Tài liệu Nghiên cứu lan truyền sóng trong nền đất do hoạt động thi công cọc ảnh hưởng đến công trình lân cận trên địa bàn tỉnh trà vinh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –––––––––––––––––––––––– VÕ ĐÌNH DUY KHOA NGHIÊN CỨU LAN TRUYỀN SÓNG TRONG NÊN ĐẤT DO HOẠT ĐỘNG THI CÔNG CỌC ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÔNG TRÌNH LÂN CẬN TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH TRÀ VINH \ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG ĐÀ NẴNG – NĂM 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ––––––––––––––––––––––––– VÕ ĐÌNH DUY KHOA NGHIÊN CỨU LAN TRUYỀN SÓNG TRONG NÊN ĐẤT DO HOẠT ĐỘNG THI CÔNG CỌC ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÔNG TRÌNH LÂN CẬN TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH TRÀ VINH \ Chuyên ngành Mã số : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông : 85.80.205 Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN LAN ĐÀ NẴNG – NĂM 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả. Các số liệu và kết quả tính toán đưa ra trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Võ Đình Duy Khoa . 0 Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục Tóm tắt luận văn Danh mục các bảng Danh mục các hình MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài.......................................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài.............................................................................................. 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu......................................................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................................... 2 5. Kết quả dự kiến ........................................................................................................................ 2 ............. 3 1.1. Các loại sóng lan truyền trong nền đất ............................................................................. 3 1.1.1. Sóng khối ......................................................................................................3 1.1.2. Sóng mặt .......................................................................................................4 1.2. Ảnh hưởng sóng chấn động đến công trình lân cận và môi trường ........................... 5 1.3. Các qui định giới hạn cường độ sóng chấn động trong nền đất .................................. 6 1.3.1. Rung động ngắn hạn ...................................................................................6 1.3.2. Rung động dài hạn.......................................................................................8 1.4. Kết luận chương 1............................................................................................................... 10 NỀN ĐẤT DO HOẠT ĐỘNG ĐÓNG CỌC BTCT............................................... 11 2.1. Cơ sở bài toán lan truyền sóng do hạ cọc trong nền đất ............................................. 11 2.1.1. Phương trình vi phân của phân tố ứng suất trong môi trường không gian đàn hồi [13] .................................................................................................11 2.1.2. Mối quan hệ giữa biên độ và khoảng cách đến nguồn rung của phân tố trong môi trường bán đàn hồi. ............................................................................13 2.1.3. Lan truyền sóng ứng suất trong thanh [13]: ............................................15 2.1.4. Vận tốc các hạt trong vùng chịu ứng suất ................................................17 2.2. Cơ sở phương pháp PTHH phân tích lan truyền sóng do hạ cọc [13]:.................... 18 2.3. Cơ sở phần mềm PTHH phân tích lan truyền sóng do hạ cọc .................................. 20 2.3.1. Giới thiệu Midas GTS NX .........................................................................20 2.3.2. Phương pháp phần tử hữu hạn và phân tích lịch sử thời gian ...............22 2.4. Ví dụ số phân tích lan truyền sóng do hạ cọc ................................................................ 