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

BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - - NGUYỄN QUANG DŨNG NGHIÊN CỨU RUNG ĐỘNG VÀ BIỆN PHÁP GIẢM RUNG ĐỘNG TRONG NỀN DO KHAI THÁC HỆ THỐNG TÀU ĐIỆN NGẦM Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình đặc biệt Mã số: 62 58 02 06 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2013 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI 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 bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo định số ………./……… , ngày … tháng … năm 2013 Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp tại: Học viện Kỹ thuật Quân vào hồi: …… giờ…… ngày… tháng… năm 2013 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân - Thư viện Quốc gia DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ Nguyễn Quang Dũng, Vũ Đình Lợi (2010), Đánh giá ảnh hưởng rung dối với môi trường khai thác tàu điện ngầm Hà Nội, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, số 136/082010 Nguyễn Quang Dũng, Vũ Đình Lợi (2013), Dự báo rung động khai thác tuyến metro Thành phố Hồ Chí Minh, Tạp chí Giao thơng Vận tải, số tháng 04/2013 Nguyễn Quang Dũng (2013), Ứng dụng phương pháp phổ biên độ Fourier xác định tần số dao động riêng đất, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, chun san tuyển tập cơng trình Hội nghị khoa học nhà nghiên cứu trẻ, số 154/04-2013 Nguyễn Quang Dũng, Phan Thành Trung (2013), Mô tải trọng động đoàn tàu di chuyển đường hầm để phân tích tốn động metro theo mơ hình tốn phẳng, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, số 155/06-2013 Nguyễn Quang Dũng (2013), Sử dụng đệm đàn hồi giảm rung động cho khai thác hệ thống Metro, Tạp chí Giao thông Vận tải, số tháng 07/2013 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Giao thơng ngầm hình thức giao thơng tiên tiến, sử dụng hợp lý không gian ngầm, cho phép giải nhiều vấn đề đô thị lớn giới Ở Việt Nam, đặc biệt Hà Nội TpHCM tiến hành khởi động dự án đường sắt đô thị Khi đưa vào khai thác hệ thống phát sinh rung động gây khó chịu cho dân cư sinh sống hai bên tuyến gây phá hoại kết cấu cơng trình xây dựng xảy cộng hưởng Hiện nước ta chưa có nghiên cứu dự báo rung động biện pháp giảm rung động đất khai thác hệ thống metro trước xây dựng, nhằm phát triển kinh tế quốc dân đôi với việc đảm bảo môi trường sống đô thị Do đề tài “Nghiên cứu rung động biện pháp giảm rung động khai thác hệ thống tàu điện ngầm” luận án đặt vấn đề có ý nghĩa khoa học thực tiễn Mục đích nghiên cứu luận án Nghiên cứu phương pháp, mơ hình, thuật tốn chương trình tính để dự báo mức độ rung động đất tải trọng động đoàn tàu di chuyển hầm biện pháp giảm rung động đệm đàn hồi Phạm vi nghiên cứu luận án - Về kết cấu: Kết cấu cơng trình hầm mơ tả hệ - Về đất: Nền đất mô tả mơ hình đàn dẻo - Về tải trọng: Tải trọng đồn tàu mơ tả dãy trục xe di chuyển hầm có xét đến khuyết tật mặt tiếp bánh xe-ray không xét hệ treo giảm chấn toa xe Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết, sử dụng phương pháp PTHH tiến hành thử nghiệm số tính tốn hệ “tàu điện ngầm – kết cấu hầm – đất” lập