BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
HUTECH University
HUỲNH NGỌC CƯ
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
Bà Oia
University
HUYNH NGOC CU
MO PHONG VA PHAN TIiCH HE KET CAU BAO VỆ CHONG LAI HIEN TUQNG DA LAN TAI
CAC SUON DOI NUI CO DO DOC LON BANG
LS-DYNA
LUẬN VẤN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã ngành:60580208
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.TRẢN VĂN PHÚC
TP HO CHÍ MINH, tháng ÊÌ năm 2015
Trang 3CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa hoc: TS TRAN VAN PHUC — an Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP.HCM ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 | PGS.TS Võ Phán Chủ tịch
2 | TS Dao Dinh Nhan Phản biện |
3 | TS Luong Van Hai Phan bién 2
4 | PGS.TS Duong Héng Tham Uy vién
5 | TS Truong Quang Thanh Uy vién, Thu ky
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa
chữa (nếu có)
Trang 4TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH - ĐTSĐH Độc lập —- Tự do - Hạnh phúc
TP HCM ngày:⁄Š tháng (năm 2014 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: HUỲNH NGỌC CƯ Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 02/02/1987 Nơi sinh: Vũng Tàu Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình MSHV: 1241870004
I Tén dé tai:
Mô phỏng và phân tích hệ kết cấu bảo vệ chống lại hiện tượng đá lăn tại
các sườn đồi núi có độ dốc lớn bằng LS-DYNA
H Nhiệm vụ và nội dung:
1 Tìm hiểu và tổng hợp các nghiên cứu các giải pháp bảo vệ chống lại hiện
tượng sạt lở đá ở Việt Nam và trên thế giới
2 Xây dựng mô hình hệ kết cấu bảo vệ chống lại đá lăn bằng LS-DYNA 3 Xác định mức năng lượng phù hợp cho hệ kết cấu
4 Phân tích ứng xử hệ kết cấu bảo vệ
HH Ngày giao nhiệm vụ: 25/06/2014
Trang 5LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn “Mô phỏng và phân tích hệ kết cấu bảo vệ chống
lại hiện tượng đá lăn tại các sườn đồi núi có độ dốc lớn bằng LS-DYNA” là công
trình do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Trần Văn Phúc
Các số liệu, kết quả trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn đã được
cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc Học viên thực hiện Luận văn
it
Trang 61
LỜI CẢM ƠN
Trước khi trình bày luận văn, em xin chân thành gửi đến thầy TS Trần Văn Phúc lời cảm ơn sâu sắc nhất! Cảm ơn thầy đã định hướng đề tài và hết lòng giúp đỡ
đề em có thể hoàn thành tốt luận văn này
Em cũng xin gửi lời tri ân đến các thầy cô Trường Đại học Công Nghệ TPHCM, đặc biệt là phòng sau đại học và Khoa Xây Dựng, đã dạy dỗ, truyền đạt cho em những kiến thức rất bổ ích trong suốt thời gian học vừa qua
Cảm ơn các bạn học viên cao học lớp 12SXD2I và bạn bè gần xa đã luôn khuyến khích, động viên, và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn Đặc biệt
là KS Đỗ Văn Trình đã luôn chia sẽ và hết lòng giúp đỡ tơi hồn thành luận văn này Tôi xin gửi lời cảm ơn đên cơ quan, gia đình đã luôn động viên, tạo điêu kiện thuận lợi nhất để tôi có thể hoàn thành tốt khóa học trong suôt mây năm vừa qua
Một lân nữa tôi xin chân thành cảm ơn!
TPHCM ngày <{ tháng] È- năm 2015
Học viên thực hiện
—
Trang 7ili
TOM TAT
Sạt lở đá là một thảm họa tự nhiên nghiêm trong ở những vùng rừng núi trên toàn thế giới Chúng đang xảy ra ngày càng phổ biến, đe đọa tính mạng con người và gây
hư hại trên những đường cao tốc gần núi hoặc những đường ray xe lửa, thậm chí là
các tòa nhà và khu dân cư Mặc dù chỉ là những thảm họa trong một thời gian và
không gian nhỏ nhưng chúng đã để nhiều thiệt hại về người và tài sản
Hiện tại, có rất nhiều hệ kết cầu chống lại hiện tượng đá lăn, tuy nhiên hệ kết cầu
bằng lưới cáp thép vẫn có ưu thế hơn và được sử dụng nhiều trên thế giới
Trong nghiên cứu này sử dụng mô hình số để mô phỏng hệ kết cấu bảo vệ bằng cột thép, cáp thép, lưới thép Những kết quả đạt được sẽ đánh giá đúng ứng xử thực tế của kết cầu và đảm bảo độ tin cậy của kết quả Đây là một phương pháp đơn giản
không tốn nhiều thời gian và chi phí nhưng đạt được hiệu quả cao Nội dung dé tai sẽ
tập trung vào việc mô phỏng và phân tích hệ kết cấu bảo vệ bằng phần mềm LS-
Trang 8iv
ABSTRACT
Rockfall is a serious natural disaster of mountainous area It has been happening more regularly, threatening human beings and causing significant damages to mountain-highways and railways, and even buildings Although the rockfall hazards have just occurred for a short time and small area, their effects resulted in much damage to people and properties
Currently, there are a lot of effective structural systems against the rockfall phenomenon However, a configuration of pocket-type rockfall protective cable-net barrier, known as a long-span structure supported with a steel mesh, is still more dominant and widely used around the world
The global performance of this existing system was initially tested by a typical experimental model, and then a numerical modelling that is reliable and simple was used to study this new system The numerical results will evaluate exactly the actual behavior of the structure and ensure the reliability Finally, a simple analytical model including linear and non-linear analysis, lumped-mass, single-degree-of-freedom (SDOF) system, primarily capable of predicting the displacement response, was based on the energy platform and the main linear momentum In this thesis, simulating and analyzing the protective structure using LS-DYNA software were
Trang 9MỤC LỤC U09.) 02910277 II i LOI CAM ON cesessssssssccsssscscssssecessssscsssnesessssssuecssssuveesersuusscarsuusessersueesersuecssrssseseessaveees ii II9.6V.vw iii 0900 9222 Vv DANH MUC BANG BIEU .seccsssssssccsssessssssssessssssevecssssscecesssusscerssueesssnsueesssneseeessneees vii
DANH MUC HINH ANH .eecscccecsesessscssscssesccrsssessesessesecsucssseveseuseessucerssesssessusecsessecs viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮTT 22 2+k++2EEEtEE5E122EXE22E122221E 12x xii
