Luận Văn Thạc Sĩ Về Ảnh Hưởng Của Hoạt Tải Xe Đến Tường Chắn Đất Trong Hố Đào

Luận văn thạc sĩ địa kỹ thuật xây dựng phân tích ảnh hưởng của hoạt tải xe lên tường chắn đất hố đào, đánh giá hiệu quả thiết kế và an toàn công trình.

• Tác giả: Nguyễn Khắc Dũng
• Người hướng dẫn: TS. Lê Trọng Nghĩa
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Phân tích ảnh hưởng của hoạt tải xe tác động vào tường chắn đất của hố đào
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về ảnh hưởng của hoạt tải xe đến tường chắn đất

Hoạt tải xe là một yếu tố quan trọng trong địa kỹ thuật xây dựng, đặc biệt khi xét đến tường chắn đất trong các công trình hố đào. Tải trọng từ phương tiện giao thông không chỉ gây ra tác động tĩnh mà còn có ảnh hưởng động lên kết cấu tường chắn. Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng, khi xe di chuyển gần hố đào, ứng suất trong hệ giằng chống tăng đột biến, sau đó giảm về trạng thái cân bằng. Điều này cho thấy sự cần thiết của việc phân tích ảnh hưởng của tải trọng động từ xe lên độ ổn định tường chắn. Các phương pháp thiết kế tường chắn hiện nay cần xem xét cả yếu tố tĩnh và động để đảm bảo độ bền và an toàn cho công trình.

1.1. Tác động của hoạt tải xe lên tường chắn đất

Tác động của xe lên tường chắn đất được thể hiện qua hai yếu tố chính: tải trọng tĩnh và tải trọng động. Tải trọng tĩnh được tính toán dựa trên trọng lượng xe và diện tích tiếp xúc với mặt đường. Tuy nhiên, tải trọng động phát sinh từ sự dao động của xe khi di chuyển, đặc biệt là khi xe chạy với tốc độ từ 10 km/h đến 30 km/h. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, ảnh hưởng động lực học này có thể làm tăng ứng suất trong hệ giằng chống lên đến 25%. Điều này đòi hỏi các kỹ sư phải xem xét thêm hệ số ảnh hưởng động khi tính toán tải trọng cho kết cấu tường chắn.

1.2. Phương pháp phân tích ảnh hưởng động

Để phân tích ảnh hưởng của hoạt tải xe, các phương pháp mô phỏng số và quan trắc thực tế được sử dụng. Phần mềm PLAXIS được dùng để mô phỏng áp lực đất lên tường chắn trong cả trường hợp tĩnh và động. Kết quả từ mô phỏng được so sánh với dữ liệu quan trắc ứng suất trong hệ giằng chống để đánh giá độ chính xác. Ngoài ra, phương pháp giải tích cũng được áp dụng để tính toán áp lực động từ xe, giúp xác định lực tác động lên tường chắn một cách chính xác hơn. Các kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế tường chắn và xây dựng công trình giao thông.

II. Cơ sở lý thuyết và mô hình tính toán

Cơ sở lý thuyết về ảnh hưởng động của hoạt tải xe lên tường chắn đất được xây dựng dựa trên các nguyên lý địa kỹ thuật công trình và động lực học. Mô hình dao động một bậc tự do được sử dụng để mô tả sự truyền tải động từ xe vào tường chắn. Các yếu tố như tần số dao động của xe và tần số riêng của hệ giằng chống được xem xét để đánh giá khả năng cộng hưởng. Khi xảy ra cộng hưởng, áp lực đất lên tường chắn có thể tăng đột biến, gây nguy hiểm cho độ ổn định tường chắn. Các mô hình tính toán này được áp dụng trong phần mềm PLAXIS và MATLAB để đưa ra các kết quả chính xác.

2.1. Mô hình dao động một bậc tự do

Mô hình dao động một bậc tự do được sử dụng để mô tả sự truyền tải trọng động từ xe vào tường chắn đất. Mô hình này xem xét các yếu tố như khối lượng của xe, độ cứng của hệ giằng chống, và hệ số cản của vật liệu. Khi xe di chuyển, tần số dao động của xe có thể trùng với tần số riêng của hệ giằng chống, dẫn đến hiện tượng cộng hưởng. Hiện tượng này làm tăng đáng kể áp lực đất lên tường chắn, gây nguy hiểm cho độ ổn định tường chắn. Các kết quả từ mô hình này được sử dụng để tính toán tải trọng và thiết kế tường chắn một cách chính xác hơn.

