Ứng Xử Của Tường Vây Hố Đào Công Trình Dưới Tải Trọng Động Do Xe Vận Chuyển

Tài liệu nghiên cứu Ứng xử của tường vây hố đào công trình xét đến tải trọng động do xe vận chuyển trong quá trình thi, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Xử Tường Vây Hố Đào Dưới Tải Trọng Động Trong Thi Công

Tóm tắt

I. Phân Tích Ứng Xử Tường Vây Hố Đào Tầm Quan Trọng Thực Tiễn

Việc khai thác không gian ngầm trong các đô thị hiện đại là một xu thế tất yếu. Các công trình như tầng hầm, bãi đỗ xe, và hệ thống tàu điện ngầm ngày càng phổ biến. Tuy nhiên, thi công các công trình này đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật. Tường vây hố đào là kết cấu quan trọng, chịu trách nhiệm ổn định thành hố đào và bảo vệ các công trình lân cận. Trong quá trình thi công, tường vây chịu nhiều loại tải trọng phức tạp. Chúng bao gồm áp lực đất, áp lực nước ngầm và tải trọng từ các công trình xung quanh. Một yếu tố thường bị bỏ qua nhưng lại có ảnh hưởng lớn là tải trọng động trong thi công. Các loại xe vận chuyển vật liệu, máy móc di chuyển liên tục gần hố đào tạo ra các rung động và áp lực đáng kể. Việc không xem xét đầy đủ ứng xử của tường vây hố đào dưới các tác động này có thể dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng. Chuyển vị tường vây có thể vượt quá giới hạn cho phép, gây hư hỏng kết cấu, sụt lún, thậm chí là sụp đổ hố đào, đe dọa an toàn lao động và tiến độ dự án. Do đó, việc nghiên cứu chuyên sâu về ứng xử tường vây hố đào dưới tải trọng động không chỉ là một vấn đề học thuật. Nó còn mang ý nghĩa thực tiễn cấp bách, giúp các kỹ sư đưa ra các giải pháp thiết kế và thi công an toàn, hiệu quả hơn. Nghiên cứu này, dựa trên luận văn của Đoàn Tấn Việt Cường, sẽ làm rõ những tác động này thông qua phân tích lý thuyết và mô phỏng số.

1.1. Sự cần thiết của việc phân tích tải trọng động từ xe vận chuyển

Trong thực tế, các hoạt động thi công luôn có sự hiện diện của xe vận chuyển vật tư, máy đào, xe tải nặng. Các phương tiện này khi di chuyển gần hố đào sẽ tạo ra các tải trọng động truyền vào đất nền và tác động lên tường vây. Nhiều phương pháp thiết kế truyền thống thường quy đổi tải trọng này thành một dạng tải tĩnh tương đương, hoặc bỏ qua hoàn toàn để đơn giản hóa tính toán. Tuy nhiên, cách tiếp cận này không phản ánh đúng bản chất của vấn đề. Tải trọng động có tính chu kỳ, gây ra các dao động có thể cộng hưởng với tần số dao động riêng của hệ đất-kết cấu. Hiện tượng cộng hưởng tần số có thể khuếch đại áp lực lên tường vây một cách đột ngột, gây ra chuyển vị tường vây lớn hơn nhiều so với tính toán tĩnh. Luận văn gốc chỉ ra rằng, khi không xét đến ảnh hưởng của tải trọng xe, chuyển vị tính toán thường nhỏ hơn giá trị quan trắc thực tế, dẫn đến thiết kế không an toàn. Do đó, phân tích áp lực động là nhiệm vụ bắt buộc để đảm bảo an toàn cho tường vây và các công trình lân cận.

1.2. Tổng quan các phương pháp nghiên cứu ứng xử tường vây phổ biến

Hiện nay, có nhiều phương pháp được sử dụng để nghiên cứu ứng xử của tường vây hố đào. Các phương pháp này có thể được chia thành ba nhóm chính. Nhóm thứ nhất là các phương pháp giới hạn, điển hình là lý thuyết Mononobe-Okabe, giả định đất đạt đến trạng thái phá hoại. Nhóm thứ hai là các phương pháp đàn hồi tuyến tính, xem xét đất làm việc trong miền đàn hồi, phù hợp khi chuyển vị nhỏ. Nghiên cứu của Veletsos và Younan (1994) là một công trình tiêu biểu cho hướng tiếp cận này. Nhóm thứ ba là các phương pháp phức tạp hơn, sử dụng mô hình phi tuyến để mô phỏng chính xác hơn ứng xử thực của đất. Trong bối cảnh đó, việc kết hợp phương pháp giải tích và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) mang lại hiệu quả cao. Phương pháp giải tích giúp xây dựng nền tảng lý thuyết vững chắc, trong khi các phần mềm như PLAXIS và MATLAB cho phép mô phỏng các kịch bản phức tạp, giúp đánh giá chi tiết chuyển vị tường vây và lực trong hệ giằng chống.

