Phân tích chọn thông số thí nghiệm ba trục động phù hợp cho công trình điện gió ở Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

4
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết tập trung phân tích chọn thông số thí nghiệm ba trục động phù hợp cho công trình điện gió ở Việt Nam. Trong đó, các thông số thí nghiệm ở các bước chế bị, bão hòa và cố kết mẫu được đề xuất theo thành phần và trạng thái của mẫu; các thông số ở bước gia tải được đưa ra theo mô hình bài toán và loại đất.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Phân tích chọn thông số thí nghiệm ba trục động phù hợp cho công trình điện gió ở Việt Nam

. 21 PHÂN TÍCH CHỌN THÔNG SỐ THÍ NGHIỆM BA TRỤC ỘNG PHÙ H P CHO CÔNG TRÌNH IỆN GIÓ Ở VIỆT NAM Nguyễn Văn Phóng1,2*, ỗ Hồng Thắng3 1 Trường Đại học Mỏ - Địa chất 2 Nhóm nghiên c u Địa chất công trình và Địa môi trường (EEG), HUMG 3 Công ty Cổ ph n Khảo sát thiết kế xây dựng Đất Việt *Tác giả chịu trách nhiệm: nvphong.dcct@gmail.com Tó tắt Trong những năm gần đ y, năng l ợng điện gió có những ớc phát triển mạnh mẽ ở Việt Nam. Trụ điện gió thuộc loại công trình có tải trọng động nên việc tính toán thiết kế nền móng li n qu n đến tính chất cơ học động củ đất nền. Ph ơng pháp thí nghiệm ba trục động đ ợc sử dụng phổ biến để xác định các đ c tr ng cơ học động củ đất. Tuy nhiên, tải trọng động của trụ điện gió có nhiều đ c điểm m ng t nh đ c th nh tần số, thời gian tác dụng (khác với tải trọng động do động đất khi tính toán nhà cao tầng) Do đ , khi áp dụng các tiêu chuẩn về thí nghiệm ba trục động g p nhiều kh khăn trong việc l a chọn sơ đồ, thông số thí nghiệm phù hợp với bài toán. Báo cáo d a trên việc tổng hợp, phân tích lý thuyết và th c nghiệm để đ r chỉ dẫn kỹ thu t, chọn thông số thí nghiệm ba trục động phù hợp với công tr nh điện gi trong điều kiện Việt Nam. Nội dung báo cáo không chỉ đ r thủ tục, quy trình thí nghiệm theo các tiêu chuẩn ASTM D3999, ASTM D53 , mà còn đ r chỉ dẫn l a chọn thông số, sơ đồ thí nghiệm phù hợp với ba loại đất: đất rời, đất d nh và đất yếu Trong đ , các thông số thí nghiệm ở các ớc chế bị, bão hòa và cố kết mẫu đ ợc đề xuất theo thành phần và trạng thái của mẫu; các thông số ở ớc gia tải đ ợc đ r theo mô h nh ài toán và loại đất. Từ khóa: ba trục ộng; biến dạng ộng; ộ bền ộng; thông số thí nghiệm; iện gió. 1 Mở đầu Trong những năm gần đ y, năng l ợng tái tạo n i chung, điện gi n i ri ng đã và đ ng c những ớc phát triển mạnh mẽ ở nhiều n ớc trên thế giới. Việt N m đ ợc coi là n ớc có nguồn tài nguyên gió tốt nhất ông N m Á, đ c biệt là ở các vùng ven biển ở phía Nam Việt Nam với tốc độ gi trung nh hàng năm là 9 đến 10 mét/giây. Với bờ biển dài hơn 3 km, tiềm năng phát triển và sản xuất điện gió của Việt Nam là rất lớn. Bộ Công Th ơng, với s h trợ của Ngân hàng Thế giới, đã phát hành Bản đồ Tài nguy n Gi vào năm Trong đ xác định tiềm năng khoảng 4 GW năng l ợng gió có thể khai thác ở các vùng Nam Trung Bộ và ồng bằng sông Cửu Long của Việt Nam. Do đ , nhiều trang trại điện gi đã, đ ng và sẽ đ ợc xây d ng ở n ớc ta nhờ u thế v ợt trội mà nó mang lại so với thủy điện và nhiệt điện. Tháp điện gió thuộc loại công trình có hình dạng và cấu tạo đ c biệt (dạng cột mảnh có khối n ng quay ở trên cùng), rất nhạy cảm về m t động l c học. Ngoài trọng l ợng bản thân toàn bộ hệ thống, có bốn tải trọng ch nh tác động l n tháp điện gió gồm: gió, sóng, tải 1P (tần số rôto) và 2P/3P (tần số cánh quạt). Do v y, đ c điểm tải trọng động củ tháp điện gi c đ c thù riêng, phức tạp. Nhiệm vụ củ m ng tháp điện gió là truyền tải trọng của kết cấu bên trên xuống nền đất n toàn ể giải quyết đ ợc nhiệm vụ đ t ra, việc thiết kế nền móng cần d a trên các thông số động học củ đất nền phù hợp với bài toán th c tế (Subhamoy Bhattacharya, 2019). Các thông số động học củ đất nền gồm các chỉ ti u li n qu n đến độ bền động (ho c khả năng h lỏng) và biến dạng động. Hiện nay, có nhiều ph ơng pháp xác định các thông số này, nh ng ph ơng pháp trục động (Cyclic Tri xi l Test) đ ợc sử dụng phổ biến nhất do dễ dàng mô phỏng điều kiện th c tế và cho phép thí nghiệm trong khoảng biến dạng nhỏ đến biến dạng lớn. Trong những năm gần đ y, một số thiết bị ba trục động đã đ ợc nh p vào Việt N m và đã tham gia triển khai một số d án li n qu n đến thiết kế nhà cao tầng chống động đất và tháp điện
22 gió. Các tiêu chuẩn về thí nghiệm ba trục động đ ợc áp dụng ở n ớc t (đ ợc t vấn thiết kế n ớc ngoài chấp nh n) gồm: tiêu chuẩn ASTM D5311 - Xác định độ bền và khả năng h lỏng củ đất; Tiêu chuẩn ASTM D3999 - Xác định môđun và hệ số giảm chấn củ đất. Nhìn chung, quy trình thí nghiệm theo các tiêu chuẩn này đều gồm 4 ớc là chế bị, bão hòa, cố kết mẫu và gia tải ể có kết quả phù hợp với điều kiện th c tế thì việc l a chọn các thông số thí nghiệm là đ c biệt quan trọng. Các thông số thí nghiệm phụ thuộc vào thành phần, trạng thái, tính chất của đất và đ c điểm tải trọng động. Tuy nhiên, quá trình áp dụng th c tế, đ c biệt với công tr nh điện gió còn g p nhiều kh khăn do thiếu kinh nghiệm và cơ sở l a chọn. Nội dung báo cáo giới thiệu quy trình thí nghiệm theo các tiêu chuẩn ASTM D3999, ASTM D53 và đ r chỉ dẫn l a chọn thông số, sơ đồ thí nghiệm phù hợp d a trên việc tổng hợp, phân tích lý thuyết và th c nghiệm cho ba loại đất: đất rời, đất d nh và đất yếu. 2. Quy tr nh và th ng số thí nghiệ a trụ động Do có rất nhiều loại thiết bị ba trục hiện đ ng đ ợc sử dụng, nên các tiêu chuẩn ASTM D3999, ASTM D53 đ r quy tr nh m ng t nh chung nhất đối với bất kỳ loại thí nghiệm ba trục động. Thủ tục thí nghiệm theo cả hai tiêu chuẩn này đều có bốn ớc là chế bị (với đất rời), bão hòa, cố kết mẫu và gia tải chu kỳ. Chỉ dẫn kỹ thu t chi tiết đ ợc đ r trong các ti u chuẩn này. Ở đ y, áo cáo tr nh ày các thủ tục và thông số cơ ản. 2.1. Quy trình thí nghiệm a) Chuẩn bị - chế bị mẫu - Chuẩn bị mẫu đất dính: Với đất dính, việc lấy mẫu về phòng thí nghiệm dễ dàng đảm bảo trạng thái t nhiên của mẫu. Do v y, công việc chủ yếu ở ớc này là cắt gọt mẫu theo đ ng k ch th ớc quy định bằng khuôn cắt mẫu chuyên dụng sao cho đảm bảo t tác động nhất đến trạng thái mẫu Quy định khuôn mẫu c đ ờng kính tối thiếu 51 mm và chiều cao bằng từ , đến 2,5 lần đ ờng kính mẫu. - Chế bị mẫu với đất rời: Việc chế bị mẫu đất rời c ph ơng pháp: ph ơng pháp r t khô; ph ơng pháp trầm t ch trong n ớc và ph ơng pháp đầm ẩm. Công tác chế bị mẫu phải đảm bảo: mẫu chế bị phải đồng nhất về s phân bố hệ số r ng tại các vị trí và c độ ch t t ơng đ ơng với trạng thái t nhiên của nó. b) Bão hòa mẫu Tuỳ theo mục đ ch nghi n cứu, mẫu có thể đ ợc bão hòa và cố kết ho c để ở trạng thái t nhi n tr ớc khi gia tải Tr ớc khi bão hòa, mẫu đ ợc tạo l c hút chân không 35 kPa. Quá trình bão hòa đ ợc th c hiện bằng cách tăng đồng thời áp l c buồng (3) và áp l c ng ợc (back), với độ chênh áp l c buồng - ng ợc (r = 3 - back) bằng (10 - 20) kPa. Sau khi trị số áp l c ổn định, tiến hành điền n ớc vào mẫu bằng cách mở v n để n ớc chảy qua dụng cụ đo thể tích vào mẫu từ đ ờng áp l c ng ợc Quá tr nh ão hò đ ợc tiến hành cho đến khi độ bão hòa (B) đạt trên 90% (B = u/3 ≥ 0,95; 3 là gia số áp l c buồng và u là độ gi tăng áp l c n ớc l r ng). Nếu độ ão hò B ch đạt yêu cầu th quá tr nh gi tăng áp l c buồng - ng ợc và điền n ớc lại đ ợc tiếp tục cho đến khi đạt. c) Cố kết mẫu Quá trình cố kết mẫu là một khâu quan trọng nhằm khôi phục trạng thái của mẫu t nhiên ho c trạng thái mẫu d đoán Quá tr nh này đ ợc th c hiện bằng cách tăng áp l c buồng cho đến khi đạt áp l c cố kết (c) yêu cầu. Áp l c cố kết là hiệu giữa áp l c buồng và áp l c ng ợc (c = 3 - back). Quá trình cố kết kết th c khi độ cố kết lơn hơn 9 d) Gia tải Tải trọng động đ ợc chọn là tải trọng điều hòa (chu kỳ điều hòa) với tần số f = 0,1 - 2 Hz tùy theo loại và đ c điểm của tải trọng động B ớc gia tải có thể th c hiện theo một trong h i sơ đồ:
. 23 - Sơ đồ A - điều khiển tải trọng: điều kiện tải trọng đ ợc giữ không đổi trong quá trình thí nghiệm Bi n độ ứng suất chu kỳ (a) đ ợc xác định theo tỷ số ứng suất mong muốn CSR (desired Cyclic Stress ratio), với CSR đ ợc xác định theo biểu thức:  a CSR  (1) 2 c với c là ứng suất cố kết hiệu quả. Việc xác định CSR phụ thuộc vào loại thí nghiệm và mục đ ch nghi n cứu. - Sơ đồ B - điều khiển biến dạng: Bi n độ biến dạng dọc trục (a) đ ợc giữ không đổi. Việc l a chọn cho thí nghiệm phù thuộc vào đ c điểm tải trọng động, loại đất và mục đ ch nghi n cứu. Theo ASTM D3999, số chu kỳ thí nghiệm là N = 40 chu kỳ. Theo ASTM D5311, số chu kỳ thí nghiệm là N = 500 chu kỳ ho c khi trạng thái phá hủy mẫu đ ợc xác định. 2.2. Các thông số thí nghiệm Trong thủ tục thí nghiệm ba trục động, m i ớc đều có các thông số thí nghiệm cần l a chọn và yêu cầu kỹ thu t cần đảm bảo. Theo chỉ dẫn kỹ thu t từ hai tiêu chuẩn ASTM, về cơ ản các thông số và yêu cầu kỹ thu t đ ợc nêu ra khá rõ ràng. Tuy nhiên, việc l a chọn thông số thí nghiệm cần ph n t ch, làm rõ cơ sở để áp dụng cho phù hợp với bài toán th c tế. Tổng hợp các thông số và yêu cầu kỹ thu t trong thí nghiệm ba trục động đ ợc đ ra trong bảng 1. Bảng 1. Thông số và yêu cầu kỹ thuật trong thủ tục thí nghiệm ba trục động Thủ tục thí nghiệm Thông số thí nghiệm Yêu cầu Vấn đề cần phân tích - Chuẩn bị mẫu đất dính - D, H - ảm bảo trạng thái t nhiên; - Không - Chế bị mẫu đất rời - Gdry, D, H, w, emax, - ảm bảo độ ch t yêu cầu - Ph ơng pháp chế bị emin, Dr0 Dr0; D > 51 mm; H/D = 2 ÷ 2,5 và l ợng cát Gw, Gdry? Bão hòa mẫu 3, back, r, B, back ảm bảo phần r ng trong Gia số áp l c ng ợc đất đ ợc lấp đầy n ớc back và trị số áp l c ng ợc tối thiểu Cố kết mẫu 3, back, c ộ cố kết > 90% Không Gia tải chu kỳ f, a, a, CSR, N Phù hợp với đ c điểm tải Cơ sở l a chọn các trọng động và ứng xử th c thông số thí nghiệm tế củ đất nền (f, a, a, CSR, N) Ghi chú: D H tương ng là ường kính và chiều cao của mẫu (khuôn); Gdry là khối lượng cát khô c n cho vào khuôn; w là ộ ẩm của cát em chế bị (khi m ẩm); emax, emin tương ng là hệ số rỗng lớn nhất, nhỏ nhất của cát; Dr0 là ộ chặt yêu c u. 3 Lựa họn th ng số thí nghiệ a trụ động ph h p với ng tr nh điện gió ở Việt Na Việc l a chọn thông số thí nghiệm rất quan trọng nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thu t và c đ ợc kết quả phù hợp với điều kiện th c tế về tải trọng động và đất nền c điểm tải trọng động công tr nh điện gió rất phức tạp, c đ c thù riêng nên việc l a chọn các thông số thí nghiệm cần d a tr n cơ sở lý thuyết và cơ sở th c nghiệm. 3 1 Cơ sở lý thuyết lựa chọn thông số thí nghiệm Về m t lý thuyết, thông số thí nghiệm ba trục động là các thông số cài đ t trong các ớc thí nghiệm nhằm đảm bảo khôi phục trạng thái của mẫu và mô phỏng ứng suất động gây ra bởi tải trọng công trình. Các thông số này phụ thuộc vào đ c điểm đất nền, đ c điểm tải trọng động và điều kiện tồn tại c ng nh trạng thái ứng suất. a) Thành ph n, trạng thái, tính chất của ất: y là yếu tố phản ánh tính chất xây d ng của đất. Theo tính chất xây d ng, có thể phân biệt ba loại đất là đất d nh, đất rời và đất yếu (tr n cơ