2.2. Phân tích áp lực động bằng phần mềm PLAXIS

Phần mềm PLAXIS được sử dụng để phân tích địa kỹ thuật và tính toán áp lực đất lên tường chắn đất trong cả trường hợp tĩnh và động. Các thông số đầu vào bao gồm đặc tính đất, kích thước hố đào, và tải trọng từ xe. Kết quả từ mô phỏng cho thấy, áp lực động từ xe có thể làm tăng ứng suất trong hệ giằng chống lên đến 25%. Các kết quả này được so sánh với dữ liệu quan trắc thực tế để đánh giá độ chính xác của mô hình. Phương pháp này có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế tường chắn và xây dựng công trình giao thông.

III. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, hoạt tải xe có ảnh hưởng đáng kể đến độ ổn định tường chắn trong các công trình hố đào. Ứng suất trong hệ giằng chống có thể tăng lên đến 25% khi xét đến tải trọng động từ xe. Các kết quả này được sử dụng để đề xuất hai phương án thiết kế tường chắn: (1) Áp dụng hệ số ảnh hưởng động bằng 1.25 lên kết quả tính toán tĩnh, hoặc (2) Tính toán thêm bài toán động của tải xe và kết hợp vào giá trị tính toán tĩnh. Các phương án này giúp đảm bảo độ bền và an toàn cho công trình, đặc biệt là trong các dự án xây dựng công trình giao thông.

3.1. Ảnh hưởng của vận tốc xe đến tường chắn

Nghiên cứu chỉ ra rằng, vận tốc xe trong khoảng từ 10 km/h đến 30 km/h có ảnh hưởng lớn đến tường chắn đất. Khi xe di chuyển với tốc độ này, áp lực động lên tường chắn tăng đáng kể, dẫn đến ứng suất trong hệ giằng chống tăng lên. Các kết quả này được sử dụng để đề xuất các biện pháp thiết kế tường chắn phù hợp, đảm bảo độ ổn định và an toàn cho công trình. Đặc biệt, trong các dự án xây dựng công trình giao thông, việc xem xét ảnh hưởng động từ xe là vô cùng cần thiết.

3.2. Ứng dụng thực tiễn trong thiết kế tường chắn

Kết quả nghiên cứu được áp dụng trong việc thiết kế tường chắn cho các công trình hố đào. Hai phương án được đề xuất: (1) Áp dụng hệ số ảnh hưởng động bằng 1.25 lên kết quả tính toán tĩnh, hoặc (2) Tính toán thêm bài toán động của tải xe và kết hợp vào giá trị tính toán tĩnh. Các phương án này giúp đảm bảo độ bền và an toàn cho công trình, đặc biệt là trong các dự án xây dựng công trình giao thông. Các kết quả này cũng được sử dụng để cải thiện thiết kế tường chắn và phân tích địa kỹ thuật trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Cùng với sự đô thị hóa, các công trình có tầng hầm ngày càng phát triển. Tường chắn đất của tầng hầm chịu tác động gây ra bởi các tải trọng khối đất, áp lực nước ngầm, tải trọng các công trình lân cận, tải trọng các phương tiện giao thông khi di chuyển trên đường gần với tầng hầm, các tải trọng thi công bên trong công trường và xung quanh hố đào của tầng hầm. Hình 0-1: Sơ đồ hoạt tải ngoại biên gây ảnh hưởng lên tường chắn đất Hình 0-1 mô tả sơ đồ tính toán tường chắn đất trong hố đào sâu với H là chiều sâu đào, q là hoạt tải ngoại biên và L là chiều dài gây ảnh hưởng của hoạt tải ngoại biên. Hình 0-1 giúp chúng ta có được một giả thiết truyền tác động q trên nền đất tự nhiên xuống lớp đất bên dưới và chuyển đổi thành lực F tác động vào khối đất và truyền trực tiếp vào tường chắn đất.

