BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
NGUYỄN QUANG DŨNG NGHIÊN CỨU RUNG ĐỘNG VÀ BIỆN PHÁP
GIẢM RUNG ĐỘNG TRONG NỀN DO KHAI THÁC
HỆ THỐNG TÀU ĐIỆN NGẦM Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình đặc biệt
Mã số: 62 58 02 06
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2013
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÕNG
Người hướng dẫn khoa học:
tập công trình Hội nghị khoa học các nhà nghiên cứu trẻ, số
154/04-2013.
4. Nguyễn Quang Dũng, Phan Thành Trung (2013), Mô phỏng tải
trọng động đoàn tàu di chuyển trong đường hầm để phân tích bài
toán động của metro theo mô hình bài toán phẳng, Tạp chí Khoa
học và Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, số 155/06-2013.
5. Nguyễn Quang Dũng (2013), Sử dụng đệm đàn hồi giảm rung
động cho nền khi khai thác hệ thống Metro, Tạp chí Giao thông
Vận tải, số tháng 07/2013.
1
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Giao thông ngầm là một hình thức giao thông tiên tiến, sử dụng
hợp lý không gian ngầm, cho phép giải quyết nhiều vấn đề của các đô
thị lớn trên thế giới. Ở Việt Nam, đặc biệt là Hà Nội và TpHCM đã
tiến hành khởi động các dự án đường sắt đô thị. Khi đưa vào khai
thác hệ thống này sẽ phát sinh rung động gây khó chịu cho dân cư
sinh sống hai bên tuyến và có thể gây phá hoại kết cấu của công trình
xây dựng nếu xảy ra cộng hưởng.
Hiện nay ở nước ta chưa có các nghiên cứu về dự báo rung động
và biện pháp giảm rung động trong nền đất khi khai thác hệ thống
metro trước khi xây dựng, nhằm phát triển kinh tế quốc dân đi đôi
với việc đảm bảo môi trường sống đô thị. Do vậy đề tài “Nghiên cứu
rung động và biện pháp giảm rung động trong nền do khai thác hệ
thống tàu điện ngầm” luận án đặt ra cho đến nay đang là vấn đề có ý
nghĩa khoa học và thực tiễn.
Mục đích nghiên cứu của luận án
thanh (dB) [7]. Các tiêu chuẩn trên thế giới về rung động áp dụng
điều kiện giới hạn rung như sau:
][max LLL
i
[VdB] (1.1)
trong đó:
ref
i
i
v
v
L
10
log20
[VdB] (1.2)
L: Cường độ rung động lớn nhất phát sinh.
L
i
: Cường độ rung động tại khoảng thời gian 1s thứ i.
[L]: Cường độ rung động giới hạn trong tiêu chuẩn áp dụng.
v
i
: Vận tốc dao động căn quân phương tại khoảng 1s thứ i.
v
ref
: Vận tốc dao động tham chiếu, v
ref
=5.10
-8
m/s [77].
CHƢƠNG II
PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƢƠNG PHÁP
XÁC ĐỊNH THAM SỐ ĐỘNG CỦA NỀN ĐẤT
2.1. Các tham số động nền đất và tổng quan các phƣơng pháp
xác định
Để giải quyết bài toán mà luận án đặt ra cần có các tham số động
của nền đất. Luận án đã tổng quan về các phương pháp thí nghiệm
xác định các chỉ tiêu động của nền đất trên thế giới và phân tích điều
kiện áp dụng tại Việt Nam hiện nay.