24 sở phân loại đất của F.P Xavarenxki). Loại đất quyết định đến ph ơng pháp chuẩn bị - chế bị mẫu, các thông số bão hòa mẫu (3, back, r và back) và i n độ biến dạng (a - khi thí nghiệm theo sơ đồ B), cụ thể nh s u: - ất dính gồm sét, á sét, á cát có trạng thái từ cứng đến dẻo mềm. Việc lấy và bảo quản tính nguyên trạng của mẫu khá dễ dàng, không cần khôi phục trạng thái t nhiên nên có thể bỏ qua ớc bão hòa, cố kết mẫu, trừ tr ờng hợp có yêu cầu đ c biệt B ớc chuẩn bị mẫu (cắt gọt mẫu) đ ợc th c hiện bằng bộ dụng cụ chuyên dụng Tr ờng hợp cần bão hòa mẫu, có thể chọn các thông số bão hòa mẫu (back, r và back) ở ng ỡng lớn do đất dính có gradien thủy l c thấm n đầu (Io) và áp l c tiền cố kết (pc) t ơng đối lớn (so với đất yếu). - ất yếu gồm sét, á sét, á cát có trạng thái từ dẻo chảy đến chảy. Việc đảm bảo tính nguyên trạng của mẫu th ờng kh khăn n n cần bão hòa, cố kết mẫu nhằm khôi phục lại trạng thái t nhiên ho c trạng thái d đoán của mẫu (sau xử lý đất yếu). Các thông số bão hòa mẫu cần chọn sao cho không phá hủy kết cấu của mẫu: r phải nhỏ hơn pc; trị số back n đầu và gia số back cần đ ợc chọn ở ng ỡng nhỏ theo quy định của tiêu chuẩn. - ất rời gồm các loại đất cát không ho c có lẫn sạn sỏi, nh ng k ch th ớc hạt lớn nhất phải nhỏ hơn /6 đ ờng kính mẫu. Với đất rời, trong th c tế không thể đảm bảo tính nguyên trạng của mẫu. Vì v y, việc thí nghiệm đ ợc th c hiện trên mẫu chế bị với yêu cầu đảm bảo phù hợp với th c tế. Việc khôi phục, mô phỏng lại điều kiện th c tế của mẫu đất rời (lấy tại độ sâu th c tế) bao gồm độ ẩm, độ ch t và trạng thái ứng suất đ ợc th c hiện qu 3 ớc là chế bị, bão hòa và cố kết với ph ơng pháp chế bị, thông số thí nghiệm phù hợp. Việc l a chọn thông số i n độ biến dạng () cho sơ đồ thí nghiệm B (điều khiển biến dạng) phụ thuộc lớn vào loại đất. Theo Vucetic M. (1994), biến dạng động củ đất đ ợc chia ra ba mức độ: biến dạng rất nhỏ (biến dạng đàn hồi); biến dạng nhỏ; biến dạng vừ đến lớn. Các mức biến dạng rất nhỏ và biến dạng nhỏ đ ợc giới hạn bởi ng ỡng biến dạng thể tích (tv). Khi biến dạng động củ đất nhỏ hơn tv, đất không có s th y đổi đáng kể về thể tích và áp l c n ớc l r ng, biến dạng củ đất đ ợc xem là ổn định Bài toán đ t ra là cần xác định các đ c tr ng biến dạng động (môđun và hệ số giảm chấn - theo ASTM D3999) Do đ , cần l a chọn e ≤ tv cho thí nghiệm. Khi biến dạng v ợt quá tv (mức biến dạng vừ đến lớn), biến dạng củ đất không ổn định, có s th y đổi thể t ch và gi tăng đáng kể áp l c n ớc l r ng Khi đ , ài toán cần xác định đ c tr ng độ bền động (theo ASTM D5311). Tuy nhiên, m i loại đất lại có các ng ỡng biến dạng ri ng Do đ , cần có các nghiên cứu th c nghiệm làm cơ sở để xác định mức độ biến dạng cho phù hợp với bài toán th c tế. b) Đặc iểm tải trọng ộng: c điểm tải trọng động quyết định đến các thông số thí nghiệm ở ớc gia tải bao gồm: tần số (f), i n độ (a, a ho c CSR) và thời gian tác dụng (N). Việc l a chọn các thông số này d a trên các phân tích, tính toán s lan truyền ứng suất động trong nền đất. Tải trọng động tác động l n tháp điện gió gồm: gió, sóng, tải 1P (tần số rôto) và 2P/3P (tần số cánh quạt). Do v y, ứng suất động lan truyền trong nền đất là kết quả tác động l n tháp điện gió của tổ hợp tải trọng trên. Các tải trọng này m c dù thuộc tải trọng tạm thời, nh ng c thời gian tác dụng lâu dài (khác với động đất, thuộc tải trọng tạm thời ngắn hạn), nên số chu kỳ thí nghiệm lớn hơn so với động đất. c) Điều kiện tồn tại và trạng thái ng suất thực tế: iều kiện tồn tại củ đất trong cấu trúc nền quyết định đến điều kiện thoát n ớc Nh ng nh n chung, ứng xử củ đất với tải trọng động th ờng đ ợc xem xét trong điều kiện không thoát n ớc. Trạng thái ứng suất th c tế bao gồm áp l c địa tầng và áp l c n ớc l r ng Các thông tin này là cơ sở l a chọn các thông số về áp l c (3, back, c) khi bão hòa, cố kết mẫu Trong đ , 3 đ ợc xác định từ áp l c địa tầng; back chọn theo áp l c n ớc l r ng tại vị trí lấy mẫu, từ đ t nh đ ợc c cho thí nghiệm.
