Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông: 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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VÕ ĐÌNH DUY KHOA

NGHIÊN CỨU LAN TRUYỀN SÓNG TRONG NÊN ĐẤT DO

HOẠT ĐỘNG THI CÔNG CỌC ẢNH HƢỞNG ĐẾN CÔNG

TRÌNH LÂN CẬN TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH TRÀ VINH

Chuyên 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

Công trình được hoàn thành tại

TRƢỜNG 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 PHƢƠNG 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

1 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 ờng huyệ ớ

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

2 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 4. Phƣơng 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.

Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI SÓNG LAN TRUYỀ T DO HOẠT ĐỘNG THI CÔNG XÂY DỰNG

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].

1.1.1. Sóng khối Sóng khối còn gọi là sóng thể tích gồm hai loại khác nhau về bản chất đó là sóng dọc và sóng ngang [2].

- Sóng dọc (ký hiệu P): Sóng này được truyền đi nhờ sự thay đổi thể tích vật chất, gây ra biến dạng kéo và nén trong lòng đất, hướng chuyển động của vật chất trùng với hướng di chuyển của sóng. Sóng dọc có khả năng truyền qua nền đá cứng cũng như chất lỏng [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

3

- 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.

4 1.3. Các qui định giới hạn cƣờng 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 chƣơng 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

5 hưởng đến công trình lân cận trên địa bàn tỉnh Trà Vinh” là rất cần thiết.

Kết quả nghiên cứu sẽ xác định phạm vi ảnh hưởng của rung chấn trên địa bàn tỉnh, đánh giá đúng và quyết định được biện pháp thi công phù hợp với từng dự án. Đồng thời kết quả nghiên cứu cũng có thể được áp dụng đối với các dự án tương tự khác.

Chƣơng 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, là gia tốc của các chuyển vị u, v,

w phần tố. Phương trình cân bằng của phân tố theo lý thuyết đàn hồi có dạng:

(2-1)

6

2.1.2. Mối quan hệ giữa biên độ và khoảng cách đến nguồn rung của phân tố trong môi trường bán đàn hồi. Giả thuyết rằng nguồn sóng phát ra sóng điều hòa theo thời gian, chúng ta sẽ đi giải phương trình (2-9) và (2-10) với

(2-11)

(2-12)

là tần số của nguồn

Trong đó 2.1.3. 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

. Căn cứ

một lượng σ, ứng suất tại mặt cắt b-b tăng lượng σ 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 phƣơng 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

7 việc áp dụng phương trình động học đàn hồi tuyến tính, phương trình vi phân được đưa ra như sau:

(2-40)

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

8 (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

: Mesh > Generate > 3D

+ Tạo lưới: - Vào Model ẩn khối địa hình. - Chọn tất cả khối. - Nhập kích thước Size (2) - 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.

9

- 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

- Chọn . [Thao tác này cho phép chọn nhưng yếu tố được cài đặt ban đầu thực hiện tính toán] - Chọn OK.

: Analysis > Analysis > Perform

- Chọn OK - Chọn Eigenvalue trong Model. - Ghi nhớ các tham số ở Period.

: Mesh > Element > Create

để tiếp tục]

[Chọn - Vào mục Other và chọn địa hình. - Chọn Damping Constant/Area. - Chọn OK.

: Mesh > Element > Create - Gán tải trọng

: 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.

10

: Analysis > Analysis > Perform

- Chọn OK Kết quả mô phỏng INCR=381 INCR=500[UNIT] [DataVelocity] [UNIT] kN,m [DataVelocity] kN,m

INCR=788 [DataVelocity] [UNIT] kN,m [DataVelocity] INCR=1028 [UNIT] kN,m

INCR=799 [DataDisplacement] INCR=441 UNIT] kN,m [DataDisplacement] [UNIT]kN,m

[DataDisplacement] INCR=981 [UNIT]kN,m [DataDisplacement]INCR=1020[UNIT ]kN,m

11

Lần 1:

Lần 2:

Lần 3

Bảng 2.2. Bảng tổng hợp kết quả vận tốc dao động lớn nhất từ phần mềm Midas GTS

Trong trường hợp không có các biện pháp giảm chấn, quy luật giảm dần các giá trị lớn nhất theo khoảng cách được trình bày ở hình dưới. Các quy luật đó có thể được xác định theo công thức sau: V = 520 × Fc× R-2.344 (1)

12

Trong đó: + V: là vận tốc dao động (mm/s). + R: là khoảng cách từ điểm cần xét đến nguồn chấn động (m). + Fc: năng lượng xung kích lớn nhất(T.m). Với Búa đóng cọc Diesel D50 thì giá trị năng lượng xung kích lớn nhất là 12.25T.m.

Hình 2.23. Biểu đồ quan hệ Vận tốc - Bán kính ảnh hưởng Búa đóng cọc Diesel D50 Khoảng cách an toàn cho nhà dân không bị hư hỏng nứt nẻ được xác định dựa vào công thức suy giảm vận tốc dao động (1). Từ công thức (1)rút ra được: (3)

[R] ((520 × Fc)/[V])^ (1/2.344) Trong đó: R] là khoảng cách an toàn kể từ nguồn chấn động (m). [V] là vận tốc dao động an toàn cho phép (mm/s). Fc: năng lượng xung kích lớn nhất(T.m). - Với giá trị năng lượng xung kích lớn nhất là 12.25 T.m Bảng 2.3. Bán kính ảnh hƣởng R(m) tính theo vận tốc giới hạn

Công trình cấp I (Vgh = 20mm/s)

Năng lƣợng xung kích lớn nhất (T.m) 12.25 Bán kính ảnh hƣởng R(m) tính theo vận tốc giới hạn Công trình cấp Công trình cấp III II (Vgh = 3mm/s) (Vgh = 5mm/s) 26.26 21.12 11.69

Công trình loại I - Vận tốc dao động an toàn cho phép là 3mm/s, khoảng cách an

toàn tính được là 26.26m Công trình loại II - Vận tốc dao động an toàn cho phép là 5mm/s, khoảng cách an

toàn tính được là 21.12m Công trình loại III

13

- Vận tốc dao động an toàn cho phép là 20mm/s, khoảng cách an

toàn tính được là 11.69m 2.5. Kết luận chƣơng 2

- Bài toán lan truyền sóng trong nền đất do thi công cọc nếu giải bằng phương pháp giải tích thì khá phức tạp. Chỉ có thể giải được một vài dạng bài toán đơn giản lan truyền sóng trong thanh chịu lực kích động dọc trục thanh.

- Có thể sử dụng các phần mềm phân tích địa kỹ thuật chuyên dụng dựa trên phương pháp PTHH (như MIDAS GTX) để mô phỏng bài toán lan truyền sóng rung động trong nền đất do hoạt động thi công cọc.

- Sử dụng kỹ thuật cập nhật mô hình PTHH cho bài toán mô phỏng lan truyền sóng do hạ cọc cho thấy kết quả phân tích mô hình cuối cùng và kết quả đo tương đối phù hợp với thực nghiệm hiện trường. Dựa trên mô hình PTHH đã cập nhật với số liệu đo ta có thể ngoại suy quan hệ PPV-R với các loại nguồn rung khác nhau.

Chƣơng 3

DO

3.1. Phƣơng pháp tiêu chuẩn đo đạc lan truyền sóng trong nền đất do hoạt động thi công cọc

Hiện nay ở Việt Nam các quy định về tham số chấn động rung, máy đo và phương pháp đo chỉ dừng lại ở mức độ khái quát thông qua các tiêu chuẩn và quy chuẩn như: TCVN 6963-2001, TCVN 7378:2004 và QCVN 27:2010/BTNMT. Phương pháp đo được giới thiệu trong tiêu chuẩn bao gồm các loại máy đo ít phổ biến và có chế độ định sẵn, việc chuẩn định các máy này để có được các thông số chính xác cũng chưa được hướng dẫn cụ thể [1].

Hệ thống thiết bị đo rung động thường bao gồm: Các cảm biến rung (transducers), hệ thống thu thập tín hiệu dao động (dattalogger) và phần mềm thu thập, xử lý tín hiệu dao động (software).

