Luận văn thạc sĩ về ứng xử tường vây hố đào dưới tải trọng động do xe vận chuyển

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật xây dựng ứng xử của tường vây hố đào công trình xét đến tải trọng động do xe vận chuyển, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Đoàn Tấn Việt Cường
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Thanh Hải
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Ứng Xử Của Tường Vây Hố Đào Công Trình Xét Đến Tải Trọng Động Do Xe Vận Chuyển Trong Quá Trình Thi Công
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan

Nghiên cứu ứng xử của tường vây hố đào dưới tải trọng động từ xe thi công là một chủ đề quan trọng trong kỹ thuật xây dựng. Công trình ngầm, đặc biệt là các hố đào, phải chịu nhiều loại tải trọng khác nhau, bao gồm tải trọng từ khối đất, áp lực nước ngầm, và tải trọng từ các phương tiện giao thông. Việc phân tích ứng xử của tường vây dưới tác động của tải trọng động là cần thiết để đảm bảo an toàn công trình và chất lượng thi công. Luận văn này tập trung vào việc xác định các yếu tố ảnh hưởng đến ứng xử của tường vây, bao gồm khoảng cách từ tải trọng động đến tường, chiều sâu hố đào, và vận tốc di chuyển của xe. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi tải trọng động từ xe vận chuyển tác động lên tường vây, áp lực lên tường sẽ gia tăng, đặc biệt khi khoảng cách giữa tải trọng và tường giảm. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc tính toán chính xác trong thiết kế công trình xây dựng.

1.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu

Nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về ứng xử của tường vây mà còn có thể áp dụng trong thiết kế các công trình ngầm khác. Việc đánh giá chính xác tải trọng từ xe thi công sẽ giúp cải thiện tính an toàn của công trình, giảm thiểu rủi ro có thể xảy ra trong quá trình thi công. Thực tế cho thấy, nhiều sự cố trong thi công công trình ngầm xuất phát từ việc không tính toán đầy đủ các yếu tố tác động từ môi trường bên ngoài, đặc biệt là từ tải trọng động của xe. Do đó, việc nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp tính toán hiện đại như MATLAB và PLAXIS sẽ mang lại hiệu quả cao trong việc đảm bảo an toàn cho các công trình này.

II. Cơ sở lý thuyết

Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu này bao gồm các mô hình đất nền, lý thuyết đàn hồi tuyến tính và các mô hình tải động. Các mô hình như Mohr-Coulomb, Hyperbol, và Cam-Clay cải tiến được sử dụng để mô phỏng ứng xử của nền đất dưới tác động của tải trọng. Trong đó, mô hình Mohr-Coulomb thường được áp dụng cho các phân tích địa kỹ thuật, cho phép đánh giá ảnh hưởng của áp lực đất lên tường vây. Việc hiểu rõ các mô hình này sẽ giúp xác định được các thông số cần thiết cho việc tính toán áp lực động tác động lên tường. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, ứng xử của tường vây có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như độ sâu hố đào và vận tốc di chuyển của xe. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng, khi tải trọng từ xe di chuyển gần với tường, áp lực lên tường sẽ tăng lên đáng kể, điều này cần được xem xét trong quá trình thiết kế.

2.1. Các mô hình đất nền

Các mô hình đất nền được sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm mô hình Mohr-Coulomb, Hyperbol và Cam-Clay cải tiến. Mô hình Mohr-Coulomb cho phép đánh giá ứng suất và biến dạng của đất dưới tác động của tải trọng. Mô hình Hyperbol được sử dụng để mô phỏng ứng xử phi tuyến của đất, trong khi mô hình Cam-Clay cải tiến giúp xác định các đặc tính dẻo của đất. Việc áp dụng các mô hình này trong phân tích sẽ giúp xác định chính xác hơn áp lực tác động lên tường vây trong các điều kiện khác nhau, từ đó có thể đưa ra các khuyến nghị thiết kế phù hợp.

