Ứng dụng kỹ thuật flat jack khảo sát trạng thái ứng suất của các cấu kiện chịu nén

Dựa trên các phân tích bằng mô hình số trên các cấu kiện chịu nén, nghiên cứu này đề xuất một phương pháp diễn giải kết quả thí nghiệm kích phẳng để theo dõi sự phát triển ứng suất trong các cấu kiện chịu nén nói chung và áp dụng để giải thích sự thay đổi theo thời gian của trạng thái ứng suất phát sinh trong kết cấu vỏ hầm bê tông. Mời các bạn tham khảo chi tiết nội dung bài viết này.

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng, NUCE 2020 14 (5V): 77–86 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT FLAT-JACK KHẢO SÁT TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CỦA CÁC CẤU KIỆN CHỊU NÉN Vũ Chí Cơnga,∗, Vũ Anh Tuấna , Nguyễn Hồng Minha a Khoa Xây dựng dân dụng Công nghiệp, Trường Đại học Xây dựng, số 55 đường Giải Phóng, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 28/08/2020, Sửa xong 17/10/2020, Chấp nhận đăng 21/10/2020 Tóm tắt Xác định trạng thái ứng suất phát sinh phận kết cấu công việc quan trọng giúp đánh giá tối ưu hóa kích thước hệ kết cấu chịu lực Tuy nhiên, phép đo phức tạp thường xác định gián tiếp từ phép đo biến dạng Kỹ thuật kích phẳng (flat jack) phương pháp thí nghiệm “khơng phá hủy” thực đơn giản, cho phép xác địch trực tiếp ứng suất phát sinh cấu kiện thông qua giá trị áp suất dầu bơm vào kích phẳng Dựa phân tích mơ hình số cấu kiện chịu nén, nghiên cứu đề xuất phương pháp diễn giải kết thí nghiệm kích phẳng để theo dõi phát triển ứng suất cấu kiện chịu nén nói chung áp dụng để giải thích thay đổi theo thời gian trạng thái ứng suất phát sinh kết cấu vỏ hầm bê tông Từ khố: kích phẳng; cấu kiện chịu nén; tường gạch xây; vỏ hầm; phép đo ứng suất APPLICATION THE FLAT-JACK TECHNIQUE FOR INVESTIGATING THE STRESS STATE IN COMPRESSION MEMBERS Abstract Determination of the stress state within a structural element is an important work for evaluating or optimizing the structural design Nevertheless, that is a complicated measurement and often performed indirectly from the strain measurement The flat jack technique, a non-destructive test and simple experiment, allows to directly determine the stresses within structure via the oil pressure pumped into the jack Based on numerical modelling of two types of compression members, this paper proposes a novel interpretation of flat jack measurement to follow the evolution of the stress state in structural elements subjected compression loading in general and apply for interpreting the orthoradial stress evolution in a concrete tunnel lining as function of time Keywords: flatjack; compression members; mansory wall; tunnel lining; stress measurement https://doi.org/10.31814/stce.nuce2020-14(5V)-07 © 2020 Trường Đại học Xây dựng (NUCE) Giới thiệu Để xác định ứng suất phát sinh kết cấu, thơng thường, có ba phương pháp sử dụng: (1) đo trực tiếp thông qua đầu đo ứng suất (stress gauge); (2) xác định gián tiếp thông qua đầu đo biến dạng (strain gauge); (3) xác định gián tiếp thông qua áp suất đo từ thiết bị đo phụ trợ (ví dụ: flatjack technique - thí nghiệm kích phẳng) [1, 2] Trong "kỹ thuật kích phẳng"là phương pháp đo đơn giản hiệu nhằm xác định: (i) ứng suất nén trường (in-situ) kết cấu khác đập bê tông [3], vỏ hầm [4]; (ii) cường độ chịu nén vật liệu gạch [5–9]; đá [10] Để đo ứng suất nén phát sinh kết cấu, kỹ thuật dựa nguyên ∗ Tác giả đại diện Địa e-mail: congvc@nuce.edu.vn (Công, V C.) 77 71 d1i d 0i (Hình 1e) Ứng suất sau xác định thông qua giá trị áp suất 72 kích phẳng p1 việc sử dụng cơng thức (1) 73 74 - Cách 2: Kích phẳng sau thí nghiệm (Hình 1a, b, c) giữ lại khe cắt Giả sử thời điểm bấtvàkỳ, nén kết nghệ cấu lúc (Hình Cơng, V C., cs.