Chuong 1 MO DAU oiacesceeccesscscsssssssssscsscsscusessecssecessccssessseessuseracsssccsuecsessssecssecsseces 1
LD GiGi thi€u CHUNG ee h4 I
1.2 Đặt vấn đề - cu, 221 001.01 re 2 1.3 Tinh hink nghién Cr .c.cccccsessecssessssssssssssssssecsseesssssesssssessusssesssecenesereeenaeessees 9
1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới - 2 s©cx+rxvEzetrxeerxerxrerxee 9 1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước . ¿2s sex cx+eeverseeerecee 16
1.3.3 NAM X€t ecceeccecsseessssessecsesssscsssesssesssscssssessusssesesvessusessesenseetsessueerseseseesseesss 17
1.4 Mục tiêu nghiên CU oo cccsesesseseeseescsesessesseecscssseseseceusesssesecsceneesseasanees 18 So na 19
1.6 Bồ Cục luận VĂN - Q5 G HH HH TH ng Hy H2 snseg 19
Chuong 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT -2-22t+22+ttSEEESEEEEEEEEEEEEEEEcEEvecrree 20
2.1 Lý thuyết mơ phỏng 22-¿©++++EEL+£9YESEEESEEEtEEEEE2E1E22EE2721222222222xc2 20
2.1.1 Một số định nghĩa cơ bản về mô phỏng 2-22 cSec2cvzvZSzc2vrec 20
2.1.2 Mô hình hóa hệ thống . 2 2-2 SHEEEESEESEEEEEEEEEEEtEErerrrrrrree 21 2.2 Lý thuyết va chạm 2-S+t+ vs SEESEEEEE181E111711271111122112212212125e22eecre 23
ẤN) na nẽnnẽn 4 23
2.2.2 Các đặc điểm của quá trình va chạm .- -s-2+e++22vxervrzesrrrre 25 2.3 Lý thuyết tiếp xúc . 242s 22t E21 1211111212211112111112211111.1eE1Ecee 26 2.3.1 Các nghiên cứu lý thuyết về vấn đề tiếp xúc .s-©ccvecxcecsez 26
2.3.2 Áp dụng lý thuyết tiếp xúc để thiết kế mô phỏng trong phần mềm LS-
Trang 10vì
Chuong 3 | MO PHONG HE KET CAU BAO VE BANG PHAN MEM LS-
DYNA 33
3.1 Giới thiệu phan mém LS-DYNA w scccsscscssoesscsseessssseesssseecsssueessssccasasesessveesesseess 33 3.2 Mô phỏng hệ kết cầu bao vé bang LS-DYNA esssessssecsssescsesessssesesessesensees 36
3.2.1 Cau tạo hàng rào bảo vệ -.-:se©c2t22222E12717121211117111112211x 22k 37
3.2.2 Mơ phỏng số .- 22 ©+S2SEESE.1E211117111211211177211121111121112e 0111 Ee 4I Chương 4 PHÂN TÍCH HỆ KẾT CẤU 2 +<<+2xxtezrsetrxerevrcee 51
4.1 Phân tích số kết qua m6 phOng .ccccccccssesssscseessssesssecsssessesscsecsseesstssssessvesseverees 51
4.1.1 Trường hợp I1: Vị trí đá va chạm P1 (cách cột giữa 6m) 51
4.1.2 Trường hợp 2 : Vi tri đá va chạm P2 (cách cột giữa 4m) 63
4.1.3 Trường hợp 3: Tăng mức năng lượng và tăng vận tốc góc œ 68
"mê nhe 70
Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIẺN 2-©7cczvc5cec 73 bì n {có nh 73
5.2 Hướng phát triển đề tài - 2-2-5 ©22t AE SEEE117116121131151112215111e 2711 73
Trang 11Vii
DANH MUC BANG BIEU
Bảng 3.1 Thành phân hệ kết cấu (Tran PỰ et aÌ.,2(12) -ccccc+cceeccerverreee 38 Bảng 3.2 Thông số vật liệu của hệ kết cấu trong LS-DYNA (Tran PV et al.,2012) .45 Bảng 3.3 Tổng mức năng lượng va CHẠIH cctcneeteerieetiirtrirerirrirree 48
Bảng 3.4 Tính chất vật liệu của hệ kẾt cấu cccccccsresrrrrrrrirrrrrrreerrierrkee 49 Bảng 4.1 Mức năng lượng hấp thu trong trong mơ hình THỊ .««- 53
Trang 12viii
DANH MUC HINH ANH
Hình 1.1 Hàng rào lưới thép bảo vệ công trinh giao thong cecccececcecsccsseseessessesevssveresees Ị Hình 1.2 Hàng rào bảo vệ tại sườn đồi làm bằng lưới thép -ccccccccescrccee 2
Hình 1.3 Đá lăn và rơi trên nhưng con dốc khác nÌlđú4 cccccctecrrerEreorreerrcee 3
Hình 1.4 Hàng rào bảo vệ cơng trình giao thƠng cac ccsncetetsesrrrerersres 3 Hình 1.5: Sự kiện đá rơi năm 2004 tại phía Đông bờ hỗ Como (Bắc Ÿ) 4 Hình 1.6: Những trường hợp bảo vệ chồng lại hiện tượng đá rơi được đùng để phân tích trạng thải nguy hiỄm cccst ch HH1 1 e1erve 6 Hình 1.7 Đá lăn tại tuyến đường cao tốc 133, Colorado cccccsccccccsccrr 7 Hình 1 8 Sạt lở tại công trường Thủy Điện Nho Qué 2, Ha Giang va sat lo da 6 Nghi
LGC, NRE AN nh nh 7
Hình 1.9 Sạt lở quốc lộ 6-Hòa Binh va nui Cam huyện Tịnh Biên, An Giang ngày
J2 aaDB 8
Hinh 1.10 Thi nghiém trén nhitng con dé bdo vé 6 NhGt BGI eeecccccsssscssssescseseessess 12
Hình 1.11 M6 hinh chính của thiết bị hấp thu năng lượng (UFD) - 15
Hình 1.12 Kết cấu loại LPN HH1 15
Hình 1.13 Dùng vữa xi măng đề nhôi kin các khe nllttcecccecccesssssssssvsssssescssessssessssessese 17
Hình 2.1 Quy luật biến đổi của HỰC Vũ CÏHQ1 Đà SH TH HH HH Hy crey 24
Hình 2.2 Kết cấu đang tiếp xúc co cv ccsE12111111111 11111121 rree 27
Hình 2.3 Ví dụ về bài toán tiẾp xúc 5cccccseSEEErn.tEE1111 1111111 EExe 32
Trang 131x
Hình 3.1 Ví dụ về mô phỏng bằng LS-DVNA on Secesirrirrrirriireir 34
Hình 3.2 Ví dụ về mô phỏng bằng LS-DYNA cài ii 35
Hình 3.3 Sơ đồ chương trình chạy LS-DFNA co si 36
Hình 3.4 Mô hình phần từ hữu hạn hệ kết cấu bằng cáp-lưới thép 37
Hình 3.5 Hệ kết cấu bảo vệ bằng lưới cáp-thép - cccccsceeererrrrrrrieerirsrrrrrre 39
Hình 3.6 Thiết bị hấp thu năng lượng (Tran PV et al,2012) -c -e- 40 Hình 3.7 Mô tả thí nghiệm thiết bị hấp thu năng lượng (Tran PV et al,2012) 41
Hình 3.8 Quan hệ ứng suất chảy dẻo với độ cứng ứng xử động 42
Hình 3.9 Điều kiện biên trong mô hình LS-DNA ccccecceerierrirrrirrierrvee 44 Hình 3.10 Gán tải trọng khối đá trong mô hình LS-DŸNA eccecvee 45
Hình 3.11 Thuộc tính vật liệu cáp, lưới thép (Tran PP et alL,2012) 46
Hình 3.12 Mômen uốn và đường cong ứng suất biến dạng của cột (Tran VP et
.702002100ẼẺẺẼẺ988.e 46
Hình 3.13 Thiết bị hấp thu năng lượng được mô phỏng trong mô hình LS-DYNA #1 82j27.0.001080 47
Hình 3.14 Ủng xử của thiết bị hấp thu năng lượng (Tran VP et al,2012) 47
Hình 4.1 Vi tri va cham P] cách cột BI ỐI -«cc nen nHH ng te HH re 51
Hình 4.2 Mô hình va chạm khối đá vị trí PI trong LS-DYNA c 52
Hình 4.3 Biến dạng cột và các thanh giằng theo thời gian va chạm - 52
Hình 4.4 Hấp thu năng lượng cáp thép (B), lưới thép (A) theo thời gian trong THỊ 53
Hình 4.5 Trường hợp không có lưới tHẾD «cv nhehhHHhHnHeng Hà ray 53
Trang 14Hình 4.7 Vùng va chạm của khối đá từ dây cáp 07-1 -eec+-eceeereeeeesrrrrre 54 Hình 4.8 Lực căng của dây cáp số 07 theo thời gian -e-seeseerterreeerrsrre 55 Hình 4.9 Lực căng của dây cáp số 08 thời gian ce< sec 55
Hình 4.10 Lực căng của dây cáp số 09 theo thời gian -cccceeereeererrrrer 56
Hình 4.11 Lực căng của dây cáp số 10 theo thời gian -ecereeeeeeeerreerrrrrree 56
