Tổng quan luận án

Công trình nghiên cứu giải quyết bài toán tính toán kết cấu công trình ngầm quân sự chịu tác động của tải trọng nổ trong điều kiện địa chất đặc thù tại các đảo san hô xa bờ của Việt Nam. Bờ biển Việt Nam có chiều dài 3.260 km, hệ thống đảo ngoài khơi phần lớn là đảo san hô phân bố theo cụm, giữ vị trí then chốt về an ninh, quốc phòng và kiểm soát các tuyến hàng hải. Trên các đảo này, hệ thống công trình quân sự hiện hữu chủ yếu là các công sự kiểu đào (công trình ngầm đặt nông) với khả năng kháng lực hạn chế; các công trình ngầm kiên cố có khả năng chịu tác động của bom đạn cỡ lớn chưa được thiết kế và xây dựng hoàn chỉnh.

Thực tế tính toán công trình ngầm chịu tải trọng nổ trong nước trước đây chủ yếu dựa trên các phương pháp truyền thống. Các phương pháp này bỏ qua diễn biến vật lý của quá trình nổ và sự dãn nở của sản phẩm nổ, quy đổi vụ nổ thành ngoại lực hoặc hàm áp lực đặt trên biên của hệ kết cấu - nền. Khi giải quyết bài toán biến dạng lớn, môi trường phi tuyến, không liên tục và diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn ($t \le 0,1\text{ s}$), phương pháp truyền thống bộc lộ sai số đáng kể. Đồng thời, các nghiên cứu trước đây thường giả định nền san hô theo mô hình đàn hồi tuyến tính, chỉ phù hợp với nền đất cố kết chặt chịu tải trọng nhỏ ở xa tâm nổ, không phản ánh được bản chất phá hoại dẻo và biến dạng thể tích khi nổ gần. Thêm vào đó, vật liệu bê tông cốt thép truyền thống bị xâm thực mạnh bởi môi trường nước biển, gây gỉ sét cốt thép, nứt vỡ bê tông và làm suy giảm nhanh tuổi thọ công trình. Từ thực tiễn đó, luận án xác định khoảng trống nghiên cứu và thiết lập mục tiêu giải quyết đồng thời hai vấn đề: hoàn thiện phương pháp tính toán tương tác động lực học phi tuyến và ứng dụng vật liệu composite cốt sợi thủy tinh (GFRP) thay thế cốt thép.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể gồm:

  1. 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.
  2. Nghiên cứu, so sánh ứng xử của công trình ngầm kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) với kết cấu bê tông cốt sợi thủy tinh (GFRP) khi chịu tải trọng nổ.
  3. Nghiên cứu tính toán công trình ngầm bê tông cốt GFRP trong môi trường cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước chịu tải trọng nổ.
  4. 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 công trình ngầm chịu tải trọng nổ phục vụ thiết kế và xây dựng công trình trên các đảo san hô.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của công trình bao gồm:

  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu công trình ngầm bằng bê tông cốt thép và bê tông cốt GFRP có kích thước cụ thể trong không gian ba chiều; công trình ngầm đặt nông chịu tác động của tải trọng nổ do bom đạn; môi trường nền san hô bão hòa nước, cụ thể là lớp cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát công trình ngầm đặt trong một lớp địa chất đồng nhất là cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước; xây dựng chương trình khai báo vật liệu dưới dạng mô hình người dùng (User subroutine) trong AutoDyn cho loại môi trường này; không khảo sát biến dạng từ biến và ảnh hưởng của sự biến thiên nhiệt độ trong đất.

Quy mô tài liệu gồm 136 trang thuyết minh, 73 hình vẽ và đồ thị, 22 bảng số liệu và 80 tài liệu tham khảo. Cấu trúc luận án gồm: Mở đầu, 4 chương nội dung chuyên môn, Kết luận chung, Danh mục công trình đã công bố, Tài liệu tham khảo và Phụ lục mã nguồn chương trình.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan lịch sử nghiên cứu về tính toán công trình ngầm chịu tải nổ được luận án phân chia thành hai nhóm tiếp cận chính:

Nhóm phương pháp không xét tới quá trình nổ và dãn nở của sản phẩm nổ:

  • Phương pháp tải trọng tĩnh tương đương: Quy đổi áp lực sóng nổ thành tải trọng tĩnh dựa trên trạng thái nội lực nguy hiểm nhất. Khi sóng nén dạng xung tức thời, tải trọng quy đổi tính theo công thức $p_e = i \cdot \omega$ (với $i$ là xung riêng, $\omega$ là tần số dao động riêng thấp nhất của kết cấu) [12]. Khi sóng nén dạng tải trọng ngắn hạn, áp lực tính theo $p_e = K_d K_f p_m(z)$ (với $K_d$ là hệ số động lực, $K_f$ là hệ số tương tác phụ thuộc độ mềm và chuyển vị kết cấu, $p_m(z)$ là tải trọng sóng nén đỉnh) [12]. Điển hình cho hướng này có bảng tính SBEDs do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ biên soạn [56], [67] nhằm tính nhanh khả năng bảo vệ của tường chắn, cửa bảo vệ và công sự.
  • Phương pháp tải trọng động: Tải trọng được gán vào biên dưới dạng hàm thời gian. Tác giả Nguyễn Duy Túy [20] khảo sát lan truyền sóng nổ trong đất bão hòa nước để xác định tải trọng tác dụng lên công trình ngầm. Tác giả Nguyễn Trí Tá [13] lập chương trình tính kết cấu công sự tương tác động lực học kết cấu - môi trường hai chiều với mô hình mũ đàn dẻo nhưng chưa xét trượt tách. Tác giả Nguyễn Tương Lai [6] giải bài toán động lực học kết cấu - nền có xét tính phi tuyến vật liệu và phi tuyến tiếp xúc (tách, trượt). Tác giả Vũ Công Hoằng [5] dùng phần mềm ANSYS tính toán công sự dạng tấm nửa nổi nửa chìm trong nền đàn hồi tuyến tính và đàn dẻo theo tải trọng quy chuẩn [12]. Tác giả Nguyễn Hữu Thế [16] dùng AutoDyn2D khảo sát quá trình truyền sóng nổ trong san hô tác động lên công trình ngầm hình vuông và tròn. Tải trọng trên mặt đất khi nổ trong không khí cũng được tính theo tiêu chuẩn UFC 3-340-02 [56], [67].

Nhóm phương pháp sử dụng mô hình tương tác đầy đủ (fully-coupled method): Phương pháp này giải quyết đồng thời quá trình vật lý nổ từ tâm nổ, sự hình thành phễu nổ, sự dãn nở của sản phẩm nổ, quá trình lan truyền sóng trong môi trường và tương tác trực tiếp lên công trình ngầm [23], [37]. Darina Fišerová [37] đã dùng AutoDyn nghiên cứu ứng xử công trình dưới tải trọng nổ và xây dựng mô hình vật liệu đất ba pha. Các tác giả trong [72], [73], [74] sử dụng LS-DYNA để khảo sát truyền sóng trong đất và phản ứng của công trình ngầm quân sự. Luận án chỉ rõ, tại Việt Nam hướng tiếp cận tương tác đầy đủ còn rất hạn chế và chủ yếu mới áp dụng trong một số bài toán hẹp thuộc ngành vũ khí.

Nghiên cứu về nền san hô và vật liệu composite GFRP:

  • Địa chất nền san hô: Nguyễn Hoa Thịnh [18] đề xuất giải pháp công trình ngầm, chống xói lở và chẩn đoán kỹ thuật công trình thềm lục địa. Hoàng Xuân Lượng [9] công bố hệ thống chỉ tiêu cơ lý của san hô và nền san hô phục vụ thiết kế tiền khả thi. Nguyễn Thái Chung [2], [4], [7] khảo sát địa chất công trình nền san hô tại các bãi cạn ven đảo. Tài liệu quốc tế về san hô [71] chủ yếu mang tính mô tả tổng quan.
  • Vật liệu composite polymer (FRP) và GFRP: Được chuẩn hóa qua hệ thống tiêu chuẩn của Viện Bê tông Hoa Kỳ ACI 440 (gồm ACI 440.1R-06, ACI 440.5-08, ACI 440.2R, ACI 440.3R) và hệ thống tiêu chuẩn Nga (CTO HOCTPOЙ 2.9-2103, GOST 31938-2012). Các nghiên cứu dầm FRP chịu xoắn tĩnh [36], chịu uốn tĩnh và động [29], bản bê tông cốt FRP [3], dầm gia cường thanh CFRP theo phương pháp gắn gần bề mặt NSM [10], và bê tông dùng cát biển, nước biển kết hợp cốt GFRP [1] đã được công bố.

