tóm tắt nghiên cứu rung động và biện pháp giảm rung động trong nền do khai thác hệ thống tàu điện ngầm

Nguyễn Quang Dũng 2013, Ứng dụng phương pháp phổ biên độ Fourier xác định tần số dao động riêng của nền đất, Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, chuyên san tuyển t

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÕNG

Người hướng dẫn khoa học:

GS.TS Vũ Đình Lợi

Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Mạnh Yên

Đại học Xây dựng Hà Nội

Phản biện 2: GS.TSKH Nguyễn Văn Quảng

Đại học Kiến Trúc Hà Nội

Phản biện 3: GS.TSKH Nguyễn Đông Anh

Viện Cơ học

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo quyết định số ………./……… , ngày … tháng … năm 2013 của Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp tại: Học viện Kỹ thuật Quân sự vào hồi: …… giờ…… ngày… tháng… năm 2013

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân sự

- Thư viện Quốc gia

1 Nguyễn Quang Dũng, Vũ Đình Lợi (2010), Đánh giá ảnh hưởng

rung dối với môi trường do khai thác tàu điện ngầm Hà Nội, Tạp

chí Khoa học và Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, số

136/08-2010

2 Nguyễn Quang Dũng, Vũ Đình Lợi (2013), Dự báo rung động nền

do khai thác các tuyến metro Thành phố Hồ Chí Minh, Tạp chí

Giao thông Vận tải, số tháng 04/2013

3 Nguyễn Quang Dũng (2013), Ứng dụng phương pháp phổ biên độ

Fourier xác định tần số dao động riêng của nền đất, Tạp chí Khoa

học và Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, chuyên san tuyển tập công trình Hội nghị khoa học các nhà nghiên cứu trẻ, số

154/04-2013

4 Nguyễn Quang Dũng, Phan Thành Trung (2013), Mô phỏng tải

trọng động đoàn tàu di chuyển trong đường hầm để phân tích bài toán động của metro theo mô hình bài toán phẳng, Tạp chí Khoa

học và Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, số 155/06-2013

5 Nguyễn Quang Dũng (2013), Sử dụng đệm đàn hồi giảm rung

động cho nền khi khai thác hệ thống Metro, Tạp chí Giao thông

Vận tải, số tháng 07/2013

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Giao thông ngầm là một hình thức giao thông tiên tiến, sử dụng hợp lý không gian ngầm, cho phép giải quyết nhiều vấn đề của các đô thị lớn trên thế giới Ở Việt Nam, đặc biệt là Hà Nội và TpHCM đã tiến hành khởi động các dự án đường sắt đô thị Khi đưa vào khai thác hệ thống này sẽ phát sinh rung động gây khó chịu cho dân cư sinh sống hai bên tuyến và có thể gây phá hoại kết cấu của công trình xây dựng nếu xảy ra cộng hưởng

Hiện nay ở nước ta chưa có các nghiên cứu về dự báo rung động

và biện pháp giảm rung động trong nền đất khi khai thác hệ thống metro trước khi xây dựng, nhằm phát triển kinh tế quốc dân đi đôi

với việc đảm bảo môi trường sống đô thị Do vậy đề tài “Nghiên cứu

rung động và biện pháp giảm rung động trong nền do khai thác hệ thống tàu điện ngầm” luận án đặt ra cho đến nay đang là vấn đề có ý

nghĩa khoa học và thực tiễn

Mục đích nghiên cứu của luận án

Nghiên cứu phương pháp, mô hình, thuật toán và chương trình tính để dự báo mức độ rung động của nền đất do tải trọng động của đoàn tàu di chuyển trong hầm và biện pháp giảm rung động bằng đệm đàn hồi

Phạm vi nghiên cứu của luận án

- Về kết cấu: Kết cấu công trình hầm được mô tả là hệ thanh

- Về nền đất: Nền đất được mô tả bằng mô hình đàn dẻo

- Về tải trọng: Tải trọng đoàn tàu được mô tả là một dãy trục xe di chuyển trong hầm có xét đến khuyết tật của mặt tiếp bánh xe-ray và không xét hệ treo giảm chấn của toa xe

