Luận án Nghiên cứu rung động và biện pháp giảm rung động trong nền do khai thác hệ thống tàu điện ngầm

BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ -------------- NGUYỄN QUANG DŨNG NGHIÊN CỨU RUNG ĐỘNG VÀ BIỆN PHÁP GIẢM RUNG ĐỘNG TRONG NỀN DO KHAI THÁC HỆ THỐNG TÀU ĐIỆN NGẦM Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng 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: GS.TS Vũ Đình Lợi Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Mạnh Yên Đại học Xây dựng Hà Nội Phản biện 2: GS.TSKH Nguyễn Văn Quảng Đại học Kiến Trúc Hà Nội Phản biện 3: GS.TSKH Nguyễn Đông Anh Viện Cơ học Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo quyết định số ./.., ngày .. tháng .. năm 2013 của Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp tại: Học viện Kỹ thuật Quân sự vào hồi: ..giờ.. ngày..tháng.. năm 2013. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân sự - Thư viện Quốc gia DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 1. Nguyễn Quang Dũng, Vũ Đình Lợi (2010), Đánh giá ảnh hưởng rung dối với môi trường do khai thác tàu điện ngầm Hà Nội, Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, số 136/08- 2010. 2. Nguyễn Quang Dũng, Vũ Đình Lợi (2013), Dự báo rung động nền do khai thác các tuyến metro Thành phố Hồ Chí Minh, Tạp chí Giao thông Vận tải, số tháng 04/2013. 3. Nguyễn Quang Dũng (2013), Ứng dụng phương pháp phổ biên độ Fourier xác định tần số dao động riêng của nền đất, Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, chuyên san tuyển 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 Nghiên cứu phương pháp, mô hình, thuật toán và chương trình tính để dự báo mức độ rung động của nền đất do tải trọng động của đoàn tàu di chuyển trong hầm và biện pháp giảm rung động bằng đệm đàn hồi. Phạm vi nghiên cứu của luận án - Về kết cấu: Kết cấu công trình hầm được mô tả là hệ thanh. - Về nền đất: Nền đất được mô tả bằng mô hình đàn dẻo. - Về tải trọng: Tải trọng đoàn tàu được mô tả là một dãy trục xe di chuyển trong hầm có xét đến khuyết tật của mặt tiếp bánh xe-ray và không xét hệ treo giảm chấn của toa xe. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết, sử dụng phương pháp PTHH tiến hành thử nghiệm số tính toán hệ “tàu điện ngầm – kết cấu hầm – nền đất” và lập trình tính toán số liệu tải trọng động đầu vào trong Labview. Cấu trúc của luận án Toàn bộ nội dung luận án được trình bày trong phần mở đầu, 4 chương, phần kết luận, danh mục các tài liệu tham khảo. Nội dung 2 luận án bao gồm 119 trang, 16 bảng biểu, 81 hình vẽ và đồ thị, 85 tài liệu tham khảo, 5 bài báo khoa học phản ánh nội dung của luận án. CHƢƠNG I TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Luận án đã tiến hành tổng quan về các vấn đề liên quan đến nội dung của luận án. Từ tổng quan rút ra các nhận xét, đánh giá như sau: - Trong đánh giá rung động, áp dụng khái niệm “cường độ rung”, cường độ rung được mô tả thông qua vận tốc và được phân cấp theo Decibel rung động, ký hiệu là VdB để phân biệt với cường độ âm 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 10log20 [VdB] (1.2) L: Cường độ rung động lớn nhất phát sinh. Li: Cường độ rung động tại khoảng