23 2.5. Kết luận chương 2............................................................................................................... 34 .......................................................................................................................... 35 3.1. Phương pháp tiêu chuẩn đo đạc lan truyền sóng trong nền đất do hoạt động thi công cọc ........................................................................................................................................ 35 3.2. Chương trình thực nghiệm tại hiện trường................................................................... 36 3.2.1 Nguồn gây rung chấn .................................................................................36 3.2.2. Hiện trường thực hiện thí nghiệm ............................................................ 37 3.2.3. Thiết bị đo rung chấn ................................................................................37 3.2.4. Thực hiện thí nghiệm đo rung tại hiện trường do đóng cọc ...................39 3.2.5. Công trình lân cận khu vực thi công ........................................................ 42 ng ............................................................................. 43 3.4. So sánh kết quả phân tích lý thuyết và thực nghiệm ................................................... 48 3.5. Kết luận và ngoại suy xác định bán kính ảnh hưởng cho các loại búa đóng cọc khác ............................................................................................................................................... 49 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 51 1. Kết luận .................................................................................................................................... 51 2. Kiến nghị .................................................................................................................................. 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................... 53 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) PHỤ LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN LAN TRUYỀN SÓNG TRONG NỀN ĐẤT ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÔNG TRÌNH LÂN CẬN TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH TRÀ VINH Học viên: Võ Đình Duy Khoa Chuyên ngành: KTXD công trình giao thông Mã số: 85.80.205. Khóa 36 Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng. Tóm tắt - Hiện nay vẫn còn rất nhiều bất cập tồn tại trong hoạt động thi công công trình cầu đường trên địa bàn tỉnh Trà Vinh, một trong số đó là các sự cố ảnh hưởng, hư hỏng đến các công trình lân cận, khu vực dân cư do thiết bị thi công gây ra lan truyền sóng chấn động gây ra. Có thể kể đến các phương tiện như búa đóng cọc, lu rung, búa rung cừ larsen, búa rung hạ ống vách cọc khoan nhồi,...v.v. là những nguồn rung chấn khá phổ biến, được ứng dụng rộng rải nhằm đáp ứng biện pháp thi công ngày nay. Tuy nhiên nhiều sự cố đã xảy ra do ảnh hưởng bởi rung chấn trong quá trình thi công như nứt nẻ nhà dân, sụt lún nền đất đắp, nền đất tự nhiên, thậm chí gây đổ vỡ công trình, gây thiệt hại cho người dân, chủ đầu tư dự án, lãng phí trong đầu tư các dự án xây dựng. Luận văn này tập trung chủ yếu vào tác động rung chấn do thi công đóng cọc gây ra, sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích lý thuyết, kiểm chứng kết quả bằng cách sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Midas GTS NX. Từ đó đưa ra được phạm vi ảnh hưởng do hoạt động thi công đóng cọc đặc thù trên địa chất, thiết bị thi công trên địa bàn tỉnh Trà Vinh, hổ trợ các cấp quản lý, đơn vị thiết kế, đơn vị thi công công trình có căn cứ qui hoạch, lựa chọn biện pháp và công nghệ thi công hợp lý, giảm thiểu các ảnh hưởng bất lợi đến công trình