ứng / Tạpsuất chí Khoa học Cơng Xâynày dựnglà 75 1d), áp suất dầu kích phẳng p không đủ để khôi phục lại khoảng cách ban lý cung cấp vào kích phẳng áp suất 0nhằm cân với ứng suất giải phóng việc điểmvng đo d 0i góc Thay cung cấp mộtkết ápcấu suấtcần nhằm đáp kích ứng phẳng có p1' đo p0 Kỹ tạo ra76mộtđầu khegiữa cắthai mỏng vớivào bềđó, mặtcần chịu lực thuật 77 yêu 1d) Tuy nhiên, không sử thước dụng công thứcso (1)với đểkết xáccấu sau thể coi cầu mộtnày thí (Hình nghiệm khơng phá hủy khe cắt cóthể kích nhỏ ' thí nghiệm ứng thu hồi lại kích phẳng khơi phục lại kết cấu 78 định giá trị suấtdễ dàng từ giá trị áp suất p1 , d 0i khoảng cách ban đầu việc 79 chèn vữa bổ sung vào khe cắt hai điểm đo ( d ) tương ứng với ứng suất (như Hình 1e) 1i 80 81 82 83 Hình Ngun lý kỹ thuật kích phẳng Hình Nguyên lý kỹ thuật kích phẳng [11] Mục đích báo đề xuất phương pháp (NM) để diễn giải Theo tiêu chuẩn ASTM-C1196 [11], bảnminh họa thí nghiệm 84 kết thí nghiệm kích phẳng (theobước cách Hìnhsử 1d)dụng nhằmmột phânkích phẳng nhằm xác định ứng suất nén trường minh họa Hình Bước xác định 85 tích phát triển theo thời gian ứng suất nén phát sinh kết cấu chịu nén khoảng cách ban đầu d0i hai điểm đo cố định bề mặt kết cấu (Hình 1(a)) Tiếp theo, khe 86 Áp dụng tính tốn giải tích kết hợp với phân tích mơ hình số phương cắt mỏng tạo vị trí hai điểm đo (Hình 1(b)) Dưới tác dụng trường ứng suất 87 pháp phần tử hữu hạn (FEM) (Code-Aster [12]), mối quan hệ áp suất kích nén σ0 , khoảng cách hai điểm đo bị thu hẹp lại d < d0i (Hình 1(b)) Kích phẳng sau 88 phẳng với ứng suất hai dạng kết cấu: kết cấu tường xây gạch kết cấu vỏ chèn vào khe cắt dầu bơm vào kích phẳng nhằm khơi phục lại vị trí ban đầu hai điểm đo 89 hầm bê tông xác định Những cơng thức sau sử dụng để diễn d = d0i (Hình 1(c)) Về mặt lý thuyết, với giả thiết trường ứng suất nén đồng diện tích nhỏ 90 giải kết ứng suất xác định từ thí nghiệm kích phẳng thực MHMcủa khe cắt, áp suất dầu kích phẳng bước (Hình 1(c)) p0 = σ0 Tuy nhiên 91 URL so sánh với kết thu từ thí nghiệm sử dụng đầu đo ứng suất trực hao hụt dầu bơm, sai số kích thước, hình dạng kích phẳng khơng đồng kết cấu, giá trị ứng suất trường (σ) xác định theo công thức sau [8, 11]: σ = Ka Km p (1) đó, p áp suất dầu kích phẳng nhằm khơi phục lại vị trí ban đầu hai điểm đo; Ka tỉ số diện tích kích phẳng với diện tích khe cắt; Km hệ số hiệu chỉnh kích phẳng, phụ thuộc vào áp suất (p) hình dạng kích phẳng [8] Trong nghiên cứu này, phương pháp xác định ứng suất kết cấu theo công thức (1) gọi "phương pháp cổ điển (CM)" Như minh họa Hình 1, sử dụng kỹ thuật kích phẳng để theo dõi phát triển theo thời gian ứng suất kết cấu (σ0 → σ1 ), có hai cách thực sau: - Cách 1: Sử dụng kích phẳng với bước (a, b, c) Hình lặp lại Tuy nhiên, khoảng cách ban đầu lúc d1i tương ứng với trạng thái ứng suất σ1 d1i d0i (Hình 1(e)) Ứng suất σ1 sau xác định thơng qua giá trị áp suất kích phẳng p1 việc sử dụng công thức (1) 78 Công, V C., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng - Cách 2: Kích phẳng sau thí nghiệm (Hình 1(a), (b), (c)) giữ lại khe cắt Giả sử thời điểm bất kỳ, ứng suất nén kết cấu lúc σ1 > σ0 (Hình 1(d)), áp suất dầu kích phẳng p0 không đủ để khôi phục lại khoảng cách ban đầu hai điểm đo d0i Thay vào đó, cần cung cấp áp suất p1 > p0 nhằm đáp ứng yêu cầu (Hình 1(d)) Tuy nhiên, sử dụng công thức (1) để xác định giá trị ứng suất σ1 từ giá trị áp suất p1 , d0i khơng phải khoảng cách ban đầu hai điểm đo (d1i ) tương ứng với ứng suất σ1 (như Hình 1(e)) Mục đích báo đề xuất phương pháp (NM) để diễn giải kết thí nghiệm kích phẳng (theo cách minh họa Hình 1d) nhằm phân tích phát triển theo thời gian ứng suất nén phát sinh kết cấu chịu nén Áp dụng tính tốn giải tích kết hợp với phân tích mơ hình số phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) (Code-Aster [12]), mối quan hệ áp suất kích phẳng với ứng suất hai dạng kết cấu: kết cấu tường xây gạch kết cấu vỏ hầm bê tông xác định Những cơng thức sau sử dụng để diễn giải kết ứng suất xác định từ thí nghiệm kích phẳng thực MHM-URL (Meuse/HauteMarne-Underground Research Laboratory) so sánh với kết thu từ thí nghiệm sử dụng đầu đo ứng suất trực tiếp Phương pháp diễn giải (NM) Thơng qua phân tích mơ hình số theo phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) áp dụng cho hai dạng kết cấu: (i) tường gạch xây tác động tải trọng nén phân bố đều; (ii) vỏ hầm tác dụng tải trọng nén hướng tâm phân bố đều, mối quan hệ ứng suất σ1 với hai thông số d0i p1 (xem minh họa Hình 1(d)) thiết lập 2.1 Kết cấu tường gạch xây Trong phần