trình tính toán số liệu tải trọng động đầu vào Labview Cấu trúc luận án Toàn nội dung luận án trình bày phần mở đầu, chương, phần kết luận, danh mục tài liệu tham khảo Nội dung luận án bao gồm 119 trang, 16 bảng biểu, 81 hình vẽ đồ thị, 85 tài liệu tham khảo, báo khoa học phản ánh nội dung luận án CHƢƠNG I TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Luận án tiến hành tổng quan vấn đề liên quan đến nội dung luận án Từ tổng quan rút nhận xét, đánh sau: - Trong đánh giá rung động, áp dụng khái niệm “cường độ rung”, cường độ rung mô tả thông qua vận tốc phân cấp theo Decibel rung động, ký hiệu VdB để phân biệt với cường độ âm (dB) [7] Các tiêu chuẩn giới rung động áp dụng điều kiện giới hạn rung sau: L max Li [ L] [VdB] (1.1) đó: Li 20 log 10 vi vref [VdB] (1.2) L: Cường độ rung động lớn phát sinh Li : Cường độ rung động khoảng thời gian 1s thứ i [L]: Cường độ rung động giới hạn tiêu chuẩn áp dụng vi : Vận tốc dao động quân phương khoảng 1s thứ i vref : Vận tốc dao động tham chiếu, vref=5.10-8 m/s [77] - Các nghiên cứu tiếp cận tốn theo hướng giải hai mơ hình con: (i) toán tương tác ray-bánh xe để xác định tải trọng xuống sàn hầm (ii) toán tương tác động lực học hầm – - Nhiều nghiên cứu xem môi trường đất lớp với tham số trung bình lớp nhiều lớp đàn hồi tuyến tính Việc quy đổi lớp trung bình đặc tính lớp đất khác nhiều dẫn đến kết chưa phù hợp - Thực tế tải trọng động đoàn tàu phức tạp bị ảnh hưởng nhiều yếu tố liên quan, đến nhiều nghiên cứu đơn giản hóa xem tải trọng đồn tàu hàm điều hịa tần số tính tốn cho trục hay toa xe, dẫn đến việc mô tải trọng chưa sát thực tế Một số nghiên cứu sử dụng kết đo gia tốc hay tải trọng đường ray làm liệu đầu vào để tính tốn, điều áp dụng cho tốn kiểm tra rung động không áp dụng cho toán dự báo rung - Các nghiên cứu tiến hành tính tốn cho dự án khu vực có đất tốt đến tốt việc áp dụng vào điều kiện đất yếu đô thị Việt Nam không phù hợp, đồng thời chưa nghiên cứu ảnh hưởng tham số đất yếu đến cường độ rung động - Các biện pháp giảm rung quan tâm nhiều bố trí đệm đàn hồi sàn hầm Hiện nghiên cứu hiệu giảm rung biện pháp chưa có đánh giá tổng quát hiệu giảm rung theo phương án bố trí đệm đàn hồi Từ nhận xét, đánh giá trên, tác giả lựa chọn đề tài, xác định mục đích, nội dung, phương pháp phạm vi nghiên cứu luận án trình bày phần mở đầu CHƢƠNG II PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THAM SỐ ĐỘNG CỦA NỀN ĐẤT 2.1 Các tham số động đất tổng quan phƣơng pháp xác định Để giải tốn mà luận án đặt cần có tham số động đất Luận án tổng quan phương pháp thí nghiệm xác định tiêu động đất giới phân tích điều kiện áp dụng Việt Nam Qua phân tích nhận thấy, điều kiện Việt Nam hạn chế vốn đầu tư thiết bị, hạn chế trình độ chun mơn, hạn chế tay nghề thiếu tiêu chuẩn hướng dẫn thí nghiệm tiêu động đất Nhằm giải toán thực tiễn phát sinh điều kiện khó khăn, luận án áp dụng phương pháp xác định tham số động theo công thức thực nghiệm Andrus [66] nghiên cứu năm 2003 xác định vận tốc truyền sóng cắt vs từ kết thí nghiệm trường SPT, CPT; Ishibashi I., Zhang J., [50], [56], [72] xác định tỷ số cản 2.2 Phƣơng