lân cận, tiết kiệm chi phí phát sinh, chi phí đền bù trong tổng chi phí đầu tư các dự án công trình xây dựng trên địa bàn tỉnh. T : Vận tốc đỉnh chất điểm, thi công cọc, rung động, lan truyền sóng, nguồn rung, phần tử hữu hạn, bán kính ảnh hưởng, vận tốc rung giới hạn. RESEACH FOR GROUND WAVE PROPAGATION DUE TO PILE DRIVEN IN TRANPORTATION CONSTRUCTION ACTIVITIES. Abstract – Currently, there are still many shortcomings in the construction of bridges and roads in Tra Vinh province, one of which is the incident affecting and damaging neighboring buildings and residential areas caused by construction equipment causing wave propagation. Means including pile driving hammers, vibrating rollers, larsen piles, vibrating hammers, etc. are quite common sources of vibration, are widely applied to meet today's construction methods. However, many incidents have occurred due to the vibration during construction such as cracking houses, subsidence of embankment, natural ground, even causing work breakdowns, causing damage to people, project investors, wasteful in investing construction projects. This dissertation focuses mainly on the impact of vibration caused by pile construction, using experiment methods combined with theoretical analysis, verifying the results by using finite element method through soft Midas GTS NX. Since then given the scope of influence due to the construction of specific piles on geology, construction equipment in Tra Vinh province, supporting management levels, designer, construction units. Based on the planning, selecting appropriate construction methods and technologies, minimizing adverse impacts on neighboring buildings, saving arising and compensation costs in the total investment cost of the construction projects in the province. Key words - Peak particle velocity (PPV), pile driving, vibration, wave propagation, vibration sources, Finite Element (FEM), radius influence; vibration limit velocity. DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng 1.4 Tiêu chuẩn giới hạn rung cho công trình theo DIN 4150-3 [6] Đề xuất PPV khi sử dụng chất nổ [8] Giá trị tối đa cho phép về mức gia tốc rung đối với hoạt động xây dựng [9] Giá trị vận tốc rung giới hạn đối với công trình khi chịu tác động rung gián đoạn 1.5 Giá trị vận tốc rung giới hạn đối với công trình khi chịu tác động rung liên tục 1.1 1.2 1.3 3.2 Giá trị vận tốc rung giới hạn Phản ứng của con người và thiệt hại cho các tòa nhà ở các mức độ rung động khác nhau [12] Số liệu đầu vào Bảng 2.2. Bảng tổng hợp kết quả vận tốc dao động lớn nhất từ phần mềm Midas GTS Bán kính ảnh hưởng R(m) tính theo vận tốc giới hạn Tham số kỹ thuật khi đo dao động tại vị trí thí nghiệm Bảng tổng hợp kết quả vận tốc dao động lớn nhất được ghi nhận thí nghiệm tại công trường 3.3 3.4 3.5 Bán kính ảnh hưởng R(m) tính theo vận tốc giới hạn So sánh kết quả thực nghiệm và lý thuyết Bán kính giới hạn cho các loại búa khác nhau 1.6 1.7 2.1 2.2 2.3 3.1 Trang 6 7 7 8 8 8 9 23 32 33 40 46 48 48 49 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 2.22 2.23 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 Tên bảng Biến dạng nền đất do sóng khối gây ra Biến dạng nền đất do sóng mặt gây ra Hình ảnh tổng quan về cầu Ba Trường và hiện tượng nứt các công trình lân cận Các nhà dân bị nứt do thi công Dự án đầu tư xây dựng đường Hồ Chí Minh đoạn tuyến tránh đô thị Pleiku Tiêu chuẩn DIN 4160 so với tiêu chuẩn OSM [7] Phân tố ứng suất Sóng đàn hồi dọc thanh Chuyển động sóng đàn hồi dọc thanh Vận tốc lan truyền sóng và vận tốc hạt [13] Môi trường mô phỏng sử dụng phương pháp PTHH Midas GTS trong mô phỏng động học Các dạng dao động của kết cấu [13] Phân tích phổ dao động theo lịch sử thời gian [13] Sơ đồ tổng thể quá trình mô phỏng mô hình Khai báo vật liệu Mô hình hóa 3D khối đất và khu vực thí nghiệm Tạo lưới khối 3D Gán điều kiện biên phần hông khối 3D Gán điều kiện biên lớp đáy khối 3D