này, thực phân tích mơ hình số mơ lại thí nghiệm kích phẳng kết cấu tường gạch xây Rossi [8] thực năm 1985 Mẫu thí nghiệm có kích thước (cao × Tạp Khoa NUCE p-ISSN 2615-9058; 2734-9489 rộng × dày = 150 ×chí 150 × học 50 Cơng cm)nghệ chịuXây tácdựng, dụng của2018 tải trọng phân bố đềue-ISSN cạnh tường (xem Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, NUCE 2018 p-ISSN 2615-9058; e-ISSN 2734-9489 121 121 (a)Thí Thínghiệm nghiệm kích (b) Mơ theosố phương pháp phần (a) kích phẳng phẳngtrên trênmẫu mẫu (b)hình Mơsốhình theo phương pháp phần tử (a)gạch Thí xây nghiệm phẳng (b) Mơ hình số theo phương phần tường gạch xây dướikích tác dụng tải hạn sử sử dụng chocho mơ mơ thípháp tường tác dụng tảimẫu tử hữu hữu hạn dụng thí nghiệm tường gạch xâybố tử hữukích hạn sử phẳng dụng trọng phân [8] nghiệm phẳng bên cho trái trọng phân bốdưới đềutác [8]dụng tải kích bênmơ tráiphỏng thí 122 Hình Mơtrọng phỏngphân số thíbốnghiệm kích phẳng thực mẫu kích tườngphẳng gạch xây [8] nghiệm bên trái 122 Hình Hình 2.hình Mơ thí nghiệm kíchngun phẳngdạng thựccủa gạch xâyxây 123 Trên 1phỏng tương ứng với trạngkích thái kếttrên cấumẫu (khơng có khe mơ Mơ số số thí nghiệm phẳng thực mẫutường tường gạch 124 trọng dụng đầuứng với tathái có khoảng bancủa đầukết (tham 123 cắt), với tải Trên mơtác hình ban tương trạng79 nguncách dạng cấuchiếu) (khơng có khe , chúng d ( ) 125 hai điểm đo Bốn giá trị xem xét: 0; 0.75; 1.50 2.25MPa 124 cắt), với tải trọngi tác0 dụng ban đầu0là , có khoảng cách ban đầu (tham chiếu) 126 FEM, khoảng ứng với di ( ) tương d ( giá) trị 125 Thơng giữaqua haiphân điểmtích đo Bốn giá trịcách tham đượcchiếu xem xét: 0; 0.75; 1.50từng 2.25MPa i 0 127 tải trọng xácFEM, định giá Ở giá trị , mơ hình ứng với 126 cấpThơng qua phân tích trị khoảng cách0 tham chiếu di 2( tương ) tương ứng với 128 trạng thái kết cấu có khe cắt, thay đổi giá trị ( ) từ đến với 127 cấp tải trọng xác định Ở giá trị , mô hình tương ứng với Cơng, V C., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Hình 2(a)) Tải trọng phân bố tác dụng lên đỉnh tường tạo kích thủy lực với cấp áp suất nén biết trước gọi “tải trọng tác dụng” Thơng số sau so sánh với “ứng suất đo được” tường từ thí nghiệm kích phẳng Thực nhiều thí nghiệm với giá trị tải trọng tác dụng hình dạng kích phẳng khác nhau, Rossi [8] xác định tương quan ứng suất đo tải trọng tác dụng Tương quan hai thơng số có ý nghĩa tương tự mối quan hệ σ1 p1 Hình 1(d) Do tính chất đối xứng mẫu thí nghiệm (Hình 2(a)), mơ hình nửa mẫu tường gạch thể Hình 2(b) Hai mơ hình sử dụng tương ứng với hai trạng thái: (Mô hình 1) kết cấu ngun dạng (trước có khe cắt) (Mơ hình 2) kết cấu sau có khe cắt Các điều kiện biên (thể thông qua ràng buộc chuyển vị theo trục dX, dY, dZ) sử dụng mơ thể Hình 2(b); áp suất dầu kích phẳng (p) gán phân bố trực tiếp lên hai bề mặt khe cắt Sử dụng kết đo chuyển vị điểm đo tường cung cấp Rossi [8], hai thông số đàn hồi mẫu xác định sau: Môđun đàn hồi E = 3800 MPa số Poisson ν = 0,25 Hai giá trị sau sử dụng thông số đầu vào cho mô mơ hình số Trên mơ hình tương ứng với trạng thái ngun dạng kết cấu (khơng có khe cắt), với tải trọng tác dụng ban đầu σ0 , có khoảng cách ban đầu (tham chiếu) hai điểm đo di (σ0 ) Bốn giá trị σ0 xem xét: σ0 =0; 0,75; 1,50 2,25 MPa Thơng qua phân tích FEM, giá trị khoảng cách tham chiếu di (σ0 ) tương ứng với cấp tải trọng σ0 xác định Ở giá trị σ0 , mơ hình tương ứng với trạng thái kết cấu có khe cắt, thay đổi giá trị (σ) từ σ0 đến 2σ0 với bước tăng tải ∆σ = 0,25MPa Tương ứng với cặp giá trị ứng suất (σ0 , σ), áp suất Tạpphẳng chí Khoa họcphỏng) Cơng nghệ 2018 qua phân p-ISSN 2615-9058; e-ISSN 2734-9489 kích (mơ (p) Xây đượcdựng, xác NUCE định thơng tích FEM ngược nhằm thỏa mãn điều kiện khoảng cách hai điểm đo mơ hình (kết cấu có khe cắt) d = d0i Hình thể mối quan hệ (p) (σ) tương ứng với cấp tải trọng ban đầu (σ0 ) khác Chúng ta nhận thấy p C D theo 140 kích thước củatảikích đường phảicơng thức: qua pđiểm rằng, bốn cấp trọng,phẳng σ0 , p vàVìσ phụ thuộcthẳng tuyến tính với = Cσ+ D, (p , ) D (1 C ) 141 , suy 0 142 143 Hình Mối quan hệ áp suất dầu kích phẳng (p) tải trọng