Trình tự xác định quan hệ giữa bán kính R(m) - khoảng cách từ nguồn rung đến điểm xem xét và vận tốc rung PPV (mm/s) tương ứng với một loại nguồn gây rung và điều kiện địa chất nền như sau:

- Khảo sát, lựa chọn vị trí đo đạc: Đảm bảo điển hình cho khu vực địa chất nền, thuận lợi cho bố trí các cảm biến (thường từ 3 đến 6 điểm) cách từ nguồn rung từ 5 - 10m cho đến điểm xa nhất là điểm

14 dự báo vận tốc rung đã suy giảm gần về không theo phân tích dự báo hoặc kinh nghiệm;

- Đo đạc và bố trí các điểm đo: Cảm biến geophone mỗi điểm gồm 2 loại theo phương bán kính (kí hiệu Ri) và phương đứng (ký hiệu Vi), cảm biến gắn trên cọc

đã đóng chặt vào nền trước đó; - Nối dây hệ thống các cảm biến vào datalogger và nối datalogger vào máy tính laptop có phần mềm kết nối thiết bị đo, thu thập tín hiệu đo và hiển thi kết quả đo rung theo thời gian thực trên màn hình. Dữ liệu đo rung được lưu ra file text hoặc excel để xử lý sau;

- Vận hành nguồn gây rung đúng như các thiết bị đã dùng thi công cho dự án với các thế tải (cách vận hành) khác nhau; mỗi thế tải ghi lại dữ liệu rung, sau đó xử lý để tìm thế tải bất lợi nhất cho mỗi loại nguồn rung;

- Tương ứng với mỗi điểm đo ta có được cặp trị số Vi (mm/s)-Ri (m). Từ số liệu các điểm đo (Vi,Ri) ta xây dựng đường cong quan hệ V- R tương ứng cho mỗi loại nguồn rung;

- Căn cứ tiêu chuẩn giới hạn vận tốc rung không gây hư hại đến công trình xung quanh và đường cong quan hệ thực nghiệm V-R, xác định được bán kính ảnh hưởng đến công trình do rung Reff . Công trình nằm cách xa nguồn rung khoảng cách lớn hơn Reff xem như không bị ảnh hưởng do rung chấn [3]. 3.2. Chƣơng trình thực nghiệm tại hiện trƣờng

3.2.1 Nguồn gây rung chấn Loại búa đóng cọc Diesel D50 ( Do đơn vị thi công cung cấp để thi công cầu Sóc Thát)

- Trọng lượng cụm búa: 10.5 (tấn) - Trọng lượng phần rơi: 5.0 (tấn) - Năng lượng xung kích: 12.25 (T.m) - Tần suất đóng: 35-55 (nhát/phút)

15

Hình 3.2. Búa đóng cọc đang thi công tại công trường

3.2.2. Hiện trường thực hiện thí nghiệm Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài nguồn rung do hoạt động đóng cọc bê tông cốt thép bằng búa Diesel tại trụ T2, hạng mục cầu Sóc Thát (Km6+472,94) thuộc Dự án Hạ tầng thiết yếu phục vụ vùng sản xuất cây ăn trái tập trung 02 huyện Càng Long, Châu Thành và Thành phố Trà Vinh (giai đoạn 1).

Giới thiệu sơ bộ về quy mô cầu Sóc Thát (Km6+472,94): - Cầu bằng BTCT và BTCT DƯL vĩnh cửu. - Sơ đồ nhịp 3x24,54m, chiều dài toàn cầu 84,892m. - Chiều rộng cầu 9,0m. Mặt cắt ngang nhịp gồm 5 dầm chữ I 24,54m.

- Mố kiểu chữ U, trụ đặc thân hẹp bằng BTCT fc’=30Mpa. - Móng mố đặt trên hệ 19 cọc BTCT 45x45cm, chiều dài dự cọc kiến 48,5m. - Móng trụ đặt trên hệ 16 cọc BTCT 45x45cm, chiều dài dự cọc kiến 47,0m.