Hình 4.12 Lực căng của dây cdp 86 11 theo thời gian c-ceceeeeererrserirrrrer 57
Hinh 4.13 Moi quan hé giita lực căng với thời gian của các sợi cáp 07,06,09, 10, Ï 157
Hình 4.14 Vị trí của dây cáp số 05,06,09, 12, ]3 cceieerrireriirrrrree 58
Hình 4.15 So sánh lực căng của dây cáp số 09 với dây cáp 05,06, 12, 13 theo thời
7.0 38
Hình 4.16 So sánh lực căng dây cáp Ở 3 VỆ H «series 59 Hình 4.17 So sánh lực căng dây cáp 09 qua 3 vị trí khác ANU wees series 60 Hình 4.18 So sảnh chuyển vị theo phương Y của cột biên và cột giữa THỊ 61 Hình 4.19 Vòng thép cội giữ cáp cột giữa (a), chuyển vị theo phương Y THI() 6Ì Hình 4.20 So sánh chuyển vị theo phương X của cột biên và cột giữa THỊ 62
Hình 4.21 Chuyên vị đẫu cột theo phương X trong mô hình LS-DNA 63
Hình 4.22 VỊ trí va chạm P2 cách cột giữa 4ÁI «+ eeeeeeeeheeierrririiiiirie 63
Hình 4.23 Mơ hình va chạm khối đá vị trí P2 trong LS-DYNA cecee 64
Trang 15xl
Hinh 4.27 Méi quan hệ giữa lực căng và thời gian của cdc soi cap 07,08,09, 10,11
trong trường HỢP 2 - che HH tk HH KH HH HT T120 0e 66 Hình 4.28 Hấp thu năng lượng cáp thép (B), lưới thép (A) theo thời gian trong TH2
Hình 4.29 Lực căng của dây cáp vượt quá giới hạn khi E=600 kJ 68 Hình 4.30 Hệ kết cấu không giữ được khối đá khi tăng mức năng lượng E=800 kJ 68
Hình 4.31 Hệ kết cấu không giữ được khối đá trong LS-DYNA 69
Hình 4.32 Độ giản dài của hàng hệ kết cấu theo phương Y trong 2 trường hợp 7]
Trang 16PTHH BTCT TH LSTC LLNL DEM FEM LPR UFDs xi DANH MỤC CÁC TU VIET TAT : Phần Tử Hữu Hạn : Bê Tông Cốt Thép : Trường Hợp
: Livermore Software Technology Corporation : Lawrence Livermore National Laboratory : Discrete Element Method
: Finite Element Method
: Average Friction Force ( Hé số ma sát)
: Long-span Pocket-type Rock-net (Kết cấu lươi thép bảo vệ) : the U-bolt-type Friction-brake energy dissipating De- vices
(Thiết bị hắp thu năng lượng )
Trang 17
Chương 1 MỞ ĐẦU
1,1, Giới thiệu chung
Sạt lở đá được xem là một lả những hiện tượng nguy hiểm trong ngành giao thông
và những công trình ở những nơi địa hình vách núi, sườn đổi núi có độ dốc lớn Chúng đang xảy ra ngày cảng phổ biến, đe dọa tính mạng con người và gây ra những
hư hại cho các công trình Đặc điểm địa hình và khí hậu là những nguyên nhân chính
ảnh hưởng đến quá trình sạt lở trong đó bao gồm bề mặt phức tạp của đá Sự không
liên tục trong câu trúc của đá, điều kiện nhạy cảm, mặt đất, bề mặt nước, băng tan vả
những ứng suất khác bên ngoài Ngoài ra, các hoạt động của con người như thi công
xây dựng, nỗ khai thác đá, chẩn động rung từ các thiết bị, các đoản tàu và đảo đất cũng được xem là những nguyên nhân bên ngoài gây hiện tượng sat lở đá Sự bắt đầu
rơi và quỹ đạo của đá có liên quan rất nhiều tới tương quan hình dạng bề mặt dốc và
bề mặt của đá cũng như vật liệu của đá Hiện tượng này đặc biệt rất khó tiên lượng
trước cũng như tính toán số lượng đá rơi, vì vậy việc ngăn cản sạt lở thường không
làm được hoặc tốn rất nhiều chỉ phí
Hình I.1 Hàng rào lưới thép bảo vệ công trình giao thông
Nhiều phương pháp bảo vệ đã được để xuất và thực hiện trên thể giới như trong
Hình 1.1 Chúng được phân loại thành nhiều loại nhưng được qui về 2 hình thức đó là: ngăn ngừa phòng chống và bảo vệ Đã cỏ rất nhiều loại hệ thống kết cấu bảo vệ
Trang 18
làm bằng cáp thép, lưới thép và những hệ thông con lươn đã được xây dựng để bảo vệ những công trình, cơ sở vật chất, nhả cửa vả cuộc sống của con người tại những vùng xung quanh (Hình 1.2)
Hình 1.2 Hàng rào bảo vệ tại sườn đôi làm bằng lưới thép
Trong nghiên cứu này sẽ xây dựng mô hình số để mô phỏng và phân tích hệ thông
bảo vệ được câu tạo bằng lưới cáp thép với nhịp 12 Những đặc tính như độ giãn
dài, khả nang hap thu nang lượng, biển dạng của cột và ảnh hưởng của vị trí tác động sẽ được nghiên cứu Đặc biệt chú ý đến hai vị trí va chạm là P1 và P2 của nhịp giữa
So sánh và phân tích chỉ tiết các kết quá thu được trong điều kiện tác động va chạm
khác nhau vả vai trỏ làm việc của các sợi cáp trong hệ kết cầu bảo vệ nảy
Những công việc này là một phân trong công tác đánh giá mức độ nguy hiểm của hiện tượng đá lăn tại các sườn đổi núi dưới sự hỗ trợ của mô phỏng số 3D mà cụ thê
là phần mêm thương mại LS-DYNA
1.2 Đặt vấn đề
Sạt lở đá được xem là một dạng thiên tai, đá chuyển động rất nhanh từ trên các
sườn đổi núi có độ dốc lớn xuống các khu dân cư và các công trình giao thông Khi
đó, có thể một hay nhiều viên đá bị tách khỏi bề mặt sườn núi, lăn xuống, va chạm và
tấn công cơ sở hạ tầng bên đưới Loại thiên tai nảy thường chỉ xảy ra và tác động đến phạm vi khu vực nhỏ nhưng hậu quả thì nặng né, đặc biệt là về con người Rất khác
Trang 19
cứng (Ladd 1935) Việc đánh giá cơ chế, hình thức đá lăn cần hiểu rõ các ứng xử của đá Cơ chế lăn của đá thường xảy ra theo một trong 4 cơ chế sau: Rơi tự do, nhảy và
bật nảy, lăn, và trượt Trong các cơ chế trên, bật nay va lin thường xảy ra sau khi đá rơi va chạm vào bề mặt sườn đốc, là cơ chế khó dự đoán quỹ đạo di chuyển nhất (Hình 1.3) 30 deg - slope angle £ = ao oo & 2 \ ° Ị Depth (D} rl eo win)
Rock falls on slopes
Hình 1.3 Đá lăn và rơi trên nhưng con dốc khác nhau
Trang 20
Vào ngày 13/11/2004, hic 17:30 tại phía Đông bờ hồ Como (Bắc Ý) khoảng 4000
- 5000 m3 đá đỗ xuống từ một vách đá nhô ra biển ở độ cao 650m và làm vỡ một bờ chăn đá dài dưới chân dốc khi nó va chạm vào (Hình 1.5)
L° Ger cera Lars
hung
Hình 1.5: Su kiện đá rơi năm 2004 tại phía Đông bở hé Como (Bac Y)
Hình 1.5 Sự kiện đá rơi năm 2004 (a) Góc nhìn khu vực bị ảnh hưởng từ hưởng
Tây Bắc, bao gồm nguồn đá rơi và đường đi của chúng, (b) chi tiết khu vực nguồn đá rơi; (c) góc nhìn từ trên cao khu vực bị ảnh hưởng, bao gồm phân phía trong của ngôi
Trang 21
ảnh hưởng sẽ đề cập đến từ (đ) đến (h) (d) nhà ga xe lửa, bị hư hỏng do sự va chạm của 30 mỶ đá; (e) mái của ngôi nhà bị hư hỏng do sự va chạm của khối đá 8m”; (
ngôi nhà 3 tang bị sập dưới tác động của khối đá 96m’, nơi mà đã có 2 người thiệt
