TRUYỀN SÓNG TRONG NÊN ĐẤT DO HOẠT ĐỘNG THI CÔNG CỌC ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÔNG TRÌNH LÂN CẬN

TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH TRÀ VINH

\

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

ĐÀ NẴNG – NĂM 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

–––––––––––––––––––––––––

VÕ ĐÌNH DUY KHOA

NGHIÊN CỨU LAN TRUYỀN SÓNG TRONG NÊN ĐẤT DO HOẠT ĐỘNG THI CÔNG CỌC ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÔNG TRÌNH LÂN CẬN

TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH TRÀ VINH

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả

Các số liệu và kết quả tính toán đưa ra trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Võ Đình Duy Khoa

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Mục lục

Tóm tắt luận văn

Danh mục các bảng

Danh mục các hình

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Kết quả dự kiến 2

3

1.1 Các loại sóng lan truyền trong nền đất 3

1.1.1 Sóng khối 3

1.1.2 Sóng mặt 4

1.2 Ảnh hưởng sóng chấn động đến công trình lân cận và môi trường 5

1.3 Các qui định giới hạn cường độ sóng chấn động trong nền đất 6

1.3.1 Rung động ngắn hạn 6

1.3.2 Rung động dài hạn 8

1.4 Kết luận chương 1 10

NỀN ĐẤT DO HOẠT ĐỘNG ĐÓNG CỌC BTCT 11

2.1 Cơ sở bài toán lan truyền sóng do hạ cọc trong nền đất 11

2.1.1 Phương trình vi phân của phân tố ứng suất trong môi trường không gian đàn hồi [13] 11

2.1.2 Mối quan hệ giữa biên độ và khoảng cách đến nguồn rung của phân tố trong môi trường bán đàn hồi 13

2.1.3 Lan truyền sóng ứng suất trong thanh [13]: 15

2.1.4 Vận tốc các hạt trong vùng chịu ứng suất 17

2.2 Cơ sở phương pháp PTHH phân tích lan truyền sóng do hạ cọc [13]: 18

2.3 Cơ sở phần mềm PTHH phân tích lan truyền sóng do hạ cọc 20

2.3.1 Giới thiệu Midas GTS NX 20

2.3.2 Phương pháp phần tử hữu hạn và phân tích lịch sử thời gian 22

2.4 Ví dụ số phân tích lan truyền sóng do hạ cọc 23

2.5 Kết luận chương 2 34

3.1 Phương pháp tiêu chuẩn đo đạc lan truyền sóng trong nền đất do hoạt động thi

công cọc 35

3.2 Chương trình thực nghiệm tại hiện trường 36

3.2.1 Nguồn gây rung chấn 36

3.2.2 Hiện trường thực hiện thí nghiệm 37

3.2.3 Thiết bị đo rung chấn 37

3.2.4 Thực hiện thí nghiệm đo rung tại hiện trường do đóng cọc 39

3.2.5 Công trình lân cận khu vực thi công 42

ng 43

3.4 So sánh kết quả phân tích lý thuyết và thực nghiệm 48

3.5 Kết luận và ngoại suy xác định bán kính ảnh hưởng cho các loại búa đóng cọc khác 49

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51

1 Kết luận 51

2 Kiến nghị 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)

PHỤ LỤC

ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÔNG TRÌNH LÂN CẬN TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH TRÀ VINH

Học viên: Võ Đình Duy Khoa Chuyên ngành: KTXD công trình giao thông

Mã số: 85.80.205 Khóa 36 Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt - Hiện nay vẫn còn rất nhiều bất cập tồn tại trong hoạt động thi công công trình cầu

đường trên địa bàn tỉnh Trà Vinh, một trong số đó là các sự cố ảnh hưởng, hư hỏng đến các công trình lân cận, khu vực dân cư do thiết bị thi công gây ra lan truyền sóng chấn động gây ra Có thể kể đến các phương tiện như búa đóng cọc, lu rung, búa rung cừ larsen, búa rung hạ ống vách cọc khoan nhồi, v.v là những nguồn rung chấn khá phổ biến, được ứng dụng rộng rải nhằm đáp ứng biện pháp thi công ngày nay Tuy nhiên nhiều sự cố đã xảy ra do ảnh hưởng bởi rung chấn trong quá trình thi công như nứt nẻ nhà dân, sụt lún nền đất đắp, nền đất tự nhiên, thậm chí gây đổ vỡ công trình, gây thiệt hại cho người dân, chủ đầu tư dự án, lãng phí trong đầu tư các dự án xây dựng

Luận văn này tập trung chủ yếu vào tác động rung chấn do thi công đóng cọc gây ra, sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích lý thuyết, kiểm chứng kết quả bằng cách sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Midas GTS NX Từ đó đưa ra được phạm vi ảnh hưởng do hoạt động thi công đóng cọc đặc thù trên địa chất, thiết bị thi công trên địa bàn tỉnh Trà Vinh, hổ trợ các cấp quản lý, đơn vị thiết kế, đơn vị thi công công trình có căn cứ qui hoạch, lựa chọn biện pháp và công nghệ thi công hợp lý, giảm thiểu các ảnh hưởng bất lợi đến công trình lân cận, tiết kiệm chi phí phát sinh, chi phí đền bù trong tổng chi phí đầu tư các dự án công trình

xây dựng trên địa bàn tỉnh

T : Vận tốc đỉnh chất điểm, thi công cọc, rung động, lan truyền sóng, nguồn rung, phần

tử hữu hạn, bán kính ảnh hưởng, vận tốc rung giới hạn

RESEACH FOR GROUND WAVE PROPAGATION DUE TO PILE DRIVEN IN

TRANPORTATION CONSTRUCTION ACTIVITIES

Abstract – Currently, there are still many shortcomings in the construction of bridges and

roads in Tra Vinh province, one of which is the incident affecting and damaging neighboring buildings and residential areas caused by construction equipment causing wave propagation Means including pile driving hammers, vibrating rollers, larsen piles, vibrating hammers, etc are quite common sources of vibration, are widely applied to meet today's construction methods However, many incidents have occurred due to the vibration during construction such as cracking houses, subsidence of embankment, natural ground, even causing work breakdowns, causing damage to people, project investors, wasteful in investing construction projects

