Nghiên cứu tính toán công trình ngầm trong môi trường san hô bão hòa nước chịu tải trọng nổ

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận án là trung thực. Những kết luận khoa học của luận án
chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào.
Tác giả luận án

Trịnh Trung Tiến


ii

LỜI CẢM ƠN
Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc đối với GS.TS
Vũ Đình Lợi đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và có nhiều chỉ dẫn, định hướng
khoa học có giá trị giúp cho tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả trân trọng
cảm ơn sự động viên, khuyến khích và những kiến thức khoa học mà Giáo sư
đã chia sẻ cho tác giả trong nhiều năm qua, giúp cho tác giả nâng cao năng lực
và phương pháp nghiên cứu khoa học.
Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể Bộ môn Xây dựng Công trình quốc
phòng, Viện Kỹ thuật Công trình đặc biệt, Khoa Cơ Khí, Phòng Sau đại học –
Học viện Kỹ thuật Quân sự, Tiểu đoàn 93 – Bộ tư lệnh Công Binh đã tạo điều
kiện giúp đỡ và hợp tác trong quá trình nghiên cứu. Tác giả xin chân thành cảm
ơn các nhà khoa học trong và ngoài Quân đội, các đồng nghiệp đã đóng góp
nhiều ý kiến quí báu cho luận án, cung cấp cho tác giả nhiều tài liệu, các kiến
thức khoa học và nhiều lời khuyên có giá trị.
Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến những người thân trong gia đình
đã thông cảm, động viên khích lệ tinh thần, tạo điều kiện và chia sẻ những khó
khăn với tác giả trong suốt thời gian làm luận án.
Xin chân thành cảm ơn!

iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT........................................vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................xi
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH NGẦM TRÊN
ĐẢO SAN HÔ CHỊU TẢI TRỌNG NỔ ................................................................. 4

1.1. Tổng quan về hệ thống công trình quân sự trên các đảo san hô ....... 4
1.2. Tổng quan về các phương pháp tính toán công trình ngầm chịu tải
trọng nổ ......................................................................................................... 6
1.2.1. Tính toán không xét tới quá trình nổ và dãn nở của sản phẩm nổ .. 6
1.2.2. Phương pháp sử dụng mô hình tương tác đầy đủ ........................... 9
1.3. Tổng quan về nền san hô và các mô hình nền .................................. 11
1.3.1. Nền san hô, các tính chất cơ lý của nền san hô ............................ 11
1.3.2. Các nghiên cứu về mô hình nền .................................................... 14
1.3.3. Lựa chọn mô hình nền cho bài toán nghiên cứu ........................... 22
1.4. Vật liệu sử dụng trong các công trình quân sự trên đảo, các nghiên
cứu về bê tông cốt sợi thủy tinh ................................................................. 23
1.4.1. Tổng quan về vật liệu sử dụng trong các công trình quân sự trên đảo
................................................................................................................. 23

iv

1.4.2. Các nghiên cứu về bê tông cốt sợi thủy tinh ................................. 24
1.5. Đề xuất nội dung nghiên cứu ............................................................. 27
1.6. Kết luận Chương 1 .............................................................................. 28
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC ĐẦY ĐỦ
TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH NGẦM CHỊU TẢI TRỌNG NỔ ......................... 29

2.1. Phương pháp sử dụng mô hình tương tác đầy đủ ............................. 29
2.2. Giải pháp tính toán bằng phần mềm AUTODYN3D ........................ 31
2.3. Cơ sở lý thuyết tính toán các vùng trong bài toán nghiên cứu......... 37
2.3.1. Vùng thuốc nổ ............................................................................... 37
2.3.2. Vùng đất gần tâm nổ ..................................................................... 38
2.3.3. Phương pháp hạt không lưới SPH ................................................ 40
2.3.4. Vùng không khí ............................................................................. 46
2.3.5. Vùng đất xa tâm nổ và công trình ................................................. 48
2.4. Mô hình vật liệu các vùng trong bài toán nghiên cứu ...................... 53
2.4.1. Mô hình vật liệu bê tông ............................................................... 55
2.4.2. Mô hình vật liệu thép .................................................................... 55
2.4.3. Mô hình vật liệu cốt sợi thủy tinh ................................................. 56
2.4.4. Mô hình vật liệu san hô bão hòa nước .......................................... 57
2.5. Tương tác giữa các vùng trong bài toán sử dụng mô hình tương tác
đầy đủ .......................................................................................................... 57
2.5.1. Tương tác giữa thuốc nổ TNT với vùng đất xung quanh vụ nổ ... 57
2.5.2. Tương tác giữa vùng đất gần tâm nổ (SPH) với vùng đất (Lagrange)
................................................................................................................. 58
2.5.3. Tương tác giữa vùng đất Lagrange với công trình và tương tác giữa
bê tông và cốt .......................................................................................... 59

v

2.5.4. Tương tác giữa đất (Lagrange) và không khí ............................... 61
2.6. Điều kiện biên của bài toán ................................................................ 62
2.7. Kết luận Chương 2 .............................................................................. 63
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LIỆU CHO CÁT SAN HÔ LẪN
CÀNH VỤN BÃO HÒA NƯỚC ............................................................................ 64