tác dụng lên tường (σ) tương ứng với 144 Hình Mối quan hệ áp suất dầu kích phẳng ( p) tải trọng tác dụng lên cấp tải trọng ban đầu (σ0 ) khác Kích phẳng (khe cắt mơ hình) hình chữ nhật có kích thước ( ) khác Kích phẳng (khe 145 tường ( ) tương ứng với cấp trọng=ban (dàitải × rộng 40 ×đầu 20 cm) 146 147 148 149 cắt mô hình) hình chữ nhật có kích thước (Dài x Rộng = 40 x 20 cm) 80 Từ kết phân tích trên, kết luận sử dụng kích phẳng giữ lại khe cắt để theo dõi phát triển ứng suất kết cấu thì: thí nghiệm sau thí nghiệm đầu tiên, ứng suất kết cấu ( ) phải hiệu chỉnh Công, V C., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng (C, D = const) Trên Hình 3, dễ dàng nhận thấy số C không phụ thuộc vào tải trọng ban đầu σ0 Tuy nhiên, thể Hình 4, C bị thay đổi tùy theo kích thước kích phẳng, C tăng diện tích kích phẳng giảm Cũng Hình 4, hai kích phẳng S S có hình dạng khác diện tích bề mặt gần có số C gần Điều có nghĩa là, số C thuộc duynghệ kích 2615-9058; phẳng Vì đường thẳng p = Cσ + D Tạp phụ chí Khoa học Cơng Xâyvào dựng,kích NUCEthước 2018 củap-ISSN e-ISSN 2734-9489 phải qua điểm (p = σ0 , σ = σ0 ), suy D = (1 − C)σ0 152 153 Hình Mối quan hệ áp suất dầu kích phẳng ( p) tải trọng tác dụng ( ) Hình Mối quan hệ áp suất dầu kích phẳng (p) tải trọng tác dụng (σ) cho kích phẳng có hình 154 cho kích phẳng có hình dạng khác tương ứng với cấp tải trọng ban đầu dạng khác tương ứng với cấp tải trọng ban đầu (σ0 = 2,25 MPa) ( 155 2.25 MPa) Từ kết phân hầm trên, kết luận sử dụng kích phẳng giữ lại 156quả2.2 Kết tích cấu vỏ khe cắt để theo dõi phát triển ứng suất kết cấu thì: thí nghiệm sau thí nghiệm đầu 157 tiên, ứng suất kết cấu (σ) phải hiệu chỉnh công thức (2) đây: p σ0 σ = + (1 − C) (2) C C đó, C số phụ thuộc vào kích thước kích phẳng 2.2 Kết cấu vỏ hầm Không giống kết cấu tường gạch xây phần (a), tải trọng tác dụng lên mặt vỏ hầm khác ứng suất nén vỏ hầm Hơn nữa, giá trị ứng suất không phân bố toàn mặt cắt phụ thuộc vào chiều dày vỏ hầm Xem vỏ hầm ống dài vô hạn chịu tác dụng tải trọng hướng tâm phân bố σc toàn diện tích mặt ngồi vỏ hầm, áp dụng lý thuyết đàn hồi, ứng suất chuyển vị vỏ hầm xác định theo công thức sau [13]: σrr = σc 158 (a) Thí nghiệm kích phẳng mẫu tường gạch xây tác dụng tải σθθ = σc   ur = σc  R2ext (r2 − R2int ) (3) r2 (R2ext − R2int ) (b) Mơ hình số theo phương pháp phần + R2 ) R2ext (r tử hữu hạn int sử dụng cho mô thí r2 (R2ext − R2int ) R2ext r 2(λ + G)(R2ext − R2int ) 81 + R2ext R2int 2G(R2ext − R2int )r    (4) (5) Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng, NUCE 2018 u2 p-ISSN 2615-9058; e-ISSN 2734-9489 u02 ; (5) kết cấu có khe cắt với giá trị tải trọng , xác định giá trị áp Công, V C., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng suất cần cung cấp vào kích phẳng p1m p2m nhằm thỏa mãn điều kiện đó, σrr , σθθ , ur ứng suất hướng tâm, ứng suất tiếp tuyến chuyển vị hướng tâm; Rint Tạplần chí Khoau nghệ Xây dựng, NUCE 2018 p-ISSN 2615-9058; làhọc bán kính và(1) ngồi vỏ(3) hầmđược (Rint ≤phân r ≤ Rext );e-ISSN λ G2734-9489 làtiếp Lamé Công Các bước (2)củavà tích trực qua sốmơ hình số u1 uvà010 Rext u2lượt 02 Để thiết lập mối quan hệ áp suất kích phẳng ứng suất tiếp tuyến vỏ hầm, chúng theo phương pháp phần khikích đó,phẳng kết 5) bước (4) thực (5) ta tiến hành phân tích tử mơhữu hình hạn số mơ(FEM) lạiTrong thí nghiệm (Hình hiệnđược 186tại MHM-URL thể kết cấu có khe cắt với giá trị tải trọng , xác định giá trị áp u2 u02 ; (5) trêntrình Hình Trongtích đó, tảingược trọng σ (inverse tác dụng lênanalysis) vỏ hầm thiết làbằng xác định thơng qua chương phân lậpgiảtrình 187tải trọng suất cần cungtâm cấpphân vào thỏahầm mãnlàlần p1m hướng bố đềukích trênphẳng mặt ngồi củap2m vỏ nhằm hầm Vỏ bê lượt tôngđiều đượckiện phun chỗ với PYTHON [14] 31ucm đường kính là(3) 2,15 m Bê tơng có mơđun hồi = 30 GPa hệ số 188chiều Các vànghệ tiếp đàn qua mô E hình số2734-9489 u1 dày u010làvà u020 có Tạp bước chí Khoa(1) học(2) Cơng Xây dựng,phân NUCE tích 2018 trực p-ISSN 2615-9058; e-ISSN Poisson ν = 0,25 Hai vị trí đo khoảng cách ban đầu cố định vỏ hầm với khoảng cách so với 189 Dưới phápcủa phầntải hữu hạn (FEM) đó, kết