. 25 3.2 Cơ sở thực nghiệm lựa chọn thông số thí nghiệm Việc phân tích lý thuyết đã cho phép xác định đ ợc cụ thể một số thông số thí nghiệm và kho nh đ ợc phạm vi l a chọn các thông số thí nghiệm khác. Các nghiên cứu th c nghiệm sẽ bổ sung thông tin, cho phép ng ời thí nghiệm c th m cơ sở l a chọn các thông số thí nghiệm phù hợp hơn Trong đ , những nội dung quan trọng trong nghiên cứu th c nghiệm là xác định đ ợc mô hình tải trọng phù hợp với tổ hợp tải trọng động củ tháp điện gi và các sơ đồ, thông số thí nghiệm phù hợp với m i loại đất. 3.2.1. Xác ịnh thông số tải trọng cho tổ hợp tải trọng ộng tác dụng lên tháp iện gió Các tháp điện gió, do hình dạng và đ c điểm cấu tạo (cột mảnh có khối l ợng n ng c ng nh có khối quay ở trên), rất nhạy cảm với tải động. Tần số riêng của kết cấu thanh mảnh mai rất gần với tần số kích thích do tải trọng động cơ học và môi tr ờng gây ra. Mục đ ch của móng là chuyển tải trọng của hệ kết cấu bên trên xuống nền đất một cách an toàn. Do đ , cần phải xem xét các tải tác động lên kết cấu tháp điện gió. Ngoài trọng l ợng bản thân của toàn bộ hệ thống (tải tĩnh), có bốn loại tải trọng động ch nh tác động (hình 1): (1) tải trọng gió, (2) sóng, (3) 1P (tần số rôto) và (4) 3P (tần số cánh quạt). Phân phối th c tế của bốn loại tải trọng động đ ợc biểu diễn trên hình 1 (Bhattacharya, S., 2019). Hình 11. Phân phối thực tế của bốn loại tải trọn động (Bhattacharya, S., 2019). Với tải động, cần phải xem xét ảnh h ởng đến quán tính của hệ thống kết cấu tháp. Nếu tần số của tải động tiếp c n với tần số riêng của kết cấu tháp sẽ dẫn tới chuyển vị quá lớn Do đ , phải thiết kế tần số riêng thích hợp cho kết cấu tháp. Hình 2 thể hiện hàm số cho gió và sóng điển hình, cho thấy các dải tần số 1P và 3P, dải 3P phụ thuộc vào dải tần số P Theo qu n điểm chống cộng h ởng, cần tránh tần số kích thích nên có ba kiểu thiết kế khả dĩ: 1. Thiết kế kiểu “soft-soft” với giá trị tần số riêng nhỏ hơn giá trị dải tần số P iều ngày có nghĩ là tháp điện gió sẽ có tính mềm dẻo, linh động (flexible) và hầu nh không d ng để thiết kế cho kiểu công trình cố định. 2. Thiết kế kiểu “soft-stiff” với giá trị tần số riêng nằm giữa dải tần số 1P và 3P và kiểu thiết kế này đ ng khá phổ biến hiện nay. 3. Thiết kế kiểu “stiff-stiff “với giá trị tần số riêng lớn hơn giới hạn trên của tần số 3P và điều này th ờng cần một kết cấu cứng chắc để n ng đỡ tháp điện gió. Nh v y, tần số thích hợp cho kết cấu tháp điển hình sẽ nằm trong ba khoảng: < 0,1Hz; (0,22 - 0,31)Hz và > 0,67Hz tùy theo kiểu thiết kế.
26 Hình 2. Dải tần số tác động lên kết cấu t áp đ ện gió (Bhattacharya, S., 2019). Ứng suất động do tổ hợp tải trọng động gây ra trong nền đất c i n độ th y đổi phụ thuộc khoảng cách củ điểm đ ng xét đến nguồn gây tải (móng). Do v y, việc xác định i n độ ứng suất cho thí nghiệm th ờng d a vào trị số CSR lớn nhất trong nền đất. Theo kết quả tính toán cho tháp điện gi điển hình (hình 3) với tr ờng hợp tải trọng gió c c đo n (Tr ờng hợp E-3, gió và s ng tác động c ng h ớng) ở khu v c ven biển S c Trăng (L Văn Quyền, ), xác định đ ợc CSR lớn nhất bằng 0,37. H n 3 Sơ đồ k c t ước trụ tuab n đ ện gió đ ển hình. Nh v y, mô hình tải trọng của tổ hợp tải trọng động tác động l n tháp điện gi điển hình ở khu v c S c Trăng c tần số f < 0,1Hz với kiểu “soft-soft”; ( , - 0,31)Hz với kiểu “soft-stiff” và > 0,67Hz với kiểu “stiff-stiff”; tỷ số ứng suất động lớn nhất CSRmax = 0,37. Khi thí nghiệm ba trục động, các thông số tải trọng cho thí nghiệm cần o quát đ ợc phạm vi tải trọng động có xét tới yếu tố an toàn. M t khác, hiện nay các d án điện gió trên cạn th ờng thiết kế trên móng trọng l c ho c móng cọc (thuộc loại “stiff-stiff”) Do đ , trong th c tế có thể thí nghiệm với các thông số rộng hơn các trị số trên: f = 1 Hz và CSR < 0,4.