thời gian 1s thứ i. [L]: Cường độ rung động giới hạn trong tiêu chuẩn áp dụng. vi : Vận tốc dao động căn quân phương tại khoảng 1s thứ i. vref : Vận tốc dao động tham chiếu, vref=5.10 -8 m/s [77]. - Các nghiên cứu đã tiếp cận bài toán theo hướng giải quyết hai mô hình con: (i) bài toán tương tác ray-bánh xe để xác định tải trọng xuống sàn hầm và (ii) bài toán tương tác động lực học hầm – nền. - Nhiều nghiên cứu xem môi trường đất là một lớp với các tham số là trung bình của các lớp hoặc nhiều lớp đàn hồi tuyến tính. Việc quy đổi về 1 lớp trung bình khi đặc tính các lớp đất khác nhau nhiều sẽ dẫn đến kết quả chưa phù hợp. - Thực tế tải trọng động của đoàn tàu là rất phức tạp và bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố liên quan, đến nay nhiều nghiên cứu đã đơn giản hóa xem tải trọng đoàn tàu là hàm điều hòa 1 tần số và tính toán cho 1 trục hay 1 toa xe, dẫn đến việc mô phỏng tải trọng chưa sát thực tế. Một số nghiên cứu sử dụng kết quả đo gia tốc hay tải trọng 3 tại đường ray làm dữ liệu đầu vào để tính toán, điều này chỉ áp dụng cho bài toán kiểm tra rung động chứ không áp dụng cho bài toán dự báo rung. - Các nghiên cứu này đã tiến hành tính toán cho dự án tại khu vực có nền đất khá tốt đến tốt vì vậy việc áp dụng vào điều kiện đất yếu đô thị Việt Nam sẽ không phù hợp, đồng thời cũng chưa nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số của đất yếu đến cường độ rung động - Các biện pháp giảm rung đang được quan tâm nhiều hiện nay là bố trí đệm đàn hồi trong sàn hầm. Hiện nay các nghiên cứu hiệu quả giảm rung của biện pháp này chưa có đánh giá tổng quát hiệu quả giảm rung theo các phương án bố trí đệm đàn hồi. Từ các nhận xét, đánh giá trên, tác giả đã lựa chọn đề tài, xác định mục đích, nội dung, phương pháp và phạm vi nghiên cứu của luận án như đã trình bày trong phần mở đầu. CHƢƠNG II PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THAM SỐ ĐỘNG CỦA NỀN ĐẤT 2.1. Các tham số động 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 vs 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 vs từ kết quả thí nghiệm CPT [66] Phương trình xác định vận tốc truyền sóng cắt vS từ kết quả thí nghiệm CPT cho đất nói chung phụ thuộc vào sức kháng mũi xuyên (qc -kPa), hệ số ứng xử của đất (Ic) và hệ số địa tầng (ASF) tương ứng với từng độ sâu thí nghiệm Z(m) thể hiện trong bảng 2.3. Bảng 2.3. Quan hệ của vS và CPT (qc -kPa) theo Andrus (2003) [66] Ic vS (m/s) Phƣơng trình Tất cả ASFZIqv ccS 092,0688,0342,063,4 (2.7) <2.05 ASFZIqv ccS 122,0406,0285,027,8 (2.8) >2.60 ASFZIqv ccS 108,0910,1654,0208,0 (2.9) Hệ số địa tầng ASF phụ thuộc vào hệ số ứng xử của đất (Ic) tại từng độ sâu thí nghiệm Z(m), được tra bảng 2.4. Hệ số ứng xử của đất (Ic) phụ thuộc hệ số sức kháng mũi (Q), hệ số sức kháng ma sát bên (F), được tính theo công thức sau: 5,022 log22,1log47,3 FQI c (2.10) trong đó: n v a a vc p p q Q , , . (2.11) %100. , vc s q f F (2.12) fs: Sức kháng ma sát đơn vị thành lỗ xuyên qc : Sức kháng mũi trong thí nghiệm CPT. pa = 100kPa: Ứng suất tham chiếu. ’v: Ứng suất có hiệu thẳng đứng (kPa). n =0,5 1: Số mũ phụ thuộc vào chu trình tinh toán hệ số ứng xử của đất. Hệ số ứng