bước ,(4) (5) vị u01 u02 tác dụng trọng hướng tâm phân chuyển tâmtheo kíchphương phẳng (khe cắt) làtử250 mm (điểm đoTrong P1) vàkhi 100 mmbố (điểm đo P2) (xem Hình 5) Do tính đối 190xứng xác định thơng qua chương trình chúng phân tích ngược (inverse analysis) lậphình trình 186 kết cấu đãchỉ có khe cắt với giá trị tải trọng định trị áp thể u2thí unghiệm, kết cấu vị trí ta phân tích phần tư mơ vỏ hầm 02 ; (5) , xác có191 thể xác[14] định thông qua chuyển vị hướng tâm ur công thứcgiá (5) sau: PYTHON 187 bước suấtphân cần cung vào kích phẳng pcác thỏachuyển mãn lầnvị lượt điều đứng kiện u0 p1mđịnh Hình Các tíchcấp sau: (1) xác giá trị thẳng 2m nhằm 01 hai tác điểm đo P1 kết ngun dạng trước có tích khetrực cắtutiếp tác động tải 188 vàtrên Các bước (1)bố (2) (3) phân qua mơ hình số u1 u010P2 u2 hướng u020 cấu 192và u02 Dưới dụng tải trọng tâm phân , chuyển vị u 01 02 u01 uvị r (R int ).sin 1u u hai điểm đo P1 P2 (6) trọng σ = σ0 ; (2) xác giá pháp trị chuyển thẳng đứngTrong 01 đó, 02 kết bước (4) (5) 189 định theo phương phần tử hữu hạn (FEM) 193 xác định thông qua chuyển vị hướng tâm ur công thức (5) sau: kết cấu nguyên dạng khe cắt táctrình động củatích tải ngược trọng (inverse σ ≥ σ0analysis) ; (3) xáclập định chuyển 190trước xáckhi địnhcóthơng qua chương phân trình u u ( R ).sin [14] vị thẳng đứng u1 và191 u2 tạiPYTHON hai điểm đo vàr ( R P2 02 u r intkết cấu có khe cắt chưa u01P1 (6)đặt kích phẳng; (7) int ).sin (4) kết cấu 192 có khe cắtDưới với giá trị tảicủatrọng σ ≥hướng σ0 , xác định bố giáđều trị áp suất trongvịkích p1 tác dụng tải trọng tâm phân , chuyển u01 vàphẳng u02 u u ( R ).sin (7) 02 r int sin lần Z193 Rintcómãn (thể i 1,2) trongvàđó, với mm 125 50cấu p2 nhằm lượt điều kiện u1thông =Z1u01quavà u2 mm = vị u02hướng ; (5)Z có khe cắt với giá trị i i /thỏa ukết xác định chuyển tâm r công thức (5) sau: tải trọng σ ≥sin σ0 , xácZ định giá trị áp suất cần cung cấp vào kích phẳng p1m p2m nhằm thỏa / R (i 1,2) với Z 125 mmuvà Zu 2( R 50 194 đó, mm 01 (1) r (2) int ).sin mãn điềui kiệni u1 int= u001 u2 = u1002 Các bước (3) phân tích trực tiếp(6) qua mơ đó, kết bước (4) (5) 195hình số theo phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) Trong u02 ur (khi Rint ).sin (7) xác định thông qua chương trình phân tích ngược (inverse analysis) lập trình PYTHON [14] 196 194 đó, sin i Zi / Rint (i 1,2) với Z1 125 mm Z 50 mm 195 196 (b) Kích thước kích phẳng sử dụng (b) Kích thước kích phẳng sử dụng (b) Kích thước kích phẳng sử dụng (b) Kích thước kích phẳng sử dụng Lắp đặtkích kích phẳng phẳng(a)và thực đophẳng (c) Vị Vị tríkhoảng cácđiểm điểmcách đokhoảng khoảng cách trên (a)(a) Lắp đặt thực đo (c) tríđo điểm đo cách Lắp đặt kích thựcVị (c) trí đo khoảng cách điểm đo mặt vỏ hầm khoảng cách cáckhoảng điểm cách đo điểm đo mặt vỏ mặt hầmtrong vỏ hầm 197 Hình Thí nghiệm thực MHM-URL Hình1975.Hình Thí nghiệm kích5.phẳng đượckích thựcphẳng hiệnđược MHM-URL Thí nghiệm kích phẳng thực MHM-URL 198 Sự thay đổi áp suất kích phẳng p (i 1,2) theo ứng suất tiếp tuyến Sự thay đổi áp suất kích phẳng pi (i 1,2) theoi ứng suất tiếp tuyến Dưới tác dụng 199 tải trọng hướng σ,đổi chuyểnđến vị 2.5MPa u01 u02 có ( Rint ) tác tâm động phân tảibố trọng thay từ 0.5MPa thểthể hiệnđược xác ( Rint )qua 199định tác động tải trọng thay đổi từ 0.5MPa đến 2.5MPa thể (a) Lắpthơng đặt kích phẳng thực đo (c) Vị trí điểm đo khoảng cách chuyển vị hướng tâm u công thức (5) sau: 200 Hình 7, r ( Rint ) xác định từ công thức (4) Kết (i) p1 ( R ) 200 khoảng Hình 7, xác đo định từ cơng thức (4) Kết (i) p1 cáchđógiữa intcácđược điểm mặt vỏ hầm u01 = ur (Rint ) sin θ1 (6) 198 Hình Thí nghiệm kích phẳng 82được thực MHM-URL Sự thay đổi áp suất kích phẳng pi (i 1,2) theo ứng suất tiếp tuyến ( Rint ) tác động tải trọng thay đổi từ 0.5MPa đến 2.5MPa thể Công, V C., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng u02 = ur (Rint ) sin θ2 (7) Sự thay đổi áp suất kích phẳng pi (i = 1, 2) theo ứng suất tiếp tuyến σθθ (Rint ) tác động tải trọngTạpthay đổihọctừCông 0,5nghệ MPa đếnNUCE 2,52018 MPa hiệne-ISSN trên2734-9489 Hình 7, σθθ (Rint ) chí Khoa Xây dựng, p-ISSNthể 