Trong các tính toán hiện nay, các kỹ sư thiết kế biện pháp thi công hố đào thường chọn tầm ảnh hưởng L = 4 H trong việc áp dụng vào mô hình tính toán trong PLAXIS hay những phần mềm tính toán địa kỹ thuật khác. Ảnh hưởng của tải trọng các phương tiện giao thông (hoạt tải ngoại biên q) thường được xác định vào khoảng 20 / .5 m 1m 1m Hình 0-2: Hình mô tả phạm vi xe chiếm chỗ Tải trọng các phương tiện giao thông được xác định tương ứng với một tải trọng phân bố đều do trọng lượng của loại xe nặng nhất (W) là xe chở đất ( ) cộng thêm với trọng lượng 20 đất ( ), sau đó chia cho diện tích mặt đường (A) do xe chiếm chỗ bao gồm khoảng ảnh hưởng xung quanh tính từ mép xe. HVTH: Nguyễn Khắc Dũng Trang 1 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Lê Trọng Nghĩa W= + = 300 + 20 x 17.75 Trong quá trình quan trắc hệ giằng chống của hố đào, một số ghi nhận đã nêu ra việc ứng suất trong hệ giằng chống tăng đột biến khi có đoàn xe chạy ngang qua gần hố đào, và sau đó ứng suất giảm lại về vùng cân bằng.

Việc hư hỏng hệ giằng chống và nứt bê tông sàn tầng hầm đã được ghi nhận tại một số dự án thi công tầng hầm. Về mặt định tính, hoạt tải xe còn có ảnh hưởng động vào tường chắn đất của hố đào, bên cạnh ảnh hưởng tĩnh như đã xét trong các tính toán phổ biến, đặc biệt là khi xảy ra cộng hưởng giữa tần số dao động của hoạt tải xe và tần số dao động riêng của hệ giằng chống. Như vậy, việc nghiên cứu ảnh hưởng của hoạt tải xe tác động vào tường chắn đất của hố đào là thực sự cần thiết. Mục tiêu của đề tài Mục tiêu của đề tài nhằm xác định áp lực tác động vào tường chắn đất của hố đào do ảnh hưởng động của hoạt tải xe.

Phương pháp nghiên cứu Phương pháp quan trắc công trình được dùng để ghi nhận tình trạng thực tế của công trình. Từ các dữ liệu đó để đưa ra các đánh giá định tính. Phương pháp mô phỏng được dùng để đưa ra các đánh giá định lượng. Đề tài có sử dụng các mô hình số để tính toán ra giá trị áp lực tác động vào tường chắn đất của hố đào.

Bài toán thứ nhất dùng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán áp lực lên tường chắn đất trong trường hợp xem tải xe là tải tĩnh. Bài toán thứ hai dùng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán áp lực lên tường chắn đất trong trường hợp không xét tải xe, kết hợp dùng phương pháp giải tích để tính toán áp lực lên tường chắn đất khi xem tải xe là tải động. Phần mềm PLAXIS được dùng để tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm MATLAB được dùng để tính toán theo phương pháp giải tích. Từ đó, tính ra được lực trong hệ giằng chống.

Kết quả tính toán mô phỏng được so sánh với giá trị quan trắc ứng suất trong hệ giằng chống để xác định độ chính xác của mô hình. HVTH: Nguyễn Khắc Dũng Trang 2 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Lê Trọng Nghĩa Tính thực tiễn của đề tài Kết quả nghiên cứu của đề tài giúp người thiết kế tầng hầm, người thiết kế biện pháp thi công hố đào xác định chính xác hơn tác động của hoạt tải xe vào tường chắn đất của hố đào. Từ đó, thiết kế sẽ đảm bảo được khả năng chịu lực, phòng tránh rủi ro.

Giới hạn nghiên cứu của đề tài  Đất  Đất yếu  Vật liệu đàn hồi tuyến tính.  Năng lượng được truyền trực tiếp và toàn bộ đến tường chắn đất.  Tường chắn đất  Tường chắn đất cứng.  Tần số  Vận tốc trực tiếp gây ra hiện tượng cộng hưởng.

 Hiện tượng dao động là điều hòa.  Bỏ qua dao động của hệ giằng.  Tải động  Tải xe chạy truyền toàn bộ năng lượng biến dạng xuống lớp đất yếu.  Phân bố tải động được tính theo tiêu chuẩn châu Âu.

 Áp lực động lên tường vây đến đáy hố đào là hết. HVTH: Nguyễn Khắc Dũng Trang 3 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Lê Trọng Nghĩa CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Thực trạng nghiên cứu trong và ngoài nước Việc xác định áp lực động gây ra bởi chấn động lên tường chắn đất 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 chưa có nghiên cứu trong nước cho vấn đề này. Trong khi đó, các nghiên cứu ngoài nước đã có nhiều. Mặc dù có rất nhiều nghiên cứu trong nhiều năm nhưng phản ứng động vẫn chưa hoàn toàn rõ ràng. Một phần là do thiếu các dữ liệu phản ứng đầy đủ và hợp lý.