II. Thách Thức Khi Bỏ Qua Tải Trọng Động Lên Ứng Xử Tường Vây

Việc bỏ qua hoặc đơn giản hóa tải trọng động trong thi công mang lại nhiều rủi ro tiềm ẩn. Thách thức lớn nhất là sự chênh lệch giữa kết quả tính toán thiết kế và số liệu quan trắc thực tế. Các mô hình tính toán truyền thống, chỉ xem xét tải tĩnh, thường cho ra giá trị chuyển vị và nội lực trong tường vây nhỏ hơn thực tế. Điều này tạo ra một cảm giác an toàn giả tạo cho các nhà thiết kế. Tuy nhiên, khi các xe vận chuyển hạng nặng hoạt động, áp lực động thực tế tác động lên tường vây có thể lớn hơn nhiều. Nghiên cứu tại công trình Cityland Park Hills đã chứng minh điều này. Kết quả quan trắc cho thấy chuyển vị tường vây thực tế lớn hơn đáng kể so với kết quả mô phỏng khi không xét đến tải trọng xe. Sự chênh lệch này đặc biệt nguy hiểm đối với các hố đào sâu hoặc các công trình nằm gần các tuyến đường giao thông có mật độ xe tải nặng cao. Khi ứng xử tường vây hố đào không được dự báo chính xác, các biện pháp gia cố như hệ giằng chống có thể không đủ khả năng chịu lực. Hậu quả có thể là biến dạng quá mức, nứt gãy tường vây, và ảnh hưởng tiêu cực đến sự ổn định của toàn bộ công trình và các khu vực lân cận. Đây là một thách thức kỹ thuật đòi hỏi phải có những phương pháp phân tích tiên tiến và chính xác hơn, có khả năng mô tả đúng bản chất của tải trọng động.

2.1. Rủi ro tiềm ẩn trong thiết kế tường vây theo phương pháp truyền thống

Thiết kế tường vây theo phương pháp truyền thống thường dựa trên các giả định tĩnh. Các tải trọng từ xe cộ được quy đổi thành một dải tải trọng phân bố đều. Cách làm này bỏ qua hai yếu tố quan trọng: tần số và biên độ dao động. Tải trọng động không phải là một lực không đổi. Nó là một dao động theo thời gian, phụ thuộc vào vận tốc xe, loại xe, và điều kiện mặt đường. Khi tần số dao động do xe tạo ra gần với tần số riêng của hệ tường vây - đất nền, hiện tượng cộng hưởng tần số sẽ xảy ra. Điều này làm tăng đột biến áp lực động và gây ra chuyển vị tường vây không lường trước được. Rủi ro này đặc biệt cao ở những khu vực có nền đất yếu, nơi dao động có thể lan truyền xa và mạnh hơn. Việc thiết kế mà không tính đến các kịch bản tải động nguy hiểm nhất có thể dẫn đến việc lựa chọn tiết diện tường hoặc hệ giằng không đủ khả năng chịu lực, tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn.

2.2. So sánh chuyển vị quan trắc thực tế và kết quả tính toán tĩnh

Một trong những bằng chứng rõ ràng nhất về sự thiếu sót của phương pháp tính toán tĩnh là sự khác biệt với số liệu quan trắc chuyển vị. Tại dự án Cityland Park Hills, các thiết bị Inclinometer đã được lắp đặt để theo dõi chuyển vị ngang của tường vây trong suốt quá trình thi công. Dữ liệu thu thập được (ví dụ tại các vị trí I2, I3, I4) cho thấy giá trị chuyển vị đỉnh tường lớn hơn đáng kể so với kết quả phân tích bằng phần mềm PLAXIS trong trường hợp chỉ xét tải tĩnh. Cụ thể, mô hình chỉ mô phỏng tải tĩnh cho kết quả chuyển vị nhỏ hơn. Tuy nhiên, khi bổ sung áp lực động tính toán từ phần mềm MATLAB vào mô hình, kết quả chuyển vị cuối cùng lại gần với số liệu quan trắc hơn. Điều này khẳng định rằng tải trọng động từ xe vận chuyển là một tác nhân quan trọng, không thể bỏ qua trong việc dự báo ứng xử tường vây hố đào một cách chính xác.