This dissertation focuses mainly on the impact of vibration caused by pile construction, using experiment methods combined with theoretical analysis, verifying the results by using finite element method through soft Midas GTS NX Since then given the scope of influence due to the construction of specific piles on geology, construction equipment in Tra Vinh province, supporting management levels, designer, construction units Based on the planning, selecting appropriate construction methods and technologies, minimizing adverse impacts on neighboring buildings, saving arising and compensation costs in the total investment cost of the construction

projects in the province

Key words - Peak particle velocity (PPV), pile driving, vibration, wave propagation,

vibration sources, Finite Element (FEM), radius influence; vibration limit velocity

Số hiệu Tên bảng Trang

1.1 Tiêu chuẩn giới hạn rung cho công trình theo DIN 4150-3 [6] 6

1.3 Giá trị tối đa cho phép về mức gia tốc rung đối với hoạt động xây

1.4 Giá trị vận tốc rung giới hạn đối với công trình khi chịu tác động

1.5 Giá trị vận tốc rung giới hạn đối với công trình khi chịu

1.7 Phản ứng của con người và thiệt hại cho các tòa nhà ở các mức độ

3.3 Bán kính ảnh hưởng R(m) tính theo vận tốc giới hạn 48

Số hiệu Tên bảng Trang

1.3 Hình ảnh tổng quan về cầu Ba Trường và hiện tượng nứt các

1.4 Các nhà dân bị nứt do thi công Dự án đầu tư xây dựng đường

2.8 Phân tích phổ dao động theo lịch sử thời gian [13] 22

2.17 Kết quả trên thể hiện tham số chu kỳ của địa hình 28

2.21 Nhập giá trị tham số đã phân tích ở bước trước đó 30

3.5 Sơ đồ kết nối hệ thống và quy trình đo đạc dữ liệu rung chấn 38

3.7 Chương trình phần mềm đo rung chấn 39 3.8 Sơ đồ bố trí đầu đo dao động trên mặt đất tại hiện trường 40

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Tỉnh Trà Vinh nằm ở phía Đông Nam đồng bằng sông Cửu Long, giữa 2 con sông Cổ Chiên và sông Hậu Phía Bắc Trà Vinh là tỉnh Bến Tre được ngăn cách bởi sông Cổ Chiên (một nhánh của sông Tiền), phía Tây Nam giáp với tỉnh Sóc Trăng qua ranh giới sông Hậu, phía Tây giáp tỉnh Vĩnh Long, phía Đông là biển Đông Tổng diện tích tự nhiên của tỉnh là 235.826 ha, với 09 đơn vị hành chính trực thuộc, gồm: Thành phố Trà Vinh, Thị xã Duyên Hải và 7 huyện: Càng Long, Châu Thành, Cầu Kè, Tiểu Cần, Cầu Ngang, Trà Cú và Duyên Hải; có 106 đơn vị hành chính cấp xã, phường và thị trấn

Hiện nay toàn tỉ

km do Trung ương quản lý; Đường tỉ

Đường tỉnh, Đường huyện là 186 cầu (trong đó cần phải xây dựng mới 92 cầu, do các cầu cũ đã xuống cấp không đảm bảo tải trọng và khổ cầu theo tiêu chuẩn) do Sở Giao thông vận tải quản lý và khai thác Ngoài ra trên địa bàn tỉnh còn có 5.545,42 km đường giao thông nông thôn và 220 km đường đô thị do địa phương quản lý

Do là một tỉnh thuộc đồng bằng sông Cửu Long nên có hệ thống sông, ngòi chằng chịt, tổng chiều dài các tuyến kênh, sông khoảng 917 km do đó số lượng cầu cần đầu tư xây dựng là rất nhiều

Trong những năm gần đây ngành giao thông vận tải đã đầu tư xây dựng nhiều tuyến đường và cầu, góp phần phát triển kinh tế xã hội, an ninh quốc phòng; góp phần xây dựng thành công các Chương trình mục tiêu quốc gia về xây dựng nông thôn mới

và giảm nghèo bền vững của các địa phương nơi có công trình đi qua Tuy nhiên, do chi phí hạn hẹp nên đa số móng mố, trụ cầu được thiết kế là cọc đóng, trong quá trình thi công đóng cọc gây lan truyền rung chấn trong nền đất làm ảnh hưởng đến các công trình nhà dân lân cận như: cầu Long Bình 3, cầu Ba Trường nằm trên tuyến Đường tỉnh 915B; cầu Xây nằm trên Đường huyện 13; cầu số 3 nằm trên tuyến đường Phú Thọ II – Cây Gòn… một số dự án khi thi công đóng cọc gây rung chấn làm nứt nhà dân gây tranh chấp, người dân ngăn cản không cho thi công, đề nghị phải đền bù thiệt hại mới cho tiếp tục thi công, dẫn đến công trình bị chậm tiến độ, cá biệt có công trình phải ngưng khoảng 1 năm để thương lượng, thuê tư vấn đánh giá mức độ thiệt hại để đền bù dẫn đến giảm hiệu quả đầu tư của dự án, qua tìm hiểu thì đây là vấn đề từng xảy ra không riêng gì ở địa bàn tỉnh Trà Vinh Trong một số trường hợp này giải pháp dùng cọc đóng làm tăng kinh phí đầu tư do phải kéo dài thời gian thi công và đền bù thiệt hại cho người dân xung quanh