Khoảng trống khoa học mà luận án xác định: Chưa có công trình nào trong và ngoài nước nghiên cứu ứng xử của kết cấu công trình ngầm bê tông cốt GFRP đặt trong môi trường cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước chịu tải trọng nổ bằng phương pháp mô hình tương tác đầy đủ ba chiều.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án xây dựng cơ sở lý thuyết dựa trên hệ phương trình vi phân mô tả các định luật bảo toàn trong cơ học môi trường liên tục [37]:

Định luật bảo toàn Dạng phương trình vi phân
Bảo toàn khối lượng $\frac{\partial \rho}{\partial t} + \frac{\partial (\rho v_i)}{\partial x_i} = 0$
Bảo toàn động lượng $\frac{\partial v_i}{\partial t} + v_j \frac{\partial v_i}{\partial x_j} = f_i + \frac{1}{\rho}\frac{\partial \sigma_{ij}}{\partial x_j}$
Bảo toàn năng lượng $\frac{\partial E}{\partial t} + v_i \frac{\partial E}{\partial x_i} = -\frac{p}{\rho}\frac{\partial v_i}{\partial x_i} + \frac{1}{\rho} s_{ij}\dot{\varepsilon}_{ij}$

Các phương trình bổ trợ liên kết trạng thái vật lý bao gồm:

  • Phân tích tenxơ ứng suất: $\sigma_{ij} = -(p + q)\delta_{ij} + s_{ij}$, trong đó $p$ là áp suất, $q$ là áp suất giả nhớt, $\delta_{ij}$ là ký hiệu Kronecker, $s_{ij}$ là tenxơ lệch ứng suất.
  • Phương trình trạng thái (EOS): $p = f(\rho, e)$, mô tả quan hệ giữa áp suất với mật độ $\rho$ và nội năng đơn vị $e$.
  • Phương trình quan hệ cơ bản: $\dot{s}{ij} = g{ij}(\sigma_{ij}, \dot{\varepsilon}{ij}, e, D_f)$, với $\dot{\varepsilon}{ij}$ là tốc độ biến dạng, $D_f$ là tham số phá hủy.
  • Phương trình mô phỏng nổ: $h(p, \rho, v, T, x, t) = 0$.

Về phương pháp số, AutoDyn3D sử dụng thuật toán tích phân tường minh theo thời gian (phương pháp Leapfrog) và kỹ thuật sai phân trung tâm tường minh của Wilkins [23], [37]:

  • Gia tốc nút tại bước thời gian $n$: $\ddot{x}_i^n = \frac{F_i^n}{m} + b_i^n$.
  • Vận tốc nút tại bước $n + 1/2$: $\dot{x}_i^{n+1/2} = \dot{x}_i^{n-1/2} + \ddot{x}_i^n \Delta t^n$.
  • Vị trí nút tại bước $n + 1$: $x_i^{n+1} = x_i^n + \dot{x}_i^{n+1/2} \Delta t^{n+1/2}$.

Bước thời gian tính toán được khống chế bởi điều kiện ổn định Courant-Friedrichs-Lewy (CFL): $\Delta t \le \frac{k \cdot l}{c_a}$, trong đó $k$ là kích thước phần tử nhỏ nhất, $l$ là hệ số ổn định ($l = 0,6 \div 0,9$), $c_a$ là vận tốc truyền sóng âm trong môi trường.

Để giải quyết tương tác giữa các vùng có mức độ biến dạng khác nhau trong không gian ba chiều:

  • Vùng thuốc nổ và vùng đất sát tâm nổ: Áp dụng phương pháp hạt không lưới SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) nhằm loại trừ hiện tượng méo lưới khi biến dạng cực lớn.
  • Vùng đất xa tâm nổ và kết cấu công trình ngầm: Mô hình hóa bằng phương pháp phần tử hữu hạn lưới Lagrange.
  • Vùng không khí: Sử dụng phương pháp lưới Euler.
  • Tương tác tiếp xúc: Sử dụng thuật toán ghép nối đa cơ hệ giữa hạt SPH với phần tử Lagrange, tương tác biên giữa vùng Lagrange với lưới Euler, và điều kiện biên tiếp xúc có xét trượt - tách giữa bề mặt bê tông với nền đất.