Chạy mô hình lấy tham số các khối đất Thực thi lệnh chạy tham số Kết quả trên thể hiện tham số chu kỳ của địa hình Khai báo và định nghĩa hàm tải trọng Gán tải trọng động lên đầu cọc Định nghĩa tần số mẫu thực hiện phân tích Nhập giá trị tham số đã phân tích ở bước trước đó Thực thi lệnh phân tích mô hình Biểu đồ quan hệ Vận tốc - Bán kính ảnh hưởng Quy trình đánh giá và đo đạc thực nghiệm Búa đóng cọc đang thi công tại công trường Công trường thi công Thiết bị đầu đọc và cảm biến đo rung chấn Sơ đồ kết nối hệ thống và quy trình đo đạc dữ liệu rung chấn Trang 4 4 5 6 7 12 16 16 17 18 21 22 22 23 25 25 26 26 26 27 27 28 28 29 29 30 30 33 35 36 37 37 38 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 Đầu đo dao động Chương trình phần mềm đo rung chấn Sơ đồ bố trí đầu đo dao động trên mặt đất tại hiện trường Vị trí điểm đo dao động tại vị trí thí nghiệm Quy trình thực nghiệm tại hiện trường Lắp đặt thiết bị đo tại hiện trường Công trình nhà dân lân cận Biểu đồ quan hệ Vận tốc – Bán kính ảnh hưởng Biểu đồ so sánh giữa thực nghiệm và lý thuyết 38 39 40 41 41 42 43 47 49 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Tỉnh Trà Vinh nằm ở phía Đông Nam đồng bằng sông Cửu Long, giữa 2 con sông Cổ Chiên và sông Hậu. Phía Bắc Trà Vinh là tỉnh Bến Tre được ngăn cách bởi sông Cổ Chiên (một nhánh của sông Tiền), phía Tây Nam giáp với tỉnh Sóc Trăng qua ranh giới sông Hậu, phía Tây giáp tỉnh Vĩnh Long, phía Đông là biển Đông. Tổng diện tích tự nhiên của tỉnh là 235.826 ha, với 09 đơn vị hành chính trực thuộc, gồm: Thành phố Trà Vinh, Thị xã Duyên Hải và 7 huyện: Càng Long, Châu Thành, Cầu Kè, Tiểu Cần, Cầu Ngang, Trà Cú và Duyên Hải; có 106 đơn vị hành chính cấp xã, phường và thị trấn. Hiện nay toàn tỉ km do Trung ương quản lý; Đường tỉ Đường huyệ ớ ố lượng cầu trên các tuyến Đường tỉnh, Đường huyện là 186 cầu (trong đó cần phải xây dựng mới 92 cầu, do các cầu cũ đã xuống cấp không đảm bảo tải trọng và khổ cầu theo tiêu chuẩn) do Sở Giao thông vận tải quản lý và khai thác. Ngoài ra trên địa bàn tỉnh còn có 5.545,42 km đường giao thông nông thôn và 220 km đường đô thị do địa phương quản lý. Do là một tỉnh thuộc đồng bằng sông Cửu Long nên có hệ thống sông, ngòi chằng chịt, tổng chiều dài các tuyến kênh, sông khoảng 917 km do đó số lượng cầu cần đầu tư xây dựng là rất nhiều. Trong những năm gần đây ngành giao thông vận tải đã đầu tư xây dựng nhiều tuyến đường và cầu, góp phần phát triển kinh tế xã hội, an ninh quốc phòng; góp phần xây dựng thành công các Chương trình mục tiêu quốc gia về xây dựng nông thôn mới và giảm nghèo bền vững của các địa phương nơi có công trình đi qua. Tuy nhiên, do chi phí hạn hẹp nên đa số móng mố, trụ cầu được thiết kế là cọc đóng, trong quá trình thi công đóng cọc gây lan truyền rung chấn trong nền đất làm ảnh hưởng đến các công trình nhà dân lân cận như: cầu Long Bình 3, cầu Ba Trường nằm trên tuyến Đường tỉnh 915B; cầu Xây nằm trên Đường huyện 13; cầu số 3 nằm trên tuyến đường Phú Thọ II – Cây Gòn… một số dự án khi thi công đóng cọc gây rung chấn làm nứt nhà dân gây tranh chấp, người dân ngăn cản không cho thi công, đề nghị phải đền bù thiệt hại mới cho tiếp tục thi công, dẫn đến công trình bị chậm tiến độ, cá biệt có công trình phải ngưng khoảng 1 năm để thương lượng, thuê tư vấn đánh giá mức độ thiệt hại để đền bù dẫn đến giảm hiệu quả đầu tư của dự án, qua tìm hiểu thì đây là vấn đề từng xảy ra không riêng gì ở địa bàn tỉnh Trà Vinh. Trong một số trường hợp này giải pháp dùng cọc đóng làm tăng kinh phí đầu tư do phải kéo dài thời gian thi công và đền bù thiệt hại cho người dân xung quanh. Học viên công tác trong ngành giao thông vận tải, tham gia và trực tiếp thẩm định các dự án giao thông sử dụng vốn ngân sách nằm trên địa bàn tỉnh (theo Nghị 2 định số 59/2015/NĐ-CP ngày 18/6/2015 của Chính phủ về quản lý dự án đầu tư xây dựng công trình quy định Sở quản lý công trình xây dựng chuyên ngành chủ trì thẩm định các dự án quy mô từ nhóm B trở xuống được đầu tư xây dựng trên địa bàn hành chính của tỉnh Trà Vinh. Học viên xét thấy lựa chọn đề tài “Nghiên cứu lan truyền sóng trong nền đất do hoạt động thi công cọc ảnh hưởng đến công trình lân cận trên địa bàn tỉnh Trà Vinh” là cần thiết và phù hợp với luận văn thạc sỹ ứng dụng. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Xác định được quan hệ cường độ sóng rung chấn - khoảng cách đến nguồn rung do thi công hạ cọc vào nền đất tại một số dự án trên địa bàn tỉnh Trà Vinh. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Quy luật lan truyền sóng do hoạt động đóng cọc gây ra. - Phạm vi nghiên cứu: Xác định quy luật lan truyền sóng trong nền đất do hoạt động đóng cọc nhằm xác định phạm vi, bán kính ảnh hưởng đến các công trình lân cận. 4. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: Cơ sở lý thuyết bài toán và phân tích lan truyền sóng trong nền đất do nguồn rung bằng phần mềm PTHH. - Thực hành Đo đạc thực nghiệm xác định mức độ rung chấn của công tác đóng cọc tại một công trình cụ thể. - So sánh và đánh giá kết quả nghiên cứu lý thuyết với kết quả thực nghiệm ngoài hiện trường. 5. Kết quả dự kiến Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể làm cơ sở tham khảo, phục vụ công tác thẩm định thiết kế phương án móng cọc đóng; đánh giá phạm vi ảnh hưởng đến công trình lân cận do thi công cọc làm cơ sở giải quyết tranh chấp hoặc đền bù do ảnh hưởng rung chấn. 3 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI SÓNG LAN TRUYỀ T DO HOẠT ĐỘNG THI CÔNG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH 1.1. Các loại sóng lan truyền trong nền đất Chấn động rung (hay rung động) phát sinh từ yếu tố tự nhiên và yếu tố con người. Hoạt động kiến tạo trong vỏ Trái Đất như động đất, núi lửa là các tai biến tự nhiên, năng lượng giải phóng ra truyền bên dưới mặt đất tạo nên các rung động ở nhiều cấp độ khác nhau. Đây là những hiện tượng mà thời điểm phát sinh, con người chưa hoàn toàn xác định trước được. Các nguồn phát sinh chấn động gây ra do hoạt động của con người như: hoạt động giao thông đường bộ, đường sắt; vận hành các thiết bị công nghiệp như các máy nghiền sàng, máy quay ly tâm trong đúc bê tông và nghiền xi măng, bơm thủy lực; hoạt động xây dựng sử dụng búa máy đóng cọc bê tông vào nền móng công trình; các vụ nổ trong khai thác khoáng sản [1]. Chấn động rung lan truyền trong môi trường gây thiệt hại cho các công trình lân cận cũng như ảnh hưởng đến sức khỏe của con người. Có 3 loại sóng đàn hồi cơ bản gây chấn động làm con người cảm nhận được và phá hoại công trình xây dựng. Trong ba loại sóng đó, có 2 loại sóng có thể truyền từ chấn tiêu qua nền đá cứng ra môi trường bao quanh gọi chung là sóng khối, còn loại thứ 3 chỉ lan truyền trong vùng sát mặt đất nên được gọi là sóng mặt [2]. 1.1.1. Sóng khối Sóng khối còn gọi là sóng thể tích gồm hai loại khác nhau về bản chất đó là sóng dọc và sóng ngang [2]. - Sóng dọc (ký hiệu P): Sóng này được truyền đi nhờ sự thay đổi thể tích vật chất, gây ra biến dạng kéo và nén trong lòng đất, hướng chuyển động của vật chất trùng với hướng di chuyển của sóng. Sóng dọc có khả năng truyền qua nền đá cứng cũng như chất lỏng [2]. - Sóng ngang (ký hiệu S): hướng chuyển động của các phần tử vật chất vuông góc với hướng di chuyển của sóng. Sóng này gây ra hiện tượng xoắn và cắt mà không làm thay đổi thể tích của môi trường truyền sóng. Vì vậy sóng này còn có tên là sóng cắt. Sóng ngang không thể lan truyền trong môi trường lỏng hoặc khí vì các môi trường này không có khả năng chịu ứng sứng cắt. Ở mặt đất sóng ngang có thể gây ra các chuyển động theo phương đứng lẫn ngang [2]. 