Học viên công tác trong ngành giao thông vận tải, tham gia và trực tiếp thẩm định các dự án giao thông sử dụng vốn ngân sách nằm trên địa bàn tỉnh (theo Nghị

định số 59/2015/NĐ-CP ngày 18/6/2015 của Chính phủ về quản lý dự án đầu tư xây dựng công trình quy định Sở quản lý công trình xây dựng chuyên ngành chủ trì thẩm định các dự án quy mô từ nhóm B trở xuống được đầu tư xây dựng trên địa bàn hành

chính của tỉnh Trà Vinh Học viên xét thấy lựa chọn đề tài “Nghiên cứu lan truyền sóng trong nền đất do hoạt động thi công cọc ảnh hưởng đến công trình lân cận trên địa bàn tỉnh Trà Vinh” là cần thiết và phù hợp với luận văn thạc sỹ ứng dụng

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Xác định được quan hệ cường độ sóng rung chấn khoảng cách đến nguồn rung

do thi công hạ cọc vào nền đất tại một số dự án trên địa bàn tỉnh Trà Vinh

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Quy luật lan truyền sóng do hoạt động đóng cọc gây ra

- Phạm vi nghiên cứu: Xác định quy luật lan truyền sóng trong nền đất do hoạt động đóng cọc nhằm xác định phạm vi, bán kính ảnh hưởng đến các công trình lân cận

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết: Cơ sở lý thuyết bài toán và phân tích lan truyền sóng trong nền đất do nguồn rung bằng phần mềm PTHH

- Thực hành Đo đạc thực nghiệm xác định mức độ rung chấn của công tác đóng cọc tại một công trình cụ thể

- So sánh và đánh giá kết quả nghiên cứu lý thuyết với kết quả thực nghiệm ngoài hiện trường

5 Kết quả dự kiến

Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể làm cơ sở tham khảo, phục vụ công tác thẩm định thiết kế phương án móng cọc đóng; đánh giá phạm vi ảnh hưởng đến công trình lân cận do thi công cọc làm cơ sở giải quyết tranh chấp hoặc đền bù do ảnh hưởng rung chấn

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI SÓNG LAN TRUYỀ

T DO HOẠT ĐỘNG THI CÔNG XÂY DỰNG

CÔNG TRÌNH

1.1 Các loại sóng lan truyền trong nền đất

Chấn động rung (hay rung động) phát sinh từ yếu tố tự nhiên và yếu tố con người Hoạt động kiến tạo trong vỏ Trái Đất như động đất, núi lửa là các tai biến tự nhiên, năng lượng giải phóng ra truyền bên dưới mặt đất tạo nên các rung động ở nhiều cấp độ khác nhau Đây là những hiện tượng mà thời điểm phát sinh, con người chưa hoàn toàn xác định trước được Các nguồn phát sinh chấn động gây ra do hoạt động của con người như: hoạt động giao thông đường bộ, đường sắt; vận hành các thiết bị công nghiệp như các máy nghiền sàng, máy quay ly tâm trong đúc bê tông và nghiền xi măng, bơm thủy lực; hoạt động xây dựng sử dụng búa máy đóng cọc bê tông vào nền móng công trình; các vụ nổ trong khai thác khoáng sản [1] Chấn động rung lan truyền trong môi trường gây thiệt hại cho các công trình lân cận cũng như ảnh hưởng đến sức khỏe của con người

Có 3 loại sóng đàn hồi cơ bản gây chấn động làm con người cảm nhận được và phá hoại công trình xây dựng Trong ba loại sóng đó, có 2 loại sóng có thể truyền từ chấn tiêu qua nền đá cứng ra môi trường bao quanh gọi chung là sóng khối, còn loại thứ 3 chỉ lan truyền trong vùng sát mặt đất nên được gọi là sóng mặt [2]

- Sóng ngang (ký hiệu S): hướng chuyển động của các phần tử vật chất vuông góc với hướng di chuyển của sóng Sóng này gây ra hiện tượng xoắn và cắt mà không làm thay đổi thể tích của môi trường truyền sóng Vì vậy sóng này còn có tên là sóng cắt Sóng ngang không thể lan truyền trong môi trường lỏng hoặc khí vì các môi trường này không có khả năng chịu ứng sứng cắt Ở mặt đất sóng ngang có thể gây ra các chuyển động theo phương đứng lẫn ngang [2]

Hình 1.1 Biến dạng nền đất do sóng khối gây ra

1.1.2 Sóng mặt

- Sóng Rayleigh (ký hiệu R): Đây là loại sóng làm cho các phần tử vật chất chuyển động theo một quỹ đạo hình elip trong mặt phẳng thẳng đứng song song với hướng truyền sóng [2]

- Sóng Love (ký hiệu Q): Chuyển động của loại sóng này về cơ bản tương tự như của sóng S nhưng không có thành phần thẳng đứng Nó làm cho các phần tử vật chất chuyển động trong mặt phẳng nằm ngang song song với mặt đất, vuông góc với hướng truyền sóng Các sóng này chỉ gây ra ứng sứng cắt [2]

Hình 1.2 Biến dạng nền đất do sóng mặt gây ra

Tốc độ truyền của các sóng P và sóng S phụ thuộc vào mật độ và các tính chất đàn hồi của các lớp tạo nên nền đất và đá mà chúng đi qua Đất đá càng cứng, nén càng chặt tốc độ truyền sóng càng lớn[2]