3.1. Các tính chất cơ lý của san hô............................................................ 64
3.2. Xác định độ nén động của san hô bão hòa nước bằng thí nghiệm nổ
..................................................................................................................... 65
3.2.1. Cơ sở lý thuyết xác định độ nén động .......................................... 65
3.2.2. Thí nghiệm nổ để xác định độ nén động....................................... 67
3.2.3. Xử lý kết quả thí nghiệm, xác định độ nén động .......................... 73
3.3. Mô hình vật liệu cho cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước chịu tải
trọng nổ ....................................................................................................... 77
3.3.1. Xây dựng phương trình trạng thái (EOS) ..................................... 79
3.3.2. Xây dựng mô hình bền .................................................................. 87
3.3.3. Xây dựng mô hình phá hủy ........................................................... 89
3.4. Chương trình xây dựng mô hình vật liệu cho cát san hô lẫn cành vụn
bão hòa nước dùng trong AutoDyn........................................................... 89
3.4.1. Các mô đun của chương trình MCORAL ..................................... 90
3.4.2. Giao diện và kết quả của chương trình MCORAL ....................... 92
3.5. Kiểm chứng chương trình xây dựng mô hình vật liệu cho cát san hô
lẫn cành vụn bão hòa nước ....................................................................... 94
3.5.1. Khi vụ nổ xảy ra trong môi trường san hô .................................... 94
3.5.2. Khi vụ nổ xảy ra trong không khí ................................................. 96
3.6. Kết luận chương 3 ............................................................................. 101

vi

CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH NGẦM BÊ TÔNG CỐT SỢI THỦY
TINH CHỊU TẢI TRỌNG NỔ ............................................................................ 102

4.1. Đặt vấn đề .......................................................................................... 102
4.2. Mô hình vật liệu cốt sợi thủy tinh (GFRP) ...................................... 102
4.2.1. Tính chất của vật liệu cốt sợi thủy tinh ....................................... 102
4.2.2. Phương trình trạng thái ............................................................... 103
4.2.3. Mô hình bền ................................................................................ 108
4.2.4. Mô hình phá hủy ......................................................................... 108
4.3. Mô phỏng số công trình ngầm BTCT và bê tông cốt GFRP chịu tải
trọng nổ ..................................................................................................... 108
4.3.1. Mô hình hóa bài toán .................................................................. 109
4.3.2. Mô hình vật liệu .......................................................................... 110
4.3.3. Kết quả mô phỏng và nhận xét ................................................... 113
4.4. Mô phỏng số và thử nghiệm hiện trường mô hình CTN bê tông cốt
GFRP chịu tải trọng nổ ........................................................................... 119
4.4.1. Mô phỏng số bằng AutoDyn 3D ................................................. 120
4.4.2. Thử nghiệm nổ tại hiện trường ................................................... 122
4.4.3. Phân tích và so sánh kết quả ....................................................... 126
4.5. Kết luận chương 4 ............................................................................. 133
KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................ 135

5.1. Những kết quả chính và đóng góp mới của luận án ....................... 135
5.2. Các hướng nghiên cứu tiếp theo ...................................................... 136
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ........................................... 137
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 138
PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH MCORAL .......................................................... 146

vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1. Danh mục các ký hiệu
1.1. Các ký hiệu bằng chữ La tinh
C. Khối lượng thuốc nổ [Kg]
c: Lực dính [kPa]
D: Tốc độ lan truyền sóng nổ [m/s]
e: Nội năng đơn vị [J]
Edh: Mô đun đàn hồi [kPa]
G: Mô đun cắt [kPa]
kτ: Hệ số áp lực hông
K: Mô đun đàn hồi khối [kPa]
m: Khối lượng [g]
p: Áp suất [kPa]
q: Áp suất giả nhớt [kPa]
s: Ứng suất lệch [Pa]
t: Thời gian [s]
T: Nhiệt độ [K]
x: Chuyển vị [m]
v: Vận tốc [m/s]
V: Thể tích [cm3]
1.2. Các ký hiệu bằng chữ Hy Lạp
ε : Biến dạng

 : Tốc độ biến dạng
v: Hệ số poisson
ρ: Mật độ môi trường [g/cm3]

viii

σ: Ứng suất [MPa]
ϕ: Góc ma sát trong
2. Các chữ viết tắt
BT: Bê tông
BTCT: Bê tông cốt thép
BD: Biến dạng
CTN: Công trình ngầm
CTQS: Công trình quân sự
EOS: Phương trình trạng thái
FRP: Cốt sợi Polyme
FEM: Phương pháp phần tử hữu hạn
GFRP: Cốt sợi thủy tinh
LATS: Luận án Tiến sỹ
PTHH: Phần tử hữu hạn
SPH: Hạt không lưới
ƯS: Ứng suất