. 27 3.2.2. Xác ịnh các thông số th nghiệm khôi phục trạng thái cho ất rời Về m t lý thuyết, để mẫu đất rời đ ợc chế bị đạt độ ch t mong muốn (Dr0), cần xác định một l ợng cát khô (Gdry) cho vào khuôn mẫu có thể t ch V Trong đ , Gdry đ ợc d tính theo công thức sau: ( ) (1) ( ) (2) Với emax, emin t ơng ứng là hệ số r ng lớn nhất và nhỏ nhất của mẫu đất. Tuy nhiên, trong th c tế trạng thái của mẫu đất rời còn phụ thuộc lớn vào ph ơng pháp chế bị, bão hòa và cố kết mẫu. Nghiên cứu th c nghiệm với ba loại cát phân bố ở khu v c S c Trăng (bảng 2, Nguyễn Văn Ph ng, ) cho thấy: ớc chế bị quyết định lớn đến độ ch t; ớc bão hòa khôi phục lại độ ão hò và ớc cố kết khôi phục lại trạng thái ứng suất và độ ch t. Trong đ ph ơng pháp rót khô phù hợp cho mẫu cát xốp, đầm ẩm phù hợp cho mẫu cát ch t, ch t vừa. Bảng 2. Độ chặt của cát đạt được t eo p ươn p áp c ế b , thông số bão hòa và cố kết (Nguyễn ăn P ón , 2022) Ph ơng Bão hòa Cố kết ộ sâu pháp chế cell back c Thay Khối l ợng ộ ch t Ký hiệu mô bị (kPa) (kPa) (kPa) đổi thể thể tích t ơng mẫu phỏng tích, V khô, c đối, Dr (m) (ml) (g/cm3) S1-0 8,5 Rót khô 100 80 60 -1,34 1,377 0,192 S1-1 5,5 Rót khô 110 90 40 -1,83 1,402 0,280 S1-2 7,0 Rót khô 100 80 50 -8,83 1,442 0,290 S1-3 11,5 Rót khô 110 90 80 -1,33 1,424 0,300 S2-1 34,0 ầm ẩm 90 80 240 -1,49 1,572 0,780 S2-2 43,0 ầm ẩm 120 110 300 -1,78 1,579 0,794 S2-3 31,5 ầm ẩm 90 80 220 -33,3 1,518 0,701 STs_1 7,0 ầm ẩm 100 80 50 +0,600 1,453 0,557 STs_2 7,0 ầm ẩm 90 70 50 +0,860 1,462 0,583 STs_3 7,0 ầm ẩm 90 70 50 +0,340 1,454 0,560 Ghi chú: S1 - Cát hạt mịn, cấp phối tốt (amQ22-3); S2 - Cát hạt nhỏ, cấp phối tốt (am, mQ21-2); STs - Cát hạt nhỏ, cấp phối kém (mQ22-32). Theo kết quả trong bảng 2, có thể thấy áp l c ng ợc cần thiết bão hòa mẫu nhỏ nhất bằng 70 kPa (back ≥ 70 kP ) Trong ớc cố kết, th y đổi thể tích (V) của mẫu thể hiện l ợng n ớc vào (+) ho c ra (-). Nếu mẫu đ ợc bão hòa hoàn toàn và có áp l c hiệu quả ở ớc tr ớc (c0) nhỏ hơn áp l c cố kết (c), thì V < 0 khi cố kết Tr ờng hợp mẫu ch ão hò hoàn toàn ho c có c0 lớn hơn c thì thì V > 0. Ở tr ờng hợp thứ nhất (V < 0), mẫu c độ ch t lớn hơn c xu h ớng cần áp l c bão hòa (back) c o hơn Nh v y, để đảm bảo khôi phục lại trạng thái, độ ch t của cát mịn - nhỏ bão hòa, áp l c bão hòa back ≥ 8 kPa cho cát xốp, back ≥ 9 kPa cho cát ch t vừa và back ≥ kPa cho cát ch t. 3.2.3. Xác ịnh biên ộ biến dạng cho th nghiệm sơ ồ B Thí nghiệm ba trục động có hai loại thí nghiệm: (1) Thí nghiệm xác định môđun và hệ số giảm chấn (theo ASTM D3999) và (2) Thí nghiệm xác định độ bền và khả năng h lỏng (theo ASTM D5311). Loại thí nghiệm (1) có thể tiến hành ở khoảng biến dạng tuyến tính (nhỏ hơn tv - mô hình tuyến tính) và phi tuyến (mô hình phi tuyến). Loại thí nghiệm ( ) đ ợc tiến hành theo các cấp (từ 5 đến 7 cấp) ở mức biến dạng phi tuyến (lớn hơn tv) đến biến dạng phá hủy (fl). Do v y, việc xác định thông số i n độ biến dạng () cho thí nghiệm sơ đồ B cần d tr n cơ sở ng ỡng biến dạng thể tích tv và ng ỡng biến dạng phá hủy (fl) của m i loại đất.