Sóng P, sóng S và sóng R di chuyển với tốc độ khác nhau Sóng P đi nhanh nhất, sau đó là sóng S và sóng R Dọc theo mặt đất, sóng P và sóng S tiêu tán nhanh hơn sóng R Do đó, sóng R gây xáo trộn lớn nhất ở mặt nền và có thể nhận biết rõ ràng từ một khoảng cách xa nguồn rung Ví dụ, sóng R chiếm 67% tổng năng lượng sóng S chiếu 26% và sóng P chiếm 7% khi lực kích thích tác động thẳng góc với phương truyền sóng [3]

1.2 Ảnh hưởng sóng chấn động đến công trình lân cận và môi trường

Nhiều hoạt động thi công xây dựng như hạ cọc, đầm chặt nền đường, nổ mìn phá

đá nền đường, gây ra sự rung chấn lan truyền trong nền tác động đến các công trình lân cận Nếu cường độ nguồn rung lớn, gây ra vận tốc rung các chất điểm lớn có thể làm hư hỏng các công trình xung quanh

Trong những năm qua, hoạt động thi công xây dựng các dự án nói chung và dự

án công trình giao thông nói riêng đã gây ra rung chấn làm nứt nhà dân và các công trình lân cận khu vực dự án, ảnh hưởng đến môi trường sống của người dân, cụ thể: Sau đây là một số hình ảnh do thi công công trình làm ảnh hưởng đến các công trình lân cận:

- Công trình đường tỉnh 915B, do Sở Giao thông vận tải tỉnh Trà Vinh làm chủ đầu tư, trong quá trình thi công đóng cọc mố Mb cầu Ba Trường đã làm nứt nhà một

số hộ dân sống lân cận công trình, hạng mục này phải tạm ngưng hơn một năm để thương lượng, thuê tư vấn đánh giá mức độ thiệt hại để đền bù thiệt hại cho dân:

Hình 1.3 Hình ảnh tổng quan về cầu Ba Trường và hiện tượng nứt các công trình

lân cận

- Quá trình thi công Dự án đầu tư xây dựng đường Hồ Chí Minh đoạn tuyến tránh đô thị Pleiku ngang qua hai huyện Ia Grai và Chư Păh (tỉnh Gia Lai) làm 80 hộ dân bị ảnh hưởng do rung chấn Tình trạng trên xảy ra từ tháng 01/2018 đến nay chưa được giải quyết dứt điểm, gây bức xúc cho người dân [4]

Hình 1.4 Các nhà dân bị nứt do thi công Dự án đầu tư xây dựng đường Hồ Chí Minh

đoạn tuyến tránh đô thị Pleiku

- Theo báo cáo của Trường THPT Lý Sơn, giữa tháng 10/2018, trong quá trình thi công Dự án cảng Bến Đình (thôn Đông, xã An Vĩnh, huyện Lý Sơn), Công ty Cổ phần công trình Thủy Hà Nội đã nổ mìn đánh san hô.Việc nổ mìn diễn ra liên tục gây rung chấn, ảnh hưởng đến việc dạy và học của trường Đặc biệt, ngày 22/10, Công ty

Cổ phần công trình Thủy Hà Nội nổ mìn gây rung chấn mạnh, làm vỡ mảng bê tông của lớp học, một học sinh của trường bị thương [5]

1.3 Các qui định giới hạn cường độ sóng chấn động trong nền đất

1.3.1 Rung động ngắn hạn

Các giới hạn khác nhau về độ rung mặt đất đã được đề xuất bởi tiêu chuẩn trong

và ngoài nước Một số tiêu chí nhằm giảm nhẹ thiệt hại về công trình do rung động mặt đất, bên cạnh đó một số giới hạn cường độ âm thanh để giảm thiểu sự ảnh hưởng của tiếng ồn đến con người

a Tiêu chuẩn của Đức DIN 4150 [6]

Tiêu chuẩn này quan tâm chủ yếu ảnh hưởng của rung chấn đến con người hơn là thiệt hại đến các công trình xây dựng lận cận

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn giới hạn rung cho công trình theo DIN 4150-3 [6]

Loại kết cấu

Ngưỡng vận tốc dao động làm hư hỏng kết cấu, PPV (mm/s)

dài hạn

sàn

ở mặt trên sàn 0–10 Hz 10-50 Hz 50-100Hz Tất cả các

tầng số

Tất cả các tầng số Trung tâm thương

b Văn phòng Khai thác mỏ Hoa Kỳ (OSM)

Cục Mỏ Hoa Kỳ công bố sau một chương trình nghiên cứu kéo dài một thập kỷ

để đo lường và đánh giá các rung động nổ từ trái đất và tác động của chúng lên các cấu trúc Tài liệu này khuyến nghị một tiêu chí về vận tốc hạt cực đại là 2 in./s bất kể tần

số rung động Khoảng một thập kỷ sau, nghiên cứu bổ sung của Siskind khuyến nghị rằng tiêu chí này nên được sửa đổi bằng cách giảm tốc độ hạt tối đa cho phép đối với tần số rung xuống dưới 40 Hz Thậm chí sau đó, Văn phòng Khai thác mỏ Hoa Kỳ (OSM) đã ban hành một quy định hướng dẫn về mức độ nổ bề mặt an toàn cho các cấu trúc nhà ở điển hình [7]

Hình 1.5 Tiêu chuẩn DIN 4160 so với tiêu chuẩn OSM [7]

c Tiêu chuẩn Úc 2187.2 (Australian standard 2187.2)[8]

Bảng 1.2 Đề xuất PPV khi sử dụng chất nổ [8]

Nhà ở và công trình thấp tầng; các tòa nhà thương mại không bao

Các tòa nhà thương mại và công nghiệp hoặc kết cấu bê tông cốt

d Tiêu chuẩn Việt Nam (QCVN 27:2010/BTNMT; TCVN 7378: 2004 )

