Trong chương 2, tác giả đã trình bày cơ sở lý thuyết tính tốn cơng trình ngầm chịu tác dụng của tải trọng nổ bằng phương pháp sử dụng mô hình tương tác đầy đủ, dùng phần mềm AutoDyn3D. Cụ thể tác giả đã trình bày tổng quát phương pháp sử dụng mơ hình tương tác đầy đủ, giải pháp tính tốn bằng phần mềm AutoDyn3D, cơ sở lý thuyết và phân tích các vùng trong tính tốn cơng trình ngầm chịu tác dụng của tải trọng nổ, lựa chọn mơ hình cho các vật liệu (TNT, khơng khí, bê tơng và cốt thép), giải pháp tương tác giữa các vùng và điều kiện biên của bài toán nghiên cứu.
Chương sau, tác giả sẽ lựa chọn giải pháp và xây dựng mơ hình vật liệu cho cát san hơ lẫn cành vụn bão hịa nước. Khi có được mơ hình vật liệu đó, kết hợp với những nghiên cứu được trình bày trong chương này sẽ giải quyết được vấn đề đặt ra của luận án.
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH VẬT LIỆU CHO CÁT SAN HƠ LẪN CÀNH VỤN BÃO HỊA NƯỚC
3.1. Các tính chất cơ lý của san hô
Bề mặt các đảo san hô xa bờ hầu hết được bao phủ bởi lớp cát lẫn vụn cành san hơ, khu vực ngồi thềm do tác động của sóng, lớp này khơng cịn nữa, để lộ lớp đá san hô cứng, san hô cục và các tảng đá san hơ mồ cơi như Hình 3.1.
Hình 3.1. Mặt cắt địa chất điển hình tại đảo san hơ xa bờ [2], [9]
Cát san hơ lẫn cành vụn là loại vật liệu dịn, làm việc một chiều (chỉ chịu nén, không chịu kéo). Quan hệ ứng suất – biến dạng với tải trọng tĩnh và nửa tĩnh có thể coi như tuyến tính. Đối với tải trọng động, đặc biệt là tải trọng nổ quan hệ ứng suất – biến dạng khơng thể xem là tuyến tính được, vì nếu coi là tuyến tính sẽ khơng phản ánh được trung thực q trình làm việc của vật liệu. Do đó khi tính tốn các cơng trình làm việc trong nền san hơ chịu tải trọng nổ thì một trong những điểm khó khăn nhất là đưa ra được mơ hình vật liệu phù hợp.
Cơng trình thơng thường được bố trí trên phần đảo nổi, nên trong chương này tác giả chỉ nghiên cứu lớp cát san hô lẫn cành vụn bao phủ trên phần nổi của đảo. Các tính chất cơ lý của lớp vật liệu được trình bày cụ thể trong Bảng 3.1, Bảng 3.2, những số liệu trên tác giả tham khảo tài liệu [4], [9].
Bảng 3.1. Khối lượng thể tích, khối lượng riêng, độ rỗng và hệ số ma sát của vật liệu san hô [9]
Lớp vật liệu san hơ Khối lượng thể tích (g/cm3) Khối lượng riêng (g/cm3) Độ rỗng (%) Hệ số ma sát fms Khơ Bão
hịa Bê tơng Thép
Cát san hô lẫn cành vụn 1,453 1,93 2,407 28,66 0,394- 0,466 0,272- 0,358
Bảng 3.2. Cường độ kháng nén, mô đun đàn hồi và hệ số poisson của vật liệu san hô [9]
Lớp vật liệu san hô
Cường độ kháng nén
(kG/cm2) Mô đun đàn hồi (x104 kG/cm2)
Hệ số Poisson Khơ Bão hịa
Cát san hô lẫn cành
vụn 26,03 20,63 1,12 0,25
Các đặc trưng cơ học của vật liệu đất đá san hô được phân theo từng lớp, theo chiều sâu và đặc trưng cho từng đảo. Các giá trị trên có thể tham khảo để tính tốn thiết kế khả thi. Khi tính tốn thiết kế kỹ thuật thi công cần phải khảo sát tại vị trí xây dựng và lựa chọn lại số liệu tính tốn cho chính xác hơn.