mạng: (g) một phần đường ray xe lửa năm ở phía Tây đường đi chính của đá bị phá hủy; (h) tòa nhà đưới chân núi cũng bị phá hủy bởi táng đá 96”
Một lượng lớn khối đá có tổng thể tích lên tới 100 nm? bat ngờ lăn xuống, vượt qua cái rãnh của một bờ nghiêng, kéo theo những phần thấp hơn của con dốc 250-270m
(Hình 1.5) Ö đây, đường đi của các tảng đá trải khắp bề mặt con đốc tắn công khu
vực dân cư phía dưới voi cy li xa nhất đạt được là 500 Sau sự tắt dần chuyển động
của các tảng đá thì người ta tính được tỉ số chiều rộng/chiều dài của điện tích mà đá di chuyển ra bên ngoài là 0.34 (Crosta và Agliardi, 2004) Công tác khảo sát sự cọ
xát do va chạm trong quá trình lăn của đá sớm được thực hiện và đã có đề nghị giả
thiết là các tảng đá gần như nảy lên rất thấp trên bề mặt dốc Mặc dù đá rơi xảy ra phổ biến tại khu vực này và dọc theo hồ Como, tuy nhiên không có một báo cáo nào trong quãng thời gian này
Đá rơi đã phá hủy 170 của 2 hành lang giao thông đó là đường ray xe lửa Lecco-
Colico và đường bộ SP72; một số ngôi nhà và kết cấu khác; ngoài ra đã có 2 người
thiệt mạng (Hình 7.5) Những kết cấu chính bị phá vỡ đã gây tốn thất nặng nề bao gồm một căn nhà nằm phía trên đường sắt và một ngôi nhà 3 tầng nơi mà bị phá hủy hoàn toàn (Hinh 1.5), ở những công trình khác bao gồm nha ga xe lửa (Hình 1.5)
Chi phi thiệt hại ước tính khoảng 7.000.000 Ezro Sự va chạm vào đường ray xe lửa
đã gây ra tình hình chia cắt giao thông trong 8 ngày và gây tốn thất kinh tế cho công ty khai thác xe lửa, ước tính khoảng 1.600.000 ro
Ngay sau thảm họa này, tác giả của các công trình bảo vệ khu vực này đã can thiệp và tiến hành phân tích một số khối đá trên các vách đá và một bức tường chăn
tạm thời dài 180m: đã được xây dựng (về sau được nâng cao hơn vào năm 2005) để
đổi phó với những tình trạng khẩn cấp và bảo vệ những khu vực đã bị phá hủy
Trang 22dài 500m cắt ngang qua các con dốc để đâm bảo che chắn lâu dài cho toàn khu vực hiện hữu (Hình ï.ó) 2004 event : OUt area ach © pas
Hình 1 6: Những trường hợp bảo vệ chẳng lại hiện tượng đá rơi được dùng đề phân tích trạng thái nguy hiểm
Hình 1.6 Những trường hợp bảo vệ chống lại hiện tượng đá rơi được dùng để phân tích trạng thái nguy hiểm (a) trường hợp S0, theo đó không có sự bảo vệ - 2004; (b)
trường hợp S1, được bảo vệ bởi con đê bằng đất tạm thời; (c) trường hợp S2, với một
dự án xây dựng, thiết kế các con đê để đảm bảo sự bảo vệ lâu dài cho khu vực
Fiumelatte va Pino
Năm 1977, những tảng đá lớn lăn xuống đã làm tắc nghẽn hoàn toàn tuyến đường cao tốc 133, Colorađo trong nhiều ngày liền Công tác giải phóng phải sử dụng thuốc
Trang 23
Hình I.7 Đá lăn tại tuyển đường cao tốc 133, Colorado
Việt Nam là quốc gia nằm gần xích đạo, có đường bờ biến dài dọc theo sườn núi,
khí hậu nhiệt đới nóng âm mưa nhiều Đặc biệt là khu vực miễn trung Việt Nam, do
vị trí địa lý cũng như bề mặt địa hình tương đối phức tạp làm cho thời tiết ở khu
vực này rất thất thường, thường xuyên có bão lũ, sạt lở, xảy ra với tần số tương đôi lớn, diễn biến vô củng phức tạp
Tối 16/5/2014, tại công trường thuý điện Nho Quế 2 (huyện Mèo Vạc, Hà Giang)
hàng chục nghìn mỉ đất đá đã sạt lở khiến một người chết tại chỗ, 4 người mất tích
Vụ sạt lở còn thiệt hại 2 máy xúc, một máy múc, trạm trộn bê tông, 3 ô tô tải Tổng
thiệt hại khoảng trên 10 tỷ đồng (Kim Tiền, 2014) Hình I.8(a)
Hinh 1.8 Sat lở tại công trường Thủy Điện Nho Qué 2, Ha Giang va sat lở đá ở Nghi
Trang 24Như chúng ta đã biết, dọc theo đường Trường Sơn, đường Hồ Chí Minh liên tiếp
xảy Ta các vụ sạt lở vào mùa mưa làm gián đoạn giao thông Gần đây nhất là vụ sạt
lở hàng chục tấn đá đè sập 3 nhà dân ở Nghi Lộc, Nghệ An tuy không thiệt hại về
người nhưng đã phá hủy hoàn toàn 3 ngôi nhà vả nghiền nát toàn bộ vật dụng cũng
như tải sản trong nhả (Cao Thái, 2013) Hình 1.8()
Tiếp theo vào ngày 16/12/2012 ở Quốc lộ 6 (Hà Nội- Sơn La- Điện Biên) thuộc
dia phận xã Đồng Bảng, huyện Mai Châu, tỉnh Hòa Bình, một quả núi bất ngờ sat lở xuống đường làm tê liệt giao thông quốc lộ 6 và làm 2 người chết (Thu Hằng, 2013)
Hình 1.9(a)
(a)
Hình 1.9 Sạt lở quốc lộ 6-Hòa Bình và núi Cấm huyện Tịnh Biên, An Giang ngày 5/5/2012
Nghiêm trọng nhất là vào khoảng 8h ngày 5/5/2012 , ô tô chở 7 người đi qua nủi
Cám (xã An Hảo, huyện Tịnh Biên, An Giang) thì bị những hòn đá nặng cả trăm tấn lăn xuống đẻ trúng Tai nạn làm 6 người chết, 1 người bị thương và tắc đường nhiều
ngảy liễn (Lục Tùng, 2012) #ình 1.9(B)
Nhìn chung, sạt lở đá thường bị kích hoạt do đồng thời những nguyên nhân bên
trong và bên ngoài Nhóm nguyên nhân bên trong thuộc vẻ tính chất đặc điểm của
sườn dốc như loại đá, tính không liên tục, gián đoạn của bề mặt, địa hình bề mặt
sườn dốc và hệ thống mạch nước ngầm Các nguyên nhân bên ngoài thường tác động
Trang 25lớn và kéo dài, tuyết tan, sự thấm thấu của nước ngầm, đòng chảy bề mặt, xói mòn, sự thay đổi nhiệt độ, nóng lạnh, kết đông và hòa tan theo chu kỳ, rễ cây thực vật, gió,
động vật, và động đất Ngoài ra, các hoạt động của con người như thi công xây dựng,
nổ khai thác đá, chấn động rung từ các thiết bị, các đoàn tàu, đào đất cũng được xem
là những nguyên nhân bên ngoài gây ra tai nạn sạt lở đá (Hoek 2007)
Ngoài những nguyên nhân về khí hậu thời tiết thì việc khai thác tài nguyên, đào lắp xây dựng cơ sở hạ tầng làm tăng tải trọng trên các sườn đồi núi, khái thác chặt phá rừng và cháy rừng cũng làm gia tăng các vụ sạt lở đất đá Vấn đề đã trở thành
một trong những thảm họa mà xã hội đang phải đối mặt, đặc biệt liên quan đến công
tác quan ly và xây dựng cơ sở hạ tầng cũng như bảo vệ người và các công trình giao thông
1.3 Tình hình nghiên cứu
1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 1.3.1.1 Nghiên cứu thực nghiệm
Trên khắp thế giới đã có nhiều nghiên cứu về đá lăn từ những năm 1990 Những
thí nghiệm chủ yếu để đánh giá được hiệu quả, tầm ảnh hưởng của các loại hàng rào
