Đề tài gồm 3 chương được trình bày như sau: Chương 1: Tổng quan về các loại sóng lan truyền sóng trong nền đất do hoạt động thi công xây dựng công trình. Chương 2: Cơ sở lý thuyết phân tích lan truyền sóng trong nền đất do hoạt động đóng cọc bê tông cốt thép. Chương 3: Thực nghiệm đo đạc lan truyền sóng do thi công cọc.
Trang 1Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
Mã số : 85.80.205
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG
Đà Nẵng - Năm 2019
Trang 2Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG
Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN LAN
Phản biện 1: TS NGUYỄN VĂN CHÂU
Phản biện 2: PGS TS HOÀNG PHƯƠNG HOA
Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng công trình giao thông họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 23 tháng 11 năm 2019
Có thể tìm hiểu luận văn tại
- Trung tâm học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa
- Thư viện khoa Xây dựng Cầu đường trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Trang 31
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 tỉnh có 04
ản lý; Đường tỉ
ố lượng cầu trên các tuyến 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
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
Trang 42
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4 Phương pháp nghiên cứu
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
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
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
1.1.2 Sóng mặt
Trang 53
- 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]
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
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
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:
- 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]
- 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
Trang 64
1.3 Các qui định giới hạn cường độ sóng chấn động trong nền đất
1.3.1 Rung động ngắn hạn
a Tiêu chuẩn của Đức DIN 4150 [6]
b Văn phòng Khai thác mỏ Hoa Kỳ (OSM)
c Tiêu chuẩn Úc 2187.2 (Australian standard 2187.2)[8]
d.Tiêu chuẩn Việt Nam (QCVN 27:2010/BTNMT; TCVN 7378:
2004 )
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]:
Ghi chú: Công trình Cấp I - Các tòa nhà bằng thép hoặc bê tông cốt thép; Cấp II – Tường và nền bê tông, tường bê tông hoặcbê tông, tường chắn xây bằng đá; Cấp III- Các tòa nhà như trên nhưng với trần nhà bằng gỗ và tường bằng vữa; Cấp IV- Các công trình nhạy cảm với rung động
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:
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
Trang 7có 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
Còn các hạt sóng Love cũng chuyển động vuông góc với phương truyền sóng nhưng lại song song với mặt tự do
Nghiên cứu sóng mặt có ý nghĩa rất lớn trong thực tế, nhất là khi tính toán các công trình trên mặt đất
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,
Trang 82.1.3 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)
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:
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
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
Trong phần này, phương pháp PTHH sẽ được mô tả trong
Trang 97 việc áp dụng phương trình động học đàn hồi tuyến tính, phương trình vi phân được đưa ra như sau:
2 2
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]
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 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
Trang 108 (tần số tự nhiên), hệ số tham gia phương thức, vv của mặt đất / cấu trúc
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
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 gọi là phương pháp tích phân theo thời gian
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
2.4 Ví dụ số phân tích lan truyền sóng do hạ cọc
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
a Khai báo vật liệu
: Material > Create
b Tạo khối mô hình
: Geometry > Surface & Solid > Box
- Chọn lưới hỗn hợp Hybrid Mesher
- Trong Property chọn biểu tượng và chọn Apply
- Chọn OK
: Mesh > Element > Create
- Vào mục Other chọn khối địa hình
Trang 119
- 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
: 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 trong Model
- Ghi nhớ các tham số ở Period
: Mesh > Element > Create
: 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)
- Chọn Analysis Control, vào mục Dynamic chọn và điền các tham số đã tính toán
- Chọn OK
Trang 12[DataDisplacement]
INCR=981 [UNIT]kN,m
[DataDisplacement]INCR=1020[UNIT]kN,m
Trang 13V = 520 × Fc× R-2.344 (1)