4 Hình 1.1. Biến dạng nền đất do sóng khối gây ra 1.1.2. Sóng mặt - Sóng Rayleigh (ký hiệu R): Đây là loại sóng làm cho các phần tử vật chất chuyển động theo một quỹ đạo hình elip trong mặt phẳng thẳng đứng song song với hướng truyền sóng [2]. - Sóng Love (ký hiệu Q): Chuyển động của loại sóng này về cơ bản tương tự như của sóng S nhưng không có thành phần thẳng đứng. Nó làm cho các phần tử vật chất chuyển động trong mặt phẳng nằm ngang song song với mặt đất, vuông góc với hướng truyền sóng. Các sóng này chỉ gây ra ứng sứng cắt [2]. Hình 1.2. Biến dạng nền đất do sóng mặt gây ra Tốc độ truyền của các sóng P và sóng S phụ thuộc vào mật độ và các tính chất đàn hồi của các lớp tạo nên nền đất và đá mà chúng đi qua. Đất đá càng cứng, nén càng chặt tốc độ truyền sóng càng lớn[2]. 5 Sóng P, sóng S và sóng R di chuyển với tốc độ khác nhau. Sóng P đi nhanh nhất, sau đó là sóng S và sóng R. Dọc theo mặt đất, sóng P và sóng S tiêu tán nhanh hơn sóng R. Do đó, sóng R gây xáo trộn lớn nhất ở mặt nền và có thể nhận biết rõ ràng từ một khoảng cách xa nguồn rung. Ví dụ, sóng R chiếm 67% tổng năng lượng sóng S chiếu 26% và sóng P chiếm 7% khi lực kích thích tác động thẳng góc với phương truyền sóng [3]. 1.2. Ảnh hưởng sóng chấn động đến công trình lân cận và môi trường Nhiều hoạt động thi công xây dựng như hạ cọc, đầm chặt nền đường, nổ mìn phá đá nền đường,.. gây ra sự rung chấn lan truyền trong nền tác động đến các công trình lân cận. Nếu cường độ nguồn rung lớn, gây ra vận tốc rung các chất điểm lớn có thể làm hư hỏng các công trình xung quanh. Trong những năm qua, hoạt động thi công xây dựng các dự án nói chung và dự án công trình giao thông nói riêng đã gây ra rung chấn làm nứt nhà dân và các công trình lân cận khu vực dự án, ảnh hưởng đến môi trường sống của người dân, cụ thể: Sau đây là một số hình ảnh do thi công công trình làm ảnh hưởng đến các công trình lân cận: - Công trình đường tỉnh 915B, do Sở Giao thông vận tải tỉnh Trà Vinh làm chủ đầu tư, trong quá trình thi công đóng cọc mố Mb cầu Ba Trường đã làm nứt nhà một số hộ dân sống lân cận công trình, hạng mục này phải tạm ngưng hơn một năm để thương lượng, thuê tư vấn đánh giá mức độ thiệt hại để đền bù thiệt hại cho dân: Hình 1.3. Hình ảnh tổng quan về cầu Ba Trường và hiện tượng nứt các công trình lân cận - Quá trình thi công Dự án đầu tư xây dựng đường Hồ Chí Minh đoạn tuyến tránh đô thị Pleiku ngang qua hai huyện Ia Grai và Chư Păh (tỉnh Gia Lai) làm 80 hộ dân bị ảnh hưởng do rung chấn. Tình trạng trên xảy ra từ tháng 01/2018 đến nay chưa được giải quyết dứt điểm, gây bức xúc cho người dân [4]. 6 Hình 1.4. Các nhà dân bị nứt do thi công Dự án đầu tư xây dựng đường Hồ Chí Minh đoạn tuyến tránh đô thị Pleiku - Theo báo cáo của Trường THPT Lý Sơn, giữa tháng 10/2018, trong quá trình thi công Dự án cảng Bến Đình (thôn Đông, xã An Vĩnh, huyện Lý Sơn), Công ty Cổ phần công trình Thủy Hà Nội đã nổ mìn đánh san hô.Việc nổ mìn diễn ra liên tục gây rung chấn, ảnh hưởng đến việc dạy và học của trường. Đặc biệt, ngày 22/10, Công ty Cổ phần công trình Thủy Hà Nội nổ mìn gây rung chấn mạnh, làm vỡ mảng bê tông của lớp học, một học sinh của trường bị thương [5]. 1.3. Các qui định giới hạn cường độ sóng chấn động trong nền đất 1.3.1. Rung động ngắn hạn Các giới hạn khác nhau về độ rung mặt đất đã được đề xuất bởi tiêu chuẩn trong và ngoài nước. Một số tiêu chí nhằm giảm nhẹ thiệt hại về công trình do rung động mặt đất, bên cạnh đó một số giới hạn cường độ âm thanh để giảm thiểu sự ảnh hưởng của tiếng ồn đến con người. a. Tiêu chuẩn của Đức DIN 4150 [6] Tiêu chuẩn này quan tâm chủ yếu ảnh hưởng của rung chấn đến con người hơn là thiệt hại đến các công trình xây dựng lận cận. Bảng 1.1. Tiêu chuẩn giới hạn rung cho công trình theo DIN 4150-3 [6] Ngưỡng vận tốc dao động làm hư hỏng kết cấu, PPV (mm/s) Nguồn rung Nguồn rung ngắn hạn dài hạn Loại kết cấu ở móng ở mặt trên ở mặt trên sàn sàn 0–10 Hz 10-50 Hz 50-100Hz Tất cả các Tất cả các tầng số tầng số Trung tâm thương 20 20-40 40-50 40 10 mại/công nghiệp Nhà ở 5 5-15 15-20 15 5 Công trình lịch sử/nhạy cảm với 5 3-8 8-10 8 25 dao động 7 b. Văn phòng Khai thác mỏ Hoa Kỳ (OSM) Cục Mỏ Hoa Kỳ công bố sau một chương trình nghiên cứu kéo dài một thập kỷ để đo lường và đánh giá các rung động nổ từ trái đất và tác động của chúng lên các cấu trúc. Tài liệu này khuyến nghị một tiêu chí về vận tốc hạt cực đại là 2 in./s bất kể tần số rung động. Khoảng một thập kỷ sau, nghiên cứu bổ sung của Siskind khuyến nghị rằng tiêu chí này nên được sửa đổi bằng cách giảm tốc độ hạt tối đa cho phép đối với tần số rung xuống dưới 40 Hz. Thậm chí sau đó, Văn phòng Khai thác mỏ Hoa Kỳ (OSM) đã ban hành một quy định hướng dẫn về mức độ nổ bề mặt an toàn cho các cấu trúc nhà ở điển hình [7]. Hình 1.5. Tiêu chuẩn DIN 4160 so với tiêu chuẩn OSM [7] c. Tiêu chuẩn Úc 2187.2 (Australian standard 2187.2)[8] Bảng 1.2. Đề xuất PPV khi sử dụng chất nổ [8] Loại công trình hoặc kết cấu PPV (mm/s) Nhà ở và công trình thấp tầng; các tòa nhà thương mại không bao 10 gồm phần ngầm. Các tòa nhà thương mại và công nghiệp hoặc kết cấu bê tông cốt 24,5 thép hoặc kết cấu thép d. Tiêu chuẩn Việt Nam (QCVN 27:2010/BTNMT; TCVN 7378: 2004 ) - Quy chuẩn QCVN 27:2010/BTNMTquy định giá trị tối đa cho phép mức gia tốc rung tại các khu vực có con người sinh sống, hoạt động và làm việc. Bảng 1.3 – Giá trị tối đa cho phép về mức gia tốc rung đối với hoạt động xây dựng [9] Thời gian áp dụng Mức gia tốc rung TT Khu vực trong ngày cho phép, dB 6 giờ - 18 giờ 75 Khu vực 1 đặc biệt 18 giờ - 6 giờ Mức nền 6 giờ - 21giờ 75 Khu vực 2 thông thường 21 giờ – 6 giờ Mức nền 8 - Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7378: 2004: Tiêu chuẩn này quy định mức rung giới hạn (tính theo vận tốc) do các hoạt động sản xuất công nghiệp, xây dựng và giao thông, v.v… tác động lên các công trình dân dụng, di tích văn hóa, lịch sử. Bảng 1.4 Giá trị vận tốc rung giới hạn đối với công trình khi \chịu tác động rung gián đoạn Giá trị vận tốc rung giới hạn Vi, mm/s Loại Tần số rung ở Tần số rung ở móng công trình công mái công trình trình(*) 1Hz đến Trên 10 Trên 50 đến Trên Tất cả các tần số 10 Hz(**) đến 50Hz 100 Hz 100Hz Loại I 20 20¸40 40 ¸ 50 40 40 Loại II 5 5¸ 15 15 ¸ 20 15 15 Loại III 3 3¸8 8 ¸ 10 8 8 Bảng 1.5. Giá trị vận tốc rung giới hạn đối với công trình khi chịu tác động rung liên tục Loại công trình Giá trị vận tốc rung giới hạn Vi, mm/s Loại I 10 Loại II 5 Loại III 2,5 Trong đó: Công trình loại I: Là các công trình xây dựng công nghiệp kiên cố có kết cấu khung bằng thép, bê tông cốt thép hoặc các công trình kiến trúc xây dựng tương tự; Công trình loại II: Là các công trình công cộng nhà ở nhiều tầng (từ 2 tầng trở lên), được xây dựng từ bê tông, bê tông cốt thép, gạch, tường chịu lực liên kết...; hoặc các công trình kiến trúc xây dựng tương tự; Công trình loại III: Là các công trình xây dựng không nằm ở loại I và loại II; các công trình nhẹ nhạy cảm với rung động như các tượng đài, công trình lịch sử - văn hóa, di tích cổ, đền chùa, miếu mạo v.v… 1.3.2. Rung động dài hạn Những rung động do hoạt động giao thông, hoạt động xây dựng (ngoại trừ đóng cọc, nổ mìn) được xem là rung động dài hạn. a. Tiêu chuẩn Thụy Sĩ Thụy Sỹ đã phát triển tiêu chuẩn cho cả rung động ngắn hạn và dài hạn [11]: Bảng 1.6. Giá trị vận tốc rung giới hạn Cấp công PPV Nguồn rung Tần số (HZ) PPV (mm/s) trình (in/sec) 10-30 0,5 12 máy móc, giao thông 30-60 0,5-0,7 12-18 I 10-60 1,2 30 nổ mìn 60-90 1,2-1,6 30-40 9 máy móc, giao thông II nổ mìn máy móc, giao thông III nổ mìn máy móc, giao thông IV nổ mìn 10-30 30-60 10-60 60-90 10-30 30-60 10-60 60-90 10-30 0,6 0,3-0,5 0,7 0,1-1,0 0,2 0,2-0,3 0,54 0,5-0,7 0,12 30-60 10-60 60-90 0,12-0,2 0,3 0,3-0,5 8 8-12 18 18-25 5 5-8 12 12-18 3 3-5 8 8-12 Ghi chú: Công trình Cấp I - Các tòa nhà bằng thép hoặc bê tông cốt thép; Cấp II – Tường và nền bê tông, tường bê tông hoặcbê tông, tường chắn xây bằng đá; Cấp IIICác tòa nhà như trên nhưng với trần nhà bằng gỗ và tường bằng vữa; Cấp IV- Các công trình nhạy cảm với rung động. b. Phòng thí nghiệm nghiên cứu giao thông vận