chăn đá, một số lượng đá đã được lăn đẻ đánh giá khả năng hứng đá của các con mương đất Những thí nghiệm trên thế giới này đã hình thành nên các biện pháp chắn
đá rơi, các kiểu va chạm vào một số loại hàng rào chắn đá với mức năng lượng từ 20
kJ dén 2700 kJ Tat cả thí nghiệm được tiến hành theo một khuôn khổ chung Các
mặt dốc thì được chuẩn bị với một mạng lưới, những viên đá được xác định trọng lượng băng những cảm biến lực, những thiết bị quan sắt (tốc độ cao, ghi lại quá trình chuyển động, ghi hình) sẽ được lắp đặt tại 3 vị trí quan sát hoặc nhiều hơn và những
tảng đá sẽ được lăn xuống dốc bởi một búa lớn, thiết bị cơ giới nặng hay những hệ
thống cáp Những mức năng lượng sẽ được phân tích kỹ lưỡng trong đó bao gồm cả
Trang 2610
giống nhau đó là phân tích các hàng rào chắn, bao gồm quay phim lại quá trình đá lăn để phân tích quỹ đạo chuyên động của đá, từ đó cung cấp cho chúng ta những dữ liệu phong phú vẻ quá trình chuyển động của 369 tảng đá được lăn trên những mặt
đốc có nhiều hòn đá cứng, mặt dốc cấu tạo chủ yếu từ đất lở tích (đất khô và rời rac)
hay là mặt dốc lở tích có nhiều hòn đá cứng Nhìn chung chúng ta có thể ước lượng
được đã có 3,200 tảng đá đã được lăn để nghiên cứu, thí nghiệm trong những năm 1990
Ở Mỹ đã có một lượng lớn thí nghiệm với rất nhiều loại hàng rào chắn đá Trong năm 1991 và 1992, người ta đã đối với loại hàng rào Flex-Post (một hệ thống thiết bị
chế tạo theo kinh nghiệm với các tắm lưới sợi đôi) ở Colorado tại bãi thử Rifle Sở Giao thông California (Duffy & Hoon 1993, 1996, 1998) đã tiến hành thí nghiệm với
những loại hàng rào chắn đá cỡ lớn được cấu tạo bởi nhiều loại lưới khác nhau (lưới
cáp vuông và xiên, mạng lưới chống lại xâm thực ngầm và hệ thống lưới gồm 6 dây
xích) và những hệ thống phụ khác (trụ thép, những loại thiết bị hấp thu năng lượng
và vị trí liên kết) tại bãi thử Shale Point ở California, USA Kane & Duffy (1993) đã
tiễn hành một thí nghiệm đối với một hàng rào chắn cỡ lớn dưới sự tác động của một
năng lượng thấp tại bãi thử Shale Point ở California (tại đây đã có 24 táng đá được
lăn) Andrew et al (1998) đã tiến hành thí nghiệm tại bãi thử Rifle để phát triển một
hệ thống hàng rào lưới cáp cỡ lớn (tại đây đã có 31 tảng đá được lăn) Duffy & Hoon
(1996) đã tiến hành thí nghiệm với hàng rào chắn bằng bê tông tại bãi thử Shale
Point (tại đây đã có 10 tảng đá được lăn) Beck (1995) đã tiến hành thí nghiệm để
xác định hiệu quả hứng đá với những con mương đất tại dự án phát triển những con đường nhỏ đốc Anderson Grade Beck đã lăn 15 hòn đá vào những vị trí khảo sát sự
va chạm Colorado DOT (Parsons et al 1992) đã tiến hành thí nghiệm để thiết kế những bờ chắn được cấu tạo bằng đất nung và cốt thép với mục đích để tiêu tán hết
năng lượng va chạm (ở đây đã có 9 tảng đá được lăn) Tại Oregon, Sở Giao thông Oregon đã tiên phong thiết kế và đưa ra những điều kiện quá tới hạn (có nghĩa ở đây
Trang 27H
vào 3 mương đất có hình dạng khác nhau để phát triển sơ đồ thiết kế cho khu vực đá
rƠi ra ngoài
Trong những thí nghiệm mở rộng tại châu Âu đang được thực hiện Những thí
nghiệm bổ sung tại bãi thử Bekenried ở Thụy Điển, được tiến hành tại nơi những
tảng đá được lăn xuống những hàng rào chắn đá cỡ lớn Ứng xử của những hàng rào và quỹ đạo chuyển động của đá sẽ được nghiên cứu (Gerber et al 1998) Một chương
trình thí nghiệm điển hinh 6 Oberbuchsiten, Thuy Dién (Duffy & Haller 1993) da
được hoàn tat trên những con đốc có nhiều hòn đá cứng Cuối cùng những mức năng lượng rất cao mà chúng ta thu được sẽ không làm tăng khối lượng cho khối đá nhưng nó sẽ làm gia tăng vận tốc (một bước phân tích rất quan trọng) Kurz (1993) đã phối hợp với Sở Giao thông Stuttgart, Đức tiến hành những thí nghiệm đối với những bức
tường được cầu tạo từ các thành ngang và buộc với nhau, loại tường này đã được sử
dụng rộng rãi trên hệ thống đường sắt của Đức, tại bãi thử Oberbachsiten, Thụy Điển (lúc này có 8 tảng đá được lăn) Ở Thụy Điển, Bozzolo et al (1998), trong khi đang phát triển mơ hình tính tốn thì các tảng đá vẫn được lăn tại bãi thử Bedrina gần St
Gottard, Ticino, Thụy Điển để kiểm chứng lại tính chính xác của mô hình Ở Ý,
những nghiên cứu mở rộng liên quan đến tính chất cơ học của đá đã được tiến hành Azzoni & de Freitas (1995) đã mô tả dữ liệu được ghi nhận trong một số trường hợp
thí nghiệm được tiến hành tại một mỏ khai thác đá ở Strozza, gần Bergamo, Ý Đã có
60 thí nghiệm đá lăn riêng lẻ được tiến hành Thông qua đánh giá kích thước hình
học của đốc, đặc tính của đá và quỹ đạo chuyển động của đá thì một số thông số đã được thử nghiệm; sự phục hồi và những hệ số ma sát, yếu tố ánh hưởng của đặc
trưng hình học của đá đến sự tắt dần chuyển động và tính hiệu quả của con mương
đất chăn đá
Ở Nhật Bản đã có 2 thí nghiệm đã được tiến hành tại 2 điểm thí nghiệm là Yaka
và Otaru trong năm 1994, chúng đã cũng cố thêm kho đữ liệu phong phú về quỹ đạo chuyển động của đá Nhật Bản đã tích lũy từ những thập niên 60, 70 và 80 (Usiro et
Trang 2812
xuống tại một con đường hẹp bằng đất nung (tường chắn đá với những lớp đệm
mẻm) được thiết kế để tiêu tán những năng lượng va chạm lớn (Yoshida & Momura
98) Ở Shayupin, những hàng rào chăn đá lớn của người Đài Loan đã được nghiên
cứu để đánh giá và thu thập đữ liệu về quỹ đạo di chuyên của đá rơi (Hwu & Spang
1997) Những thí nghiệm đá lăn vẫn tiếp tục được thực hiện tại bãi thử Kochi (Ushiro & Tsutsui 2000), khi đỏ có 69 tảng đá được lăn để nghiên cứu quỹ đạo
chuyển động của chúng Những thí nghiệm này tuân theo những thí nghiệm đã diễn
ra tai Ehime Prefecture Uma-gun Doi-cho, (Ehime Macadam Industry, Ltd.), khi đó đã có 40 tảng đá được lăn để nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của chúng cũng như
phục vụ công việc mô phóng Có 14 máy quan sát được sử dụng để theo dõi những
tang đá lăn này (Usiro et al 2003)
Vao thang 10-2011 gido su Koji Maegawa va Tran Van Phuc đã thực hiện nhiều