xử của đất Ic được xác định theo chu trình [66] như sau: 1) Tính Ic theo (2.10) với n=1 được giá trị Ic= Ic1; 2) Nếu Ic1> 2,6; sử dụng kết quả Ic = Ic1 ; 5 3) Nếu Ic1<2,6; tính lại Ic theo (2.10) với n=0,5 được giá trị Ic=Ic2; - Nếu Ic2< 2,6; sử dụng kết quả Ic=Ic2 đã tính với n=0,5; - Nếu Ic2> 2,6; tính lại Ic theo (2.10) với n=0,7; 4) Kết thúc chu trình. Bảng 2.4. Bảng tra ASF cho thí nghiệm CPT theo Andrus (2003) [66] Loại địa tầng, vị trí Loại đất Ic ASF vs (m/s) Holocen 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. .v.v. .v.v. * Xác định tỷ số cản theo công thức thực nghiệm Việc xác định chính xác và xét đến tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến tỷ số cản là một việc khó khăn. Năm 1993, Ishibashi và Zhang [50], [56] đã đề xuất công thức kinh nghiệm xác định như sau: 1547,1586,0. 2 1 333,0 max 2 max .0145,0 3,1 G G G Ge PI (2.13) trong đó: omPIm m PIK G G ),( 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 hiện trường CPT và niên đại địa tầng trong các báo cáo khảo sát tổng hợp của khu vực TpHCM: Các số liệu có độ tin cậy; - Hai khu vực so sánh khảo sát là vùng đồng bằng ven biển: Hai khu vực có sự tương tự về vị trí địa lý; - Niên đại hình thành địa tầng của khu vực TpHCM chủ yếu là Holocen và Pleistocen [3], còn South Carolina ngoài Holocen, Pleistocen còn có cả niên đại Đệ tam: Hai khu vực có sự tương tự về 7 tuổi địa tầng; - So sánh kết quả thực nghiệm xác định tốc độ sóng trong đất sét, bão hòa nước tại TpHCM đã công bố trong [11] là 100 m/s với kết quả tính toán cho lớp sét bão hòa đã tính toán trong bảng 2.7 (lớp 1) là vS=103,01m/s: Kết quả tính toán là phù hợp với thực nghiệm; Qua các phân tích ở trên, việc áp dụng các công thức thực nghiệm ở trên là phù hợpvà có độ tin cậy để áp dụng. CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU RUNG ĐỘNG CỦA NỀN ĐẤT DO KHAI THÁC HỆ THỐNG TÀU ĐIỆN NGẦM 3.1. Đặt bài toán và các giả thiết tính toán Khảo sát hệ kết cấu – môi trường làm việc theo sơ đồ biến dạng phẳng (hình 3.1), với các giả thiết sau: - Vật liệu của kết cấu làm việc trong giai đoạn đàn hồi. - 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 (3.8) Sau khi giải các phương trình này được chuyển vị nút của các phần tử và sử dụng các quan hệ của PTHH ta sẽ tính được nội lực, biến dạng và ứng suất trong mỗi phần tử. Luận án sử dụng phần mềm Plaxis để giải phương trình (3.8) với mô hình nền đất là đàn dẻo. 3.3. Nghiên cứu rung động bằng phần mềm xác định tải trọng động tàu điện ngầm (DLT) và gói phần mềm PLAXIS Luận án đề xuất trình tự giải quyết bài toán dự báo rung động bằng Plaxis thể hiện trên sơ đồ hình 3.2. Thực chất sơ đồ hình 3.2 dựa trên việc giải quyết bài toán cho hai bài toán con: (1) Xác định tải trọng động đoàn tàu tác dụng xuống sàn hầm bằng phần mềm DLT do tác giả xây dựng và (2) Giải bài toán tương tác kết cấu vỏ hầm - nền đất thực hiện trên gói phần mềm Plaxis. Hình 3.2. Sơ đồ khối giải bài toán dự báo rung động trong nền do khai thác hệ thống tàu điện ngầm bằng gói phần mềm Plaxis 9 3.3.1. Phân tích lựa chọn mô hình nền áp dụng cho nền đất TpHCM Luận án đã phân tích đặc điểm các mô hình trong Plaxis và đặc điểm