28 Ngưỡng biến dạng thể tích tv: Bằng nghiên cứu th c nghiệm, Vucetic M. và cộng s (1994) đã xác định đ ợc quan hệ giữa tv với chỉ số dẻo củ đất (PI) nh h nh 4 Theo đ , đất cát (PI = 0) có tv  , 4 ; đất á sét (7 ≤ PI ≤ 17) có tv = (0,020 - , 35) ; đất sét (PI > 17) có tv > 0,035. Ở Việt Nam, Nguyễn Văn Ph ng ( 4, 6, 8, ) đã xác định đ ợc tv cho một số loại đất nh tổng hợp ở bảng 3. Trong th c tế, các loại đất yếu th ờng có chỉ số dẻo lớn và độ r ng cao n n ng ỡng biến dạng động củ đất yếu th ờng lớn hơn đất loại sét thông th ờng. Ngưỡng biến dạng phá hủy fl: T ơng t ng ỡng biến dạng thể t ch, ng ỡng biến dạng phá hủy c ng phụ thuộc lớn vào chỉ số dẻo. Theo các kết quả nghiên cứu (Li, L., 1996; Matsui, T., 1992) và tổng hợp (hình 5 - Ishihara và Yoshimine, 1992), đất loại sét có fl = (2,5 ÷ 10)% tùy theo PI; đất cát có fl = (3 - 10)%. Kết hợp với một số kết quả nghiên cứu ở Việt Nam (bảng 3), có thể thấy biến dạng phá hủy có thể th y đổi từ đến 10% tùy theo loại đất. Hình 4. Ản ưởng của chỉ số dẻo đến các n ưỡng biến dạn động của đất (Vucetic M., 1994). Bản 3 N ưỡng biến dạng động của một số loạ đất ở Việt Nam (Nguyễn ăn P ón , 20 6 -2022) Ng ỡng biến dạng Biến dạng phá hủy, Loại đất thể tích, tv (%) fl (%) Á sét, dẻo cứng (aQ23tb1) - Hà Nội 0,018 ất dính Sét, dẻo mềm (mQ21-2hh2) - Hà Nội 0,030 2,0 ÷5,0 Á sét, dẻo chảy (albQ23tb1) - Hà Nội 0,025 ất yếu Sét, chảy (lbQ21-2hh1) - Hà Nội 0,036 Sét, dẻo chảy (amQ22-31) - S c Trăng 0,100 4,0 ất rời Cát mịn, ch t vừa (aQ23tb1) - Hà Nội 0,017 3,0 ÷ 4,0 Căn cứ theo kết quả phân tích lý thuyết, nghiên cứu th c nghiệm, kết hợp với các yêu cầu kỹ thu t đ ợc nêu trong các tiêu chuẩn ASTM, i n độ biến dạng cho thí nghiệm ba trục sơ đồ B đ ợc kiến nghị cho ba loại đất và biểu diễn chi tiết trong bảng 4. Bảng 4 Đề xuất lựa chọn b n độ biến dạng (%) cho thí nghiệm ba trục động t eo sơ đồ B Thí nghiệm xác định môđun và hệ số giảm chấn Loại đất Thí nghiệm xác định độ bền và khả (ASTM D3999) năng h lỏng (ASTM D5311) Mô hình tuyến tính Mô hình phi tuyến ất dính < 0,030 0,030 - 0,500* 0,25; 0,50; 1,00; 2,00; 5,00 ất yếu < 0,050 0,050 - 0,500 0,500; 1,00; 2,00; 5,00; 10,00 ất rời < 0,020 0,020 - 0,500 0,25; 0,500; 1,00; 2,00; 5,00; 10,00 Ghi chú: * - Theo ASTM D3999 biên ộ biến dạng nên chọn ≤ 0,500%.