thí nghiệm tại một mỏ da gần thành phố Uonuma ở phía bắc Nhật Bản Tại địa điểm thí nghiệm, 2 khối đá thực được đặt trên đốc có độ cao 37 m và góc dốc 42 đủ để khối bê tông cốt thép lăn xuống dốc như trong Hình 1.10 Khối bê tông cốt thép sẽ được đây xuống dốc một cách độc lập với sự trợ giúp của một máy xúc gầu nghịch
(Koji Maegawa et al.2011)
Hình L 10 Thí nghiệm trên những con đê bảo vệ ở Nhật Bản
Mục đích của những thí nghiệm này là xác định lại quan hệ ứng xử giữa các phần
Trang 2913
chữa Những tắm thép bao phủ lên những khối bê tông cốt thép có thể nặng tới 17.1
tấn được sử dụng để đại diện cho những hòn đá cuội trong thực tế Ứng xử động học
khi va chạm của khối bê tông cốt thép sẽ được quan sát và đánh giá trong suốt quá
trình rơi và va chạm
1.3.1.2 Nghiên cứu sử dụng mô hình số
Hiện nay mô hình số là một cách rất hiệu quả để khảo sát những ứng xử động của hàng rào kết cấu bảo vệ Cụ thẻ, một số công trình nghiên cứu tiêu biêu có thê kê đên
như:
- “Design of falling rock protection barriers using numerical models”( C Gentilini et al.,2013)
- “Prototype of a wire-rope rockfall protective fence developed with three- dimensional numerical modeling” (Tran VP et al ,2013)
- “Experiments and dynamic finite element analysis of a wire-rope rockfall protective fence” (Tran VP et al.,2012)
- “Experimental, numerical and analytical modelling of a newly developed rockfall protective cable-net structure” (S.Dhakal et al.,2011)
- “The effectivenessn of protection systems toward rockfall risk mitigation” (G.Gottardi et al.,201 1)
- “Integrating rockfall risk assessment and countermeasure design by 3D modelling techniques” (F.Agliardi et al.,2009)
- “Numberical analysis of the performance of wire mesh and cable net rockfall protection systems” (N.Sasiharan et al.,2006)
- “Numberical Modeling of rock fall using extended DDA”(Chan Guangqi, 2003)
- “Dynamic finite element analysis of in terceptive devices for falling rocks”
Trang 3014
Phân tích và mô phỏng các đặc tính của đá rơi (e.g Giani,1992; Evans and Hungr,
1993; Azzoni et al., 1995; Giani et al., 2004; Ushiro, 2006) đã cung cap cho chung ta
nhiều thông tin về các loại quỹ đạo chuyển động của các khối đá; như là độ dài quãng đường chuyển động được, các độ cao bật nảy, vận tốc và động năng va chạm Một số phần mềm đã được phát triển và kiểm tra để mô phỏng hiện tượng đá rơi cho một khối lượng tập trung hoặc một vật thể cứng; phương pháp 2D hay 3D (Guzzetti et al., 2002) có hoặc không có ảnh hưởng ngắn hạn của cây cối (Dorren và Berger, 2005; Masuya et al., 2009) Những ưu điểm của các hệ thống bảo vệ trong những nghiên cứu trước đây sẽ có giá trị trong việc phân tích những rủi ro từ thảm họa đá
roi (Bunce et al., 1997; Crosta and Agliardi, 2003; Guzzeti et al., 2003; Peila and
Guardini, 2008)
Mô phỏng số và phân tích hệ thống chống lại thảm họa đá rơi bằng hệ thống cáp-
lưới thép (S.Dhakal et al.,2011) Hinh 1.12 cho chúng ta thấy đặc điểm của hệ kết
cấu thép của một loại hệ thống LPR (Long-span Pocket-type Rock-net) điển hình
Thật sự cần thiết tích hợp vào hệ thống này hệ lưới thép, cốt thép và hệ cáp đứng —
ngang và cáp chùng (các sợi cáp), thêm vào những thiết bị hãm với mục đích làm
tiêu tán năng lượng va chạm như là một thành phần hắp thu năng lượng chính Tổng quát chung thì hệ thống cáp-lưới thép được chống đỡ bởi hệ các cột trụ kiên cô Tất cả những dây cáp ngang và các trụ đỡ sẽ được neo vào đất băng các sợi cáp
Thiết bị hấp thu năng lượng sẽ được mô hình bằng phần tử thanh dầm riêng lẻ,
chiều đài cố định với một mô hình mà độ kéo dài ra thường xuyên của phần tử thanh sẽ tương đương với độ trượt (quan hệ trượt — chuyển vị) trong thực tế Những phần
này sẽ được tích hợp vào trong kết cấu LPR để mà trong thực tế chúng được phát
triển và thí nghiệm trong một số năm tiếp theo với mục đích kêt hợp vào trong một số loại lưới bảo vệ chống lại hiện tượng đá rơi khác nhau Với một nhận xét nhanh
thì gián đồ của thí nghiệm này với sự đánh giá sức căng của cáp được gây ra bởi một
Trang 3115 m Load cell MMevuing asetage =——— t20 - , Specified average = 77 Falling weight 100 clty = 80 Fathng height | š ` —-—} & & ‘om 3° sony 60 - ae able 3 “ a 20 »ự UEFD Load cell ‹ 4 i Effective Resistance Data acquisition œ 905 010 015 020
ose Al Tame ist
Hinh 1.11 M6 hinh chinh ctia thiét bi hdp thu nang luong (UFD)
Hình 1.11 Mô hình chính của thiết bị hấp thu năng lượng (UFD) (a): So dé thi nghiệm FWT cho riêng một loại thiết bị hấp thu năng lượng UFD được thực hiện bởi
Besafe (2006) (b):Biểu đỗ ghi lại lịch sử thời gian với sức căng của cáp với đường
cong khoảng 200 điểm và những giá trị độ trượt — sức căng xác định Tất cả được diễn tả trong những mốc lịch sử quan trọng được khoanh trong vùng màu đỏ (c): mô
hình chủ yếu cho quan hệ giữa thiết bị hấp thu năng lượng và mô hình thanh tương
đương trong khai báo mô hình vật liệu (mô hình phân tử hữu hạn) U-belt-ty pe Brake Device Hình 1.12 Két cdu loai LPR
Hinh 1.12 Kết câu loại LPR (a) Góc nhìn mặt cắt không gian của một loại kết cầu
Trang 3216
của kết cấu LPR điển hình; (c) Hình ảnh các thành phần của kết cấu LPR được chụp
từ một thí nghiệm thực tế; (đ) Một thiết bị UFD được cài đặt trong hệ kết cầu LPR,
được chỉ ra trong (c)
Những kết quả nghiên cứu hiện tại của phương pháp phân tích phần tử hữu hạn đã đạt được những kết qua rất khả quan vẻ ứng xử của những phần tử đơn lẻ ở trạng thái bat ồn định của chúng trong hệ thống kết cầu bảo vệ
Mô phỏng hiện tượng đá lăn và phân tích trạng thái tới hạn của rủi ro đã trở nên thực sự hữu ích cho những vùng đất, đồi núi được sử dụng với những mục đích khác
nhau
Mô hình số giúp cho chúng ta có cơ sở để thiết kế cũng như phân tích được sự nguy hiểm, ứng sử phi tuyến cũng như những chỉ phí dự kiến
1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Tại Việt Nam, giải pháp bảo vệ đá lăn và rơi vẫn chưa được phát triển mạnh Dựa
vào các tài liệu thu thập được, cho đến thời điểm hiện tại một số công trình nghiên
cứu tiêu biêều có thê được kê đến như:
- _ “Điều tra, đánh giá tai biến sạt lở trên địa bàn tỉnh Bình Định (trừ huyện Vân
Canh) và để xuất giải pháp phòng chống, giảm thiểu thiệt hại về kinh tế - xã hội” (Đỗ Minh Đức, 2010)
- _ “Hiện trang sat lở đường Hồ Chí Minh khu vực đèo Lò Xo và kiến nghị các
giải pháp phòng chống” (Đoàn Ngọc Toản, 2005)
- _ “Mô phỏng bài toán va chạm khối cát kháng chấn bằng phương pháp phần tử
hữu hạn”( Hồ Sỹ Tâm và cộng sự, 201 1)
Ngoài ra còn có một số giải pháp trong nước phòng chống sạt lở:
Trang 3317
- Dùng vữa xi măng hoặc các chất dính khác để nhồi kín các khe nứt: khi các bờ đá có nhiều nứt nẻ thì tiến hành bom xi măng vào các khối đá bằng các thiết bị bơm cao cấp qua các lỗ khoan Dung dịch bơm xi măng sẽ lấp các khe nứt trong khối đá làm cho khối đá bền vững hơn và chống được sự thâm thấu của nước do vậy độ ổn định được nâng cao (Hình ï_73)
Hinh 1.13 Ding vita xi mang dé nhdi kin các khe nứt
Nhìn chung tình hình nghiên cứu trong nước thì chưa có một giải pháp nào cụ thể để ngăn ngừa hiện tượng sạt lở đá mà chỉ có những điều tra, thống kê sạt lở Hướng nghiên cứu này tại Việt Nam còn là đề tài mới và đang cần được phát triển
1.3.3 Nhận xét
Như vậy qua khảo sát các tài liệu tham khảo (cả trong và ngoài nước) được công
bố, cho thấy việc nghiên cứu hệ kết cầu bảo vệ chống lại thiên tai sạt lở đá là hết sức
quan trọng và cần thiết Có 2 phương pháp chính để phân tích và đánh giá hiện tượng đá lăn
- _ Một là sẽ đề cập đến những thí nghiệm thực tế mà có ảnh hưởng đến quá trình đá lăn và sau đó chúng ta sẽ quan sát, phi chép lại những ứng xử của các tảng
đá Một loạt những thí nghiệm thực tế diễn ra ở những địa điểm khác nhau sẽ
cho phép chúng ta đánh giá được ửng xử của những tảng đá lăn ở những mặt
dốc có đặc tính khác nhau
Trang 3418
tang đá lăn dưới điều kiện thực tế mà chúng ta khai báo Vì thế nên độ chính
xác của phương án thứ hai phụ thuộc rất lớn vào những dữ liệu mà chúng ta thu được từ những thí nghiệm đá lăn ngoài thực tế
Qua 2 phương pháp cho chúng ta thêm nhiều kiến thức để nghiên cứu một giải pháp bảo vệ tối ưu và tốt nhất chống lại hiện tượng đá lăn tại các sườn đổi núi Theo
thời gian, phát triển các nghiên cứu để thay đổi hình dạng, kích thước hay là kết hợp
lại để nâng cao khả năng làm việc cũng như ứng xử của những hệ kết cầu, giảm thiểu những nhược điểm và giới hạn những phương pháp thiết kế hiện hành
1.4 Mục tiêu nghiên cứu
Trong nghiên cứu này sẽ sử dụng phương pháp PTHH để mô phỏng hệ kết cầu bảo vệ băng phần mềm LS-DYNA, với các thông số dữ liệu đầu vào kế thừa từ nghiên cứu trước đây (Tran VP et al.,2012) Để tối ưu về mặt chỉ phí ta tăng khoảng cách nhịp cũng như mở rộng phạm vi bảo vệ của hệ kết cấu Những kết quả số sẽ cung cấp những ứng xử phi tuyến của các hệ kết cấu dưới tác động của khối đá và
thấy được vai trò của từng thành phan trong việc triệt tiêu năng lượng va chạm Đây
là một phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả cao và đang được phổ biến trên thế giới
Bằng việc phân tích trên mô hình số chúng ta đã xác định rõ được:
- Ứng xử động của toàn bộ hệ thống kết cầu cũng như từng kết cấu thành phần dưới tác động va chạm của khối đá
- _ Ảnh hưởng của cáp thép, cột thép, lưới thép trong việc hấp thu năng lượng va chạm do khối đá lăn gây ra
- Mức năng lượng tối đa mà hệ kết cấu có thể hấp thụ được, qua đó so sánh với các nghiên cứu trước
- _ Sự làm việc của thiết bị hấp thu năng lượng trong việc tiêu tán năng lượng do va
Trang 3519
- Phan tích chỉ tiết từng bộ phận kết cấu từ đó cải thiện nâng cao năng suất làm
việc của cả hệ thông bảo vệ
- _ Lực căng, chuyền vị của cáp, cột và lưới với mức năng lượng phù hợp 1.5 Phạm vi nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu của luận văn được thực hiện trong các phạm vi sau:
Mô phỏng kết cầu bảo vệ không gian 3D bằng phần mềm LS-DYNA
- _ Ứng xử động, biến dạng lớn, chuyển vị của đầu cột, sức căng của cáp, lưới thép
- Vi tri va chạm tác động tại 2/3 chiều cao hàng rào và khảo sát ở nhịp giữa của hệ kết cấu bảo vệ
- _ Xét trường hợp một khối đá va chạm tác động vào các vị trí P1, P2
- _ Vai trò và ứng xử của lưới thép, cáp thép, cột thép trong tác động va chạm - _ Khả năng hấp thu năng lượng của cột thép, cáp thép và lưới thép
1.6 Bố cục luận văn
Luận văn được trình bày gồm những phân chính sau: e Chương 1: Mở đầu
e Chương 2: Cơ sở lý thuyết
e_ Chương 3: Mô phỏng hệ kết cấu bảo vệ bằng phần mềm LS-DYNA e_ Chương 4: Phân tích hệ kết cấu
Trang 3620
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Mục tiêu chính của đề tài trong luận văn này là mô phỏng và phân tích hệ kết cầu
bảo vệ Từ đó xác định được mức năng lượng va chạm mà hệ kết cấu có thể tiếp
nhận cũng như ứng xử phi tuyến của từng bộ phận trong hệ kết cau
Để thực hiện được những điều trên ta can str dung ba ly thuyết liên quan Một là lý thuyết về mô phỏng, hai là lý thuyết va chạm và cuối cùng là lý thuyết tiếp xúc Nội dung của ba lý thuyết sẽ lần lượt trình bày ở các mục tiếp theo
2.1 Lý thuyết mô phồng
2.1.1 Một số định nghĩa cơ bản về mô phỏng
Đối tượng (object) là tất cả những sự vật, sự kiện mà hoạt động của con người có
liên quan tới
Hệ thống (System) là tập hợp các đối tượng (con người, máy móc), sự kiện mà giữa chúng có những mỗi quan hệ nhất định
Trạng thái của hệ thống (State of system) là tập hợp các tham số, biến số dùng
để mô tả hệ thống tại một thời điểm và trong điều kiện nhất định
Mô hình (Model) là một sơ đồ phản ánh đối tượng, con người dùng sơ đồ đó để
nghiên cứu, thực nghiệm nhằm tìm ra quy luật hoạt động của đối tượng hay nói cách khác mô hình là đối tượng thay thế của đối tượng gốc để nghiên cứu về đối
tượng gốc
Mô hình hóa (Modeling) là thay thế đối tượng gốc bằng một mô hình nhằm
thu nhận các thông tin quan trọng về đối tượng bằng cách tiến hành các thực nghiệm
trên mô hình Lý thuyết xây dựng mô hình và nghiên cứu mô hình dé hiểu biết về đối tượng góc gọi lý thuyết mô hình hóa
Trang 3721