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết, sử dụng phương pháp PTHH tiến hành thử nghiệm số tính toán hệ “tàu điện ngầm – kết cấu hầm – nền đất” và lập trình tính toán số liệu tải trọng động đầu vào trong Labview

Cấu trúc của luận án

Toàn bộ nội dung luận án được trình bày trong phần mở đầu, 4 chương, phần kết luận, danh mục các tài liệu tham khảo Nội dung

luận án bao gồm 119 trang, 16 bảng biểu, 81 hình vẽ và đồ thị, 85 tài

liệu tham khảo, 5 bài báo khoa học phản ánh nội dung của luận án

CHƯƠNG I TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Luận án đã tiến hành tổng quan về các vấn đề liên quan đến nội

dung của luận án Từ tổng quan rút ra các nhận xét, đánh giá như sau:

- Trong đánh giá rung động, áp dụng khái niệm “cường độ rung”,

cường độ rung được mô tả thông qua vận tốc và được phân cấp theo

Decibel rung động, ký hiệu là VdB để phân biệt với cường độ âm

thanh (dB) [7] Các tiêu chuẩn trên thế giới về rung động áp dụng

điều kiện giới hạn rung như sau:

][max L L

trong đó:

ref

i i

v

v

L 20log10 [VdB] (1.2) L: Cường độ rung động lớn nhất phát sinh

Li: Cường độ rung động tại khoảng thời gian 1s thứ i

[L]: Cường độ rung động giới hạn trong tiêu chuẩn áp dụng

vi : Vận tốc dao động căn quân phương tại khoảng 1s thứ i

vref : Vận tốc dao động tham chiếu, vref=5.10-8m/s [77]

- Các nghiên cứu đã tiếp cận bài toán theo hướng giải quyết hai

mô hình con: (i) bài toán tương tác ray-bánh xe để xác định tải trọng

xuống sàn hầm và (ii) bài toán tương tác động lực học hầm – nền

- Nhiều nghiên cứu xem môi trường đất là một lớp với các tham

số là trung bình của các lớp hoặc nhiều lớp đàn hồi tuyến tính Việc

quy đổi về 1 lớp trung bình khi đặc tính các lớp đất khác nhau nhiều

sẽ dẫn đến kết quả chưa phù hợp

- Thực tế tải trọng động của đoàn tàu là rất phức tạp và bị ảnh

hưởng của nhiều yếu tố liên quan, đến nay nhiều nghiên cứu đã đơn

giản hóa xem tải trọng đoàn tàu là hàm điều hòa 1 tần số và tính toán

cho 1 trục hay 1 toa xe, dẫn đến việc mô phỏng tải trọng chưa sát

thực tế Một số nghiên cứu sử dụng kết quả đo gia tốc hay tải trọng

tại đường ray làm dữ liệu đầu vào để tính toán, điều này chỉ áp dụng cho bài toán kiểm tra rung động chứ không áp dụng cho bài toán dự báo rung

- Các nghiên cứu này đã tiến hành tính toán cho dự án tại khu vực

có nền đất khá tốt đến tốt vì vậy việc áp dụng vào điều kiện đất yếu

đô thị Việt Nam sẽ không phù hợp, đồng thời cũng chưa nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số của đất yếu đến cường độ rung động

- Các biện pháp giảm rung đang được quan tâm nhiều hiện nay là

bố trí đệm đàn hồi trong sàn hầm Hiện nay các nghiên cứu hiệu quả giảm rung của biện pháp này chưa có đánh giá tổng quát hiệu quả giảm rung theo các phương án bố trí đệm đàn hồi

Từ các nhận xét, đánh giá trên, tác giả đã lựa chọn đề tài, xác định mục đích, nội dung, phương pháp và phạm vi nghiên cứu của luận án như đã trình bày trong phần mở đầu