III. Hướng Dẫn Phương Pháp Giải Tích Đánh Giá Tải Trọng Động

Để đánh giá chính xác tải trọng động, phương pháp giải tích cung cấp một nền tảng lý thuyết vững chắc. Nó cho phép hiểu rõ các cơ chế vật lý chi phối sự lan truyền sóng và áp lực trong đất. Nghiên cứu này áp dụng lý thuyết đàn hồi tuyến tính và các công thức được phát triển bởi Veletsos và Younan (1994). Phương pháp này mô hình hóa đất nền như một môi trường đàn nhớt đồng nhất và tường vây là một kết cấu cứng tuyệt đối. Tải trọng từ xe di chuyển được quy đổi thành một dạng dao động điều hòa tác dụng lên bề mặt đất. Từ đó, các phương trình chuyển động được thiết lập để tính toán sự phân bố của áp lực động lên tường vây theo chiều sâu và thời gian. Phần mềm MATLAB được sử dụng như một công cụ mạnh mẽ để giải các phương trình này. Việc lập trình trên MATLAB cho phép kiểm chứng mô hình lý thuyết bằng cách so sánh với các kết quả đã được công bố của Veletsos và Younan. Sau khi mô hình được xác thực, nó có thể được dùng để phân tích ảnh hưởng của các tham số khác nhau. Các tham số này bao gồm vận tốc xe, khoảng cách từ xe đến hố đào, và chiều sâu hố đào. Phương pháp này giúp lượng hóa áp lực động, cung cấp dữ liệu đầu vào quan trọng cho các bước phân tích chi tiết hơn bằng phần mềm PLAXIS.

3.1. Cơ sở lý thuyết từ nghiên cứu của Veletsos và Younan 1994

Nền tảng của phương pháp giải tích trong luận văn này là công trình nghiên cứu "Dynamic soil pressures on rigid vertical walls" của Veletsos và Younan (1994). Công trình này đưa ra một giải pháp giải tích cho bài toán áp lực đất động lên tường chắn thẳng đứng trong môi trường bán vô hạn, đàn nhớt. Giả thiết chính là tường chắn cứng và đất làm việc trong miền đàn hồi. Nghiên cứu đã phát triển các công thức tính toán áp lực động dưới tác động của dao động điều hòa. Các công thức này phụ thuộc vào các yếu tố như khối lượng riêng của đất, mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, tần số dao động và hệ số nhớt của vật liệu. Kết quả cho thấy áp lực động không phân bố tuyến tính mà phụ thuộc phức tạp vào tần số kích thích và tần số riêng của lớp đất. Đây là cơ sở lý thuyết quan trọng để hiểu rõ hiện tượng cộng hưởng tần số và tác động của nó lên ứng xử tường vây hố đào.

3.2. Mô phỏng và tính toán áp lực động bằng phần mềm MATLAB

Dựa trên cơ sở lý thuyết của Veletsos và Younan, các đoạn mã tính toán đã được xây dựng trên phần mềm MATLAB. Mục tiêu là tạo ra một công cụ linh hoạt để khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến áp lực động. Trước hết, chương trình được kiểm chứng bằng cách tái tạo lại các kết quả trong bài báo gốc, đảm bảo độ tin cậy. Sau đó, mô hình được áp dụng để phân tích các kịch bản cụ thể. Các bài toán được đưa ra bao gồm: đánh giá ảnh hưởng của khoảng cách từ tải trọng xe đến tường vây, khảo sát sự thay đổi áp lực theo vận tốc xe, và tính toán lực phát sinh trong hệ giằng chống. Kết quả từ MATLAB cho thấy vận tốc xe trong khoảng 5-30 km/h gây ra áp lực lớn nhất. Đồng thời, khoảng cách từ xe đến tường vây càng gần thì áp lực càng lớn. Những kết quả này sau đó được sử dụng làm tải trọng đầu vào cho mô hình phần tử hữu hạn.

IV. Cách Mô Hình Hóa Ứng Xử Tường Vây Bằng Phần Mềm PLAXIS

Bên cạnh phương pháp giải tích, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một công cụ không thể thiếu để phân tích chi tiết ứng xử tường vây hố đào. Phần mềm PLAXIS là một trong những chương trình FEM hàng đầu trong lĩnh vực địa kỹ thuật, cho phép mô phỏng tương tác phức tạp giữa đất và kết cấu. Quá trình mô hình hóa bắt đầu bằng việc xây dựng mô hình hình học của hố đào, bao gồm tường vây, các lớp đất, và hệ giằng chống. Một bước quan trọng là lựa chọn mô hình vật liệu đất phù hợp. Các mô hình như Mohr-Coulomb hay Hardening Soil được sử dụng tùy thuộc vào mức độ chính xác yêu cầu. Mô hình Hardening Soil thường được ưu tiên vì nó mô tả tốt hơn ứng xử phi tuyến và sự tăng cứng của đất khi dỡ tải, một hiện tượng điển hình trong quá trình đào đất. Các giai đoạn thi công được mô phỏng tuần tự, từ việc thi công tường vây, đào đất từng đợt, đến lắp đặt hệ giằng. Tải trọng tĩnh (áp lực đất, nước) và tải trọng động (từ xe cộ) được áp dụng vào mô hình. Áp lực động tính toán từ MATLAB được đưa vào PLAXIS dưới dạng tải trọng theo thời gian hoặc tải trọng tương đương. Kết quả phân tích từ PLAXIS cung cấp thông tin chi tiết về chuyển vị tường vây, biến dạng của đất nền, và nội lực trong các cấu kiện, giúp đánh giá toàn diện mức độ an toàn của công trình.