Qua phân tích nhận thấy, điều kiện Việt Nam là hạn chế về vốn
đầu tư thiết bị, hạn chế về trình độ chuyên môn, hạn chế về tay nghề
và còn thiếu các tiêu chuẩn hướng dẫn thí nghiệm các chỉ tiêu động
của nền đất. Nhằm giải quyết các bài toán thực tiễn hiện nay phát
sinh trong điều kiện khó khăn, luận án đã áp dụng phương pháp xác
định các tham số động theo công thức thực nghiệm của Andrus [66]
nghiên cứu năm 2003 là xác định vận tốc truyền sóng cắt v
s
từ kết
quả thí nghiệm hiện trường SPT, CPT; của Ishibashi I., Zhang J.,
[50], [56], [72] xác định tỷ số cản . 4
2.2. Phƣơng pháp xác định tham số động của nền đất theo công
thức thực nghiệm
* Xác định v
s
từ kết quả thí nghiệm CPT [66]
Phương trình xác định vận tốc truyền sóng cắt v
S
ccS
122,0
406,0285,0
27,8
(2.8)
>2.60
ASFZIqv
ccS
108,0
910,1654,0
208,0
(2.9)
Hệ số địa tầng ASF phụ thuộc vào hệ số ứng xử của đất (I
c
) tại
từng độ sâu thí nghiệm Z(m), được tra bảng 2.4.
Hệ số ứng xử của đất (I
c
) phụ thuộc hệ số sức kháng mũi (Q), hệ
số sức kháng ma sát bên (F), được tính theo công thức sau:
5,0
22
log22,1log47,3 FQI
c
(2.10)
trong đó:
n
= 100kPa: Ứng suất tham chiếu.
’
v
: Ứng suất có hiệu thẳng đứng (kPa).
n =0,5 1: Số mũ phụ thuộc vào chu trình tinh toán hệ số ứng
xử của đất.
Hệ số ứng xử của đất I
c
được xác định theo chu trình [66] như sau:
1) Tính I
c
theo (2.10) với n=1 được giá trị I
c
= I
c1
;
2) Nếu I
c1
> 2,6; sử dụng kết quả I
c
= I
c1
;
5
3) Nếu I
c1
<2,6; tính lại I
Đồng bằng ven biển
Các loại
Cát sạch, cát bùn
Sét, bùn sét
Tất cả
<2,05
>2,60
1,00
1,00
1,00
60 260
110 260
60 230
Pleistocen
Đồng bằng ven biển
Các loại
Cát sạch, cát bùn
Sét, bùn sét
Tất cả
<2,05
>2,60
1,23
1,34
1,16
130 300
160 300
130 250
.v.v.
.v.v.
.v.v.
max
.,
(2.14)
PI: Chỉ số dẻo của đất (%).
: Biên độ biến dạng cắt trung bình (%).
m
: Ứng suất nén có hiệu của đất (kPa).
Các hàm số không đơn vị trong công thức (2.14) được xác định
chi tiết theo hướng dẫn trong [50], [56].
2.3. Thử nghiệm số xác định các tham số động nền đất tuyến
metro số 6 - TpHCM.
Áp dụng phương pháp xác định tham số động của nền theo công
thức thực nghiệm, tính toán tốc độ truyền sóng cắt từ kết quả thí
nghiệm CPT cho nền đất tuyến metro số 6 – TpHCM. Kết quả tính 6
toán cụ thể cho hai vị trí đại diện của tuyến, vị trí Km 0+940 (vị trí có
độ sâu hầm là nhỏ nhất và điều kiện địa chất tốt nhất tuyến) và vị trí
Km 6+700 (vị trí có độ sâu hầm là lớn nhất và có lớp đất yếu dày
nhất trên tuyến), kết quả tính toán thể hiện trên bảng 2.6 và bảng 2.7.
Bảng 2.6. Kết quả xác định vận tốc truyền sóng cắt
và tỷ số cản tại Km0+940
Bảng 2.7. Kết quả xác định vận tốc truyền sóng cắt
và tỷ số cản tại Km6+700
Nhận xét:
- Trong phương pháp tính toán ở trên sử dụng kết quả thí nghiệm
- Nền đất là đàn - dẻo, các tính
chất cơ học của nền thay đổi theo
từng lớp nhưng trong một lớp xem
là không đổi.
Hình 3.1. Mô hình bài toán khi
hệ chịu tác dụng tải trọng động
tàu điện ngầm
- Chuyển vị và biến dạng tại điểm bất kỳ của hệ kết cấu – môi
trường là nhỏ.