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Phương trình của các định luật bảo toàn [37]......................... 30
Bảng 2.2. Các phương trình bổ trợ cho mô hình hóa [37] ...................... 30
Bảng 2.3. Ký hiệu và đơn vị của các đại lượng ...................................... 30
Bảng 2.4. Các công thức phương pháp sai phân hữu hạn....................... 35
Bảng 3.1. Khối lượng thể tích, khối lượng riêng, độ rỗng và hệ số ma sát
của vật liệu san hô [9] ..................................................................................... 65

Bảng 3.2. Cường độ kháng nén, mô đun đàn hồi và hệ số poisson của vật
liệu san hô [9] .................................................................................................. 65
Bảng 3.3. Bảng tốc độ truyền sóng nén trong môi trường san hô bão hòa
nước (D [m/s]) ................................................................................................. 75
Bảng 3.4. Giá trị lớn nhất của áp lực sóng nổ theo phương pháp tuyến và
tiếp tuyến ......................................................................................................... 75
Bảng 3.5. Bảng hệ số áp lực hông k , ứng suất trung bình σ và biến dạng
ε ....................................................................................................................... 76
Bảng 3.6. Các hằng số phương trình trạng thái đối với san hô bão hòa . 86
Bảng 3.7. Các tham số đầu vào tính toán xây dựng mô hình vật liệu san
hô bão hòa nước [4], [9] .................................................................................. 92
Bảng 3.8. Giá trị đỉnh áp lực sóng nổ tại 3 vị trí nhận được từ thí nghiệm
và mô phỏng .................................................................................................... 95
Bảng 3.9. Kết quả áp lực sóng nén lớn nhất tại 3 vị trí trong môi trường
san hô bão hòa nước với lượng nổ 100 g TNT ............................................. 100
Bảng 3.10. Kết quả áp lực sóng nén lớn nhất tại 3 vị trí trong môi trường
san hô bão hòa nước với lượng nổ 200 g TNT ............................................. 101
Bảng 4.1. Các thông số đặc trưng của mô hình vật liệu không khí [23]
....................................................................................................................... 111


x

Bảng 4.2. Các thông số đặc trưng của mô hình vật liệu Cát [51] ......... 111
Bảng 4.3. Các thông số đặc trưng của mô hình vật liệu Bê tông [60] .. 111
Bảng 4.4. Các thông số đặc trưng của mô hình vật liệu Thép [46] ...... 112
Bảng 4.5. Các thông số đầu vào của cốt sợi thủy tinh (GFRP) [64] .... 112
Bảng 4.6. Gia tốc và biến dạng lớn của công trình theo các phương ... 114
Bảng 4.7. Kết quả trị số gia tốc và biến dạng lớn nhất tại điểm 1, lượng nổ
100g cách sườn 0,5m..................................................................................... 129

Bảng 4.8. Kết quả trị số biến dạng lớn nhất theo phương X đáy và nóc,
lượng nổ 100g trên nóc ................................................................................. 130


xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Ứng xử của đất theo trạng thái cắt [70] .................................. 15
Hình 1.2. Mô hình thí nghiệm thanh nén Hopkinson [57]...................... 16
Hình 1.3. Kết quả thí nghiệm thanh Hopkinson [57] ............................. 16
Hình 1.4. Quan hệ ƯS-BD của nền thực tế và mô hình Mohr-Coulomb 19
Hình 1.5. Mô hình Mohr-Coulomb (a) không gian ứng suất chính (b) trong
mặt phẳng lục giác [70] ................................................................................... 20
Hình 1.6. Mặt chảy của mô hình Mohr-Coulomb và mô hình DruckerPrager [49] ....................................................................................................... 21
Hình 2.1. Sơ đồ giải pháp tính toán bằng AutoDyn [23] ........................ 34
Hình 2.2. Biểu diễn hình học các công thức của sai phân hữu hạn ........ 35
Hình 2.3. Rời rạc hóa trong AUTODYN [23] ........................................ 36
Hình 2.4. Mô hình hóa bài toán tính toán CTN chịu tải trọng nổ........... 36
Hình 2.5. Sơ đồ thuật toán giải bài toán bằng phương pháp SPH [23], [54]
......................................................................................................................... 44
Hình 2.6. Quan hệ của hạt trung tâm với hạt lân cận và khoảng làm mịn
[19], [23], [54] ................................................................................................. 45
Hình 2.7. Mô hình hóa theo phương pháp Lagrange và Euler [23] ........ 47
Hình 2.8. Sơ đồ tích phân theo thời gian khi sử dụng lưới Euler [23] ... 48
Hình 2.9. Minh họa xác định lực nút trong không gian 3 chiều [23] ..... 50
Hình 2.10. Chu trình tính toán trong vùng Lagrange [23] ...................... 53
Hình 2.11. Tương tác giữa thuốc nổ và vùng đất xung quanh [23], [69] .. 57
Hình 2.12. Sơ đồ minh họa cách các hạt SPH liên kết vào lưới FEM [58]
......................................................................................................................... 58
Hình 2.13. Giải thuật tương tác giữa SPH và FEM [58], [69]................ 59

Hình 2.14. Minh họa tương tác vùng Lagrange – Euler [23] ................. 62
Hình 3.1. Mặt cắt địa chất điển hình tại đảo san hô xa bờ [2], [9] ......... 64


xii

Hình 3.2. Máy đo động NI SCXI–1000DC ............................................ 68
Hình 3.3. Đầu đo áp lực sóng nổ ............................................................ 69
Hình 3.4. Sơ đồ thí nghiệm số 1 ............................................................. 70
Hình 3.5. Sơ đồ thí nghiệm số 2 ............................................................. 70
Hình 3.6. Áp lực đầu đo số 1,2 và 3 (Thí nghiệm số 1 – Lần đo thứ 1) . 72
Hình 3.7. Áp lực đầu đo số 4,5 và 6 (Thí nghiệm số 1 – Lần đo thứ 1) . 72
Hình 3.8. Áp lực đầu đo số 1, 2 và 3 (Thí nghiệm số 2 – Lần đo thứ 1) 73
Hình 3.9. Áp lực đầu đo số 4,5 và 6 (Thí nghiệm số 2 – Lần đo thứ 1) . 73
Hình 3.10. Quan hệ giữa ứng suất trung bình và biến dạng thể tích ...... 77
Hình 3.11. Cấu tạo phần tử san hô bão hòa nước [37], [73] ................... 78
Hình 3.12. Mô hình khái niệm (a) và mô hình tính toán (b) cho đất 3 pha
[42], [73].......................................................................................................... 80
Hình 3.13. Giao diện nhập thông số đầu vào của chương trình MCORAL
cho mô hình vật liệu san hô bão hòa nước ...................................................... 93
Hình 3.14. Kết quả các quan hệ trong phương trình trạng thái và mô hình
bền của san hô bão hòa nước .......................................................................... 94
Hình 3.15. Mô hình thí nghiệm xác định áp lực sóng nổ trong cát san hô
lẫn cành vụn bão hòa nước .............................................................................. 95
Hình 3.16. Áp lực sóng nổ tại 3 vị trí từ thí nghiệm (a) và từ mô phỏng (b)
......................................................................................................................... 96
Hình 3.17. Mô hình nghiên cứu sóng nén trong môi trường san hô khi vụ
nổ xảy ra trong không khí ............................................................................... 97
Hình 3.18. Mô hình bài toán và vị trí các điểm Gauges ......................... 97
Hình 3.19. Mô phỏng vụ nổ với đương lượng nổ 100g (a), 200g (b) TNT

tại thời điểm 1ms ............................................................................................. 98
Hình 3.20. Biểu đồ áp lực sóng nén theo thời gian tại 3 điểm trong môi
trường san hô bão hòa nước ứng với lượng nổ 100g (a), 200g TNT (b) ........ 99


xiii

Hình 3.21. Kết quả áp lực sóng nổ tại các điểm 1, 2, 3 tương ứng với lượng
nổ 100g, 200g TNT ....................................................................................... 100
Hình 4.1. Sơ đồ bài toán (a); kết cấu công trình ngầm (b) ................... 109
Hình 4.2. Mô hình bài toán ................................................................... 110
Hình 4.3. Sơ đồ các điểm Gauges ......................................................... 113
Hình 4.4. Ứng suất Von – Mises của kết cấu BTCT và bê tông cốt GFRP
tại thời điểm đạt giá trị max .......................................................................... 114
Hình 4.5. Biến dạng theo phương trục X của kết cấu BTCT và bê tông cốt
GFRP tại thời điểm đạt giá trị max ............................................................... 115
Hình 4.6. Biến dạng theo phương trục Y của kết cấu BTCT và bê tông cốt
GFRP tại thời điểm đạt giá trị max ............................................................... 115
Hình 4.7. Biến dạng dọc trục của cốt thép và cốt GFRP tại thời điểm đạt
giá trị max...................................................................................................... 116
Hình 4.8. Lực dọc trục của cốt thép và cốt GFRP tại thời điểm đạt giá trị
max ................................................................................................................ 116
Hình 4.9. Minh họa vụ nổ do lượng nổ 16,77kg TNT cách công trình 2,0m
tại thời điểm 9ms ........................................................................................... 117
Hình 4.10. Ứng suất Von – Mises của kết cấu BTCT và bê tông cốt GFRP
tại thời điểm 9ms (lượng nổ 16,77kg)........................................................... 118
Hình 4.11. Lực dọc trục của cốt thép và cốt GFRP tại thời điểm 9ms (lượng
nổ 16,77kg).................................................................................................... 118
Hình 4.12. Sơ đồ bài toán khảo sát ....................................................... 119
Hình 4.13. Kết cấu mô hình CTN bê tông cốt GFRP ........................... 120