CHƯƠNG II PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP

Qua phân tích nhận thấy, điều kiện Việt Nam là hạn chế về vốn đầu tư thiết bị, hạn chế về trình độ chuyên môn, hạn chế về tay nghề

và còn thiếu các tiêu chuẩn hướng dẫn thí nghiệm các chỉ tiêu động của nền đất Nhằm giải quyết các bài toán thực tiễn hiện nay phát sinh trong điều kiện khó khăn, luận án đã áp dụng phương pháp xác định các tham số động theo công thức thực nghiệm của Andrus [66] nghiên cứu năm 2003 là xác định vận tốc truyền sóng cắt vs từ kết quả thí nghiệm hiện trường SPT, CPT; của Ishibashi I., Zhang J., [50], [56], [72] xác định tỷ số cản

2.2 Phương pháp xác định tham số động của nền đất theo công thức thực nghiệm

* Xác định v s từ kết quả thí nghiệm CPT [66]

Phương trình xác định vận tốc truyền sóng cắt vS từ kết quả thí nghiệm CPT cho đất nói chung phụ thuộc vào sức kháng mũi xuyên (qc -kPa), hệ số ứng xử của đất (Ic) và hệ số địa tầng (ASF) tương ứng với từng độ sâu thí nghiệm Z(m) thể hiện trong bảng 2.3

Bảng 2.3 Quan hệ của v S và CPT (qc -kPa) theo Andrus (2003) [66]

Tất cả v S q c0 , 342I c0 , 688Z0 , 092ASF

63,

<2.05 v S q c0 , 285I c0 , 406Z0 , 122ASF

27,

>2.60 v S q c0 , 654I c1 , 910Z 0 , 108ASF

208,

Hệ số địa tầng ASF phụ thuộc vào hệ số ứng xử của đất (Ic) tại từng độ sâu thí nghiệm Z(m), được tra bảng 2.4

Hệ số ứng xử của đất (Ic) phụ thuộc hệ số sức kháng mũi (Q), hệ

số sức kháng ma sát bên (F), được tính theo công thức sau:

5 , 0 2 2

log22,1log

47,

v c

qc : Sức kháng mũi trong thí nghiệm CPT

pa = 100kPa: Ứng suất tham chiếu

’v: Ứng suất có hiệu thẳng đứng (kPa)

n =0,5 1: Số mũ phụ thuộc vào chu trình tinh toán hệ số ứng

xử của đất

Hệ số ứng xử của đất Ic được xác định theo chu trình [66] như sau: 1) Tính Ic theo (2.10) với n=1 được giá trị Ic= Ic1;

2) Nếu I > 2,6; sử dụng kết quả I = I ;

3) Nếu Ic1<2,6; tính lại Ic theo (2.10) với n=0,5 được giá trị Ic=Ic2;

- Nếu Ic2< 2,6; sử dụng kết quả Ic=Ic2 đã tính với n=0,5;

- Nếu Ic2> 2,6; tính lại Ic theo (2.10) với n=0,7;

4) Kết thúc chu trình

Bảng 2.4 Bảng tra ASF cho thí nghiệm CPT theo Andrus (2003) [66]

Loại địa tầng, vị trí Loại đất I c ASF v s (m/s)

Holocen

Đồng bằng ven biển

Các loại Cát sạch, cát bùn Sét, bùn sét

Tất cả

<2,05

>2,60

1,00 1,00 1,00

60 260

110 260

60 230 Pleistocen

Đồng bằng ven biển

Các loại Cát sạch, cát bùn Sét, bùn sét

Tất cả

<2,05

>2,60

1,23 1,34 1,16

130 300

160 300

130 250

* Xác định tỷ số cản theo công thức thực nghiệm

Việc xác định chính xác và xét đến tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến tỷ số cản là một việc khó khăn Năm 1993, Ishibashi và Zhang [50], [56] đã đề xuất công thức kinh nghiệm xác định như sau:

1547

,1586

,0.2

max

0145 ,

0 1,3

G

G G

PI K

PI: Chỉ số dẻo của đất (%)

: Biên độ biến dạng cắt trung bình (%)

m: Ứng suất nén có hiệu của đất (kPa)

Các hàm số không đơn vị trong công thức (2.14) được xác định chi tiết theo hướng dẫn trong [50], [56]