Tuy vậy, việc phân tích bằng phương pháp đơn giản vẫn cho kết quả đáng tin cậy và có chi phí hợp lý khi thiết kế. Một số đóng góp giá trị của các tác giả trước đó như Nazarian và Hadjian, Prakash và Whitman. Các phương pháp phân tích được chia làm 3 nhóm: 1. Liên quan đến chuyển vị tương đối của tường chắn đất và đất đắp đủ lớn để gây ra tác động phá hủy đất; 2.

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; 3. Trường hợp trung gian, khi tính toán rõ ràng các tính chất phi tuyến của đất. Đại diện cho nhóm 1 là phương pháp Mononobe-Okabe nổi tiếng và các phương pháp 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 nhóm 2 là Veletsos et Younan, 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 nhóm 3 là Siller và cộng sự, khi xem xét phản ứng của tường trọng lực và tường có neo. Veletsos et Younan (1994), [1, 2], 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 “Dynamic soil pressures on rigid vertical walls”, tác giả đã đánh giá áp HVTH: Nguyễn Khắc Dũng Trang 4 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Lê Trọng Nghĩa lực động và các lực tương ứng gây ra bởi tải động lên tường chắn đất cứng, thẳng đứng trong lớp đất bán không gian vô hạn, đồng nhất, đàn hồi nhớt, và có bề dày cố định.

Nghiên cứu chỉ ra ảnh hưởng của cả dao động điều hòa và của động đất. Tác giả đã phát triển công thức xấp xỉ đơn giản cho phản ứng, kèm theo bộ dữ liệu số mô tả các ảnh hưởng và mức độ quan trọng của các tham số liên quan. Lời giải còn được so sánh với giá trị có được theo mô hình đơn giản của Scott (1973), đã thể hiện được độ chính xác của lời giải. Tổng kết lại, tác giả đề xuất hai phiên bản mô hình để mô tả tốt hơn cho tác động.

Trong phiên bản thứ nhất, các thuộc tính của mô hình được định nghĩa bằng các tham số phụ thuộc vào tần số. Trong phiên bản thứ hai, các tham số trên không phụ thuộc vào tần số, vốn dĩ có lợi hơn khi phân tích các phản ứng tức 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 ̈ ( ).

Vật liệu cản nhớt được xem là hằng số. Tường Tường chắn chắn Trường hợp động đất Trường hợp có lực tác động Hình 1-1: Minh họa tác động của tải trọng động lên tường chắn Phương trình chuyển động trong môi trường liên tục của Euler. ̈ ( ) Trong đó là khối lượng riêng của đất; ( , ) = là gia tốc của điểm vật chất; HVTH: Nguyễn Khắc Dũng Trang 5 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Lê Trọng Nghĩa ̈ ( ) là gia tốc do tải động tác dụng vào tường chắn đất; là biến số thời gian.

Từ đây ta có hệ phương trình ứng suất trong mặt phẳng như sau: ⎧ + =. ⎩ Trong đó x và y là tọa độ trong hệ tọa độ Descartes; và là các ứng suất pháp; và là các ứng suất tiếp; , là chuyển vị của điểm vật chất khi biên dịch chuyển. = Đặt với H là chiều sâu của hố đào, hệ phương trình trên được viết lại = như sau: ⎧ + =. ⎩ Veletsos et Younan (1994) sử dụng giả thiết hệ phương trình đàn hồi phức có tính đến độ nhớt của lớp đất: = ( ∗ + 2 ∗) + ∗ = ( ∗ + 2 ∗) + ∗ = ( ∗ + 2 ∗) + ∗ = ( ∗ + 2 ∗) + ∗ = =2 ∗ = ∗ + ∗ ∗ Trong đó module trượt và module Lamé trong đàn hồi phức được tính theo công thức: = 2( 1 + ) HVTH: Nguyễn Khắc Dũng Trang 6 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS.

Lê Trọng Nghĩa ∗ = (1 + ) ∗ 2 ∗ = 1−2 Với E là module đàn hồi của đất; G là module cắt của đất; là hệ số nở hông (hệ số Poisson) của đất; là hệ số nhớt được tính từ 0 đến 1; = √−1, là đơn vị ảo.