. 29 Hình 5. Biến dạng thể tích khi hóa lỏng tươn ng với hệ số an toàn Fs (Ishihara và Yoshimine, 1992). 4 ết uận và kiến nghị Từ kết quả phân tích lý thuyết và th c nghiệm về cơ sở l a chọn thông số thí nghiệm ba trục động phục vụ công tr nh điện gió, có thể rút ra một số kết lu n và kiến nghị sau: Thí nghiệm ba trục động có hai loại thí nghiệm là thí nghiệm xác định môđun và hệ số giảm chấn và thí nghiệm xác định độ bền và khả năng h lỏng củ đất. Quy trình và thủ tục thí nghiệm đã đ ợc quy định trong hai tiêu chuẩn ASTM D3999 và ASTM D53 , đều gồm bốn ớc: chế bị, bão hòa, cố kết và gia tải. Việc l a chọn các thông số thí nghiệm phụ thuộc vào loại đất và đ c điểm tải trọng động, chúng có vai trò rất quan trọng trong việc đảm bảo kết quả thí nghiệm phù hợp với bài toán th c tế Trong đ , ph ơng pháp chế bị và các thông số bão hòa, cố kết quyết định đến trạng thái và độ ch t củ đất rời; ớc cố kết quyết định đến trạng thái của đất yếu; tần số và i n độ ứng suất (biến dạng) quyết định s phù hợp của mô hình tải trọng động với th c tế. Khi thí nghiệm theo sơ đồ B, i n độ biến dạng phụ thuộc vào ng ỡng biến dạng động của m i loại đất. Khi thí nghiệm ba trục động cho công tr nh điện gió ở n ớc ta, các thông số thí nghiệm ch nh đ ợc kiến nghị sử dụng: 1) Chế bị mẫu cát ch t và ch t vừ d ng ph ơng pháp đầm ẩm; mẫu cát xốp d ng ph ơng pháp rót khô; 2) Áp l c bão hòa ở cấp cuối cùng cần đạt back ≥ 8 kPa cho cát xốp, back ≥ 9 kPa cho cát ch t vừa và back ≥ kPa cho cát ch t; 3) Mô hình tải trọng: f = 1 Hz và CSR < 0,4; 4) Bi n độ biến dạng đ ợc chọn theo bảng 4 t ơng ứng với loại đất và loại thí nghiệm.
30 Tài iệu tha khảo ASTM D 3999, 2013. Standard test method for the Determination of the Modulus and Damping Properties of Soils Using the Cyclic Triaxial Apparatus. Annual Book of ASTM. ASTM D5311, 2004. Standard Test Method for Load Controlled Cyclic Triaxial Strength of Soil. Bhattacharya, S., 2019. Design of foundations for offshore wind turbines. Wiley Online Library. Ishihara K.,2003. Soil Behaviour in Earthquake Geotechnics, Oxford Sience Puplications. Li, L. L., Dan, H.B., and Wang, L.Z, 1996. Undrained behavior of natural marine clay under cyclic loading. Ocean Engineering, 38(16):1792{1805, 1996. Matsui, T., Bahr, M.A., and Abe, N, 1992. Estimation of shear characteristics degradation and stress- strain relationship of saturated clays after cyclic loading. Soils and Foundations, 32(1):161{172, 1992. L Văn Quyền, 2021. Lu n chứng và thiết kế móng cho trụ tua- in điện gi Nhà máy điện gi S c Trăng - Gi i đoạn 1. Lu n văn thạc sỹ kỹ thu t, Tr ờng ại học Mỏ - ịa chất, Hà Nội. Nguyễn Văn Ph ng, 2014. Nghiên cứu đ c tr ng iến dạng động củ đất loại sét hệ tấng Thái Bình phân bố ở khu v c Hà Nội bằng thiết bị ba trục động. Tạp chí khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất, số 45. Nguyễn Văn Ph ng, 2016. Nghiên c u tính chất cơ học của tr m t ch Đệ t phân bố ở khu vực Hà Nội dưới tác dụng của tải trọng ộng. Lu n án tiến sỹ Kỹ thu t địa chất, Tr ờng ại học Mỏ - ịa chất, Hà Nội. Nguyễn Văn Ph ng, 2018. Research on characteristics of cyclic deformation phases of soils distibuted in urban area Hanoi for seismic design. Proceedings of The International conference Vietgeo2018. Nguyễn Văn Ph ng, L Văn Quyền, 2022. Đặc trưng biến dạng ộng của ất yếu amQ2 2-3 1 khu vực V nh Châu t nh Sóc Trăng. Hội nghị toàn quốc Khoa học Trái đất và Tài nguyên với phát triển bền vững (ERSD 2022). Vucetic M., 1994., Cyclic threshold shear strains in soils, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, vol. 120, No. 12. The analysis and selection of cyclic trialxial testing parameters for wind turbines in Vietnam Nguyen Van Phong1,*, Do Hong Thang2 1 Hanoi University of Mining and Geology; 2 Dat Viet Construction survey and design Joint Stock Company *Corresponding author: nvphong.dcct@gmail.com Abstract In recent years, wind power energy has developed strongly in Vietnam. Wind turbines are a type of building with dynamic loads, so the foundation design is related to the dynamic mechanical properties of the soils. The cyclic trialxial test method is commonly used to determine the dynamic mechanical characteristics of the soil. However, the dynamic load of wind turbines has many specific characteristics that different from earthquakes. Therefore, the applying the standards for cyclic triaxial test has many difficulties in choosing the testing parameters. This paper is based on the analysis of theory and experiment to provide technical guidance of cyclic trialxial test that suitable for wind turbines in Vietnam. The content of this paper not only provides testing procedures of ASTM D3999 and ASTM D5311, but also provides technical guidance for testing the soil types: sandy soil, clayey soil and weak soil. In particular, experimental parameters in the steps of preparation, saturation, consolidation and cyclic loading are proposed accordingly for each soil type. Keywords: cyclic Triaxial Test, cyclic deformation, cyclic strength, testing parameters, wind turbines.