2.3 Thử nghiệm số xác định các tham số động nền đất tuyến metro số 6 - TpHCM

Áp dụng phương pháp xác định tham số động của nền theo công thức thực nghiệm, tính toán tốc độ truyền sóng cắt từ kết quả thí nghiệm CPT cho nền đất tuyến metro số 6 – TpHCM Kết quả tính

toán cụ thể cho hai vị trí đại diện của tuyến, vị trí Km 0+940 (vị trí có

độ sâu hầm là nhỏ nhất và điều kiện địa chất tốt nhất tuyến) và vị trí

Km 6+700 (vị trí có độ sâu hầm là lớn nhất và có lớp đất yếu dày nhất trên tuyến), kết quả tính toán thể hiện trên bảng 2.6 và bảng 2.7

- Hai khu vực so sánh khảo sát là vùng đồng bằng ven biển: Hai khu vực có sự tương tự về vị trí địa lý;

- Niên đại hình thành địa tầng của khu vực TpHCM chủ yếu là Holocen và Pleistocen [3], còn South Carolina ngoài Holocen, Pleistocen còn có cả niên đại Đệ tam: Hai khu vực có sự tương tự về

tuổi địa tầng;

- So sánh kết quả thực nghiệm xác định tốc độ sóng trong đất sét, bão hòa nước tại TpHCM đã công bố trong [11] là 100 m/s với kết quả tính toán cho lớp sét bão hòa đã tính toán trong bảng 2.7 (lớp 1)

là vS=103,01m/s: Kết quả tính toán là phù hợp với thực nghiệm; Qua các phân tích ở trên, việc áp dụng các công thức thực nghiệm

ở trên là phù hợpvà có độ tin cậy để áp dụng

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU RUNG ĐỘNG CỦA NỀN ĐẤT

DO KHAI THÁC HỆ THỐNG TÀU ĐIỆN NGẦM 3.1 Đặt bài toán và các giả thiế t tính toán

Khảo sát hệ kết cấu – môi

trường làm việc theo sơ đồ biến

dạng phẳng (hình 3.1), với các giả

thiết sau:

- Vật liệu của kết cấu làm việc

trong giai đoạn đàn hồi

- Nền đất là đàn - dẻo, các tính

chất cơ học của nền thay đổi theo

từng lớp nhưng trong một lớp xem

- Hệ kết cấu và môi trường làm việc trong điều kiện bài toán phẳng Đồng thời xem hệ chỉ chịu rung động khi có tải trọng lưu thông đến vị trí nghiên cứu

3.2 Cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn phân tích bài toán tương tác giữa kết cấu và nền biến dạng chịu tải trọng động

Dưới tác dụng của tải trọng động, phương trình vi phân chuyển động của hệ khi vật liệu là đàn hồi như sau [9], [23], [73], [74]:

R U K U C U

Khi đó

hệ phương trình vi phân (3.7) được viết lại như sau:

R U U K U U C U

Sau khi giải các phương trình này được chuyển vị nút của các phần tử và sử dụng các quan hệ của PTHH ta sẽ tính được nội lực, biến dạng và ứng suất trong mỗi phần tử Luận án sử dụng phần mềm Plaxis để giải phương trình (3.8) với mô hình nền đất là đàn dẻo

3.3 Nghiên cứu rung động bằng phần mềm xác định tải trọng động tàu điện ngầm (DLT) và gói phần mềm PLAXIS

Luận án đề xuất trình tự giải quyết bài toán dự báo rung động bằng Plaxis thể hiện trên sơ đồ hình 3.2 Thực chất sơ đồ hình 3.2 dựa trên việc giải quyết bài toán cho hai bài toán con: (1) Xác định tải trọng động đoàn tàu tác dụng xuống sàn hầm bằng phần mềm DLT do tác giả xây dựng và (2) Giải bài toán tương tác kết cấu vỏ hầm - nền đất thực hiện trên gói phần mềm Plaxis