3.2.3. Thiết bị đo rung chấn - Các thiết bị đo đạc chính bao gồm các đầu đo vận tốc dao động, thiết bị chuyển đổi tín hiệu và thiết bị đọc và lưu trữ kết quả đo.

- Các đầu đo vận tốc dao động là thiết bị tiếp nhận các dao động, chuyển hóa các tín hiệu dao động thành tín hiệu điện rồi truyền về bộ phận thu nhận tín hiệu điện. Giải tần của các đầu đo là 1Hz đến 1000Hz ứng khoảng giá trị vận tốc có thể đo được là từ 0,01mm/s đến 500mm/s. Hệ thống đo rung động: Đầu đo vận tốc + Datalogger NI9205 (Hoa Kỳ).

16

Hình 3.5. Sơ đồ kết nối hệ thống và quy trình đo đạc dữ liệu rung chấn - Sơ đồ bố trí các đầu đo trên mặt đất được mô tả trên hình 3.6. Tại mỗi vị trí đo dao động trên mặt đất, có một giá sắt gắn vào nền đất. Trên giá sắt gắn hai đầu đo dao động, một đầu đo dao động theo phương đứng (kí hiệu là V) và một đầu đo dao động theo phương kính (kí hiệu là R). Các đầu đo dao động được nối với bộ phận nhận và xử lý tín hiệu.

Hình 3.6. Đầu đo dao động

- Các số liệu thu nhận được trong quá trình thí nghiệm, lưu trữ và phân tích - xử lý trong các máy tính hiện trường nhờ các phần mềm chuyên dụng Labview, DIAdem.

3.2.4. Thực hiện thí nghiệm đo rung tại hiện trường do đóng cọc a. Đặc điểm địa chất Khu vực dự án nghiên cứu có đặc điểm địa chất từ mặt đất xuống gồm các lớp đất như sau: - Lớp dd: đất đắp Sét màu xám nâu, phân bố rộng trên bề mặt địa hình khu vực cầu, chiều dày trung bình của lớp 0,8m.

17

- Lớp 2: Bụi rất dẻo, màu xám đen, phân bố rộng khắp trên bề mặt địa hình khu vực cầu,chiều dày trung bình của lớp 28,5m. - Lớp 3a: Bụi rất dẻo, màu xám đen, trạng thái dẻo mềm, Chiều dày trung bình của lớp 3,1m. - Lớp 4: Sét ít dẻo, màu xám nâu, trạng thái nữa cứng – cứng, chiều dày trung bình của lớp 9,5m. - Lớp 5: Sét rất dẻo, màu xám vàng, trạng thái nữa cứng, chiều dày trung bình của lớp 5,9m. - Lớp 6: Sét ít dẻo, màu xám vàng, trạng thái nữa cứng – cứng, chiều dày trung bình của lớp 2,0m. - Lớp 7: Bụi rất dẻo, màu xám xanh- xám đen, trạng thái cứng,

chiều dày trung bình của lớp 9.0m. b. Công tác chuẩn bị - Thu thập các tài liệu địa chất công trình khu vực hiện trường, tài liệu về các thiết bị thi công và hoạt động thi công dự án (nguồn gây rung động); - Khảo sát hiện trường, đánh giá tầm quan trọng của đối tượng cần bảo vệ;

- Thiết kế sơ bộ các vị trí đo chấn động; - Cân chỉnh thiết bị trong phòng; - Lập các phần mềm xử lý số liệu đo chấn động và các phần mềm phân tích đánh giá ảnh hưởng sơ bộ của chấn động gây bởi các nguồn rung chấn; - Đề ra các biện pháp an toàn đối với người thí nghiệm, thiết bị thí nghiệm và các số liệu đo đạc.

c. Công tác thí nghiệm - Vận chuyển thiết bị đến hiện trường; - Lắp đặt thiết bị thu nhận và xử lý sơ bộ số liệu; - Lắp đặt các đầu đo chấn động trên mặt đất tại ít nhất là 03 điểm đối với 01 nguồn gây chấn động với các khoảng cách khác nhau kể từ vị trí nguồn gây chấn động;