Về cơ sở thực nghiệm, luận án sử dụng các thiết bị đo động lực học tại hiện trường: hệ thống thu thập số liệu đa kênh NI SCXI-1000DC, các đầu đo áp lực sóng nổ chuyên dụng, đầu đo gia tốc áp điện 353B33 và đầu đo biến dạng trở kháng PL-60-11. Các thông số vật liệu phụ trợ được trích xuất từ cơ sở dữ liệu tiêu chuẩn: không khí [23], cát [51], bê tông [60], thép [46], và thanh composite GFRP [64].

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về tính toán công trình ngầm trên đảo san hô chịu tải trọng nổ

Chương này tập trung phân tích bối cảnh xây dựng công trình phòng thủ trên các đảo san hô thềm lục địa phía Nam. Luận án phân loại cấu trúc địa chất các đảo san hô thành hai nhóm chính dựa trên các tài liệu [2], [4], [7], [9], [18]:

Nhóm địa chất Đặc điểm địa hình và địa tầng Chỉ tiêu cơ lý tiêu biểu
Nhóm 1 (Đá Tây, An Bang...) Đảo chìm hoặc có độ cao địa hình nhỏ so với mực nước biển; cấu trúc hoàn toàn là san hô. - Lớp 1: Đá san hô dạng mảng, khối xám trắng, chặt vừa.
- Lớp 2: San hô cành nhánh lẫn cát san hô, chặt vừa.
- Lớp 3: San hô cứng lẫn cục, màu trắng đục.
Nhóm 2 (Trường Sa Lớn, Sinh Tồn, Nam Yết) Đảo nổi có lớp phủ thực vật lớn, cao hơn mặt nước biển đáng kể; cấu tạo phân lớp rõ rệt. - Lớp 1: Cát san hô lấp, mịn đến trung, dày 1,7 - 3,8 m; $\rho = 1,973\text{ g/cm}^3$, hệ số rỗng $e_0 = 0,656$, góc ma sát trong $\phi = 30^\circ 54'$.
- Lớp 2: Cát sạn sỏi hoặc cát hạt trung, dày khoảng 3 m.
- Lớp 3: Cát lẫn sỏi nhỏ, màu xám xanh, xám trắng.

Số liệu tổng hợp từ [9] cho thấy cường độ kháng nén của san hô cành ở trạng thái bão hòa nước đạt $5\text{ kg/cm}^2$ (trạng thái khô đạt $6\text{ kg/cm}^2$); san hô tảng cứng ở trạng thái bão hòa nước dao động từ $25\text{ kg/cm}^2$ đến $85\text{ kg/cm}^2$ (trạng thái khô từ $28\text{ kg/cm}^2$ đến $120\text{ kg/cm}^2$). San hô có đặc tính dòn, hệ số ma sát trượt với bê tông và thép tương đối bé.

Phân tích các mô hình nền đất chỉ ra: Mô hình đàn hồi tuyến tính [11], [14] chỉ áp dụng khi tải trọng nhỏ và công trình ở xa tâm nổ. Mô hình đàn dẻo lý tưởng Mohr-Coulomb [70] và Drucker-Prager [34], [49] gặp hạn chế do không phản ánh được hiện tượng trễ khi gia tải - dỡ tải, hiện tượng hóa mềm và sự thay đổi độ cứng theo tốc độ biến dạng. Luận án đề xuất lựa chọn mô hình MO Granular [23] làm cơ sở nghiên cứu nền cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước. Mô hình MO Granular biểu diễn ứng suất chảy $\sigma_y$ gồm hai thành phần: $\sigma_y = f_1(p) + f_2(\rho)$, cho phép mô tả vật liệu dạng hạt xốp, tính đến quá trình nén chặt và sự biến thiên của mô đun cắt theo mật độ. Về vật liệu kết cấu, chương 1 đánh giá quá trình ăn mòn kim loại trong môi trường biển và đề xuất thay thế cốt thép bằng cốt sợi thủy tinh GFRP.