pháp xác định tham số động đất theo công thức thực nghiệm * Xác định v s từ kết thí nghiệm CPT [66] Phương trình xác định vận tốc truyền sóng cắt vS từ kết thí nghiệm CPT cho đất nói chung phụ thuộc vào sức kháng mũi xuyên (qc -kPa), hệ số ứng xử đất (Ic) hệ số địa tầng (ASF) tương ứng với độ sâu thí nghiệm Z(m) thể bảng 2.3 Bảng 2.3 Quan hệ v S CPT (qc -kPa) theo Andrus (2003) [66] Ic v S (m/s) Phƣơng trình , 342 , 688 , 092 Tất (2.7) vS 4,63qc I c Z ASF 2.60 vS 8,27qc , 285 0,208qc Ic , 654 I , 406 1, 910 c Z 0,122 ASF Z ,108 ASF (2.8) (2.9) Hệ số địa tầng ASF phụ thuộc vào hệ số ứng xử đất (I c) độ sâu thí nghiệm Z(m), tra bảng 2.4 Hệ số ứng xử đất (Ic) phụ thuộc hệ số sức kháng mũi (Q), hệ số sức kháng ma sát bên (F), tính theo cơng thức sau: Ic 3,47 logQ đó: Q F , v qc pa fs pa , v 1,22 log F 0,5 (2.10) n (2.11) 100% (2.12) , qc v fs : Sức kháng ma sát đơn vị thành lỗ xuyên qc : Sức kháng mũi 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 tốn hệ số ứng xử đất Hệ số ứng xử đất Ic xác định theo chu trình [66] sau: 1) Tính Ic theo (2.10) với n=1 giá trị Ic= Ic1 ; 2) Nếu Ic1 > 2,6; sử dụng kết Ic = Ic1 ; 3) Nếu Ic1 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 Ic ASF v s (m/s) Các loại Tất 1,00 60 260 Holocen Cát sạch, cát bùn 2,60 1,00 60 230 Các loại Tất 1,23 130 300 Pleistocen Cát sạch, cát bùn 2,60 1,16 130 250 v.v .v.v .v.v .v.v .v.v * Xác định tỷ số cản theo công thức thực nghiệm Việc xác định xác xét đến tất yếu tố ảnh hưởng đến tỷ số cản việc khó khăn Năm 1993, Ishibashi Zhang [50], [56] đề xuất công thức kinh nghiệm xác định sau: e 0,333 , 0145 PI 1, G 0,586 Gmax 1,547 G Gmax (2.13) đó: G m ( , PI ) mo K , PI m (2.14) Gmax PI: Chỉ số dẻo đất (%) : Biên độ biến dạng cắt trung bình (%) m: Ứng suất nén có hiệu đất (kPa) Các hàm số khơng đơn vị công thức (2.14) xác định chi tiết theo hướng dẫn [50], [56] 2.3 Thử nghiệm số xác định tham số động đất tuyến metro số - TpHCM Áp dụng phương pháp xác định tham số động theo công thức thực nghiệm, tính tốn tốc độ truyền sóng cắt từ kết thí nghiệm CPT cho đất tuyến metro số – TpHCM Kết tính tốn cụ thể cho hai vị trí đại diện tuyến, vị trí Km 0+940 (vị trí có độ sâu hầm nhỏ điều kiện địa chất tốt tuyến) vị trí Km 6+700 (vị trí có độ sâu hầm lớn có lớp đất yếu dày tuyến), kết tính tốn thể bảng 2.6 bảng 2.7 Bảng 2.6 Kết xác định vận tốc truyền sóng cắt tỷ số cản Km0+940 Bảng 2.7 Kết xác định vận tốc truyền sóng cắt tỷ số cản Km6+700 Nhận xét: - Trong phương pháp tính tốn sử dụng kết thí nghiệm trường CPT niên đại địa tầng báo cáo khảo sát tổng hợp khu vực TpHCM: Các số liệu có độ tin cậy; - Hai khu vực so sánh khảo sát vùng đồng ven biển: Hai khu vực có tương tự vị trí địa lý; - Niên đại hình thành địa tầng khu vực TpHCM chủ yếu Holocen Pleistocen [3], cịn South Carolina ngồi Holocen, Pleistocen cịn có niên đại Đệ tam: Hai khu vực có tương tự tuổi địa tầng; - So sánh kết thực nghiệm xác định tốc độ sóng đất sét, bão hịa nước TpHCM công bố [11] 100 m/s với kết tính tốn cho lớp sét bão hịa tính tốn bảng 2.7 (lớp 1) vS=103,01m/s: Kết tính toán phù hợp với thực nghiệm; Qua phân tích