- Đặt hệ thống bảo vệ thiết bị đo; - Xác định tần số và biên độ tại hiện trường để loại bỏ các sóng cắt S và sóng nén P, chỉ đo sóng Reighley có năng lượng lớn nhất gây nguy hiểm cho công trình lân cận; - Tiến hành đo chấn động trong quá trình hoạt động của thiết bị thi công và hoạt động thi công gây chấn động;

18

- Kiểm tra số liệu đo. Khi kết quả đo không hợp chuẩn, cần tiến hành lặp lại phép đo; - Tháo lắp thiết bị đo chấn động và thiết bị lưu trữ số liệu đo chấn động;

- Vận chuyển thiết bị đo chấn động về phòng thí nghiệm; - Truyền số liệu sang máy tính và bảo dưỡng thiết bị đo chấn động. Bảng 3.1. Tham số kỹ thuật khi đo dao động tại vị trí thí nghiệm

Kênh Đầu đo Trạng thái

Khoảng cách (m) 25 25 40 40 65 65 Phƣơng dao động đứng ngang đứng ngang đứng ngang 1 2 3 4 5 6 V1 H1 V2 H2 V3 H3 OK OK OK OK OK OK d. Trình tự - quy trình đo đạc thí nghiệm tại hiện trường

Hình 3.10. Quy trình thực nghiệm tại hiện trường

- Bước 1: Khảo sát địa hình, địa chất gần tương tự nơi có nhà dân sinh sống, điều kiện địa hình đo đạc cần bằng phẳng, không có chướng ngại vật cản trở, khô ráo, thoáng mát. - Bước 2: Tiến hành đo và xác định vị trí đặt đầu đo rung theo sơ đồ dự kiến.

- Bước 3: Thực hiện đóng cọc và gắn đầu chân cảm biến. Tại mỗi vị trí đo dao động trên mặt đất, có một giá sắt đường kính 3cm gắn vào nền đất. Trên giá sắt gắn các chân đầu đo dao động theo hai phương trước khi gắn cảm biến geophone vào điểm đo.

- Bước 4: Tiến hành lắp đặt cảm biến vào chân cảm biến. Lắp đặt cẩn thận và nhẹ nhàng tránh cảm biến bị dao động mạnh, để cảm biến nơi khô ráo, tránh ánh nắng trực tiếp, tránh nguồn nhiệt,… để

19 cảm biến duy trì ở nhiệt độ bình thường gần 20˚C nhằm tăng tính ổn định trong quá trình đo.

- Bước 5: Hai đầu đo dao động, một đầu đo dao động theo phương đứng (kí hiệu là V) và một đầu đo dao động theo phương bán kính (kí hiệu là R). Các đầu đo dao động được nối với bộ phận nhận và xử lí tín hiệu. Kiểm tra tín hiệu trước khi tiến hành đo chính thức. - Bước 6: Tiến hành đo chính thức, kích hoạt búa đóng cọc Diezel: - Bước 7: Sau khi hoàn thành việc đo chấn động, thu dọn thiết bị, trả lại mặt bằng thi công.

Hình 3.11. Lắp đặt thiết bị đo tại hiện trường 3.2.5. Công trình lân cận khu vực thi công

- Theo TCVN 7378:2004, các công trình lân cận khu vực cần đo là các nhà ở được xây bằng bê tông cốt thép và gạch đá xây, có chiều cao ≥ 01 tầng. Vì vậy giá trị vận tốc an toàn cho phép sẽ áp dụng theo cấp công trình loại III (Phụ lục B TCVN 7378:2004 - Công trình loại III là các công trình xây dựng không kiên cố; các công trình nhẹ nhạy cảm với rung động như các tượng đài, công trình lịch sử - văn hóa, di tích cổ, đền chùa, miếu mạo,… 3.3

Các kết quả đo và phân tích dao động tại các điểm đo bao gồm vận tốc dao động đo được theo phương đứng và phương kính trong suốt quá trình đo khi đóng cọc.