4.1. Lựa chọn mô hình đất nền phù hợp Mohr Coulomb Hardening Soil

Việc lựa chọn mô hình đất nền có ảnh hưởng quyết định đến độ chính xác của kết quả phân tích. Mô hình Mohr-Coulomb (MC) là mô hình đàn hồi-dẻo lý tưởng, đơn giản và yêu cầu ít thông số đầu vào. Nó phù hợp cho các phân tích sơ bộ. Tuy nhiên, mô hình MC không mô tả được sự phụ thuộc của độ cứng vào trạng thái ứng suất và sự khác biệt giữa độ cứng khi gia tải và dỡ tải. Ngược lại, mô hình Hardening Soil (HS) là một mô hình tiên tiến hơn, có khả năng mô phỏng cả sự tăng bền do ứng suất tiếp và ứng suất pháp. Nó sử dụng các mô đun độ cứng khác nhau cho quá trình gia tải và dỡ tải, phản ánh đúng hơn ứng xử của đất trong quá trình đào hố móng. Đối với các bài toán phân tích biến dạng như chuyển vị tường vây, mô hình HS thường cho kết quả chính xác và đáng tin cậy hơn, dù yêu cầu nhiều thông số đầu vào hơn.

4.2. Quy trình thiết lập bài toán phần tử hữu hạn cho hố đào

Thiết lập một bài toán phần tử hữu hạn trong PLAXIS đòi hỏi một quy trình cẩn thận. Đầu tiên, cần xác định biên của mô hình đủ rộng để các hiệu ứng biên không ảnh hưởng đến kết quả tại khu vực quan tâm. Tiếp theo, các lớp đất được định nghĩa dựa trên kết quả khảo sát địa chất, gán cho chúng mô hình vật liệu và các thông số cơ lý tương ứng. Tường vây và hệ giằng chống được mô hình hóa bằng các phần tử cấu kiện (plate, anchor). Điều kiện biên và điều kiện ban đầu (ứng suất trong đất trước khi thi công) được thiết lập. Quan trọng nhất là việc mô phỏng đúng trình tự thi công. Mỗi giai đoạn, như một đợt đào đất hoặc lắp một tầng giằng, được định nghĩa là một pha tính toán riêng. Tải trọng động từ xe được áp vào các pha tương ứng. Việc chia lưới phần tử hữu hạn cũng cần được tối ưu, với lưới mịn hơn ở các khu vực có biến dạng lớn như xung quanh tường vây và đáy hố đào.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Phân Tích Chuyển Vị Tường Vây Công Trình

Lý thuyết và mô phỏng chỉ thực sự có giá trị khi được kiểm chứng qua ứng dụng thực tiễn. Nghiên cứu đã chọn công trình Cityland Park Hills tại quận Gò Vấp, TP.HCM làm một nghiên cứu điển hình. Dự án này có quy mô 1-2 tầng hầm, và quá trình thi công có sự hoạt động thường xuyên của xe vận chuyển vật liệu gần hố đào. Đây là điều kiện lý tưởng để nghiên cứu ứng xử tường vây hố đào dưới tải trọng động. Dữ liệu địa chất chi tiết và hệ thống quan trắc chuyển vị bằng Inclinometer đã được thu thập. Ba trường hợp tính toán đã được thực hiện bằng phần mềm PLAXIS. Trường hợp 1: không xét tải trọng xe. Trường hợp 2: xem tải trọng xe là tải tĩnh. Trường hợp 3: kết hợp tải tĩnh và áp lực động tính từ MATLAB. Kết quả phân tích cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa các trường hợp. Mô hình có xét đến tải trọng động (Trường hợp 3) cho kết quả chuyển vị tường vây phù hợp nhất với số liệu quan trắc thực tế. Điều này khẳng định vai trò quyết định của tải trọng động và tính đúng đắn của phương pháp nghiên cứu kết hợp. Các phân tích sâu hơn cũng chỉ ra ảnh hưởng của vận tốc và khoảng cách xe, cung cấp những bài học kinh nghiệm quý báu cho thiết kế và thi công.

5.1. Nghiên cứu điển hình tại dự án Cityland Park Hills

Công trình Cityland Park Hills được lựa chọn do có đầy đủ các yếu tố cần thiết cho nghiên cứu: hố đào sâu, điều kiện địa chất phức tạp, và hoạt động thi công sôi nổi với xe tải nặng di chuyển gần kề. Dữ liệu khảo sát địa chất đã được sử dụng để xây dựng mô hình đất nền trong PLAXIS. Các thông số của tường vây cừ larsen và hệ giằng cũng được mô hình hóa chính xác. Đặc biệt, dữ liệu từ các điểm quan trắc chuyển vị I2, I3, và I4 là cơ sở quan trọng để so sánh và hiệu chỉnh mô hình. Việc phân tích một công trình thực tế giúp kiểm chứng các giả thiết lý thuyết và đánh giá hiệu quả của các công cụ mô phỏng trong việc dự báo ứng xử tường vây hố đào.