Hình 4.14. Mô hình hóa bài toán và sơ đồ điểm Gauge trong AutoDyn 3D
....................................................................................................................... 121
Hình 4.15. Ảnh mô hình thí nghiệm ..................................................... 122
Hình 4.16. Ảnh bố trí thiết bị đo trong mô hình CTN .......................... 123
Hình 4.17. Ảnh chuẩn bị mô hình thí nghiệm ...................................... 123


xiv

Hình 4.18. Đầu đo gia tốc 353B33 ....................................................... 124
Hình 4.19. Đầu đo biến dạng PL-60-11 ................................................ 124
Hình 4.20. Bố trí đầu đo gia tốc và biến dạng ...................................... 125
Hình 4.21. Kết quả gia tốc theo phương X điểm 1; (a) Mô phỏng
AutoDyn3D, (b) Thí nghiệm hiện trường, lượng nổ 100g cách sườn 0,5m . 127
Hình 4.22. Kết quả gia tốc theo phương X điểm 2; (a) Mô phỏng
AutoDyn3D, (b) Thí nghiệm hiện trường, lượng nổ 100g cách sườn 0,5m . 127
Hình 4.23. Kết quả biến dạng điểm 1; (a) Mô phỏng AutoDyn3D, (b) Thí
nghiệm hiện trường, lượng nổ 100g cách sườn 0,5m ................................... 128
Hình 4.24. Kết quả biến dạng điểm 2; (a) Mô phỏng AutoDyn3D, (b) Thí
nghiệm hiện trường, lượng nổ 100g cách sườn 0,5m ................................... 128
Hình 4.25. Kết quả biến dạng theo phương X nóc và đáy; (a) Mô phỏng
AutoDyn3D, (b) Thí nghiệm hiện trường, lượng nổ 100g trên nóc ............. 129
Hình 4.26. Ứng suất Von – Mises của kết cấu bê tông cốt GFRP tại thời
điểm 1,5ms khi chịu lượng nổ trên nóc 100g và 200g TNT ......................... 130
Hình 4.27. Ứng suất Von – Mises của kết cấu bê tông cốt GFRP tại thời
điểm 2,0ms khi chịu lượng nổ trên nóc 100g và 200g TNT ......................... 131
Hình 4.28. Biến dạng theo phương X của kết cấu bê tông cốt GFRP tại
thời điểm 2,0ms khi chịu lượng nổ trên nóc 100g và 200g TNT ................. 131
Hình 4.29. Biến dạng dọc trục của cốt GFRP tại thời điểm 2,0ms khi chịu
lượng nổ trên nóc 100g và 200g TNT ........................................................... 131

Hình 4.30. Ứng suất Von – Mises của kết cấu bê tông cốt GFRP tại thời
điểm 3,0ms, nổ chính giữa cách sườn 1,0m lượng nổ 200g và 400g ........... 132
Hình 4.31. Biến dạng theo phương Y của kết cấu bê tông cốt GFRP tại
thời điểm 3,0ms, nổ chính giữa cách sườn 1,0m lượng nổ 200g và 400g .... 132
Hình 4.32. Biến dạng dọc trục của cốt GFRP tại thời điểm 3,0ms, nổ chính
giữa cách sườn 1,0m lượng nổ 200g và 400g ............................................... 132


1

MỞ ĐẦU
Việt Nam là quốc gia có đường bờ biển dài 3260 km, trải dài từ Bắc vào
Nam, có các đảo ngoài khơi phần lớn là đảo san hô phân bố theo cụm. Các cụm
đảo này là lá chắn quan trọng bao quanh vùng biển và dải bờ biển Việt Nam,
nó có nhiệm vụ trấn giữ đường biên giới biển của chúng ta và góp phần to lớn
trong việc bảo vệ bờ cõi, giữ vững nền an ninh quốc phòng của đất nước. Hiện
tại trên các đảo san hô mới chỉ có các công sự kiểu đào (công trình ngầm đặt
nông) có kháng lực thấp, các công trình có kháng lực cao chưa được thiết kế và
xây dựng.
Hiện nay, các nghiên cứu trong nước khi tính toán công trình ngầm (CTN)
chịu tải trọng nổ vẫn sử dụng phương pháp truyền thống. Phương pháp này
không xét tới quá trình nổ và dãn nở của sản phẩm nổ, coi quá trình nổ là thành
phần ngoại lực tác dụng lên cơ hệ công trình – nền, tải trọng sóng nổ được tính
toán và nhập vào mô hình tính trên một biên nào đó dưới dạng tải trọng động.
Với bài toán biến dạng lớn, môi trường không liên tục và diễn ra trong thời gian
ngắn t ≤ 0,1s thì phương pháp truyền thống tỏ ra kém hiệu quả [23], nên áp
dụng các phương pháp tiên tiến như phương pháp sử dụng mô hình tương tác
đầy đủ (fully - coupled method).
Trong nghiên cứu của các tác giả [11], [14] quan niệm nền san hô theo mô
hình đàn hồi tuyến tính, mô hình này chỉ chấp nhận được với nền đất cố kết

chặt, tải trọng tác động nhỏ, nền có tính chất đàn hồi, chấp nhận bỏ quan biến
dạng dẻo. Khi nghiên cứu, tính toán công trình ngầm chịu tải trọng nổ, mô hình
đơn giản này không thể diễn tả được bản chất ứng xử cơ học phức tạp của nền
san hô. Khi tính toán công trình ở xa tâm nổ chỉ còn tác dụng địa chấn của sóng
nổ có thể áp dụng mô hình này. Trong trường hợp công trình ở gần tâm nổ, tải
trọng lớn mô hình đàn hồi tuyến tính sẽ có sai số lớn.