nền đất khu vực TpHCM và đề xuất sử dụng mô hình đàn dẻo Mohr-Coulomb cho các lớp đất, riêng lớp đất 1 là lớp đất yếu nên sử dụng mô hình Cam-Clay cải biên. 3.3.2. Nghiên cứu mô phỏng tải trọng động và xây dựng phần mềm xác định tải trọng động của đoàn tàu lƣu thông trong hầm (DLT). Tải trọng trục xe được xem là lực tác dụng từ đường ray xuống sàn hầm, kết cấu đường ray không có đá balát được xem là đàn hồi 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 S EI 10 năng tính toán cho 5 trường hợp có và không có bố trí giảm rung bằng đệm đàn hồi trong đường ray. Giao diện chính của chương trình thể hiện trên hình 3.8, một đoạn code chương trình thể hiện trên hình 3.10. Hình 3.8. Giao diện mô đun chính của chương trình DLT Hình 3.10. Một đoạn code chương trình trong Labview cho mô đun 01. 3.3.3. Xác định tần số dao động riêng của nền nhiều lớp bằng Plaxis Plaxis không có mô đun tính toán tần số dao động riêng của mô hình nhằm xác định ma trận cản, chính vì vậy phải áp dụng phương pháp phổ biên độ Fourier là cần thiết khi sử dụng gói phần mềm này để phân tích bài toán động lực học có xét đến cản của nền đất. 11 Áp dụng tính toán tần số dao động riêng cho hai vị trí Km0+940 và Km6+700 với các tham số động của nền đã xác định trong bảng 2.6 và 2.7. Sử dụng các tham số tối ưu theo kiến nghị trong [19], [31], [32] và đánh giá ảnh hưởng của nền nhiều lớp, của tỷ số cản đến kết quả bài toán. Kết quả tính toán cụ thể cho hai vị trí như sau: - Km0+940: f1=1,37Hz và f2=3,52Hz. - Km6+700: f1=1,17Hz và f2=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 khuyết tật 0,3mm và bước sóng khuyết tật là ngẫu nhiên tính theo các tần số đại diện của dải tần số ngẫu nhiên 8Hz, 16Hz, 31,5Hz, 63Hz. t đất theo phương ngang, tại Km0+940, khi V=80km/h. 13 phương ngang, tại Km6+700, khi V=80km/h. Nhận xét: - Theo kết quả tính, tại vị trí tính toán cường độ rung vượt mức cho phép (75VdB) [13], [43], [75], [77], cụ thể Km0+940 là 17,86VdB và tại Km6+700 là 15,51VdB, do vậy cần phải có biện pháp giảm rung. Theo FTA (2006) [43], tại các vị trí nghiên cứu có vmax<5mm/s do vậy ảnh hưởng của rung động đến kết cấu công trình xây dựng hai bên tuyến là không đáng kể. 3.5. Thử nghiệm số khảo sát ảnh hƣởng của các yếu tố của hầm, nền đến rung động trong nền 3.5.1. Ảnh hƣởng của khuyết tật mặt tiếp xúc bánh xe-ray đến rung động nền Khảo sát bài toán cho vị trí Km0+940 trong các trường hợp thay đổi tần số khuyết tật fir, khi V=80 km/h. 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 air=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. max của các điểm A J trong trường hợp mặt cắt ngang hầm là chữ nhật và tròn, tại Km0+940, khi V=80km/h, a ir=30cm. Nhận xét: Trong cùng một điều kiện địa chất, với hai loại hầm có dạng mặt cắt ngang khác nhau nhưng kết quả cường độ rung gây ra cho nền khác nhau rất ít, có thể coi là bằng nhau. 3.5.4. Ảnh hƣởng độ dày vỏ hầm đến rung động nền Khảo sát bài toán tại vị trí Km0+940, với các trường hợp vỏ hầm tròn có độ dày 20, 30, 40, 50cm, trong cùng điều kiện tải trọng tác động và điều kiện khuyết tật đường ray là như nhau. 15 max của các điểm A J tương ứng với các trường hợp độ dày vỏ hầm, tại Km0+940, khi V=80km/h, a ir=30cm. Nhận xét: Khi thay đổi chiều dày vỏ hầm từ 20÷50cm, cường độ và vận tốc rung lớn nhất của điểm nghiên cứu có thay đổi nhưng trị số thay đổi rất nhỏ và có thể xem như không đáng kể. 3.5.5. Ảnh hƣởng của lớp đất yếu đến rung động nền Khảo sát sự thay đổi cường độ rung theo phương thẳng đứng tại 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 vS<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 vS=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 của đệm đàn hồi. Các phương án bố trí như hình 4.1. Mô tả phƣơng án Cấu tạo phƣơng án a) Thiết kế ban đầu không có giảm rung b) Bố trí đệm giảm rung tại đáy ray (không sử dụng tà vẹt) c) Bố trí đệm đàn hồi bao bọc ở đáy và bên hông tà vẹt d) Bố trí một lớp đệm đàn hồi trong sàn hầm dạng tấm hoặc gối. e) Bố trí đệm đàn hồi bao bọc ở đáy và bên hông tà vẹt và một lớp trong sàn hầm. 17 f) Bố trí hai lớp đệm đàn hồi trong sàn hầm dạng tấm hoặc gối. 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 0,110 0,220 0,450 0,850 1,200 [ tổng] 0,016 0,028 0,042 0,065 0,085 0,160 0,350 0,700 1,300 1,800 Tấm Sylomer được sử dụng phải được lựa chọn thoả mãn hai điều kiện chịu lực như sau: tĩnh≤[ tĩnh] và tổng ≤[ tổng] (4.1) 4.3. Mô hình bài toán và trình tự tính toán hiệu quả giảm rung Hình 4.4. Sơ đồ giải bài toán giảm rung cho công trình có lớp đệm đàn hồi bằng phần mềm Plaxis L1 là cường độ rung dự báo khi không áp dụng biện pháp giảm rung; L2 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 xuất trong hình 4.1 cho hai chiều dày của tấm Sylomer là 12,5mm và 25mm nhằm xây dựng đồ thị tra cứu trong thiết kế. Loại Sylomer được lựa chọn sử dụng trong các phương án là loại phải thỏa mãn hai điều kiện: Điều kiện chịu lực theo công thức (4.1) và có mô đun đàn hồi động là nhỏ nhất trong các loại Sylomer thỏa mãn điều kiện chịu lực theo (4.1), để đảm bảo hiệu quả giảm rung là lớn nhất theo (3.14) và (3.19). Cụ thể như sau: Sử dụng loại SR450 tại đáy ray, loại SR110 tại đáy tà vẹt và loại SR28 trong sàn hầm. 4.4.1. Phƣơng án bố trí 1 lớp đệm đàn hồi Sylomer Tiến hành tính toán hiệu quả giảm rung cho các phương án bố trí 1 lớp đệm đàn hồi trên hình 4.1b, 4.1c và 4.1d với Hs thay đổi. Kết quả hiệu quả giảm rung động trung bình L được tổng hợp thành đồ thị hình 4.19 như sau: Hình 4.19. Quan hệ giữa hiệu quả giảm rung và độ sâu bố trí của đệm đàn hồi Sylomer trong phương án bố trí một lớp. 19 4.4.2. Phƣơng án bố trí 2 lớp Sylomer trong sàn hầm Tiến hành tính toán hiệu quả giảm rung cho các phương án bố trí 2 lớp đệm đàn hồi trên hình 4.1e và 4.1f với Hs1 thay đổi. Kết quả hiệu quả giảm rung động trung bình L được tổng hợp thành đồ thị hình 4.26 như sau: Hình 4.26. Quan hệ giữa hiệu quả giảm rung và độ sâu bố trí của lớp Sylomer 1 trong phương án bố trí hai lớp. Nhận xét: Khi bố trí 1 lớp đệm đàn hồi, hiệu quả giảm rung tăng 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 Hs1/Hs2 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 4.28a) và dạng gối (hình 4.28b). Kết quả tính cường độ rung theo phương ngang tại Km0+940 cho hai hình thức bố trí như sau: Hình 4.28. Bố trí đệm đàn hồi Sylomer