Hình 3.2 Sơ đồ khối giải bài toán dự báo rung động trong nền

do khai thác hệ thống tàu điện ngầm bằng gói phần mềm Plaxis

3.3.1 Phân tích lựa chọn mô hình nền áp dụng cho nền đất

TpHCM

Luận án đã phân tích đặc điểm các mô hình trong Plaxis và đặc

điểm nền đất khu vực TpHCM và đề xuất sử dụng mô hình đàn dẻo

Mohr-Coulomb cho các lớp đất, riêng lớp đất 1 là lớp đất yếu nên sử

dụng mô hình Cam-Clay cải biên

3.3.2 Nghiên cứu mô phỏng tải trọng động và xây dựng phần

mềm xác định tải trọng động của đoàn tàu lưu thông

trong hầm (DLT)

Tải trọng trục xe được xem là lực tác dụng từ đường ray xuống

sàn hầm, kết cấu đường ray không có đá balát được xem là đàn hồi

và có khả năng chống uốn Khi đó áp dụng lý thuyết dầm liên tục

Bernoulli-Euler trên nền đàn hồi và tải trọng đặt tại vị trí z=0 (trục z

là trục dọc theo tim đường ray) Hàm phân bố lực thẳng đứng (z)

do trục xe có trọng lượng P=1 [22], [48]:

z z

e z

z

sincos

2

1)

trong đó:

EI: Độ cứng chống uốn của ray

S: Mô đun đàn hồi của nền

Hình 3.5 Sơ đồ tải trọng của 1 trục xe tác

dụng lên ray theo Bernoulli-Euler

Hình 3.6 Đồ thị hàm (z) của 1 trục xe P=1

Mở rộng cho trường hợp đoàn tàu có N toa xe và mỗi toa có n trục

xe, và sử dụng nguyên lý cộng tác dụng và chứng minh được công

thức hàm tải trọng theo thời gian Trên cơ sở lý thuyết dầm liên tục

Bernoulli-Euler trên nền đàn hồi, lập thành phần mềm mô phỏng tải

trọng động đoàn tàu theo thời gian bằng ngôn ngữ Labview 2011 đặt

tên là “Dynamic Loading on Tunnel – DLT” Chương trình có khả

4 4

S EI

năng tính toán cho 5 trường hợp có và không có bố trí giảm rung bằng đệm đàn hồi trong đường ray Giao diện chính của chương trình thể hiện trên hình 3.8, một đoạn code chương trình thể hiện trên hình 3.10

Hình 3.8 Giao diện mô đun chính của chương trình DLT

Hình 3.10 Một đoạn code chương trình trong Labview cho mô đun 01

3.3.3 Xác định tần số dao động riêng của nền nhiều lớp bằng Plaxis

Plaxis không có mô đun tính toán tần số dao động riêng của mô hình nhằm xác định ma trận cản, chính vì vậy phải áp dụng phương pháp phổ biên độ Fourier là cần thiết khi sử dụng gói phần mềm này

để phân tích bài toán động lực học có xét đến cản của nền đất

Áp dụng tính toán tần số dao động riêng cho hai vị trí Km0+940

và Km6+700 với các tham số động của nền đã xác định trong bảng 2.6 và 2.7 Sử dụng các tham số tối ưu theo kiến nghị trong [19], [31], [32] và đánh giá ảnh hưởng của nền nhiều lớp, của tỷ số cản đến kết quả bài toán Kết quả tính toán cụ thể cho hai vị trí như sau:

- Km0+940: f1=1,37Hz và f2=3,52Hz

- Km6+700: f1=1,17Hz và f2=2,73Hz

3.4 Dự báo rung động của nền do khai thác tàu điện ngầm TpHCM 3.4.1 Xác định sơ đồ bố trí tải trọng động và kích thước mô hình

Dự báo rung động cho hai vị trí trên tuyến metro số 6 – TpHCM

có lý trình Km0+940 và Km6+700 Tải trọng động của đoàn tàu Metropolis 98[55] và các tham số khác được chi tiết tại mục 3.4.2 của luận án Theo tính toán, sơ đồ tải trọng bất lợi nhất là trường hợp tải trọng đối xứng (hai đoàn tàu lưu thông ngược chiều nhau trong hai ống hầm và gặp nhau tại vị trí tính toán), do đó trong luận án tất cả các tính toán thử nghiệm số được tính toán cho trường hợp tải trọng đối xứng là trường hợp bất lợi nhất về cường độ rung

số 6–TpHCM [2]