5.2. Kết quả so sánh giữa mô hình và số liệu quan trắc thực tế

So sánh kết quả là bước cuối cùng và quan trọng nhất để đánh giá mô hình. Kết quả tổng hợp cho thấy: Trường hợp 1 (không tải xe) cho chuyển vị nhỏ nhất, sai lệch nhiều so với thực tế. Trường hợp 2 (tải xe tĩnh) cho kết quả tốt hơn nhưng vẫn thấp hơn giá trị quan trắc. Chỉ có Trường hợp 3 (kết hợp tải tĩnh và áp lực động) mới cho kết quả chuyển vị đỉnh tường gần với giá trị đo đạc nhất. Ví dụ, với tường vây 15m, chuyển vị quan trắc là khoảng 200mm, trong khi kết quả tính toán của trường hợp 3 cũng là 200mm, trong khi trường hợp 1 và 2 chỉ là 158mm và 197mm. Sự trùng khớp này chứng tỏ rằng việc tính toán riêng áp lực động bằng phương pháp giải tích rồi đưa vào mô hình phần tử hữu hạn là một hướng đi hiệu quả và chính xác.

5.3. Đánh giá ảnh hưởng của vận tốc và khoảng cách xe đến áp lực động

Phân tích từ phần mềm MATLAB đã lượng hóa được ảnh hưởng của hai yếu tố chính: vận tốc và khoảng cách xe. Kết quả cho thấy, với khoảng cách gần (dưới 5m), áp lực tăng lên đáng kể khi xe lại gần tường vây. Tuy nhiên, khi khoảng cách lớn hơn 5m, mối quan hệ này trở nên phi tuyến. Áp lực động lớn nhất không phải luôn xảy ra ở vận tốc cao nhất, mà ở dải vận tốc 5-30 km/h, nơi có khả năng xảy ra cộng hưởng tần số cao. Tải động gần như không còn ảnh hưởng khi khoảng cách xe đến hố đào lớn hơn 30m. Những phát hiện này cung cấp cơ sở khoa học để quy hoạch đường vận chuyển nội bộ trong công trường, nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực lên ứng xử tường vây hố đào.

VI. Kết Luận Và Kiến Nghị Cho Thiết Kế Tường Vây Hố Đào An Toàn

Nghiên cứu về ứng xử của tường vây hố đào dưới tải trọng động trong thi công đã đưa ra những kết luận quan trọng và các kiến nghị thiết thực. Kết luận cốt lõi là việc bỏ qua tải trọng động từ xe vận chuyển sẽ dẫn đến những dự báo không an toàn về chuyển vị tường vây và nội lực trong kết cấu. Tải trọng động là một yếu tố có ảnh hưởng đáng kể, đặc biệt khi vận tốc xe nằm trong khoảng 5-30 km/h và di chuyển gần hố đào. Hiện tượng cộng hưởng tần số giữa dao động do xe và tần số riêng của đất nền là cơ chế chính gây ra sự gia tăng áp lực. Phương pháp kết hợp giữa giải tích (dùng MATLAB) và phần tử hữu hạn (dùng PLAXIS) đã được chứng minh là hiệu quả và chính xác khi so sánh với số liệu quan trắc chuyển vị thực tế. Từ những kết quả này, một số kiến nghị được đưa ra. Các kỹ sư thiết kế cần phải xem xét áp lực động như một trường hợp tải trọng bắt buộc trong phân tích tường vây, đặc biệt đối với các công trình gần đường giao thông hoặc có đường vận chuyển nội bộ. Nên ưu tiên sử dụng các mô hình đất tiên tiến như Hardening Soil để có kết quả biến dạng chính xác hơn. Đồng thời, việc quy hoạch đường đi cho xe thi công, giữ khoảng cách an toàn tối thiểu và kiểm soát tốc độ xe là những biện pháp quản lý thi công hiệu quả để giảm thiểu rủi ro.

6.1. Tổng hợp các yếu tố chính ảnh hưởng đến ứng xử tường vây

Qua toàn bộ quá trình nghiên cứu, các yếu tố chính ảnh hưởng đến ứng xử tường vây hố đào đã được xác định. Thứ nhất là các thông số của chính tải trọng động, bao gồm: vận tốc xe, khoảng cách từ xe đến tường vây, và trọng lượng xe. Thứ hai là đặc tính của môi trường truyền sóng, tức là các thông số cơ lý của đất nền như mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, và đặc biệt là tần số dao động riêng. Thứ ba là đặc điểm của hệ kết cấu, bao gồm chiều sâu hố đào, loại tường vây (cừ larsen, tường vây bê tông), và sự có mặt của hệ giằng chống. Sự tương tác phức tạp giữa ba nhóm yếu tố này quyết định đến giá trị chuyển vị tường vây cuối cùng. Hiểu rõ các yếu tố này là chìa khóa để kiểm soát và dự báo chính xác hành vi của kết cấu.