Chương 2. Phương pháp sử dụng mô hình tương tác đầy đủ tính toán công trình ngầm chịu tải trọng nổ

Chương 2 thiết lập toàn bộ quy trình mô hình hóa bài toán nổ tương tác ba chiều trong AutoDyn3D. Cấu trúc bài toán được chia tách thành các miền tính toán độc lập tương tác qua biên:

  • Miền nổ (thuốc nổ TNT): Mô hình hóa phương trình trạng thái Jones-Wilkins-Lee (JWL) kết hợp giải thuật SPH hoặc Euler.
  • Miền đất gần tâm nổ: Sử dụng phương pháp SPH nhằm giải quyết hiện tượng xáo trộn và phá hủy lớn của đất mà lưới phần tử hữu hạn thông thường không xử lý được.
  • Miền đất xa tâm nổ và kết cấu ngầm: Sử dụng lưới phần tử hữu hạn Lagrange 3D với tích phân không gian bậc một và cơ chế triệt tiêu biến dạng dạng giờ cát (hourglass control).
  • Tương tác giao diện: Xây dựng thuật toán tiếp xúc SPH - FEM (Master - Slave) cho biên giữa vùng hạt SPH và lưới đất Lagrange; thuật toán tiếp xúc trượt - tách tại bề mặt tiếp xúc giữa bê tông và môi trường đất cát san hô; liên kết hoàn toàn (tied contact) giữa thanh cốt GFRP/cốt thép với khối bê tông bao quanh.

Chương này trình bày chi tiết sơ đồ chu trình tích phân thời gian tường minh, quy tắc tính toán lực nút nội tại, lực nút do áp suất giả nhớt $q$ để xử lý sóng kích động (shock wave), cùng điều kiện biên hấp thụ năng lượng (transmit boundary) ở các mặt xa của khối đất nhằm loại bỏ sóng phản xạ nhân tạo từ biên mô hình.

Chương 3. Xây dựng mô hình vật liệu cho cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước

Nội dung trọng tâm của chương 3 là xác lập bộ thông số cơ học và thuật toán mô phỏng cho lớp cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước chịu tải trọng nổ:

  1. Thí nghiệm nổ xác định độ nén động: Thực hiện các thí nghiệm nổ hiện trường với đương lượng nổ nhỏ, ghi nhận tín hiệu áp lực bằng hệ thống đo NI SCXI-1000DC. Đo đạc tốc độ lan truyền sóng nén $D\text{ (m/s)}$ và biên độ đỉnh áp lực theo phương pháp tuyến và tiếp tuyến tại các vị trí cảm biến. Từ đó tính toán hệ số áp lực hông $k_\tau$, ứng suất trung bình $\sigma$ và biến dạng thể tích $\varepsilon_v$ để xác định đường cong nén động.
  2. Xây dựng mô hình vật liệu:
    • Phương trình trạng thái (EOS): Xây dựng quan hệ dạng bảng (Tabular EOS) hoặc đa thức biểu diễn quan hệ giữa áp suất $p$ và độ nén thể tích $\mu = \rho/\rho_0 - 1$, xét đến sự làm việc đồng thời của ba pha rắn - lỏng - khí trong đất cát san hô bão hòa.
    • Mô hình độ bền: Phát triển dựa trên mô hình MO Granular với các đường cong thực nghiệm xác định giới hạn chảy phụ thuộc áp suất thủy tĩnh và mật độ vật liệu.
    • Mô hình phá hủy: Thiết lập tiêu chí phá hủy theo độ bền kéo thủy tĩnh (hydrodynamic tensile limit) và độ dãn dài thể tích giới hạn.
  3. Lập trình chương trình MCORAL: Luận án lập trình mô đun MCORAL tích hợp vào AutoDyn dưới dạng thư viện người dùng (User Subroutine). MCORAL xử lý các dữ liệu đầu vào cơ lý từ tài liệu [4], [9] và kết quả thí nghiệm nổ để tự động nội suy ma trận độ cứng, tính toán ứng suất và cập nhật trạng thái vật liệu ở từng bước thời gian.
  4. Kiểm chứng mô hình MCORAL: Tiến hành mô phỏng số kiểm chứng trên AutoDyn3D đối với hai trường hợp: nổ trong môi trường cát san hô bão hòa nước và nổ trong không khí phía trên mặt đất san hô với các đương lượng nổ 100 g và 200 g TNT. Kết quả so sánh áp lực đỉnh sóng nén và thời gian xung áp tại 3 điểm đo kiểm chứng (Gauge 1, 2, 3) giữa mô phỏng và thí nghiệm hiện trường cho thấy quy luật biến thiên tương đồng.