- Quy chuẩn QCVN 27:2010/BTNMTquy định giá trị tối đa cho phép mức gia tốc rung tại các khu vực có con người sinh sống, hoạt động và làm việc

Bảng 1.3 – Giá trị tối đa cho phép về mức gia tốc rung đối với hoạt động xây

dựng [9]

TT Khu vực Thời gian áp dụng

trong ngày

Mức gia tốc rung cho phép, dB

- Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7378: 2004: Tiêu chuẩn này quy định mức rung giới hạn (tính theo vận tốc) do các hoạt động sản xuất công nghiệp, xây dựng và giao thông, v.v… tác động lên các công trình dân dụng, di tích văn hóa, lịch sử

Bảng 1.4 Giá trị vận tốc rung giới hạn đối với công trình khi \chịu tác động rung

gián đoạn

Loại

công

trình(*)

Giá trị vận tốc rung giới hạn Vi, mm/s

Tần số rung ở móng công trình Tần số rung ở

mái công trình

1Hz đến

10 Hz(**)

Trên 10 đến 50Hz

Trên 50 đến

100 Hz

Trên 100Hz Tất cả các tần số Loại I

1.3.2 Rung động dài hạn

Những rung động do hoạt động giao thông, hoạt động xây dựng (ngoại trừ đóng cọc, nổ mìn) được xem là rung động dài hạn

a Tiêu chuẩn Thụy Sĩ

Thụy Sỹ đã phát triển tiêu chuẩn cho cả rung động ngắn hạn và dài hạn [11]:

Bảng 1.6 Giá trị vận tốc rung giới hạn Cấp công

trình Nguồn rung Tần số (HZ)

PPV (in/sec) PPV (mm/s)

b Phòng thí nghiệm nghiên cứu giao thông vận tải – Transport and Road Research Laboratory (TRRL)

TRRL nghiên cứu rung động dài hạn, đề xuất mức độ rung động và phản ứng của con người và các ảnh hưởng đối vớicác tòa nhà được trình bày:

Bảng 1.7 Phản ứng của con người và thiệt hại cho các tòa nhà ở các mức độ rung

động khác nhau [12]

PPV (in/sec) Phản ứng của con người Tác động đến công trình

0,006-0,019 Ngưỡng cảm nhận được Không gây thiệt hại

0,08 Nhận thấy được Không gây thiệt hại về kiến trúc 0,1 Ngưỡng gây khó chịu Cần lưu ý với các công trình cũ,

di tích 0,2 Gây khó chịu với người

trong các tòa nhà Gây thiệt hại đối với kiến trúc

0,4-0,6 Gây khó chịu Gây thiệt hại đối với kiến trúc và

gây thiệt hại nhỏ về kết cấu

c Theo tiêu chuẩn xây dựng sở giao thông Bang Florida (Florida Department of Transportation Construction Specifications-FDOT)

Mục 455 của Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn FDOT cho xây dựng cầu đường yêu cầu phải lắp đặt thiết bị giám sát rung khi nền móng kết cấu được xây dựng gần với các cấu trúc hiện có Khi phát hiện PPV bằng hoặc lớn hơn 0,5 in./s, các hoạt động xây dựng phải được dừng lại và tham khảo ý kiến chuyên gia [12]

1.4 Kết luận chương 1

Ta có thể nhận thấy rằng việc xác định ảnh hưởng rung chấn dựa trên đặc tính của nguồn rung và điều kiện địa chất đã được các nước thế giới cũng như ở Việt Nam ban hành khung tiêu chuẩn quy định Tuy nhiên để kiểm chứng được giới hạn rung và hình thành kết quả chính xác cho từng vùng miền khác nhau thì việc

“Nghiên cứu lan truyền sóng trong nền đất do hoạt động thi công cọc ảnh hưởng đến công trình lân cận trên địa bàn tỉnh Trà Vinh” là rất cần thiết

Kết quả nghiên cứu sẽ xác định phạm vi ảnh hưởng của rung chấn trên địa bàn tỉnh, đánh giá đúng và quyết định được biện pháp thi công phù hợp với từng dự án Đồng thời kết quả nghiên cứu cũng có thể được áp dụng đối với các dự án tương tự khác

Chương 2

TRONG NỀN ĐẤT DO HOẠT ĐỘNG ĐÓNG CỌC BTCT

2.1 Cơ sở bài toán lan truyền sóng do hạ cọc trong nền đất

2.1.1 Phương trình vi phân của phân tố ứng suất trong môi trường không gian đàn hồi [13]

Đối với vật thể bán không gian đàn hồi trên mặt tự do người ta còn phát hiện ra hai loại sóng Tùy theo phương chuyển động của các hạt, ta có sóng mặt Rayleigh hoặc sóng Love Các sóng này giảm đi rất nhanh theo chiều sâu Tốc độ lan truyền sóng bé hơn sóng ngang Hao tán năng lượng xảy ra chậm hơn sóng dọc Sự khác nhau giữa hai loại sóng trên là ở chổ, sóng Rayleigh, các hạt chuyển động vuông góc với hướng lan truyền sóng, là hướng vuông góc với mặt tự do, tương tự sóng hấp dẫn trên mặt chất lỏng

Còn các hạt sóng Love cũng chuyển động vuông góc với phương truyền sóng nhưng lại song song với mặt tự do Sóng này thường xuất hiện ở các lớp mà một mặt tiếp xúc với bán không gian có mật độ khác không, còn mặt kia là bán không gian coi như không có khối lượng (ví dụ lớp đệm trên mặt đất)