2

Công trình quân sự trên các đảo san hô xa bờ chủ yếu sử dụng vật liệu
truyền thống như bê tông, bê tông cốt thép, qua thời gian sử dụng do tác động
của môi trường nước biển, các công trình sẽ xuống cấp và có thể không đảm
bảo các yêu cầu về kỹ chiến thuật [7]. Việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu mới
như bê tông nước biển, bê tông cốt sợi polyme (FRP) trong xây dựng, gia cường
kháng lực, sửa chữa và cải tạo các công trình quân sự là yêu cầu đặt ra.
Từ những lý do trên, tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu tính toán công trình
ngầm trong môi trường san hô bão hòa nước chịu tải trọng nổ” đây là một
vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Mục đích nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu phương pháp sử dụng mô hình tương tác đầy đủ, ứng dụng
phần mềm AutoDyn3D để tính toán công trình ngầm chịu tải trọng nổ.
Nghiên cứu, so sánh ứng xử của CTN kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) với
kết cấu bê tông cốt sợi thủy tinh (GFRP) khi chịu tải trọng nổ.
Nghiên cứu tính toán CTN bê tông cốt GFRP trong môi trường cát san hô
lẫn cành vụn bão hòa nước chịu tải trọng nổ.
Từ đó đưa ra các kiến nghị về: phương pháp tính; kết cấu bê tông cốt GFRP;
mô hình vật liệu cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước trong tính toán CTN chịu
tải trọng nổ, phục vụ thiết kế và xây dựng CTN trên các đảo san hô.
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Công trình ngầm BTCT và bê tông cốt GFRP có kích thước cụ thể trong
không gian 3 chiều.
Công trình ngầm đặt nông chịu tác động của tải trọng nổ do bom đạn.
Môi trường san hô bão hòa nước nghiên cứu trong luận án cụ thể là lớp
cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước.


3

Công trình ngầm nằm trong 1 lớp địa chất là cát san hô lẫn cành vụn bão
hòa nước, nên cần nghiên cứu xây dựng chương trình khai báo vật liệu dưới
dạng các User trong AutoDyn cho cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng số bằng phần mềm AutoDyn3D và kết
hợp với thử nghiệm nổ tại hiện trường.
Nội dung và cấu trúc của luận án
Luận án bao gồm 136 trang thuyết minh, trong đó có 73 hình vẽ và đồ thị,
22 bảng, 80 tài liệu tham khảo, được cấu trúc thành các phần: Mở đầu, 4
chương, Kết luận chung, Tài liệu tham khảo và Phụ lục.
Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết của đề tài, mục đích, đối tượng, phạm
vi, phương pháp nghiên cứu và cấu trúc của luận án.
Chương 1: Tổng quan về tính toán công trình ngầm trên đảo san hô chịu
tải trọng nổ.
Chương 2: Phương pháp sử dụng mô hình tương tác đầy đủ tính toán công
trình ngầm chịu tải trọng nổ
Chương 3: Xây dựng mô hình vật liệu cho cát san hô lẫn cành vụn bão
hòa nước
Chương 4: Tính toán công trình ngầm bê tông cốt sợi thủy tinh chịu tác
dụng của tải trọng nổ
Kết luận chung: Trình bày những kết quả chính và đóng góp mới của

luận án và các hướng nghiên cứu tiếp theo
Phụ lục: Giới thiệu mã nguồn của chương trình đã lập trong luận án.


4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH NGẦM
TRÊN ĐẢO SAN HÔ CHỊU TẢI TRỌNG NỔ
1.1. Tổng quan về hệ thống công trình quân sự trên các đảo san hô
Các đảo san hô xa bờ của nước ta nằm ở thềm lục địa phía Nam, là vùng
biển có vai trò chiến lược với lợi ích kinh tế an ninh và quốc phòng, có nhiều
nguồn tài nguyên sinh vật và khoáng sản phong phú, đa dạng, trong đó nguồn
dầu khí được đánh giá có triển vọng to lớn. Bên cạnh đó, các đảo này nằm ở vị
trí chiến lược trên tuyến hàng hải quốc tế Âu Á, cho phép xây dựng và thiết lập
hệ thống căn cứ để kiểm soát hàng hải trên Biển Đông. Với vị trí chiến lược và
tầm quan trọng cả về kinh tế, an ninh và quốc phòng, các đảo san hô xa bờ là
một điểm nóng về tranh chấp chủ quyền của 6 nước có liên quan. Để bảo vệ
chủ quyền và toàn vẹn lãnh thổ, cũng như đảm bảo an ninh hàng hải và góp
phần giữ gìn hòa bình thế giới, nước ta đã chủ động tham gia các công ước về
biển, chủ trương đàm phán đa phương để giữ vững ổn định khu vực. Quân đội
được sự tin tưởng của Đảng và nhà nước đang ngày đêm bảo vệ, canh giữ và
xây dựng các công trình quân sự để bảo vệ chủ quyền, chủ động trong mọi tình
huống tại các đảo san hô xa bờ.
Trong thực tế, để chủ động bảo vệ chủ quyền, toàn vẹn lãnh thổ và phát
triển kinh tế - quốc phòng, ngay từ sau giải phóng, các đảo san hô xa bờ đã
được tiến hành nhiều hoạt động sửa chữa, cải tạo và xây dựng mới các hệ thống
công trình quân sự trên đảo, cụm đảo, bãi ngầm. Tuy nhiên trong giai đoạn đầu,
do chưa có nhiều kinh nghiệm thiết kế và thi công, đặc biệt trong điều kiện tự
nhiên khắc nghiệt, các công trình quân sự trên các đảo, cụm đảo, bãi ngầm đã
xuống cấp, hư hỏng hoặc chưa đáp ứng đủ yêu cầu tác chiến trong điều kiện