Chương 4. Tính toán công trình ngầm bê tông cốt sợi thủy tinh chịu tác dụng của tải trọng nổ

Chương 4 triển khai các mô phỏng số học so sánh và thực nghiệm hiện trường trên mô hình kết cấu công trình ngầm:

  1. Xác lập thông số vật liệu cốt sợi thủy tinh GFRP [64]: Định nghĩa phương trình trạng thái tuyến tính, mô hình bền đàn hồi dòn chỉnh sửa (Orthotropic/Elastic-Brittle) với giới hạn bền kéo cao, không có giai đoạn chảy dẻo như thép, và mô hình phá hủy theo ứng suất kéo giới hạn.
  2. Mô phỏng số 3D so sánh kết cấu BTCT và bê tông cốt GFRP:
    • Thiết lập mô hình công trình ngầm tiết diện hộp đặt nông trong nền cát san hô bão hòa nước.
    • Phân tích dưới tác dụng của lượng nổ 16,77 kg TNT cách công trình 2,0 m tại thời điểm 9 ms, cùng các bài toán vụ nổ 100 g, 200 g, 400 g TNT ở các vị trí nóc và cách sườn công trình 0,5 m đến 1,0 m.
    • So sánh ứng suất Von Mises trong khối bê tông, biến dạng theo trục X (ngang), biến dạng theo trục Y (đứng), biến dạng dọc trục và lực dọc trục của cốt thép so với thanh GFRP tại thời điểm đạt giá trị cực đại. Kết quả chỉ ra kết cấu bê tông cốt GFRP có khả năng hấp thụ năng lượng động và phân bố lại nội lực tốt, ứng suất tập trung cục bộ giảm nhờ mô đun đàn hồi thấp hơn của GFRP.
  3. Thử nghiệm nổ hiện trường mô hình công trình ngầm cốt GFRP: Chế tạo mô hình thực nghiệm kết cấu bê tông cốt GFRP, chôn trong môi trường cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước. Bố trí đầu đo gia tốc 353B33 và đầu đo biến dạng PL-60-11 tại các vị trí xung yếu (điểm 1, điểm 2 tại sườn, nóc và đáy công trình). Thực hiện kích nổ lượng nổ 100 g TNT cách sườn 0,5 m và 100 g TNT trên nóc.
  4. Đánh giá sai số: So sánh trực tiếp biểu đồ lịch sử thời gian của gia tốc và biến dạng giữa mô phỏng AutoDyn3D và kết quả ghi nhận từ thử nghiệm hiện trường. Các giá trị đỉnh gia tốc và biến dạng lớn nhất tại các điểm đo có sự phù hợp về biên độ và tần số dao động tắt dần, khẳng định độ tin cậy của thuật toán và mô hình vật liệu MCORAL.

Kết quả và những đóng góp mới

Các kết quả và đóng góp mới của luận án được trình bày bao gồm:

Về mặt lý luận và phương pháp:

  1. Ứng dụng thành công phương pháp sử dụng mô hình tương tác đầy đủ trong không gian ba chiều bằng phần mềm AutoDyn3D để tính toán công trình ngầm chịu tác dụng của tải trọng nổ. Phương pháp giải quyết bài toán phi tuyến phức tạp bao gồm quá trình hình thành sóng nổ, dãn nở của sản phẩm nổ, lan truyền sóng kích động trong môi trường rạn san hô bão hòa nước và tương tác động lực học lên kết cấu ngầm.
  2. Xây dựng hoàn chỉnh mô hình vật liệu cho cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước chịu tải trọng nổ, bao gồm phương trình trạng thái (EOS), mô hình bền (dựa trên mô hình MO Granular mở rộng) và mô hình phá hủy dòn/tách. Đã đóng gói thành công bộ chương trình MCORAL để khai báo mô hình vật liệu người dùng (User model) trong môi trường tính toán AutoDyn.
  3. Đề xuất quy trình phối hợp linh hoạt các kỹ thuật số: sử dụng hạt không lưới SPH cho vùng tâm nổ và đất lân cận tâm nổ để khắc phục biến dạng quá mức của phần tử, kết hợp với lưới phần tử hữu hạn Lagrange cho công trình và vùng đất xa tâm nổ.