2615-9058; p1 xác định từ công thức (4) Kết (i) p1 p2 khác ∼ 1,3 , việc sử p2 p 1.3 , việc sử dụng giá trị p (i 1,2) để xác định dụng giá trị201 pi (i p= khác 1, 2)nhau để xác p định giá trị σ theo công thức (1) không hợp lý trường hợp kết cấu202vỏ hầm; 2)là σθθ ) phụ thuộc tuyến với(ii)nhau giá trị (ii) theopcông thức1,(1) không hợp(R lýint trường hợp kết cấutính vỏ hầm; i (i = 203biểu sau: p (ithức 1,2) ( R ) phụ thuộc tuyến tính với minh họa minh họa i int i 204 biểu thức sau: p1 =p C1Cσ θθ =1.43 1,43σθθ (8) (8) p2 =p C2Cσ θθ =1.10 1,10σθθ (9) (9) 1 2 205 đó, hệ số góc Ci (i 1,2) tăng khoảng cách điểm đo so với vị trí kích phẳng 206 tăng đó, hệ số góc Ci (i = 1, 2) tăng khoảng cách điểm đo so với vị trí kích phẳng tăng 207 208 Hình Mơ hình số mơ thí nghiệm kích phẳng thực MHM-URL Hình hình số mơ thíNUCE nghiệm thực MHM-URL Tạp6.chíMơ Khoa học Cơng nghệphỏng Xây dựng, 2018kích phẳng p-ISSN 2615-9058; e-ISSN 2734-9489 10 209 210 Hình Sự thay đổi áp suất kích phẳng p1 , p2 theo ứng suất tiếp tuyến Hình Sự thay đổi áp suất kích phẳng p1 , p2 theo ứng suất tiếp tuyến σθθ (Rint ) ( Rint ) 211 tự kết cấu xây ởbốn trên, giá bốn trị giá trị trọng ban ban đầu Tương 212 tự nhưTương với kết cấuvớigạch xâygạch trên, tảitảitrọng đầu 0σ00.5; = 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 p 213 1.0; 1.5; 2.0MPa xem xét để thiết lập mối quan hệ Ứng p i 1,2 MPa xem xét để thiết lập mối quan hệ pi pim (i = 1, i2) Ứng với giá trị σ0 , giá im , giá trị pi pim i 1,2 xác định thơng qua phân tích 214 với giá trị 215 ngược nhằm thỏa mãn hai điều kiện ui 216 giá trị tải trọng khác 83 u0i (i 1, 2) ui u00i (i 1,2) cho Hình thể thay đổi p1m p2m theo khác nhau, pim pi (i 1,2) 217 p1 p2 Chúng ta nhận thấy rằng, với giá trị 218 quan hệ tuyến tính với theo đường thẳng song song với hệ số góc Tạp chí KhoaCơng, học Cơng Xây 2018 học Cơng p-ISSNnghệ 2615-9058; e-ISSN 2734-9489 V nghệ C., cs.dựng, / TạpNUCE chí Khoa Xây dựng trị pi pim (i = 1, 2) xác định thơng qua phân tích ngược nhằm thỏa mãn hai điều kiện ui = u0i (i = 1, 2) upi = uC00iC(i = 1,(12)Ccho các2Rgiá ext trị tải trọng khác σ ≥ σ0 Hình thể với (i 1, 2) (12) im im i im )Ci 2 ( Rext int ) thay đổi p1m p2m theo p1 p2 Chúng ta Rnhận thấy rằng, với giá trị σ0 khác nhau, pim pi (i 2) quan hệ tuyến tính với theo đường thẳng song song với hệ số 225= 1,hoặc góc Cim : Cim 2Rext với (i 1, 2) p (13) p = C p + b , với = (10) im 1, 2) imC i ( Ri2 R (i C Cim ) im i im ext int 226 227 Hình Mối quan hệ áp suất kích phẳng: (a) p p ; (b) p p 229 Nếu sử dụng kỹ thuật kích phẳng để theo dõi phát triển ứng suất kết cấu theo 232 Thông thường, giá trị 233 234 235 sau vỏ hầm vừa xây dựng2R xong [15] Tuy nhiên thực tế việc bi = (1 − Cim )Ci ext σ0 , với (i = 1, 2) khó thực để đảm bảo an toàn, cấu vỏ (Rextkết −R ) hầm bê tông phun int sau kết thúc chu kỳ đào Một cách đơn giản hóa,với 0 , cơng thức (12) trở 236 thành: Hình Mối quan hệ áp suất kích phẳng: (a) p1 p1m ; (b) p21mvà p2m 2tương2mứng với giá trị 228 tương ứng với giá trị khác σ0 khác nhau0 Như hàm = 1,30 Ctiếp 1,11, giá trị bi phụ 1m = 230 Hình “cách8,2”xấp cơngxỉthức (13)cho cho kết phépquả xác C định ứng suất tuyến mặtkhi thuộc theo231 tải trọng ban đầu σ Áp dụng với trường hợp σ = σ , có p = vỏ hầm từ các0giá trị áp suất kích phẳng pim và0 tải trọng ban đầu im pi , từ công thức (4) (10), giá trị bi (i = 1, 2) xác định theo công thức sau: giả thiết thí nghiệm kích phẳng thực (11) Thay công thức (9) (11) vào cơng thức (10), có: 2R2 C)C với (i ext1, 2) σ0 , với (i = 1, 2) (14) i i pim = CimCi σθθ + p(1im −CCimim (R2ext − R2int ) 237 Thay giá trị Cim Ci tìm vào cơng thức (14), ta có mối quan hệ 238 pim (i 1,2) với (12) trường hợp thí nghiệm kích phẳng MHM-URL sau: 2R2ext (Cim − 1) σθθ = pim + p σ0 , với (i = 1, 2) CimCpi1m 1.87 C; imp2m 1.22 (R2ext −vàR2int1)m 1.54 (15) (13) p2 m Nếu sử dụng kỹ thuật kích phẳng để theo dõi phát triển ứng suất kết cấu theo “cách 2” công thức (13) cho phép xác định ứng suất tiếp tuyến σθθ mặt vỏ hầm từ giá trị áp suất kích phẳng (pim ) tải trọng ban đầu12(σ0 ) Thông thường, giá trị σ0 giả thiết thí nghiệm kích phẳng thực sau vỏ hầm