Nghiên cứu sóng mặt có ý nghĩa rất lớn trong thực tế, nhất là khi tính toán các công trình trên mặt đất Sóng dọc, sóng ngang truyền từ trung tâm kích động, thì cường độ giảm đi rất nhanh, trong khi đó sóng mặt lan truyền theo mặt đất rất xa Các công trình ở xa tâm chấn động thực chất chịu ảnh hưởng của sóng mặt Các nguồn kích thích dao động công nghiệp hoặc giao thông do sóng mặt mà ảnh hưởng đến các vùng lân cận là đáng kể

Ban đầu ta sẽ xét các thành phần của phương trình cân bằng phân tố ứng suất trong không gian đàn hồi:

u, v, w là các thành phần chuyển vị của phân tố;  là khối lượng riêng phân tố chính,

   là gia tốc của các chuyển vị u, v, w phần tố

Phương trình cân bằng của phân tố theo lý thuyết đàn hồi có dạng:

2 2 2 2 2 2

được tách ra từ môi trường đó trong hệ tọa độ vuông góc Theo nguyên lý Dalambe, ở thời điểm t phân tố ở trạng thái cân bằng khi ta đặt vào đó các lực quán tính

Theo phương pháp chuyển vị thì trong môi trường đàn hồi, đẳng hướng nhờ biểu thức quan hệ ứng suất – biến dạng (2-3) và biểu thức liên hệ giữa biến dạng – chuyển vị (2-4) từ ba phương trình (2-1) ta sẽ nhận được ba phương trình đối với chuyển vị sau:

2

2 2

2

2 2

2

2 2

11

11

11

I E

I E

I E

Nếu giả định rằng đất là vật liệu bán đàn hồi biến dạng theo 3 phương thì nó sẽ được chia làm hai loại sóng cơ độc lập với nhau truyền từ nguồn gây chấn động Vậy chuyển vị của mỗi điểm trong đất bằng tổng chuyển vị mỗi phương của mỗi loại sóng

Ngoài ra, phải thỏa mản quan hệ

W0

0( )

z

P  PJ r (2-19) Điểm đặt trên mặt đất, tại z=0, vì vậy

Trong đó hàm F( ) được xác định bởi (2-13)

Thành phần chuyển vị trên nền đất (tại y=0) tương ứng (2-21) và (2-22) như sau

( )( )

có các điều kiện biên khác nhau phù hợp để giải quyết vấn đề của bài toán

2.1.3 Lan truyền sóng ứng suất trong thanh [13]

Xét phân tố thanh như hình 2.2, A là diện tích cắt ngang thanh, E và γ là mô đun đàn hồi và dung trọng vật liệu Ứng suất tại mặt cắt a-a tăng một lượng σ, ứng suất tại mặt cắt b-b tăng lượng σ Căn cứ định luật 2 của Newton (tổng các lực bằng khối lượng nhân gia tốc)

Hình 2.2 Sóng đàn hồi dọc thanh

Đại lượng υc gọi là vận tốc sóng ứng suất dọc trục thanh Lời giải phương trình (2-31) có thể viết dưới dạng sau:

u =F(υct + x) + G(υct – x) (2-33) trong đó F(υct + x) và G(υct – x) đại diện một số hàm của (υct + x) và (υct – x) Ở thời điểm t, hàm F(υct + x) đại diện cho khối 1 ở hình 2.3

ut =F(υct + x) (2-34)

Hình 2.3 Chuyển động sóng đàn hồi dọc thanh

Ở thời điểm (t+Δt) hàm đại diện bởi khối 2 ở hình 2.3, do đó:

Nếu khối di chuyển mà không thay đổi hình dạng từ vị trí 1 sang vị trí 2:

ut = ut+Δthoặc: F(υct + x)= F [υc(t + Δt) + (x – Δx)] (2-36)

hoặc: υcΔt = Δx (2-37)

Do đó vận tốc truyền sóng ứng suất dọc trục thanh là Δx/Δt = υc Bằng cách tương tự, có thể thấy rằng hàm G(υct - x) đại diện cho di chuyển sóng dọc hướng ngược phương x

Nếu thanh ở trên bị kiềm chế không có biến dạng ngang, công thức trên có thể viết thành:

(2-38)

Trong đó:

= (2-39)

M – Mođun ràng buộc:

- Hệ số poatxông

2.1.4 Vận tốc các hạt trong vùng chịu ứng suất

Điều quan trọng là cần phân biệt vận tốc lan truyền sóng dọc (c) và vận tốc các hạt trong vùng có ứng suất Để làm sáng tỏ, xét một xung sóng ứng suất có cường độ

x và khoảng thời gian t’ tác dụng ở đầu thanh (hình 1-7) Khi có xung ứng suất tác dụng, đầu tiên một vùng nhỏ thanh bị nén Theo thời gian biến dạng nén này sẻ truyền đến vùng kế tiếp Trong khoảng thời gian t, ứng suất sẽ đi qua một khoảng cách

x=c.t Tại bất kỳ thời điểm t > t’, một đoạn thanh có chiều dài x sẽ tiếp tục bị nén Chú ý rằng x=c.t’ Độ co ngắn đàn hồi của thanh là:

Chú ý rằng u là chuyển vị cuối đầu thanh, nên vận tốc đầu thanh và vận tốc hạt là:

Hình 2.4 Vận tốc lan truyền sóng và vận tốc hạt [13]

2.2 Cơ sở phương pháp PTHH phân tích lan truyền sóng do hạ cọc [13]

Phương pháp phần tử hữu hạn là một trong những phương pháp tổng quát nhất để xây dựng mô hình số của mô hình toán học Về mặt vật lý, phương pháp phần tử hữu hạn chia không gian liên tục của kết cấu thành một tập hợp hữu hạn các phần tử (miền nhỏ) có tính chất hình học và cơ học đơn giản hơn kết cấu toàn thể Các phần tử liên kết với nhau tại các điểm nút Tương tự phương pháp chuyển vị, trong phương pháp phần tử hữu hạn, điều kiện tương thích về chuyển vị hay biến dạng của kết cấu chỉ được thỏa mãn tại các nút Thông thường, ẩn cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn là chuyển

vị của các nút

Sau khi xác định được ma trận chuyển vị nút, chuyển vị tại một điểm bất kỳ trong phần tử được xác định dựa trên các “hàm dạng” mô tả quan hệ chuyển vị của một điểm bất kỳ với các chuyển vị nút