- Khi chịu tải, điều kiện liên tục về chuyển vị được thoả mãn
trên bề mặt tiếp xúc giữa các lớp nền cũng như trên bề mặt tiếp xúc
của kết cấu và nền tức là không xảy ra sự trượt và tách tương đối.
- Hệ kết cấu và môi trường làm việc trong điều kiện bài toán
phẳng. Đồng thời xem hệ chỉ chịu rung động khi có tải trọng lưu
thông đến vị trí nghiên cứu.
3.2. Cơ sở phƣơng pháp phần tử hữu hạn phân tích bài toán
tƣơng tác giữa kết cấu và nền biến dạng chịu tải trọng động
Dưới tác dụng của tải trọng động, phương trình vi phân chuyển
động của hệ khi vật liệu là đàn hồi như sau [9], [23], [73], [74]: 8
RUKUCUM
(3.7)
Khi đó
hệ phương trình vi phân (3.7) được viết lại như sau:
RUUKUUCUM
và có khả năng chống uốn. Khi đó áp dụng lý thuyết dầm liên tục
Bernoulli-Euler trên nền đàn hồi và tải trọng đặt tại vị trí z=0 (trục z
là trục dọc theo tim đường ray). Hàm phân bố lực thẳng đứng (z)
do trục xe có trọng lượng P=1 [22], [48]:
zz
ez
z
sincos
2
1
)(
(3.13)
trong đó:
α: Chiều dài ảnh hưởng của tải trọng, (3.14)
EI: Độ cứng chống uốn của ray.
S: Mô đun đàn hồi của nền. Hình 3.5. Sơ đồ tải trọng của 1 trục xe tác
dụng lên ray theo Bernoulli-Euler
Hình 3.6. Đồ thị hàm (z)
của 1 trục xe P=1
Mở rộng cho trường hợp đoàn tàu có N toa xe và mỗi toa có n trục
xe, và sử dụng nguyên lý cộng tác dụng và chứng minh được công
thức hàm tải trọng theo thời gian. Trên cơ sở lý thuyết dầm liên tục
Bernoulli-Euler trên nền đàn hồi, lập thành phần mềm mô phỏng tải
trọng động đoàn tàu theo thời gian bằng ngôn ngữ Labview 2011 đặt
tên là “Dynamic Loading on Tunnel – DLT”. Chương trình có khả
4
4
=1,37Hz và f
2
=3,52Hz.
- Km6+700: f
1
=1,17Hz và f
2
=2,73Hz.
3.4. Dự báo rung động của nền do khai thác tàu điện ngầm TpHCM
3.4.1. Xác định sơ đồ bố trí tải trọng động và kích thƣớc mô hình
Dự báo rung động cho hai vị trí trên tuyến metro số 6 – TpHCM
có lý trình Km0+940 và Km6+700. Tải trọng động của đoàn tàu
Metropolis 98[55] và các tham số khác được chi tiết tại mục 3.4.2
của luận án. Theo tính toán, sơ đồ tải trọng bất lợi nhất là trường hợp
tải trọng đối xứng (hai đoàn tàu lưu thông ngược chiều nhau trong hai
ống hầm và gặp nhau tại vị trí tính toán), do đó trong luận án tất cả
các tính toán thử nghiệm số được tính toán cho trường hợp tải trọng
đối xứng là trường hợp bất lợi nhất về cường độ rung.
số 6–TpHCM [2] 12
tại Km6+700 tuyến số 6-TpHCM [2]
3.4.2. Cƣờng độ rung động theo phƣơng ngang tại Km0+940
và Km 6+700 trên tuyến metro số 6 – TpHCM.
Tính toán cường độ rung động theo phương ngang tuyến metro số
6 với tải trọng đoàn tàu Metropolis 98 và cấu tạo đường ray có các
thông số trong mục 3.3.2 bằng phần mềm DLT. Đường ray có độ sâu
max
của điểm B và f
ir
tại Km0+940,
khi V=80km/h.