6.2. Hướng phát triển trong tương lai cho các nghiên cứu liên quan

Mặc dù nghiên cứu đã đạt được những kết quả quan trọng, vẫn còn nhiều hướng phát triển trong tương lai. Các nghiên cứu tiếp theo có thể xem xét các mô hình đất phức tạp hơn, có tính đến sự suy giảm độ cứng và sự tăng độ cản nhớt của đất khi biến dạng lớn. Thay vì dao động điều hòa, có thể sử dụng các mô hình tải trọng xe thực tế hơn, mô phỏng sự không bằng phẳng của mặt đường. Ảnh hưởng của nhiều xe di chuyển đồng thời cũng là một bài toán thú vị. Ngoài ra, việc phát triển các phương pháp tính toán đơn giản hóa nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy, dựa trên các kết quả phân tích số phức tạp, sẽ rất hữu ích cho các kỹ sư thực hành. Cuối cùng, việc xây dựng một cơ sở dữ liệu lớn hơn từ nhiều công trình được quan trắc chuyển vị sẽ giúp hiệu chỉnh và hoàn thiện các mô hình dự báo, góp phần nâng cao mức độ an toàn trong thi công hố đào sâu tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Thực trạng nghiên cứu trong nước Việc xác định áp lực động gây ra bởi chấn động lên tường vây thẳng đứng là tiền đề cho việc phân tích động đất và thiết kế tường chắn đất cũng như các kết cấu ngầm khác. Theo tác giả tìm hiểu, hiện tại rất ít nghiên cứu trong nước cho vấn đề này. Luận văn thạc sĩ của tác giả Nguyễn Khắc Dũng [17] có đưa ra được kết luận khi nghiên cứu là vận tốc xe chạy trong khoảng 10km/h đến 30km/h sẽ gây tác động lớn lên tường chắn đất và giá trị ứng suất trong hệ giằng có thể tăng 25% khi xét đến ảnh hưởng động của tải trọng xe.

Thực trạng nghiên cứu ngoài nước Việc đánh giá các áp lực đất động gây ra bởi sự rung chuyển của mặt đất lên các bức tường thẳng đứng là cơ bản đối với việc phân tích địa chấn và thiết kế các kết cấu giữ đất cũng như của các hệ thống nhúng và ngầm. Mặc dù các hệ thống này đã là chủ đề của nhiều nghiên cứu trong nhiều năm, nhưng phản ứng động của chúng vẫn chưa được hiểu rõ. Đặc biệt, thiếu dữ liệu phản hồi đầy đủ và các phương pháp phân tích hợp lý nhưng đơn giản có thể được sử dụng một cách đáng tin cậy và hiệu quả về chi phí trong thiết kế. Các nghiên cứu có giá trị về những đóng góp trước đây về chủ đề này đã được cung cấp trong các nghiên cứu hiện đại của Nazarian và Hadjian [1], Prakash [2] và Whitman [3].

Các phương pháp phân tích vấn đề được phân loại thành 3 loại:  Các phương pháp trong đó chuyển vị tương đối của tường chắn đất và đất đắp đủ lớn để để tạo ra giới hạn hoặc trạng thái hư hỏng trong đất;  Những trường hợp tường chắn đất hoàn toàn không dẻo và đất chuyển vị rất ít để xem đất đắp làm việc trong miền đàn hồi tuyến tính;  Trường hợp trung gian, trong đó vật liệu phi tuyến thực sự, tính chất từ trễ của đất được tính toán một cách rõ ràng. Đại diện cho cách tiếp cận đầu tiên là phương pháp Mononobe-Okabe [4,5] nổi tiếng và các biến thể khác nhau của phương pháp này, xem khối đất giữa tường chắn đất và mặt phá hủy giả định là khối cứng có cùng gia tốc với nền đất. Đại diện cho cách tiếp cận 2 là Veletsos et Younan [6], khi xem xét áp lực lên tường và các lực khác gây ra bởi chấn động nền đất trong điều kiện đàn hồi. Đại diện cho cách tiếp cận 3 là Siller và cộng sự [7], khi xem xét phản ứng của tường trọng lực và tường có neo.

Veletsos et Younan (1994), [6], đã công bố các công trình nghiên cứu về tải động tác dụng lên tường chắn đất bằng phương pháp lý thuyết. Trong công trình nghiên cứu 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: ĐOÀN TẤN VIỆT CƯỜNG “Dynamic soil pressures on rigid vertical walls” [6], nhóm tác giả đã đánh giá các áp lực động và lực tương ứng trên tường chắn thẳng đứng do tải trọng động gây ra trong một lớp không gian bán vô hạn. Đồng nhất, nhớt dẻo, có độ dày không đổi. Nghiên cứu chỉ ra ảnh hưởng của dao động điều hòa và động đất.