tải – Transport and Road Research Laboratory (TRRL) TRRL nghiên cứu rung động dài hạn, đề xuất mức độ rung động và phản ứng của con người và các ảnh hưởng đối vớicác tòa nhà được trình bày: Bảng 1.7. Phản ứng của con người và thiệt hại cho các tòa nhà ở các mức độ rung động khác nhau [12] PPV (in/sec) Phản ứng của con người Tác động đến công trình 0,006-0,019 Ngưỡng cảm nhận được Không gây thiệt hại 0,08 Nhận thấy được Không gây thiệt hại về kiến trúc Cần lưu ý với các công trình cũ, 0,1 Ngưỡng gây khó chịu di tích Gây khó chịu với người 0,2 Gây thiệt hại đối với kiến trúc trong các tòa nhà Gây thiệt hại đối với kiến trúc và 0,4-0,6 Gây khó chịu gây thiệt hại nhỏ về kết cấu c. Theo tiêu chuẩn xây dựng sở giao thông Bang Florida (Florida Department of Transportation Construction Specifications-FDOT) Mục 455 của Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn FDOT cho xây dựng cầu đường yêu cầu phải lắp đặt thiết bị giám sát rung khi nền móng kết cấu được xây dựng gần với các cấu trúc hiện có. Khi phát hiện PPV bằng hoặc lớn hơn 0,5 in./s, các hoạt động xây dựng phải được dừng lại và tham khảo ý kiến chuyên gia [12]. 10 1.4. Kết luận chương 1 Ta có thể nhận thấy rằng việc xác định ảnh hưởng rung chấn dựa trên đặc tính của nguồn rung và điều kiện địa chất đã được các nước thế giới cũng như ở Việt Nam ban hành khung tiêu chuẩn quy định. Tuy nhiên để kiểm chứng được giới hạn rung và hình thành kết quả chính xác cho từng vùng miền khác nhau thì việc “Nghiên cứu lan truyền sóng trong nền đất do hoạt động thi công cọc ảnh hưởng đến công trình lân cận trên địa bàn tỉnh Trà Vinh” là rất cần thiết. Kết quả nghiên cứu sẽ xác định phạm vi ảnh hưởng của rung chấn trên địa bàn tỉnh, đánh giá đúng và quyết định được biện pháp thi công phù hợp với từng dự án. Đồng thời kết quả nghiên cứu cũng có thể được áp dụng đối với các dự án tương tự khác. 11 Chương 2 TRONG NỀN ĐẤT DO HOẠT ĐỘNG ĐÓNG CỌC BTCT 2.1. Cơ sở bài toán lan truyền sóng do hạ cọc trong nền đất 2.1.1. Phương trình vi phân của phân tố ứng suất trong môi trường không gian đàn hồi [13] Đối với vật thể bán không gian đàn hồi trên mặt tự do người ta còn phát hiện ra hai loại sóng. Tùy theo phương chuyển động của các hạt, ta có sóng mặt Rayleigh hoặc sóng Love. Các sóng này giảm đi rất nhanh theo chiều sâu. Tốc độ lan truyền sóng bé hơn sóng ngang. Hao tán năng lượng xảy ra chậm hơn sóng dọc. Sự khác nhau giữa hai loại sóng trên là ở chổ, sóng Rayleigh, các hạt chuyển động vuông góc với hướng lan truyền sóng, là hướng vuông góc với mặt tự do, tương tự sóng hấp dẫn trên mặt chất lỏng. Còn các hạt sóng Love cũng chuyển động vuông góc với phương truyền sóng nhưng lại song song với mặt tự do. Sóng này thường xuất hiện ở các lớp mà một mặt tiếp xúc với bán không gian có mật độ khác không, còn mặt kia là bán không gian coi như không có khối lượng (ví dụ lớp đệm trên mặt đất). Nghiên cứu sóng mặt có ý nghĩa rất lớn trong thực tế, nhất là khi tính toán các công trình trên mặt đất. Sóng dọc, sóng ngang truyền từ trung tâm kích động, thì cường độ giảm đi rất nhanh, trong khi đó sóng mặt lan truyền theo mặt đất rất xa. Các công trình ở xa tâm chấn động thực chất chịu ảnh hưởng của sóng mặt. Các nguồn kích thích dao động công nghiệp hoặc giao thông do sóng mặt mà ảnh hưởng đến các vùng lân cận là đáng kể. Ban đầu ta sẽ xét các thành phần của phương trình cân bằng phân tố ứng suất trong không gian đàn hồi: u, v, w là các thành phần chuyển vị của phân tố;  là khối lượng riêng phân tố  2u  2 v  2 w chính, 2 , 2 , 2 là gia tốc của các chuyển vị u, v, w phần tố. t t t Phương trình cân bằng của phân tố theo lý thuyết đàn hồi có dạng:    2u   2  x  yx  zx  X t x  xy y  y z  zy  2v    Y t 2 x y z    2 w   2  xz  yz  z  Z t x y z  (2-1) Để thiết lập phương trình truyền sóng trong môi trường đàn hồi vô hạn (2-1) như trên. Ta hãy xét sự cân bằng động học của một phân tố hình hộp có các cạnh dx, dy, dz