SR28 dày 25mm cách đáy tà vẹt 25cm, dạng tấm và dạng gối Hình 4.29. Hiệu quả giảm rung khi bố trí đệm đàn hồi Sylomer SR28 dày 25mm, bố trí dạng tấm và dạng gối cách đáy tà vẹt 25cm,tại Km0+940, khi V=80km/h và f ir=63Hz. 21 Nhận xét: Kết quả tính toán cho thấy hiệu quả giảm rung khi bố trí dạng gối có tăng hơn bố trí dạng tấm, nhưng sự khác biệt nhau rất nhỏ khoảng 0,16 0,17VdB. Do đó ngoài việc so sánh chi phí cho vật liệu Sylomer, phải so sánh thêm cả chi phí công nghệ thi công khi thiết kế chọn phương án. 4.5.3. Ảnh hƣởng của mô đun đàn hồi lớp đệm Sylomer. Khảo sát bài toán bố trí 1 lớp đệm đàn hồi tại đáy sàn hầm, thay đổi chủng loại Sylomer bố trí (SR28, SR55, SR110, SR450 và SR1200) tức là thay đổi mô đun đàn hồi động của tấm Sylomer (Edyn). 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 loại Sylomer sử dụng như sau: 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. Hình 4.32. Hiệu quả giảm vận tốc rung lớn nhất của đệm đàn hồi Sylomer SR28 dày 25mm tại đáy sàn hầm, khi V=80km/h và f ir=63Hz. Nhận xét: Từ hình 4.31 nhận thấy hiệu quả giảm cường độ rung ( L) có sự khác biệt không lớn trong hai trường hợp khi không có lớp 1 (Km0+940) và có lớp 1(Km6+700). Từ hình 4.32 cho thấy hiệu quả giảm giá trị vận tốc dao động lớn nhất ( Vmax) của tấm Sylomer khi trong nền có lớp đất yếu (lớp 1, có hệ số rỗng lớn e=2,07 và bão hòa) tại Km6+700 nhỏ hơn khi trong nền đất không có lớp này tại Km0+940. KẾT LUẬN CHUNG 1. Những kết quả chính và đóng góp mới của luận án - Xây dựng phần mềm mô phỏng số tải trọng động của đoàn tàu di chuyển trong hầm - DLT2013 trong các trường hợp có và không có đệm đàn hồi giảm rung theo lý thuyết của mô hình dầm trên nền đàn hồi Bernoulli-Euler bằng ngôn ngữ lập trình Labview 2011. Kết quả này thể hiện ở công trình đã công bố [4]. - Bổ sung và chứng minh độ tin cậy của phương pháp phổ Fourier trong việc xác định tần số dao động riêng của nền đất nhiều lớp khi áp dụng Plaxis giải bài toán tương tác động lực học kết cấu và nền. Kết quả này thể hiện ở công trình đã công bố [3]. - Kết hợp sử dụng phần mềm DLT và Plaxis, chứng minh rung động do khai thác tuyến metro số 6 –TpHCM sẽ gây khó chịu cho dân cư hai bên tuyến. Khẳng định sự cần thiết nghiên cứu biện pháp giảm rung động trước khi xây dựng các tuyến tàu điện ngầm của Việt 23 Nam trong tương lai. Kết quả này thể hiện ở công trình đã công bố [1], [2]. - Đề xuất sử dụng vật liệu đàn hồi Sylomer và cấu tạo các phương án bố trí đệm đàn hồi giảm rung động vĩnh cửu trong đường hầm. Tính toán hiệu quả giảm rung động của đệm đàn hồi Sylomer cho nhiều trường hợp và xây dựng được cơ sở dữ liệu hiệu quả giảm rung động của các phương án dưới dạng tra đồ thị. Kết quả này thể hiện ở công trình đã công bố [5]. - Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ rung phát sinh trong nền và hiệu quả giảm rung động của đệm đàn hồi, đưa ra những nhận xét mang tính định lượng có cơ sở khoa học cho công tác dự báo rung động của nền và thiết kế biện pháp giảm rung. 2. Một số kiến nghị rút ra từ nội dung luận án - Khi khai thác hệ thống tàu điện ngầm trong nền đất tại TpHCM sẽ gây ra ảnh hưởng rung động khá mạnh đến môi