3.2. Xác định độ nén động của san hơ bão hịa nước bằng thí nghiệm nổ
Để xây dựng được mơ hình vật liệu cho cát san hơ lẫn cành vụn bão hịa nước chịu tải trọng nổ, việc xác định độ nén động (quan hệ ƯS-BD khi chịu tải trọng động) là một yêu cầu bắt buộc. Trong mục này tác giả trình bày cơ sở lý thuyết và thí nghiệm nổ tại hiện trường để xác định độ nén động của cát san hơ lẫn cành vụn bão hịa nước.
3.2.1. Cơ sở lý thuyết xác định độ nén động
Khi nổ lượng nổ phẳng hoặc cầu ta đo được áp lực sóng nổ theo phương pháp tuyến P, áp lực sóng nổ theo phương tiếp tuyến P, tốc độ lan truyền sóng
nổ D được tính tốn dựa trên tốc độ lan truyền của đỉnh áp lực sóng cực đại. Theo các giá trị P và P trên mặt sóng và đại lượng tốc độ mặt sóng D có thể dựng được đường cong nén động .
Từ tính chất cơ lý của cát san hơ lẫn cành vụn bão hịa nước và thí nghiệm nổ ta xác định được 0, P, P, D. Mật độ môi trường và áp lực pháp tuyến P trên mặt sóng liên hệ với tốc độ mặt sóng D theo hệ thức suy ra từ định luật bảo toàn khối lượng và động lượng [77].
0 0 P D (3.1)
Biến dạng thể tích ε liên hệ với mật độ bởi quan hệ [77]:
0 (3.2)
Từ (3.1), (3.2) ta sẽ có phương trình nén động trên mặt sóng qua quan hệ biến dạng và áp lực [77]. 2 0 P D (3.3)
Quan hệ P và ε khơng tuyến tính do D cũng là hàm của P, gọi hệ số áp lực
hông P
k P
là tỷ số áp lực tiếp tuyến và pháp tuyến. Khi đó quan hệ giữa ứng suất và biến dạng được tính theo cơng thức dưới đây [77].
2 0 3 (1 2k) D (3.4)
trong đó: 0 là mật độ của san hơ bão hịa nước tại thời điểm đầu (kg/m3); D là vận tốc truyền sóng trong mơi trường san hơ bão hịa nước (km/s); σ là
ứng suất trung bình (kG/cm2) [77]. 2 1 2 3 3 p P P (3.5)
Với p ứng suất theo phương pháp tuyến, ứng suất theo phương tiếp tuyến.
3.2.2. Thí nghiệm nổ để xác định độ nén động
3.2.2.1. Cơ sở thí nghiệm
Sử dụng vật liệu san hô được lấy và bảo quản bằng cách cho vào bao giữ ẩm và vận chuyển từ các đảo san hô xa bờ về thao trường nổ thuộc Viện kỹ thuật cơng trình đặc biệt/ Học viện Kỹ thuật Qn sự, để làm thí nghiệm. Trước khi làm thí nghiệm san hơ được tạo trạng thái bão hòa nước.
Sử dụng 06 đầu đo áp lực trong môi trường san hơ để đo áp lực sóng nổ tại 03 vị trí gồm: Mỗi vị trí có 02 đầu đo để đo áp lực sóng nổ theo 2 phương khác nhau. Bố trí cụ thể các đầu đo được thể hiện chi tiết trong mục mơ hình thí nghiệm. Tải trọng tác động lên mơi trường san hơ bão hịa nước là tải trọng nổ, bằng phương pháp nổ thử tác giả lựa chọn được lượng nổ hợp lý là 100g TNT. Trên cơ sở các dữ liệu áp lực sóng nổ đo được từ các đầu đo, ta có thể xây dựng được mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của mơi trường san hơ bão hịa nước khi chịu tải trọng nổ.