chiến tranh hiện đại. Trong nhiệm vụ nghiên cứu của mình, các nhà khoa học
của Học viện KTQS được giao nhiệm vụ nghiên cứu theo hướng bảo đảm an


5

ninh quốc phòng, nghiên cứu các giải pháp nâng cao năng lực phòng thủ và
đảm bảo an ninh biển đảo.
Hiện tại trên các đảo san hô xa bờ chỉ mới có các công sự kiểu đào (công
trình ngầm đặt nông) được xây dựng. Mặc dù với điều kiện địa chất phức tạp,
thời tiết và khí hậu khắc nghiệt nhưng thiết kế và công nghệ thi công không
khác nhiều so với các công trình trong đất liền. Các công trình ngầm có khả
năng chịu tác dụng của bom đạn cỡ lớn chưa được thiết kế và xây dựng [7]. Về
cơ sở tính toán công trình ngầm đặt nông chịu tải trọng nổ, vẫn áp dụng các
phương pháp truyền thống.
Với yêu cầu xây dựng các công trình quân sự lâu bền, có khả năng kháng
lực cao, đòi hỏi cần có những nghiên cứu chuyên sâu về điều kiện địa chất, thủy
hải văn và vật liệu xây dựng chịu được điều kiện khắc nghiệt của biển đảo.
Chính vì các yêu cầu cấp bách trên: về điều kiện địa chất, thủy hải văn từ năm
2000 trở lại đây, đã có rất nhiều nhà khoa học tập trung trí tuệ công sức với
trọng điểm là các đề tài khoa học công nghệ cấp nhà nước thuộc chương trình
KC.09/11-15 [2], [7]; về vật liệu xây dựng, các công trình chủ yếu sử dụng vật
liệu truyền thống như bê tông, bê tông cốt thép, qua thời gian sử dụng do tác
động của môi trường nước biển, các công trình đã xuống cấp và có thể không
đảm bảo các yêu cầu về kỹ chiến thuật [7]. Việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu
mới như bê tông nước biển, bê tông cốt FRP trong xây dựng, gia cường kháng
lực, sửa chữa và cải tạo các công trình quân sự đang được tiến hành. Hướng
nghiên cứu ứng dụng vật liệu mới trong xây dựng công trình quốc phòng và
nâng cấp kháng lực công trình quốc phòng đã có trên các đảo san hô xa bờ do
GS.TS Vũ Đình Lợi chủ trì đang được triển khai.

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trên, tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu
tính toán công trình ngầm trong môi trường san hô bão hòa nước chịu tải
trọng nổ”. Với mục đích nghiên cứu, tính toán công trình ngầm nằm trong nền


6

địa chất của đảo san hô chịu tải trọng nổ bằng phương pháp tiên tiến, ngoài ra
có phân tích, so sánh đề xuất lựa chọn vật liệu có khả năng chịu được điều kiện
khắc nghiệt ngoài biển đảo. Để giải quyết tốt vấn đề nghiên cứu, trong các mục
tiếp theo, tác giả trình bày tổng quan về các phương pháp tính toán công trình
ngầm chịu tải trọng nổ, tổng quan về nền san hô và các mô hình nền điển hình,
tổng quan về vật liệu sử dụng trong công trình ngầm.
1.2. Tổng quan về các phương pháp tính toán công trình ngầm chịu tải
trọng nổ
Để phân tích ứng xử kết cấu công trình chịu tác dụng của tải trọng nổ, có
2 hướng tiếp cận:
- Không xét tới quá trình nổ và dãn nở của sản phẩm nổ;
- Xét tới toàn bộ quá trình nổ và dãn nở của sản phẩm nổ.
1.2.1. Tính toán không xét tới quá trình nổ và dãn nở của sản phẩm nổ
Đây là hướng đơn giản hóa bài toán nổ, theo hướng này, quá trình nổ và
sự dãn nở của sản phẩm nổ không được xét tới. Coi quá trình nổ là thành phần
ngoại lực tác dụng lên cơ hệ công trình – nền. Tải trọng sóng nổ được tính toán
từ trước và nhập vào mô hình tính tại một biên nào đó dưới dạng tải trọng động
của áp lực theo thời gian. Việc tính toán tải trọng sóng nổ có thể được tính toán
theo mô hình của M.A. Sadovsky [62], Brode (1955), Newmark và Hanse
(1961) [8], [65] hoặc được tính toán theo tiêu chuẩn của Mỹ UFC 3 -340 -02
[56], [67]. Phương pháp này phù hợp để tính toán kết cấu công trình cách xa
tâm nổ. Trong trường hợp công trình ở gần tâm nổ cách đơn giản hóa như trên
sẽ gây ra sai số lớn do khó xác định chính xác hàm tải trọng hoặc do tải trọng