Về mặt thực tiễn và kết cấu công trình:

  1. Đánh giá toàn diện ứng xử cơ học của kết cấu công trình ngầm bê tông cốt GFRP dưới tác dụng của tải trọng nổ; chứng minh về mặt khoa học khả năng thay thế cốt thép bằng cốt sợi thủy tinh GFRP trong các công trình ngầm quân sự trên đảo san hô nhằm tăng cường độ bền lâu, chống ăn mòn nước biển mà vẫn đảm bảo yêu cầu chịu tải trọng động va chạm và nổ.
  2. Cung cấp bộ số liệu thực nghiệm hiện trường về áp lực sóng nổ, gia tốc và biến dạng của kết cấu công trình ngầm trong cát san hô bão hòa nước bằng hệ thống đo động lực học NI SCXI-1000DC kết hợp cảm biến 353B33 và PL-60-11, tạo cơ sở dữ liệu kiểm chứng cho các nghiên cứu mô phỏng số.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất:

  • Kiến nghị áp dụng phương pháp mô hình tương tác đầy đủ thay thế phương pháp tải trọng tĩnh quy đổi truyền thống khi thiết kế kháng chấn, kháng nổ cho các công trình ngầm bảo vệ bờ biển và hải đảo.
  • Kiến nghị ứng dụng kết cấu bê tông cốt GFRP vào xây dựng các công sự, hầm bảo vệ trên các đảo san hô xa bờ để loại trừ nguy cơ phá hủy do gỉ sét cốt thép.
  • Kiến nghị sử dụng mô hình vật liệu trong chương trình MCORAL để xác lập các thông số tính toán nền địa chất cát san hô phục vụ công tác thiết kế công trình quốc phòng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Phạm vi nghiên cứu mới chỉ khảo sát công trình ngầm nằm trong một tầng địa chất đồng nhất là cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước, chưa xét đến tính phân tầng phức tạp với các lớp san hô tảng cứng hay san hô khối liền kề.
  • Mô hình tính chưa xét tới biến dạng từ biến của đất nền san hô và sự thay đổi của các chỉ tiêu cơ lý dưới tác động biến thiên của dải nhiệt độ môi trường.
  • Quy mô thử nghiệm hiện trường mới dừng lại ở kết cấu mô hình kích thước nhỏ với các đương lượng nổ hạn chế (từ 100 g đến 400 g TNT), chưa thực hiện thử nghiệm đối với tải trọng bom đạn cỡ lớn ở tỷ lệ thực tế.

Các hướng nghiên cứu tiếp theo:

  1. Nghiên cứu mở rộng mô hình tương tác đầy đủ cho bài toán công trình ngầm trong môi trường nền san hô nhiều lớp có đặc tính cơ lý không đồng nhất.
  2. Khảo sát ứng xử của công trình ngầm chịu tác dụng của các loại bom đạn xuyên ngầm cỡ lớn và các dạng tải trọng nổ buồng hầm (nổ bên trong công trình).
  3. Tiếp tục nghiên cứu ứng dụng phối hợp giữa bê tông sử dụng nước biển, cát biển kết hợp cốt composite GFRP để nâng cao tính tự chủ về vật liệu khi thi công công trình quốc phòng trên đảo xa.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng và lĩnh vực nghiên cứu:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Xây dựng Công trình ngầm, Xây dựng Công trình quốc phòng, Kỹ thuật Công trình đặc biệt, Cơ học vật rắn biến dạng và Cơ học tính toán. Các nội dung tại Chương 2 (về phương pháp tương tác đầy đủ, kỹ thuật ghép nối SPH - Lagrange) và Chương 3 (về thuật toán xây dựng phương trình trạng thái và mô hình bền vật liệu rời rạc trong AutoDyn) là tài liệu mẫu mực về mặt học thuật và mô hình hóa số.
  • Kỹ sư thiết kế, chuyên viên kỹ thuật thuộc Binh chủng Công binh, các viện thiết kế quân sự và các cơ quan quản lý kỹ thuật công trình biển đảo. Chương 4 cung cấp số liệu thực tế về ứng xử của bê tông cốt GFRP chịu nổ và quy trình đo đạc hiện trường với hệ thống cảm biến động lực học, phục vụ trực tiếp việc lập dự án, tính toán thẩm định kết cấu công sự bảo vệ đảo.
  • Các nhà nghiên cứu vật liệu địa kỹ thuật: Quy trình xử lý thí nghiệm nén động và mã nguồn chương trình MCORAL tại phần phụ lục cung cấp công cụ có thể kế thừa để xây dựng mô hình các loại đất cát bão hòa nước khác.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án giải quyết nhược điểm gì của các phương pháp tính toán tải trọng nổ truyền thống? Phương pháp truyền thống không xét đến quá trình hình thành và dãn nở của sản phẩm nổ, coi tải trọng nổ là một hàm áp lực quy ước đặt trên biên hệ kết cấu - nền. Cách tiếp cận này bộc lộ sai số lớn khi công trình ở gần tâm nổ, biến dạng lớn và diễn ra trong thời gian cực ngắn ($t \le 0,1\text{ s}$). Luận án giải quyết triệt để vấn đề này bằng phương pháp mô hình tương tác đầy đủ trên AutoDyn3D, mô phỏng liên tục từ tâm nổ, truyền sóng nén qua môi trường nền cho tới biến dạng phá hoại của kết cấu ngầm.