trên, việc áp dụng cơng thức thực nghiệm phù hợpvà có độ tin cậy để áp dụng CHƢƠNG NGHIÊN CỨU RUNG ĐỘNG CỦA NỀN ĐẤT DO KHAI THÁC HỆ THỐNG TÀU ĐIỆN NGẦM 3.1 Đặt tốn giả thiết tính tốn Khảo sát hệ kết cấu – môi trường làm việc theo sơ đồ biến dạng phẳng (hình 3.1), với giả thiết sau: - Vật liệu kết cấu làm việc giai đoạn đàn hồi - Nền đất đàn - dẻo, tính chất học thay đổi theo Hình 3.1 Mơ hình tốn lớp lớp xem hệ chịu tác dụng tải trọng động tàu điện ngầm không đổi - Chuyển vị biến dạng điểm hệ kết cấu – môi trường nhỏ - Khi chịu tải, điều kiện liên tục chuyển vị thoả mãn bề mặt tiếp xúc lớp bề mặt tiếp xúc kết cấu tức không xảy trượt tách tương đối - Hệ kết cấu mơi trường làm việc điều kiện tốn phẳng Đồng thời xem hệ chịu rung động có tải trọng lưu thơng đến vị trí nghiên cứu 3.2 Cơ sở phƣơng pháp phần tử hữu hạn phân tích toán tƣơng tác kết cấu biến dạng chịu tải trọng động Dưới tác dụng tải trọng động, phương trình vi phân chuyển động hệ vật liệu đàn hồi sau [9], [23], [73], [74]: 10 tính tốn cho trường hợp có khơng có bố trí giảm rung đệm đàn hồi đường ray Giao diện chương trình thể hình 3.8, đoạn code chương trình thể hình 3.10 Hình 3.8 Giao diện mơ đun chương trình DLT Hình 3.10 Một đoạn code chương trình Labview cho mơ đun 01 3.3.3 Xác định tần số dao động riêng nhiều lớp Plaxis Plaxis khơng có mơ đun tính tốn tần số dao động riêng mơ hình nhằm xác định ma trận cản, phải áp dụng phương pháp phổ biên độ Fourier cần thiết sử dụng gói phần mềm để phân tích tốn động lực học có xét đến cản đất 11 Áp dụng tính tốn tần số dao động riêng cho hai vị trí Km0+940 Km6+700 với tham số động xác định bảng 2.6 2.7 Sử dụng tham số tối ưu theo kiến nghị [19], [31], [32] đánh giá ảnh hưởng nhiều lớp, tỷ số cản đến kết tốn Kết tính tốn cụ thể cho hai vị trí sau: - Km0+940: f1 =1,37Hz f2 =3,52Hz - Km6+700: f1 =1,17Hz f2 =2,73Hz 3.4 Dự báo rung động khai thác tàu điện ngầm TpHCM 3.4.1 Xác định sơ đồ bố trí tải trọng động kích thƣớc mơ hình Dự báo rung động cho hai vị trí tuyến metro số – TpHCM có lý trình Km0+940 Km6+700 Tải trọng động đoàn tàu Metropolis 98[55] tham số khác chi tiết mục 3.4.2 luận án Theo tính tốn, sơ đồ tải trọng bất lợi trường hợp tải trọng đối xứng (hai đồn tàu lưu thơng ngược chiều hai ống hầm gặp vị trí tính tốn), luận án tất tính tốn thử nghiệm số tính tốn cho trường hợp tải trọng đối xứng trường hợp bất lợi cường độ rung số 6–TpHCM [2] 12 Km6+700 tuyến số 6-TpHCM [2] 3.4.2 Cƣờng độ rung động theo phƣơng ngang Km0+940 Km 6+700 tuyến metro số – TpHCM Tính tốn cường độ rung động theo phương ngang tuyến metro số với tải trọng đoàn tàu Metropolis 98 cấu tạo đường ray có thơng số mục 3.3.2 phần mềm DLT Đường ray có độ sâu khuyết tật 0,3mm bước sóng khuyết tật ngẫu nhiên tính theo tần số đại diện dải tần số ngẫu nhiên 8Hz, 16Hz, 31,5Hz, 63Hz t đất theo phương ngang, Km0+940, V=80km/h 13 phương ngang, Km6+700, V=80km/h Nhận xét: - Theo kết tính, vị trí tính tốn cường độ rung vượt mức cho phép (75VdB) [13], [43], [75], [77], cụ thể Km0+940 17,86VdB Km6+700 15,51VdB, cần phải có biện pháp giảm rung Theo FTA (2006) [43], vị trí nghiên cứu có vmax