III. Tính toán mô phỏng bằng phần mềm MATLAB

Phần mềm MATLAB được sử dụng để mô phỏng và tính toán áp lực động lên tường vây trong các trường hợp khác nhau. Nghiên cứu đã thiết lập các bài toán mô phỏng dựa trên các thông số thực tế của công trình Cityland Park Hills. Kết quả mô phỏng cho thấy, khi xe thi công di chuyển với vận tốc từ 5-30 km/h, áp lực lên tường vây gia tăng đáng kể. Đặc biệt, khoảng cách từ tải trọng đến tường vây có ảnh hưởng lớn đến áp lực tác động. Khi khoảng cách này giảm xuống dưới 5m, áp lực trên tường vây không còn tuân theo quy luật tuyến tính mà phụ thuộc vào cộng hưởng tần số. Kết quả này được so sánh với các giá trị quan trắc thực tế để xác định độ chính xác của mô hình.

3.1. Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy, áp lực động tác động lên tường vây tăng lên theo vận tốc di chuyển của xe. Khi tải trọng gần tường hơn, áp lực cũng tăng lên nhanh chóng. Điều này cho thấy sự cần thiết phải tính toán kỹ lưỡng trong thiết kế công trình xây dựng, đặc biệt là các công trình ngầm. Việc không tính toán đầy đủ các yếu tố này có thể dẫn đến việc thiết kế không an toàn, gây ra các sự cố nghiêm trọng trong thi công. Nghiên cứu này cung cấp một cái nhìn sâu sắc về cách mà tải trọng động có thể ảnh hưởng đến tường vây, từ đó giúp cải thiện quy trình thiết kế và thi công các công trình ngầm.

IV. Ứng dụng khảo sát chuyển vị tường vây

Khảo sát chuyển vị của tường vây là một phần quan trọng trong nghiên cứu này. Qua việc quan trắc chuyển vị tại công trình Cityland Park Hills, các dữ liệu thu thập được đã cho thấy sự thay đổi của tường vây dưới tác động của tải trọng động từ xe thi công. Kết quả cho thấy, khi tải trọng gần tường vây, chuyển vị của tường tăng lên đáng kể. Điều này khẳng định rằng, việc theo dõi chuyển vị tường vây trong quá trình thi công là rất cần thiết để đảm bảo an toàn cho công trình. Các kết quả này không chỉ có giá trị trong việc đánh giá ứng xử của tường vây mà còn cung cấp thông tin quý báu cho các kỹ sư trong việc thiết kế và thi công các công trình tương tự.

4.1. Kết quả khảo sát

Kết quả khảo sát cho thấy, chuyển vị của tường vây có sự thay đổi rõ rệt khi có tải trọng động từ xe thi công. Các số liệu thu thập được từ các vị trí quan trắc cho thấy, sự chuyển vị này không chỉ phụ thuộc vào khoảng cách từ tải trọng đến tường mà còn phụ thuộc vào vận tốc di chuyển của xe. Kết quả này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tính toán và theo dõi chuyển vị trong quá trình thi công, nhằm đảm bảo an toàn cho các công trình ngầm và giảm thiểu rủi ro có thể xảy ra.

V. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng, việc tính toán ứng xử của tường vây hố đào dưới tác động của tải trọng động từ xe thi công là rất cần thiết. Kết quả cho thấy, tải trọng từ xe có thể ảnh hưởng lớn đến áp lực và chuyển vị của tường vây. Do đó, trong thiết kế công trình, các kỹ sư cần xem xét kỹ lưỡng các yếu tố này để đảm bảo tính an toàn và hiệu quả của công trình. Đề xuất cho các nghiên cứu tiếp theo là cần mở rộng phạm vi nghiên cứu, áp dụng các phương pháp mô phỏng hiện đại hơn và thực hiện các thí nghiệm thực tế để xác định chính xác hơn các yếu tố ảnh hưởng đến ứng xử của tường vây.

5.1. Kiến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc mở rộng phạm vi khảo sát và áp dụng các công nghệ mới trong mô phỏng và phân tích ứng xử của tường vây. Việc thực hiện các thí nghiệm thực tế cũng sẽ giúp xác định chính xác hơn các yếu tố ảnh hưởng đến ứng xử của tường vây, từ đó giúp cải thiện quy trình thiết kế và thi công các công trình ngầm. Hơn nữa, các nghiên cứu nên xem xét ảnh hưởng của các yếu tố khác như điều kiện địa chất, loại hình xe thi công và các tác động từ môi trường bên ngoài để có cái nhìn toàn diện hơn về vấn đề này.

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.