Tổng hợp tất cả các kết quả đo, xác định được các giá trị biên độ cực đại cho các trường hợp đo. Các giá trị biên độ cực đại này được trình bày trong bảng tổng hợp. Trong bảng tổng hợp, các tham số dao động được trình bày bao gồm:

20

- Vận tốc dao động lớn nhất theo phương đứng, max Vz, mm/s; -Vận tốc dao động lớn nhất theo phương bán kính, max Vr, mm/s; - Vận tốc dao động tổng lớn nhất, Vt, mm/s, max Vt = max (Vz2 + Vr2)0.5 Lần 1:

Lần 2:

Lần 3:

Lần 4:

21

Lần 5:

* Kết quả chi tiết tham chiếu tại Phụ lục Tần số dao động đặc trưng đo được là 0.8 ÷ 29Hz (phụ lục) nằm trong khoảng ≤50 Hz, tác động rung gián đoạn. Giá trị vận tốc dao động giới hạn lấy theo Bảng 1 - Tiêu chuẩn TCVN 7378:2004 là 20mm/s đối với công trình loại I (các công trình xây dựng công nghiệp kiên cố có kết cấu khung bằng thép, bê tông cốt thép hoặc các công trình kiến trúc xây dựng tương tự; Công việc phân tích và xác định khoảng cách an toàn được trình bày sau đây:

Búa đóng cọc Diesel D50 Trong trường hợp không có các biện pháp giảm chấn, quy luật giảm dần các giá trị lớn nhất theo khoảng cách được trình bày ở hình dưới. Các quy luật đó có thể được xác định theo công thức sau: (1)

V = 54.92 × Fc× R-1.638 Trong đó: + V: là vận tốc dao động (mm/s). + R: là khoảng cách từ điểm cần xét đến nguồn chấn động (m). + Fc: năng lượng xung kích lớn nhất(T.m).

22

Với Búa đóng cọc Diesel D50 thì giá trị năng lượng xung kích lớn nhất là 12.25 T.m.

Hình 3.13. Biểu đồ quan hệ Vận tốc – Bán kính ảnh hưởng Búa đóng cọc Diesel D50 Khoảng cách an toàn cho nhà dân không bị hư hỏng nứt nẻ được xác định dựa vào công thức suy giảm vận tốc dao động (1). Từ công thức (1)rút ra được: [R]  ((54.92 × Fc)/[V])^ (1/1.638) (3)

Trong đó:[R] là khoảng cách an toàn kể từ nguồn chấn động (m). [V] là vận tốc dao động an toàn cho phép (mm/s).

Fc: năng lượng xung kích lớn nhất(T.m). - Với giá trị năng lượng xung kích lớn nhất là 12.25 T.m

Năng lƣợng xung kích lớn nhất (T.m)

Bảng 3.3. Bán kính ảnh hƣởng R(m) tính theo vận tốc giới hạn Bán kính ảnh hƣởng R(m) tính theo vận tốc giới hạn Công trình cấp II (Vgh = 5mm/s) 19.94 Công trình cấp I (Vgh = 20mm/s) 8.55 Công trình cấp III (Vgh = 3mm/s) 27.23

12.25 Công trình loại I: Vận tốc dao động an toàn cho phép là 3mm/s, khoảng cách an

toàn tính được là 27.23m Công trình loại II: Vận tốc dao động an toàn cho phép là 5mm/s, khoảng cách an toàn tính được là 19.94m

Công trình loại III: Vận tốc dao động an toàn cho phép là 20mm/s, khoảng cách an toàn tính được là 8.55m

23

3.4. So sánh kết quả phân tích lý thuyết và thực nghiệm

Phương trình quan hệ V-R giữa lý thuyết và thực nghiệm có sự tương đồng về độ dốc, bán kính cong, góc lệch tanφ. Tuy kết quả còn sai số, nhưng việc mô phỏng lý thuyết được xem như kết quả ban đầu nhằm mục tiêu tham khảo cho quá trình thực nghiệm, gợi ý vị trí khoảng cách thực tế cần lắp đặt thiết bị, giảm thiểu sai sô trong nội suy kết quả thực nghiệm. Bảng 3.4. So sánh kết quả thực nghiệm và lý thuyết