3.2.2.2. Thiết bị thí nghiệm
a. Máy đo động NI SCXI–1000DC
Máy đo động đa kênh NI SCXI–1000DC (Hình 3.2) là thiết bị đo động đa kênh hiện đại do hãng National Instrument của Mỹ chế tạo. Đây là một hệ thống đo có khả năng tích hợp các loại card đo khác nhau tùy theo mục đích thí nghiệm của người sử dụng. Máy có nguồn điện một chiều ac–quy đi kèm, có đo liên tục ngồi hiện trường 10 giờ không cần nạp điện. Tốc độ đo lấy mẫu của máy có thể đạt tới 9600 mẫu/s với mức nhiễu cực thấp. Trên máy bố trí 4 khe cắm dùng để cắm các loại cạc đo khác nhau. Hãng NI cung cấp một dải rất rộng các loại cạc đo họ SCXI phù hợp với dòng máy SCXI–1000DC, các loại
cạc này có thể đo được rất nhiều các phép đo khác nhau như đo gia tốc, đo biến dạng, chuyển vị, đo điện áp. Máy đo NI SCXI–1000DC được điều khiển hồn tồn bằng máy tính thơng qua kết nối USB. Phần mềm điều khiển LABVIEW là một phần mềm đo – phân tích nổi tiếng trên thế giới, phần mềm này cho phép thiết kế các chương trình đo và phân tích số liệu trực tiếp trong khi đo hay xử lý nguội sau khi đo với số lượng kênh lên tới hàng ngàn kênh một lần đo.
Hình 3.2. Máy đo động NI SCXI–1000DC
b. Đầu đo áp lực trong đất KDC–1MPA
Đầu đo KDC–PA (Hình 3.3) là đầu đo áp lực trong đất có khả năng chống ăn mịn trong mơi trường nước biển. Đầu đo này thường được sử dụng để đo áp lực của sóng nổ trong mơi trường san hơ bão hõa nước và áp lực sóng nổ tác dụng lên kết cấu cơng trình. Áp lực tối đa của đầu đo kiểu KDC–1MPA là 1MPa.
Trong thí nghiệm, đầu đo được sử dụng để đo áp lực sóng nổ và q trình truyền sóng nén trong mơi trường san hơ bão hõa nước tại các vị trí được trình bày trong mơ hình thí nghiệm.
Hình 3.3. Đầu đo áp lực sóng nổ
3.2.2.3. Mơ hình thí nghiệm
a. San hơ thí nghiệm
Thí nghiệm được tiến hành trong mơi trường cát san hơ lẫn cành vụn đảm bảo tính phổ biến của nền địa chất phía trên trong phạm vi xây dựng các cơng trình tại các đảo san hơ xa bờ. Cụ thể:
- Kiểm tra độ chặt nền san hô tự nhiên;
- Lấy mẫu và phân loại thành phần cỡ hạt hiện trường; - Lấy san hô từ nền tự nhiên đóng gói mang về đất liền.
Để tạo môi trường san hơ bão hịa nước thì tồn bộ mơi trường san hô được đặt trong thùng thép kín có kích thước 4000x2000x1500mm, xung quanh thành và đáy thùng có dán 1 lớp xốp để tránh xảy ra hiện tượng phản xạ sóng. Để đo áp lực sóng nổ và tốc độ lan truyền sóng nổ, tác giả tiến hành thí nghiệm nổ trong 2 trường hợp. Thơng qua giá trị áp lực sóng nổ và tốc độ lan truyền sóng nổ đo được xác định quan hệ ứng suất và biến dạng của mơi trường san hơ bão hịa nước.
b. Thí nghiệm số 1
Đo áp lực sóng nổ của mơi trường với lượng nổ 100g TNT trường hợp 1, sử dụng 6 đầu đo áp lực được đánh số từ 01 tới 06 bố trí tại 3 vị trí như Hình
đo áp lực số 02, 05 tới tâm lượng nổ là 1500 mm, đầu đo áp lực số 03, 06 tới tâm lượng nổ là 2000 mm.