2. Tại sao tác giả lựa chọn mô hình bền MO Granular để mô tả nền cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước? Cát san hô lẫn cành vụn là vật liệu hạt rời rạc, các hạt có đặc tính dòn và độ rỗng lớn. Các mô hình dẻo lý tưởng như Mohr-Coulomb hay Drucker-Prager không phản ánh được hiện tượng biến đổi thể tích khi cắt, hiện tượng trễ khi gia tải - dỡ tải và sự thay đổi độ cứng theo tốc độ biến dạng. Mô hình MO Granular mở rộng phân tách ứng suất chảy thành hai thành phần phụ thuộc áp suất thủy tĩnh và mật độ ($\sigma_y = f_1(p) + f_2(\rho)$), cho phép mô tả chính xác quá trình nén chặt thể tích và sự gia tăng mô đun cắt của cát san hô khi chịu tải trọng nổ cực lớn.

3. Chương trình MCORAL trong luận án có vai trò gì và tích hợp vào phần mềm nào? Chương trình MCORAL là mô đun chương trình con do tác giả tự lập trình bằng ngôn ngữ tính toán, dùng để xây dựng phương trình trạng thái (EOS), mô hình độ bền và mô hình phá hủy cho cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước. MCORAL được tích hợp trực tiếp vào phần mềm AutoDyn dưới dạng mô hình vật liệu người dùng (User model), khắc phục việc thiếu vắng mô hình địa kỹ thuật san hô trong thư viện vật liệu tiêu chuẩn của phần mềm.

4. Những thiết bị và cảm biến nào được sử dụng trong thử nghiệm nổ hiện trường ở Chương 4? Thực nghiệm sử dụng hệ thống máy thu thập dữ liệu động đa kênh NI SCXI-1000DC kết nối với các đầu đo chuyên dụng: đầu đo gia tốc áp điện 353B33 và đầu đo biến dạng trở kháng PL-60-11 gắn trên mô hình công trình ngầm bê tông cốt GFRP, cùng hệ thống đầu đo áp lực sóng nổ bố trí trong môi trường cát san hô bão hòa nước xung quanh vụ nổ.

5. So với bê tông cốt thép truyền thống, kết cấu bê tông cốt GFRP có ưu điểm gì khi chịu tải nổ trên đảo san hô? Thanh cốt sợi thủy tinh GFRP có khả năng kháng ăn mòn hóa học tuyệt đối trong môi trường nước biển và độ ẩm cao trên các đảo san hô, giải quyết triệt để hiện tượng nứt vỡ bê tông do rỉ sét cốt thép. Về cơ học động lực, thanh GFRP có cường độ kéo cao và mô đun đàn hồi thấp hơn thép, giúp kết cấu bê tông cốt GFRP có độ mềm dẻo nhất định, hấp thu và tiêu tán năng lượng sóng nổ hiệu quả mà không bị phá hoại dòn cục bộ.

Kết luận

Luận án của tác giả Trịnh Trung Tiến đã giải quyết thành công bài toán động lực học phi tuyến phức tạp trong tính toán công trình ngầm chịu tải trọng nổ đặt trong môi trường địa chất rạn san hô đặc thù của Việt Nam. Bằng việc ứng dụng phương pháp mô hình tương tác đầy đủ trên AutoDyn3D kết hợp lập trình mô hình vật liệu MCORAL cho cát san hô bão hòa nước, công trình đã thiết lập được công cụ mô phỏng số ba chiều có độ tin cậy cao được kiểm chứng thông qua các thử nghiệm nổ hiện trường. Đồng thời, nghiên cứu khẳng định tính khả thi vượt trội của việc ứng dụng vật liệu bê tông cốt sợi thủy tinh (GFRP) thay thế cốt thép truyền thống, mở ra hướng đi bền vững cho công tác thiết kế, gia cường và xây dựng hệ thống công trình ngầm bảo vệ chủ quyền biển đảo.