vừa xây dựng xong [15] Tuy nhiên thực tế việc khó thực để đảm bảo an toàn, kết cấu vỏ hầm bê tông phun sau kết thúc chu kỳ đào Một cách đơn giản hóa,với σ0 = 0, công thức (12) trở thành: pim = CimCi σθθ , với (i = 1, 2) (14) Thay giá trị Cim Ci tìm vào cơng thức (14), ta có mối quan hệ pim (i = 1, 2) với σθθ trường hợp thí nghiệm kích phẳng MHM-URL sau: p1m = 1,54 (15) p1m = 1,87σθθ ; p2m = 1,22σθθ p2m 84 240 URL 241 Sự thay đổi áp suất kích phẳng pim (i 1, 2) theo thời gian, thu 242 243 từ thí nghiệm kích phẳng thực MHM-URL thể Hình Từ giá trị áp suất pim (i 1,2) , giá trị ứng suất tiếp tuyến mặt vỏ 244 hầm xác định từ công thức (15) Sự thay đổi theo thời gian ứng suất Công, V C., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Áp dụng phương pháp diễn giải (NM) cho thí nghiệm kích phẳng MHM-URL 245 vị trí thí nghiệm kích phẳng khác mặt cắt vỏ hầm trình 246 bàyđổi trêncủa Hình Vềsuất mặt lý thuyết, cảphẳng hai giá ptrịimáp phải cho giá từ thí 1m Sự thay các9.áp kích (i suất = 1,p2) theop2mthời gian, thumột nghiệm phẳng MHM-URL thểHình hiện9:trên Từ trịso ápvới suất pim (i = 247 kích trị ứng suấtthực Tuytại nhiên, thể (i) Hình giá nhiều p1m lớn9.hơn (σθθ ) (tại mặt 1, 2), tuyến vỏ thức (15) Sự 248giá trị ; (ii)suất tồn tiếp hai giá trị ứnghầm với ; từ (iii)công khác p2mứng ) tương p1m vàxác p2mđịnh thay đổi theo thời gian ứng suất (σθθ ) vị trí thí nghiệm kích phẳng khác p1,2m 249 và giá trị ứng suất với áp suất tương ứng mặt cắt vỏ hầm trình bày Hình Về mặt lý thuyết, hai giá trị áp suất p1m p2m tăng theo thời vượt trội trị với(i)pp2m1mcũng nhiều so phải250 cho rangày mộtcàng giá trị ứng suất σθθgian TuySựnhiên, nhưvề thểgiá pHình lớn 1m so9: với 251 p2m ; (ii) tồn lệch hai trịhai σθθgiá (σtrị σ ) tương ứng tương với p1m ; (iii) khác chênh lớngiá soθθvới ứng suất ứngvà p2m θθ1 1,2 (điểm (i) điểm σθθ1252 σθθ2 cáchợp giá với trị ứng suất vớigóc cáctrong áp suất ứng Trong p1,2m ngày (iii)và phù giá trịnày hệ số côngtương thức (15) đó, điểm tăng theo thời253 gian (ii) Sự có vượt trội giá trị p so với p chênh lệch lớn hai giá trị 2m thực tế độ dày vỏ hầm khơng đồng thể giải thích 1m điều kiện so với ứng suất tương ứng σθθ1,2 (điểm (i) điểm (iii) phù hợp với giá trị hệ số góc 254 tải trọng tác dụng lên mặt vỏ hầm phân bố công thức (15) Trong đó, điểm (ii) giải thích điều kiện thực tế độ dày 255 tuyệt đối (như mơ hình phân tích phần trên) Tuy nhiên, thể vỏ hầm không đồng tải trọng tác dụng lên mặt ngồi vỏ hầm khơng phải phân bố đối9,(như phântrung tích bình phần trên) Tuy nhiên, thểvịhiện Hình 9, 256 tuyệt Hình giá trị ứngmơ suấthình tiếp tuyến hai trí thí σθθ1 + σθθ2 giá trị ứng suất tiếp tuyến trung bình σθθ = hai vị trí thí nghiệm khác (2) cắt vỏ hầm tương đồng theo 257 nghiệm khác (2) (3) mặt (3) mặt cắtbiệt, vỏ hầm trị kháứng tương Đặchợp biệt,với cáccác giákếttrị ứng suất 258 thờimột gian Đặc giá suất đồng ( MPa)thời gian phù 12 theo ( σθθ ≈ 12 MPa) phù hợp với kết ứng suất đo từ thí nghiệm xác định 259 ứng suất đo từ thí nghiệm xác định thơng qua thí nghiệm sử dụng đầu thơng qua thí nghiệm sử dụng đầu đo ứng suất trực tiếp [1] 260 đo ứng suất trực tiếp [1] 261 Hìnhđổi Sự thay đổitrong áp suấtphẳng trongpkích phẳng pim (i 1,2) đo từ thí nghiệm Hình262 Sự thay áp suất kích im (i = 1, 2) đo từ thí nghiệm kích phẳng thực 263 kích phẳng thực MHM-URL ứng suấttrong tiếp tuyến hầm 𝜎𝜃𝜃 MHM-URL ứng suất tiếp tuyến mặt vỏ hầmtạiσmặt thờivỏgian θθ theo Trên Hình 9, giá trị ứng suất tiếp tuyến σ 13θθ1 σθθ2 tăng theo thời gian với mức độ tăng bé nhiều so với độ tăng pim (i = 1, 2) Điều có ý nghĩa rằng: áp dụng cách diễn giải truyền thống áp dụng với kết cấu tường gạch xây phần (cơng thức (1)) cho kết cấu vỏ hầm, dẫn đến giá trị σθθ lớn nhiều so với giá trị thực tế Kết luận Nghiên cứu tập trung phân tích đề xuất phương pháp diễn giải kết nhằm theo dõi phát triển ứng suất mà kích phẳng giữ lại kết cấu theo thời gian Thơng qua phân tích mơ hình số theo phương pháp phần tử hữu hạn mơ thí nghiệm kích phẳng cho hai dạng kết cấu: kết cấu tường gạch xây kết cấu vỏ hầm, mối quan hệ tuyến tính áp suất kích phẳng ứng suất kết cấu thiết lập với