Phƣơng pháp điểm 1 (25 m) điểm 2 (40 m) điểm 3 (65 m)

3.79 1.33 0.79 Bán kính ảnh hƣởng R(m) đối với 3mm/s 27.23 26.26 3.09 1.33 0.33 Thực nghiệm Lý thuyết

Hình 3.14. Biểu đồ so sánh giữa thực nghiệm và lý thuyết 3.5. Kết luận và ngoại suy xác định bán kính ảnh hưởng cho các loại búa đóng cọc khác - Kết quả bán kính ảnh hưởng khu vực đã thực nghiệm đóng cọc lớn nhất là 27.23 m.

- Từ kết quả nghiên cứu cho loại búa đóng cọc Diesel D50 ngoài hiện trường ta rút ra được công thức xác định khoảng cách an toàn cho nhà dân không bị hư hỏng nứt nẻ như sau: [R]  ((54.92 × Fc)/[V])^ (1/1.638).

Qua chương này, ta có thể nhận thấy kết quả thực nghiệm phản ánh phần nào diễn biến quá trình lan truyền sóng rung chấn trên thực tế, việc này như là cơ sở để đánh gia mức độ ảnh hưởng cũng như phạm vi an toàn mà các đơn vị thi công trên thực tế tham

24 chiếu để xác đinh nhằm giảm thiểu thấp nhất những ảnh hưởng có thể xảy ra.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận

- Trong quá trình thi công xây dựng các công trình cầu trên địa bàn tỉnh Trà Vinh do là một tỉnh còn nghèo, khó khăn về nguồn vốn, hoặc do Tư vấn thiết kế cũng như Chủ đầu tư không lường trước được những rủi ro nên việc thi công đóng cọc mố, trụ cầu làm ảnh hưởng đến các công trình lân cận là điều khó tránh khỏi.

- Từ kết quả nghiên cứu của học viên xác định được bán kính giới hạn cho các loại búa đóng cọc khác nhau đối với một mặt cắt địa chất cụ thể, tuy nhiên có thể sử dụng kết quả nghiên cứu này để trong quá trình thẩm định dự án, thiết kế cho các công trình cầu sử dụng cọc đóng bê tông cốt thép có địa chất tương tự (bảng 3.5) để lưu ý Tư vấn thiết kế xác định phương án móng cho phù hợp hoặc có thiết kế biện pháp giảm chấn nhằm không gây hư hại cho các công trình lân cận. 2. Kiến nghị

- Cần tiếp tục nghiên cứu để thu thập đầy đủ và chính xác về đặc điểm nguồn rung, quy luật lan truyền sóng trên từng khu vực địa chất nhằm đưa ra thống kê tổng quan, phục vụ đánh giá sơ bộ cho các các công trình có kết cấu tương tự.

- Nghiên cứu và đề xuất thêm nhiều biện pháp giảm chấn trong điều kiện thi công khó khăn nhằm tránh và kiểm soát được rủi ro, hạn chế thấp nhất các chi phí phát sinh trong quá trình thi công xây dựng.

- Khi có sự cố nứt nhà dân do có liên quan đến công tác đóng cọc thì chi phí thuê Tư vấn để xác định nguyên nhân cũng như đánh giá mức độ thiệt hại thường do Nhà thầu thi công chi trả (mặt dầu không phải lỗi của họ) do Thông tư số 06/2016/TT-BXD ngày 10/03/2016 của Bộ Xây dựng hướng dẫn xác định và quản lý chi phí đầu tư xây dựng không có qui định về chi phí này. . - Nhà nước cần ban hành đầy đủ các tiêu chuẩn về rung chấn do hoạt động thi công xây dựng gây ra đối với công trình lân cận.

- Lập bản đồ đánh giá sơ bộ phạm vi (bán kính) ảnh hưởng công trình lân cận trên địa bàn tỉnh Trà Vinh nói riêng và cả nước nói chung cho từng loại thiết bị rung chấn trên cơ sở dữ liệu địa chất của từng vùng, miền.