Các tác giả đã phát triển một công thức ước lượng phản hồi đơn giản, kèm theo một tập dữ liệu số mô tả tác động và ý nghĩa của các tham số liên quan. Giải pháp cũng được so sánh với các giá trị thu được bởi mô hình đơn giản của Scott (1973), cho thấy độ chính xác của giải pháp. Tóm lại, các tác giả đề xuất hai phiên bản của mô hình để mô tả tác động tốt hơn. Trong phiên bản đầu tiên, các thuộc tính của mô hình được xác định bằng cách sử dụng các tham số phụ thuộc vào tần số.

Trong phiên bản thứ hai, các thông số trên không phụ thuộc vào tần số, vốn dĩ có lợi hơn khi phân tích các phản ứng nhất thời.1 thể hiện hệ được khảo sát, là một lớp bán không gian vô hạn, lớp vật liệu đàn nhớt đồng nhất có biên trên tự do, biên dưới cứng và một biên đứng là tường cứng. Cả tường và biên dưới được kích thích bằng một chuyển động không gian bất biến. Hàm số gia tốc theo thời gian là 𝑥 ̈ (𝑡). Vật liệu cản nhớt được xem là hằng số.1 Minh họa tác động của tải trọng động lên tường chắn Phương trình chuyển động trong môi trường liên tục của Euler 𝑑𝑖𝑣.1) Trong đó: 𝜌 là khối lượng riêng của đất; ( , ) 𝛾= là gia tốc của điểm vật chất; 𝑥 ̈ (𝑡) là gia tốc do tải động tác dụng vào tường chắn đất; 𝑡 là biến số thời gian Từ đây ta có hệ phương trình ứng suất trong mặt phẳng như sau: 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: ĐOÀN TẤN VIỆT CƯỜNG ⎧𝜕𝜎 + 𝜕𝜎 = 𝜌.

⎩ 𝜕𝜉 𝜕𝜂 𝜕𝑡 Trong đó: Trong đó x và y là tọa độ trong hệ tọa độ Descartes; 𝜎 và 𝜎 là các ứng suất pháp; 𝜎 và 𝜎 là các ứng suất tiếp; 𝑢 và 𝑣 là chuyển vị của điểm vật chất khi biên dịch chuyển. 𝜉= Đặt với H là chiều sâu của hố đào, hệ phương trình trên được viết lại như 𝜂= sau: ⎧𝜕𝜎 + 𝜕𝜎 = 𝜌 ⋅ 𝐻 ⋅ 𝜕 𝑢 + 𝜌 ⋅ 𝐻 ⋅ 𝑥 ̈ (𝑡) ⎪ 𝜕𝜉 𝜕𝜂 𝜕𝑡 ⎨ 𝜕𝜎 𝜕𝜎 𝜕 𝑣 (1.3) ⎪ + =𝜌⋅𝐻⋅ ⎩ 𝜕𝜉 𝜕𝜂 𝜕𝑡 Veletsos et Younan (1994) [6] sử dụng giả thiết hệ phương trình đàn hồi phức có tính đến độ nhớt của lớp đất ∂𝑢 ∂𝑣 σ = (λ∗ + 2𝐺 ∗ )ε + λ∗ ε = (λ∗ + 2𝐺 ∗ ) + λ∗ (1.6) ∂𝑥 ∂𝑦 Trong đó module trượt 𝐺 ∗ và module Lamé 𝜆∗ trong đàn hồi phức được tính theo công thức: 𝐸 𝐺= (1.9) 1 − 2𝑣 Với: 4 LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: ĐOÀN TẤN VIỆT CƯỜNG E là module đàn hồi của đất; G là module cắt của đất; 𝑣 là hệ số nở hông (hệ số Poisson) của đất; 𝛿 là hệ số nhớt được tính từ 0 đến 1; 𝑖 = √−1 là đơn vị ảo. Điều kiện biên ở thành tường chắn đất và lớp đất ngàm với tường chắn đất: 𝑢(𝑥 = 0) = 0; 𝑢(𝑦 = 0) = 0; 𝑣(𝑦 = 0) = 0 Trong điều kiện 𝜎 (0 ≤ 𝑥 ≤ 𝐿 ) = 0 với 𝐿 là khoảng cách từ điểm đặt tải đến tường chắn đất, ta có: ∂𝑣 λ∗ ∂𝑢 𝑣 ∂𝑢 =− ∗ = − (1.10) ∂η λ + 2𝐺 ∗ ∂ξ 1 − 𝑣 ∂ξ Từ đó tính ra 1 ∂𝑢 σ = ψ 𝐺∗ (1.11) 𝐻 ∂ξ Trong đó 𝜓 = Suy ra được phương trình cân bằng lực theo phương x 2−𝑣 ∗∂ 𝑢 ∂ 𝑢 ∂ 𝑢 𝐺 + 𝐺∗ −ρ⋅ = ρ ⋅ 𝑥 ̈ (𝑡) (1.12) 1 − 𝑣 ∂𝑥 ∂𝑦 ∂𝑡 Với 𝜓 = , phương trình được viết lại ∂ 𝑢 ∂ 𝑢 ∂ 𝑢 ψ 𝐺∗ + 𝐺∗ −ρ⋅𝐻 = ρ ⋅ 𝐻 ⋅ 𝑥 ̈ (𝑡) (1.13) ∂ξ ∂η ∂𝑡 Veletsos et Younan (1994) [6] cho ra công thức tính tải tác động vào tường chắn đất khi có dao động điều hòa 𝑥 ̈ (𝑡) = 𝑋 ̈ 𝑒 như sau: 8ψ 1 𝑒 ⋅ Λ 𝑛π σ (ξ, η) = − ρ𝑋̈ 𝐻(1 + 𝑖δ) sin η (1.14) π 𝑛 1 − ϕ + 𝑖δ 2 , Trong đó ψ 2 ψ = = ψ (1 − 𝑣)(2 − 𝑣) 1 ω ϕ = 𝑛ω 5 LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: ĐOÀN TẤN VIỆT CƯỜNG ω = 2. 𝑓 π 𝐺 ω = 2𝐻 ρ ϕ Λ =1− 1 + 𝑖δ 𝑛π α = Λ 2ψ Kết quả độ lớn của áp lực lên tường chắn đất cho phản ứng điều hòa được mô tả σ (η) = −(𝑔 + 𝑖𝑔 )ψ ρ𝑋 ̈ 𝐻 (1.15) Trong đó 𝑔 và 𝑔 là 2 hệ số không thứ nguyên, phụ thuộc vào 𝜂, 𝜙 = và 𝛿 Thành phần thực của công thức trên đại diện cho tác động kìm hãm của đàn hồi, giống như tác động của lò xo.