Hình 3.4. Sơ đồ thí nghiệm số 1
c. Thí nghiệm số 2
Đo áp lực sóng nổ của mơi trường với lượng nổ 100g TNT trường hợp 2, sử dụng 6 đầu đo áp lực được đánh số từ 01 tới 06 bố trí tại 3 vị trí như Hình 3.5. Khoảng cách từ đầu đo áp lực số 01, 04 tới tâm lượng nổ là 500 mm, đầu đo áp lực số 02, 05 tới tâm lượng nổ là 1000 mm, đầu đo áp lực số 03, 06 tới tâm lượng nổ là 1500 mm.
3.2.2.4. Trình tự và kết quả thí nghiệm
a. Cơng tác hiệu chuẩn mẫu san hơ
Hiệu chuẩn vật liệu san hơ trước khi làm thí nghiệm để nhằm mục đích đưa mẫu về gần nhất với trạng thái tự nhiên của chúng ở ngồi đảo san hơ.
- Sử dụng thùng chứa kín kích thước 4000x2000x1500mm;
- Tiến hành đổ từng lớp san hơ dày 300mm vào thùng mơ hình thí nghiệm, đầm theo quy trình hiệu chuẩn mẫu;
- Khi đổ san hơ đến cao độ đặt đầu đo, tiến hành lắp dựng đầu đo áp lực đất KDC-PA vào mơi trường san hơ, kiểm tra tín hiệu các đầu đo;
- Đặt ống nhựa đường kính 110mm ở độ cao đặt thuốc nổ TNT, chiều cao ống cách mặt san hơ hồn thiện 200mm;
- Đổ san hô đến cao độ miệng thùng mơ hình;
- Bơm nước vào thùng và ngâm trong thời gian 24 giờ;
- Kết nối đầu đo áp lực đất KDC-PA với hệ thống máy đo đa kênh NI SCXI–1000DC, tiến hành chạy kiểm tra hệ thống;
- Cho lượng nổ TNT vào san hô thông qua ống nhựa 110mm, tiến hành nhồi san hơ vào lịng ống và rút ống;
- Kiểm tra cơng tác an tồn trước khi nổ;
- Tiến hành nổ và ghi đo kết quả áp cho từng lần thí nghiệm.
Các lần nổ thí nghiệm tiếp theo quy trình được thực hiện theo đúng tuần tự như trên.
b. Kết quả thí nghiệm
- Thí nghiệm số 1 có sơ đồ thí nghiệm được mơ tả trong Hình 3.4. Tiến hành thí nghiệm nổ 3 lần, kết quả áp lực sóng nổ tại các đầu đo được ghi lại để phục vụ tính tốn và phân tích dữ liệu. Hình 3.6 mơ tả kết quả đo áp lực tại các
đầu đo số 1, 2 và 3 thí nghiệm số 1 với lần đo thứ nhất, Hình 3.7 mơ tả kết quả đo áp lực tại các đầu đo 4, 5 và 6 thí nghiệm số 1 với lần đo thứ nhất.
Hình 3.6. Áp lực đầu đo số 1,2 và 3 (Thí nghiệm số 1 – Lần đo thứ 1)
Hình 3.7. Áp lực đầu đo số 4,5 và 6 (Thí nghiệm số 1 – Lần đo thứ 1)
- Thí nghiệm số 2 có sơ đồ thí nghiệm được mơ tả trong Hình 3.5. Tiến hành thí nghiệm nổ 3 lần, kết quả áp lực của các đầu đo được ghi lại để phục vụ tính tốn và phân tích dữ liệu. Hình 3.8 mơ tả kết quả đo áp lực tại các đầu
-10 10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 0,99 0,995 1 1,005 1,01 1,015 1,02 1,025 1,03 1,035 1,04 1,045 1,05 Áp lực sóng nổ [K Pa] Thời gian [s] Đầu đo số 1 Đầu đo số 2 Đầu đo số 3 -10 10 30 50 70 90 110 130 150 0,99 0,995 1 1,005 1,01 1,015 1,02 1,025 1,03 1,035 1,04 1,045 1,05 Áp lực sóng nổ [K Pa] Thời gian [s] Đầu đo số 4 Đầu đo số 5 Đầu đo số 6
đo số 1, 2 và 3 thí nghiệm số 1 với lần đo thứ nhất. Hình 3.9 mô tả kết quả đo áp lực tại các đầu đo 4,5 và 6 thí nghiệm số 2 với lần đo thứ nhất.