việc bổ sung hệ số phụ 85 Công, V C., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng thuộc vào kích thước kích phẳng tải trọng ban đầu tác dụng lên kết cấu Phương pháp diễn giải này, sau áp dụng để xác định giá trị ứng suất tiếp tuyến mặt vỏ hầm thí nghiệm MHM-URL thời điểm khác vị trí đo khác mặt cắt vỏ hầm Kết ứng suất tính tốn phù hợp với kết đo từ trường thông qua đầu đo ứng suất trực tiếp [1] Điều cho phép kiểm chứng phù hợp phương pháp diễn giải mà đề xuất nghiên cứu Tuy vậy, để tăng tính thuyết phục phương pháp diễn giải này, chuỗi thí nghiệm “mới” nên thực mà kích phẳng lắp đặt gần với vị trí kích phẳng cũ Sau đó, thời điểm khác nhau, tiến hành đồng thời so sánh kết thu từ hai thí nghiệm với kích phẳng cũ Với kích phẳng mới, ứng suất σθθ xác định từ cơng thức (8) (9), cơng thức (13) áp dụng cho kích phẳng cũ Tài liệu tham khảo [1] Zghongdi, J., Vu, M N., Armand, G (2017) Mechanical behavior of different concrete lining supports in the Callovo Oxfordian claystone 7th International conference on Clays in Natural and Engineered Barriers for Radioactive Waste Confinement, Davos, Switzerland [2] Khoa, H N., Cơng, V C (2012) Phân tích trường nhiệt độ ứng suất nhiệt bê tông khối lớn phương pháp phần tử hữu hạn Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng (KHCNXD)-ĐHXD, 6(4):17–27 [3] Fedele, R., Maier, G (2007) Flat-jack tests and inverse analysis for the identification of stress states and elastic properties in concrete dams Meccanica, 42(4):387–402 [4] Le Mouel, A., Philippe, J., Robert, J (1994) Essai au vérin plat: suivi des deformations et contraintes In: XIII ICSMFE, New Delhi, India, 883–886 [5] Chisari, C., Macorini, L., Amadio, C., Izzuddin, B (2015) An inverse analysis procedure for material parameter identification of mortar joints in unreinforced masonry Computers & Structures, 155:97–105 [6] Binda Maier, L., Rossi, P P., Sacchi Landriani, G (1983) Diagnostic analysis of masonry building In: International Association for Bridge and Structural Engineering (IABSE) Symposium on Strengthening of Building Structures - Diagnosis and Therapy, Venice, Italy, 131–138 [7] Rossi, P P (1982) Analysis of mechanical characteristics of brick masonry tested by means of in-situ tests 6th IBMaC, Rome, Italy, 77–85 [8] Rossi, P P (1985) Flat-jack test for the analysis of mechanical behaviour of brick masonry structures In: 7th International Brick Masonry Conference, Melbourne, Australia, 137–148 [9] Simões, A., Gago, A., Lopes, M., Bento, R (2012) Characterization of old masonry walls: flat-jack method 15th World Conference on Earthquake Engineering, SPES, Lisbon, 1–10 [10] Li, L., Cornet, F H (2004) Three dimensional consideration of flat jack tests International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 41:255–260 [11] ASTM-C1196-14a (2014) Standard Test Method for In Situ Compressive Stress Within Solid Unit Masonry Estimated Using Flatjack Measurements [12] Code_Aster (2015) www.code-aster.org EDF R&D [13] Fjar, E., Holt, R M., Raaen, A M., Horsrud, P (2008) Petroleum related rock mechanics Elsevier, Oxford, UK [14] Python v2.7.10 (2015) www.python.org Python Software Foundation [15] Vu, M N., Zghondi, J., Armand, G., Vu, C C (2018) Proposition d’une nouvelle méthode d’interprétation des essais au vérin plat pour suivre l’évolution de contrainte dans des revêtements des galeries du laboratoire souterrain en Meuse/Haute-Marne In: Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur, Champs-sur-Marne, France, 1–8 86 ... (theobước cách Hìnhsử 1d )dụng nhằmmột phânkích phẳng nhằm xác định ứng suất nén trường minh họa Hình Bước xác định 85 tích phát triển theo thời gian ứng suất nén phát sinh kết cấu chịu nén khoảng cách... ứng suất kết cấu theo công thức (1) gọi "phương pháp cổ điển (CM)" Như minh họa Hình 1, sử dụng kỹ thuật kích phẳng để theo dõi phát triển theo thời gian ứng suất kết cấu (σ0 → σ1 ), có hai cách... cách thực sau: - Cách 1: Sử dụng kích phẳng với bước (a, b, c) Hình lặp lại Tuy nhiên, khoảng cách ban đầu lúc d1i tương ứng với trạng thái ứng suất σ1 d1i d0i (Hình 1(e)) Ứng suất σ1 sau xác