Thành phần ảo đại diện cho cơ chế giảm xốc tương tự như van giảm xốc. Giá trị độ lớn của áp lực lên tường chắn đất tính bằng căn bậc hai của tổng bình phương 2 thành phần thực và ảo. Một số kết quả của Veletsos et Younan (1994) [6] Hình 1.2 Đồ thị thể hiện sự thay đổi áp lực đất tại đỉnh tường chắn đất phụ thuộc vào tương quan tần số dao động điều hòa và tần số riêng, với hệ số nhớt 𝛿 = 0.1 6 LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: ĐOÀN TẤN VIỆT CƯỜNG Hình 1.3 Đồ thị thể hiện sự thay đổi của áp lực đất lên tường chắn đất theo chiều sâu và phụ thuộc vào tương quan tần số dao động điều hòa và tần số riêng, với hệ số nhớt 𝛿 = 0.4 Đồ thị thể hiện sự thay đổi theo phương ngang của ứng suất pháp phương ngang gây ra bởi chuyển động nền điều hòa tại bề mặt của lớp đất; 𝑣 = 0.1 7 LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: ĐOÀN TẤN VIỆT CƯỜNG Hình 1.5 Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của sự cản nhớt của vật liệu tới độ lớn của lực cắt đáy gây ra bởi dao động điều hòa; 𝑣 = 0.6 Đồ thị thể hiện so sánh các đường cong đáp ứng tần số đối với lực cắt đấy trong tường được tính toán bằng cách xem xét một và một chế độ rung; 𝑣 = 0.1 8 LUẬN VĂN THẠC SĨ HVTH: ĐOÀN TẤN VIỆT CƯỜNG CHƯƠNG 2. Lý thuyết đàn hồi tuyến tính Định luật Hook diễn tả quan hệ ứng suất và biến dạng cho vật liệu đẳng hướng, đàn hồi tuyến tính.1) 𝜎= 𝜀 + 𝑡𝑟(𝜀 ) 1+𝑣 (1 − 𝑣)(1 + 2𝑣) Lý thuyết đàn hồi tuyến tính áp dụng giả thiết cho nền đất trong nghiên cứu.

Các mô hình đất nền Ứng xử cơ học của đất được mô hình hóa với các mức độ chính xác khác nhau. Mô hình nền là sự miêu tả toán học quan hệ giữa ứng suất – biến dạng của đất dưới tác dụng của tải trọng. Một mô hình tốt phải đại diện được cho tất cả các khía cạnh ứng xử thực của đất bởi số lượng hợp lý các thông số đầu vào và nó phải có khả năng phân biệt giữa biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo. Việc lựa chọn một mô hình nền phù hợp rất quan trọng trong phân tích địa kỹ thuật, bởi vì ứng xử thông thường của đất nền là phi tuyến, không hồi phục và phụ thuộc vào thời gian.

Các mô hình thường dùng trong tính toán tường vây có thể kể ra như sau: mô hình Mohr – Coulomb, mô hình Cam-clay cải tiến, mô hình đàn hồi phi tuyến tính, mô hình Hardening Soil. Mỗi mô hình có thể phù hợp với điều kiện nhất định của bài toán và cơ bản thỏa mãn một hoặc một số yêu cầu tính toán.