trường sống của dân cư hai bên tuyến, do vậy cần quan tâm, nghiên cứu biện pháp can thiệp làm giảm rung. Tác động nguy hiểm đến kết cấu của các công trình xây dựng nổi hai bên tuyến là không đáng kể. - Đối với dự án metro TpHCM hay cụ thể là tuyến metro số 6, phương án giảm rung hợp lý nhất là phương án sử dụng một lớp đệm đàn hồi Sylomer SR28, bố trí tại đáy sàn hầm như cấu tạo trên hình 4.18a. Độ dày tấm nên chọn 12,5mm hoặc 25mm dựa vào kết quả tính toán cường độ rung cho từng đoạn tuyến kết hợp với tra đồ thị hiệu quả giảm rung tại hình 4.19 chương 4. - Tình trạng hư hỏng mặt tiếp xúc bánh xe-ray sẽ làm tăng cường độ rung động gây ra cho nền, do vậy cần phải có quy trình kiểm tra và bảo trì đường ray định kỳ trong quá trình khai thác. - Giảm tốc độ chạy tàu sẽ làm giảm rung động phát sinh, tuy nhiên hiệu quả giảm rung của biện pháp này thấp, do đó không nên áp dụng biện pháp này để giảm rung vì làm giảm hiệu quả khai thác của dự án, đồng thời nên giữ tốc độ khai thác là 80km/h và áp dụng biện pháp khác để hạn chế rung động. - Trong phạm vi độ dày vỏ hầm thường được chọn khi thiết kế, độ dày vỏ hầm và loại mặt cắt ngang hầm có ảnh hưởng đến cường độ 24 rung động của nền nhưng không đáng kể. Do vậy có thể đánh giá được ảnh hưởng rung động của tuyến đối với nền để chọn độ sâu hầm tối ưu trước khi thiết kế kết cấu hầm, làm giảm thời gian tính toán. - Khi thiết kế phương án 1 lớp đệm đàn hồi giảm rung, nên chọn loại đệm đàn hồi thoả mãn điều kiện chịu lực của nhà sản xuất, có mô đun đàn hồi nhỏ nhất và khi bố trí nên bố trí tại đáy sàn hầm để đạt được hiệu quả cao nhất. Nếu phương án 1 lớp đệm đàn hồi không đáp ứng được yêu cầu, nên bố trí các đệm đàn hồi dạng hai lớp tách rời nhau với tỷ lệ độ sâu lớp 1 tính từ đáy tà vẹt/ độ sâu lớp 2 tính từ đáy lớp 1 là 0.55 Hs1/Hs2 1 là tối ưu. - Hình thức bố trí đệm đàn hồi dạng tấm hay dạng gối có hiệu quả giảm rung không khác nhau nhiều, do đó việc chọn hình thức bố trí sẽ do công nghệ thi công và giá thành quyết định. - Trong bài toán xác định hiệu quả giảm rung của đệm đàn hồi bố trí trong sàn hầm, tiêu chí đánh giá là trị số cường độ rung động, trị số này chịu ảnh hưởng của lớp đất yếu rất ít do vậy có thể áp dụng kết quả tính toán hiệu quả giảm rung động của các phương án đã đề xuất cho dự án tại các vị trí khác. Ngược lại, trong bài toán đánh ánh hưởng của rung động đến kết cấu của công trình xây dựng, tiêu chí đánh giá chính là giá trị vận tốc rung lớn nhất mà kết cấu phải chịu, khi đó phải quan tâm đến lớp đất yếu vì nó làm giảm đáng kể hiệu quả giảm vận tốc dao động lớn nhất của đệm đàn hồi. 3. Hƣớng nghiên cứu phát triển tiếp theo - Nghiên cứu bài toán tương tác của toa xe – kết cấu đường ray theo mô hình đầy đủ 10 bậc tự do trong một mô hình tính nhằm xác định sát thực nhất tải trọng động của đoàn tàu. - Nghiên cứu tính toán rung động và giảm rung động trên mô hình ba chiều, đồng thời cần thực nghiệm kết quả tính toán trên thực tế khi đã có đường hầm khai thác để hoàn thiện phương pháp. - Nghiên cứu chế tạo vật liệu đệm đàn hồi sử dụng cho hệ thống tàu điện ngầm của Việt Nam theo hướng nội địa hoá sản phẩm để tiết kiệm chi phí đầu tư.