Hình 3.8. Áp lực đầu đo số 1, 2 và 3 (Thí nghiệm số 2 – Lần đo thứ 1)
Hình 3.9. Áp lực đầu đo số 4,5 và 6 (Thí nghiệm số 2 – Lần đo thứ 1) 3.2.3. Xử lý kết quả thí nghiệm, xác định độ nén động
Với khoảng cách từ các điểm đo đến tâm nổ đã được định trước như Hình 3.4, Hình 3.5, căn cứ vào thời gian xuất hiện đỉnh áp lực sóng cực đại tại các
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 0,97 0,975 0,98 0,985 0,99 0,995 1 1,005 1,01 1,015 1,02 1,025 1,03 Áp lực sóng nổ [K Pa] Thời gian [s] Đầu đo số 1 Đầu đo số 2 Đầu đo số 3 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0,97 0,975 0,98 0,985 0,99 0,995 1 1,005 1,01 1,015 1,02 1,025 1,03 Áp lực sóng nổ [K Pa] Thời gian [s] Đầu đo số 4 Đầu đo số 5 Đầu đo số 6
thể hiện trong Bảng 3.3. Áp dụng các cơ sở lý thuyết nêu tại mục 3.2.1, tốc độ lan truyền sóng nổ và giá trị áp lực sóng nổ trong Bảng 3.4 ta xác định được giá trị k, ứng suất trung bình σ và biến dạng thể tích ε tại các vị trí đặt đầu đo cho từng thí nghiệm ứng với các lần đo khác nhau cụ thể như Bảng 3.5.
Bảng 3.3. Bảng tốc độ truyền sóng nén trong mơi trường san hơ bão hịa nước (D [m/s])
Tên thí nghiệm Đầu đo 01 Đầu đo 02 Đầu đo 03 V1-2 (m/s) V2-3 (m/s) V1-3 (m/s) Vtb (m/s) t1 (s) t2 (s) t3 (s) Thí nghiệm số 1/lần 1 1,0016 1,0036 1,0057 250,0000 238,0952 243,9024 243,9992 Thí nghiệm số 1/lần 2 0,9894 0,9913 0,9933 263,1579 250,0000 256,4103 256,5227 Thí nghiệm số 1/lần 3 0,9924 0,9942 0,9961 277,7778 263,1579 270,2703 270,4020 Thí nghiệm số 2/lần 1 0,9773 0,9790 0,9809 294,1176 263,1579 277,7778 278,3511 Thí nghiệm số 2/lần 2 0,9669 0,9685 0,9703 312,5000 277,7778 294,1176 294,7985 Thí nghiệm số 2/lần 3 0,9686 0,9701 0,9718 333,3333 294,1176 312,5000 313,3170
Bảng 3.4. Giá trị lớn nhất của áp lực sóng nổ theo phương pháp tuyến và tiếp tuyến
Tên thí nghiệm Vị trí đo 01 Vị trí đo 02 Vị trí đo 03
P (kPa) P (kPa) P (kPa) P (kPa) P (kPa) P (kPa)
Thí nghiệm số 1/lần 1 178,67 123,08 84,31 59,66 47,83 35,83
Thí nghiệm số 1/lần 2 169,74 120,62 80,51 56,91 45,92 34,28
Thí nghiệm số 1/lần 3 182,25 129,24 86,84 62,04 48,70 38,33