Hình 2.5 Môi trường mô phỏng sử dụng phương pháp PTHH

Trong phần này, phương pháp PTHH sẽ được mô tả trong việc áp dụng phương trình động học đàn hồi tuyến tính, phương trình vi phân được đưa ra như sau:

2 2

Thực hiện phép nhân ma trận ta có

(2-41) Vector nội lực b tác dụng lên một phân tố ứng suất, vector lực phân phối đều trên

bề mặt như là lực trên một đơn vị diện tích Để có thể tồn tại, vectơ lực cần có những điều kiện biên sau

(2-42) trong đó các thành phần vector nx, ny, và nz tạo thành vector đơn, để có được phương trình ta có vector v

(2-43) Nhân hai phương trình 2.41 và 2.43 ta có phương trình

2 2

v  Nc (2-48) trong đó c là tùy ý Theo đó,

   (2-49)

và

  (2-50) trong đó B   N Chèn phương trình (2-48) và phương trình (2-50) vào công thức thứ yếu được trình bày ở (2-46) cho phép c được loại bỏ Trình bày về vật liệu đàn hồi tuyến tính thông qua ma trận D

D

   (2-51) thông qua mối quan hệ động học giữa các ứng suất đàn hồi, pt (2-49) và (2-51)

có thể viết

DBa

  (2-52) Phương trình PTHH cho đàn hồi tuyến tính có thể được viết lại

f  f  f (2-55) Vậy kết quả ta có được phương trình PTHH rút gọn cho mỗi vị trí dao động

2.3 Cơ sở phần mềm PTHH phân tích lan truyền sóng do hạ cọc

2.3.1 Giới thiệu Midas GTS NX

Hiện có một số phần mềm PTHH phân tích được lan truyền só ng và dao động của nền đất như: PLASXIS 4D Dynamic, ANSYS, ABACUS, MIDAS GTS NX… MIDAS GTS NX được phát triển dựa trên kinh nghiệm về phân tích phần tử hữu hạn và công nghệ đồ họa được công ty MIDAS IT phát triển liên tục từ năm 1989 MIDAS GTS NX giúp các kỹ sư có thể xây dựng được một cách trực quan các mô hình địa kỹ thuật phức tạp Việc mô hình hóa này còn được bổ sung thêm bởi các tính năng phân tích mạnh mẽ dựa trên chương trình phân tích nhanh nhất hiện nay do MIDAS IT phát triển Ngoài ra, phần mềm MIDAS GTS NX còn có khả năng tạo ra các báo cáo chính xác và phù hợp với thực tế thiết kế [13]

GTS NX sẽ cho phép bạn hưởng lợi hoàn toàn từ việc sử dụng các mô hình 2D

và 3D để phân tích địa chấn Một trong những lợi thế chính của việc sử dụng mô hình 2D và 3D để phân tích địa chấn là khả năng xem xét các phức tạp của dự án như dị hướng đất, địa tầng đất không đều, sóng bề mặt, địa hình không đều và tương tác cấu trúc đất Một lợi thế quan trọng khác của việc sử dụng các mô hình 2D và 3D là có thể ước tính được các chuyển vị gây ra bởi địa chấn [13]

Hình 2.6 Midas GTS trong mô phỏng động học

GTS NX (Geotechnical Analysis System New Experience) là gói phần mềm phân tích phần tử hữu hạn toàn diện, được trang bị để xử lý toàn bộ phạm vi ứng dụng thiết kế địa kỹ thuật bao gồm các trường hợp nền móng đào sâu, hệ thống đường hầm phức tạp, phân tích rò rỉ đường ống trong lòng đất, phân tích hợp nhất các hạng mục kết cấu bên trên và trong lòng đất, thiết kế kè, phân tích ổn định động và mái dốc GTS

NX là một nền tảng mô hình hóa thân thiện với người dùng, ứng dụng tiên tiến cho phép mức độ chính xác và hiệu quả cao trong quá trình thiết kế, mô phỏng và đánh giá GTS NX được trang bị các tính năng chuyên biệt và độc đáo đã được phát triển

để đẩy nhanh quá trình mô hình hóa và phân tích Với các tính năng này, bạn sẽ có thể tạo ra các thiết kế chất lượng cao, tối ưu với hiệu quả cao hơn bạn từng tưởng tượng Phân tích Eigenvalue được sử dụng để phân tích các tính chất động vốn có của mặt đất / cấu trúc, và điều này có thể được sử dụng để có được chế độ tự nhiên (hình dạng chế độ), chu kỳ tự nhiên (tần số tự nhiên), hệ số tham gia phương thức, vv của mặt đất / cấu trúc Các tính chất này được xác định bởi khối lượng và độ cứng của cấu trúc Nói cách khác, nếu một cấu trúc được xác định, chế độ rung và tần số tự nhiên (chế độ tự nhiên) cũng được xác định và số lượng các thuộc tính giống như mức độ tự

do của cấu trúc Đối với trường hợp thực, cấu trúc không rung ở một hình dạng chế độ đơn và nhiều chế độ chồng lên nhau để hiển thị hình dạng rung phức tạp [13]

Hình 2.7 Các dạng dao động của kết cấu [13]