Nhận xét: Khi khuyết tật đường ray có độ sâu 0,3mm và tốc độ
chạy tàu 80km/h, cường độ rung sẽ gia tăng thêm 2,5 0 VdB tương
ứng với bước sóng khuyết tật 0,35m đến 2,8m. 14
3.5.2. Ảnh hƣởng của tốc độ chạy tàu đến rung động nền
Khảo sát bài toán tại Km0+940 với sự thay đổi của tốc độ chạy
tàu, với bước sóng khuyết tật a
ir
=30cm. max
của điểm B và vận tốc chạy tàu, tại
Km0+940, khi a
ir
=30cm.
Nhận xét: Trong phạm vi tốc độ khai thác V<100km/h, cường độ
rung sẽ giảm trung bình khoảng 2,2VdB cho mỗi 20km/h giảm tốc.
3.5.3. Ảnh hƣởng loại hầm đến rung động nền
Khảo sát bài toán tại vị trí Km6+700, thay kết cấu hầm chữ nhật
bằng hầm tròn và đặt cùng cao độ đỉnh ray, trong cùng điều kiện tải
trọng tác động và điều kiện khuyết tật đường ray là như nhau.
tọa độ X=7m cho hai vị trí Km0+940 và Km6+700, trong cùng điều
kiện tải trọng tác động và điều kiện khuyết tật đường ray là như nhau.
h hầm
(X=7m), khi V=80km/h, a
ir
=30cm.
Nhận xét:
- Trong điều kiện mực nước ngầm cao, các lớp đất từ đỉnh hầm
trở lên có tốc độ truyền sóng cắt v
S
<200m/s và hệ số rỗng e
=0,65 0,75, làm gia tăng cường độ rung động cho nền đất. 16
- Đối với lớp đất yếu dưới mực nước ngầm như lớp số 1 (có
v
S
=103,01m/s, hệ số rỗng e=2,07, độ bão hòa 97,5%) tại Km6+700,
lớp đất này ở trạng thái rất mềm đến chảy có ảnh hưởng làm giảm
cường độ rung động phát sinh cho những lớp trên nó.
CHƢƠNG 4
NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP GIẢM RUNG ĐỘNG TRONG
NỀN DO KHAI THÁC HỆ THỐNG TÀU ĐIỆN NGẦM
4.1. Đặt vấn đề
Như đã phân tích trong tổng quan, Luận án lựa chọn nghiên cứu
xác định hiệu quả giảm rung của các phương án bố trí đệm đàn hồi và
nghiên cứu ảnh hưởng của lớp đất yếu đến hiệu quả giảm rung động
Hình 4.1. Các phương án bố trí đệm đàn hồi trong đường ray
4.2. Vật liệu đàn hồi giảm rung động
Sau khi phân tích ưu, nhược điểm và các đặc tính khác của một số
vật liệu đàn hồi, luận án kiến nghị sử dụng đệm đàn hồi được sử dụng
phổ biến trên thế giới là tấm Sylomer của Hãng Getzner (Đức) để
giảm rung. Sylomer là loại vật liệu hỗn hợp (PUR) có tính chất đàn
hồi và được chia làm 10 như bảng 4.3.
Bảng 4.3. Trị số ứng suất giới hạn của các loại Sylomer [45], [46]
Độ
bền
(MPa)
Loại Sylomer - Màu sắc
[
tĩnh
]
0,011
0,018
0,028
0,042
0,055
Hình 4.4. Sơ đồ giải bài toán giảm rung cho công trình có lớp đệm
đàn hồi bằng phần mềm Plaxis
L
1
là cường độ
rung dự báo khi
không áp dụng
biện pháp giảm
rung; L
2
là cường
độ rung dự báo khi
áp dụng đệmđàn
hồi; L là hiệu quả
giảm rung động
của đệm mềm, đàn
hồi.
18
Phương pháp đánh giá hiệu quả giảm rung trong luận án sử dụng
là phương pháp PTHH trong Plaxis, tải trọng động trong trường hợp
có bố trí đệm đàn hồi Sylomer giảm rung được xác định bằng phần
mềm DLT tương ứng với các trường hợp bố trí như hình 4.1. Trình tự
toán hiệu quả giảm rung các phương án theo sơ đồ hình 4.4.