nhất với đối tượng Lúc này người ta có thể tiến hành các thực nghiệm trên mô
hình dé thu nhận thông tin về đối tượng
Mô phỏng (Simulation, Imitation) là phương pháp mô hình hóa dựa trên việc xây dựng mô hình số (Numerical model) và dùng phương pháp sé (Numerical
method) để tìm các lời giải Chính vì vậy máy tính số là công cụ hữu hiệu và duy
nhất đề thực hiện việc mô phỏng hệ thống
Lý thuyết cũng như thực nghiệm đã chứng minh rằng, chỉ có thể xây dựng được mô hình gần đúng với đối tượng mà thôi, vì trong quá trình mô hình hóa bao giờ
cũng phải chấp nhận một số giả thiết nhằm giảm bớt độ phức tạp của mô hình, đẻ
mô hình có thể ứng dụng thuận tiện trong thực tế Mặc dù vậy, mô hình hóa luôn
luôn là một phương pháp hữu hiệu để con người nghiên cứu đối tượng, nhận biết các quả trình, các quy luật tự nhiên Đặc biệt, ngày nay với sự trợ gIÚp đắc lực của khoa học kỹ thuật, nhất là khoa học máy tính và công nghệ thông tin, người ta đã phát triển các phương pháp mô hình hóa cho phép xây dựng các mô hình ngày càng
gần với đối tượng nghiên cứu, đồng thời việc thu nhận, lựa chọn, xử lý các thông tin về mô hình rất thuận tiện, nhanh chóng và chính xác Chính vì vậy, mô hình
hóa là một phương pháp nghiên cứu khoa học mà tất cả những người làm khoa
học, đặc biệt là các kỹ sư đều phải nghiên cứu và ứng dụng vào thực tiễn hoạt
động của mình
2.1.2 Mô hình hóa hệ thống
2.1.2.1 Vai trò của phương pháp mô hình hóa hệ thống
a) Khi nghiên cứu trên hệ thống thực gặp nhiều khó khăn do nhiều nguyên nhân
gây ra như sau:
- _ Giá thành nghiên cứu trên hệ thống thực qua đắt
Ví dụ: Nghiên cứu kết cấu tối ưu, độ bền, khả năng chống dao động của ô tô, tàu thủy, máy bay, người ta phải tác động vào đối tượng nghiên cứu các lực
đủ lớn đến mức có thể phá hủy đối tượng để từ đó đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật đã
HUTECH LIBRARY
Trang 38
22
để ra Như vậy, giá thành nghiên cứu sẽ rất đắt Bằng cách mô hình hóa trên máy tính ta dễ đàng xác định được kết cấu tối ưu của các thiết bị nói trên
- _ Nghiên cứu trên hệ thống thực đòi hỏi thời gian quá dài
Ví dụ: Nghiên cứu đánh giá độ tin cậy, đánh giá tuôi thọ trung bình của hệ
thông kỹ thuật (thông thường tuổi thọ trung bình của hệ thống kỹ thuật khoảng 30 -
40 năm), hoặc nghiên cứu quá trình phát triển dân số trong khoảng thời gian 20 - 50 năm, Nếu chờ đợi quãng thời gian dài như vậy mới có kết quả nghiên cứu thì không còn tính thời sự nữa Bằng cách mô phỏng hệ thống và cho “hệ thống” vận hành tương đương với khoảng thời gian nghiên cứu người ta có thể đánh giá được
các chỉ tiêu kỹ thuật cần thiết của hệ thống
- Nghiên cứu trên hệ thực ảnh hưởng đến sản xuất hoặc gây nguy hiểm cho
người và thiết bị
Ví dụ: Nghiên cứu quá trình cháy trong lò hơi của nhà máy nhiệt điện, trong lò luyện clanhke của nhà máy xi măng người ta phải thay đổi chế độ cấp nhiên liệu (than, dầu), tăng giảm sản lượng gió cấp, thay đổi áp suất trong lò
Việc làm các thí nghiệm như vậy sẽ cản trở việc sản xuất bình thường, trong nhiều
trường hợp có thê xây ra cháy, nỗ gây nguy hiểm cho người và thiết bị Bằng cách
mô phỏng hệ thống, người ta có thể cho hệ thống “vận hành” với các bộ thông só,
+ c VU
các chê độ vận hành khác nhau đề tìm ra lời giải tôi ưu
- Trong một số trường hợp không cho phép làm thực nghiệm trên hệ thống
thực
Ví dụ: Nghiên cứu các hệ thống làm việc ở môi trường độc hại, nguy hiểm dưới hầm sâu, dưới đáy biển, hoặc nghiên cứu trên cơ thé người, Trong những trường hợp này dùng phương pháp mô phỏng là giải pháp duy nhất để nghiên cứu hệ thống
Trang 3923
khi thay đổi tín hiệu điều khiển Những số liệu này dùng để thiết kế hệ thống
hoặc lựa chọn thông số tối ưu đề vận hành hệ thống
c) Phương pháp mô hình hóa cho phép nghiên cứu hệ thông ngay cả khi chưa
có hệ thống thực
Trong trường hợp này, khi chưa có hệ thống thực thì việc nghiên cứu trên mô
hình là giải pháp duy nhất để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống, lựa chọn
cấu trúc và thông số tối ưu của hệ thống v.v đồng thời mô hình cũng được dùng
dé đào tạo và huân luyện
Trong những trường hợp này dùng phương pháp mô phỏng mô hình hóa là giải pháp duy nhất dé nghiên cứu hệ thống
2.2 Lý thuyết va chạm 2.2.1 Định nghĩa
Va chạm là một quá trình động lực học đặc biệt trong đó vận tốc của vật biến đổi
rõ rệt về cả độ lớn và phương chiều trong một thời gian vô cùng bé
Ví dụ: Đá lăn vào hàng rào, viên đạn băn vào tường, hai xe ô tô va vào nhau Thời gian va chạm: theo định nghĩa thời gian va chạm là rất nhỏ, thực tế thời gian va chạm thường bằng 107 giây, 10” giây hoặc 10 giây tùy thuộc vào cơ lý tính của
vật va chạm Vì thời gian va chạm rất nhỏ nên được xem là một đại lượng vô cùng
bé
Vận tốc và gia tốc: cũng theo định nghĩa thì vận tốc của vật thay đổi đột ngột do đó lượng biến đổi vận tốc Av của vật trong thời gian va chạm là giới nội Mặt khác theo giả thiết thời gian va chạm là vô cùng bé nên gia tốc trung bình trong quá trình
va chạm wp = Av/t là đại lượng rất lớn, trong đó t là thời gian va chạm
Trang 4024
i — (2.1)
I=[Vẩt=Ÿ„4
0
Vì t là đại lượng vô cùng bé nên l cũng là một đại lượng vô cùng bé Dé don gian
người ta đưa ra giả thiết trong quá trình va chạm cơ hệ không di chuyền vị trí
Lực và xung lực va chạm:
Khi va chạm ngoài các lực thường như trọng lực, lực cản vật còn chịu tác dụng
của phản lực nơi tiếp xúc Chính lực này là nguyên nhân tạo nên gia tốc chuyên động của vật trong quá trình va chạm, ký hiệu là N
Luc va cham Ñ khác với lực thường Ể là nó chỉ xuất hiện trong quá trình va chạm,
không tồn tại trước và sau va chạm Thường khó xác định trước được lực va chạm
nhưng quy luật biến đổi của nó có thể biểu diễn như Hình 2 7
T t
Hình 2.1 Quy luật biến đổi của lực va chạm
Vì gia tốc trong va chạm là rất lớn nên lực va chạm Ñ là rất lớn Thông thường lực va chạm lớn hơn rất nhiều so với lực thường Ẻ Mặt khác lực va chạm lại biến đối rất
rõ ràng trong thời gian va chạm t vô cùng nhỏ nên người ta đánh giá tác dụng của nó qua xung lực