2.3.2 Phương pháp phần tử hữu hạn và phân tích lịch sử thời gian

Phương pháp lịch sử thời gian là phương pháp tích phân số từng bước của phương trình dao động Đây là phương pháp chính xác nhất nhưng đòi hỏi khối lượng tính toán lớn

và thường chỉ áp dụng cho các kết cấu có phức tạp hoặc khi có yêu cầu riêng

Lực tác dụng do gia tốc chấn động lên kết cấu có thể được chia thành các lực thành phần tác động theo nguyên tắc cộng tác dụng Theo cơ sở này, biểu đồ gia tốc của đất nền u g được chia thành các khoảng nhỏ theo thời gian d t Giá trị m u g (t).d t có

thể coi như là lực kích thích tại thời điểm t của tác động chấn động lên kết cấu Tổng đáp ứng của kết cấu với lực chấn động m u g có thể có được thông qua việc lấy tích

phân các giá trị đáp ứng thành phần ứng với các m u g (t) Do đó, phương pháp lịch sử

thời gian còn được gọi là phương pháp tích phân theo thời gian Tùy thuộc vào mức độ chính xác, việc tích phân các đáp ứng thành phần kể trên có thể có xét đến biến dạng lớn của kết cấu cũng như sự làm việc không đàn hồi của vật liệu

Hình 2.8 Phân tích phổ dao động theo lịch sử thời gian [13]

Khoảng cách thời gian được sử dụng để tạo dữ liệu phổ có thể khác với khoảng thời gian tự nhiên của cấu trúc và do đó, nội suy cho thời kỳ tự nhiên cũng là cần thiết

Cả nội suy tuyến tính và nội suy logarit đều được hỗ trợ Ngoài ra, dữ liệu phổ thường

sử dụng phổ phản ứng thiết kế được tạo từ dữ liệu động đất lịch sử thống kê trong khu vực mục tiêu, thay vì chuyển đổi một dữ liệu cụ thể Bởi vì phổ phản ứng thiết kế với một tỷ lệ giảm chấn thường được sử dụng, hiệu chỉnh thay vì nội suy được áp dụng cho trường hợp này [13]

2.4 Ví dụ số phân tích lan truyền sóng do hạ cọc

Hình 2.9 Sơ đồ tổng thể quá trình mô phỏng mô hình

Ví dụ trình bày cách xây dựng mô hình và phân tích một kết cấu đất đặc trưng chịu tác dụng của tải trọng rung Các vấn đề trọng tâm ở đây là:

- Mô hình hóa địa hình và địa chất;

- Khai báo vật liệu, tải trọng động;

- Hàm tải trọng theo thời gian; tải trọng di động;

- Xem xét giá trị vận tốc dao động tại một điểm

Bảng 2.1 Số liệu đầu vào Lớp Lớp đất / Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị

1 Lớp đất đắp

Lớp không lấy mẫu thí nghiệm

2

Lớp bụi rất dẻo màu xám đen

Sét rất dẻo màu xám vàng trạng thái nửa cứng

Sét ít dẻo màu xám nâu trạng thái nửa cứng

Sét rất dẻo màu xám vàng trạng thái nửa cứng

Sét ít dẻo màu xám vàng trạng thái nửa cứng

a Khai báo vật liệu

: Material > Create

Hình 2.10 Khai báo vật liệu

b Tạo khối mô hình

: Geometry > Surface & Solid > Box

Hình 2.11 Mô hình hóa 3D khối đất và khu vực thí nghiệm

- Chọn lưới hỗn hợp Hybrid Mesher

- Trong Property chọn biểu tượng và chọn Apply

- Chọn OK

Hình 2.12 Tạo lưới khối 3D

: Mesh > Element > Create

- Vào mục Other chọn khối địa hình

- Chọn Modulus of Subgrade Reaction.[Thao tác này cho phép tạo ra điều kiện biên đàn hồi cho các mặt tiếp xúc của khối địa hình cũng như bề mặt địa hình]

- Chọn OK

Hình 2.13 Gán điều kiện biên phần hông khối 3D

Hình 2.14 Gán điều kiện biên lớp đáy khối 3D

: Analysis > Analysis Case > General

[Bước này tiến hành chạy Eigenvalue sẽ cho kết quả là những tham số của địa hình, và sẽ là số liệu đầu vào cho bước phân tích sự truyền chấn động theo thời gian của địa hình đó]

- Chọn Eigenvalue

- Chọn [Thao tác này cho phép chọn nhưng yếu tố được cài đặt ban đầu thực hiện tính toán]

- Chọn OK

Hình 2.15 Chạy mô hình lấy tham số các khối đất

: Analysis > Analysis > Perform

- Chọn OK

Hình 2.16 Thực thi lệnh chạy tham số

- Chọn Eigenvalue trong Model

- Ghi nhớ các tham số ở Period

Hình 2.17 Kết quả trên thể hiện tham số chu kỳ của địa hình

: Mesh > Element > Create

Hình 2.19 Gán tải trọng động lên đầu cọc

: Analysis > Analysis Case > General

[Bước này cho phép cài đặt sự phân tích các yếu tố về chuyển vị, vận tốc, gia tốc,… theo thời gian]

- Chọn Linear Time History (Direct)

- Chọn [Thao tác này cho phép chọn nhưng yếu tố được cài đặt ban đầu thực hiện tính toán]

- Chọn Time Step, nhập tổng thời gian Time Duration (10s), thơi gian chia để tính Time Increment (0.01s)

Hình 2.20 Định nghĩa tần số mẫu thực hiện phân tích

- Chọn Analysis Control, vào mục Dynamic chọn và điền các tham số đã tính toán

Hình 2.21 Nhập giá trị tham số đã phân tích ở bước trước đó

- Chọn OK

: Analysis > Analysis > Perform

Hình 2.22 Thực thi lệnh phân tích mô hình

- Chọn OK