4.4. Đánh giá hiệu quả giảm rung động bằng đệm đàn hồi
Sylomer đặt vĩnh cửu trong đƣờng hầm.
Trên cơ sở số liệu của các bài toán đã trình bày trong chương 3,
tiến hành tính toán hiệu quả giảm rung động của từng phương án đề
dần theo chiều sâu bố trí Hs. Khi bố trí 2 lớp đệm đàn hồi, tỷ lệ chiều
sâu bố trí đệm đàn hồi so với đáy tà vẹt tối ưu là 0,55 Hs
1
/Hs
2
1.
4.5. Khảo sát ảnh hƣởng một số yếu tố đến hiệu quả giảm rung
của đệm đàn hồi Sylomer
4.5.1. Ảnh hƣởng của chiều dày lớp đệm đàn hồi Sylomer Hình 4.27. Quan hệ giữa hiệu quả giảm rung động của điểm B và
độ dày lớp đệm đàn hồi Sylomer SR28 bố trí tại đáy sàn hầm,
tại Km0+940, khi V=80km/h và f
ir
=63Hz. 20
Khảo sát bài toán bố trí 1 lớp đệm đàn hồi tại đáy sàn hầm, thay
đổi chiều dày của đệm đàn hồi. Kết quả khảo sát sự thay đổi hiệu quả
giảm rung của điểm B, trên mặt đất có tọa độ X=7m, tại Km0+940
theo độ dày tấm Sylomer thể hiện trên hình 4.27.
Nhận xét: Theo kết quả tính toán trên hình 4.27, hiệu quả giảm
rung tăng thêm trung bình 1VdB khi tăng thêm 12,5mm, như vậy
hiệu quả giảm rung không tăng tương xứng với khối lượng Sylomer
phải bỏ ra.
4.5.2. Ảnh hƣởng của chiều rộng lớp đệm đàn hồi Sylomer
Khảo sát bài toán bố trí một lớp đệm đàn hồi dưới đáy tà vẹt
25cm, bố trí hai hình thức cấu tạo đệm đàn hồi Sylomer ở dạng tấm
Hình 4.30. Quan hệ giữa hiệu quả giảm rung động của điểm B và mô
đun đàn hồi động (loại Sylomer) của tấm Sylomer dày 25mm tại đáy
sàn hầm, tại Km0+940, khi V=80km/h và f
ir
=63Hz.
Nhận xét: Theo kết quả tính toán, việc tăng mô đun đàn hồi của
đệm đàn hồi làm giảm hiệu quả giảm rung động, quy luật giảm hiệu
quả giảm rung theo hàm logarit. Do đó cần chọn loại Sylomer có mô
đun đàn hồi thấp nhất trong các loại đáp ứng yêu cầu chịu lực (4.1)
để đạt được hiệu quả giảm rung cao nhất.
4.5.4. Ảnh hƣởng của lớp đất yếu
Khảo sát bài toán xác định hiệu quả giảm rung của tấm
Sylomer SR28 dày 25mm bố trí tại đáy sàn hầm thể hiện trên hình
4.18a cho hai vị trí Km0+940 và Km6+700, nhằm đánh giá ảnh
hưởng của lớp đất yếu là lớp 1 tại vị trí Km6+700 trên tuyến metro số
6. Kết quả khảo sát hiệu quả giảm cường độ rung cho các vị trí trên
mặt đất thể hiện trên hình 4.31 và hiệu quả giảm trị số vận tốc rung
lớn nhất cho các điểm trên mặt đất thể hiện trên hình 4.32. 22 Hình 4.31. Hiệu quả giảm
cường độ rung của đệm đàn hồi
Sylomer SR28 dày 25mm bố trí
tại đáy sàn hầm, khi V=80km/h
và f
ir
=63Hz.
Copyright: Tài liệu đại học ©