quá lớn dẫn đến công trình bị phá hủy, biến dạng lớn.
Ngay trong hướng tiếp cận này, tùy theo quan điểm về tải trọng (coi tải
trọng nổ là tĩnh hay động) và quan niệm về quan hệ giữa kết cấu với môi trường


7

(có xét tới tương tác hay không xét tới tương tác) mà chia thành các nhóm
phương pháp tính toán chính khác nhau.
1.2.1.1. Phương pháp tải trọng tĩnh tương đương
Tính CTN chịu tác dụng của nổ theo phương pháp tĩnh học dựa trên quan
điểm cơ bản là coi tác dụng của tải trọng nổ lên kết cấu là tác dụng tĩnh, với trị
số tải trọng tĩnh tương đương do bom đạn nổ được xác định quy đổi theo trạng
thái nội lực nguy hiểm nhất của kết cấu và được xác định theo các công thức:
- Nếu áp lực sóng nén lên công trình cho dưới dạng xung tức thời [12]:

pe  i.

(1.1)

trong đó: pe là tải trọng phân bố quy tĩnh tương đương; i là cường độ của
xung (xung riêng) tức thời được xác định theo từng trường hợp cụ thể do nổ
của bom đạn;  là tần số dao động riêng thấp nhất của kết cấu.
- Nếu áp lực sóng nén cho dưới dạng tải trọng ngắn hạn [12]:
pe  P ( z ).K d  K f  pm ( z ).K d

(1.2)

với Kd là hệ số động lực phụ thuộc vào quy luật biến thiên của tải trọng theo
thời gian và tần số dao động của kết cấu (tức là phụ thuộc vào quy luật của hàm

tải trọng f(t) theo thời gian); Kf là hệ số tương tác phụ thuộc vào độ mềm và
chuyển vị của kết cấu;  pm ( z ) giá trị lớn nhất của tải trọng sóng nén lên kết cấu.
Sau khi xác định được tải trọng tĩnh tương đương nói trên, việc tính toán
kết cấu CTN có thể tiến hành theo các phương pháp dưới đây.
a. Phương pháp tính với việc tách kết cấu ra khỏi môi trường.
Theo phương pháp này kết cấu được tách ra khỏi môi trường, tương tác
của môi trường lên kết cấu được thay bằng một trong các mô hình quen biết (hệ
số nền , thay thanh ....)


8

b. Phương pháp khảo sát hệ "kết cấu - môi trường" như một hệ liên tục biến
dạng duy nhất.
Theo phương pháp này khảo sát hệ ''kết cấu - môi trường'' như là bán
không gian (hay bán mặt phẳng) đàn hồi, vô hạn và biến dạng liên tục với tải
trọng đặt trên bề mặt của hệ "kết cấu - môi trường". Tiếp đó sử dụng các phương
pháp giải tích hoặc các phương pháp số để giải bài toán.
Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ các công cụ tính toán, phương pháp
tải trọng tĩnh tương đương sẽ được giải quyết đơn giản, cho phép kiểm soát
được kết quả tính toán. Tuy nhiên, do áp dụng quá nhiều giả thiết đơn giản hóa,
việc tính toán không thể mô tả hết tương tác của nền với môi trường, ứng xử
của nền cũng như tính chất kháng lực của kết cấu. Nó thường được coi là giải
pháp thiết kế sơ bộ, thiên về an toàn. Theo hướng tính toán này có bảng tính
SBEDs do Bộ quốc phòng Hoa Kỳ biên soạn [56], [67], cho phép người sĩ quan
công binh tính nhanh được khả năng bảo vệ và lựa chọn sơ bộ giải pháp kết cấu
cho các cấu kiện như tường chắn bảo vệ, cửa bảo vệ, công sự.
1.2.1.2. Phương pháp tải trọng động
Ở nhóm phương pháp này, tải trọng được mô tả là các hàm áp lực hoặc
dao động theo thời gian. Tác giả Nguyễn Duy Túy [20] qua nghiên cứu sự lan

truyền sóng nổ trong môi trường đất bão hòa nước, đã tính toán tải trọng tác
dụng lên công trình ngầm. Tải được gán vào biên của hệ kết cấu hoặc hệ kết
cấu – môi trường. Nếu tách riêng hệ kết cấu ra khỏi môi trường, tải trọng tác
động trực tiếp lên bề mặt kết cấu khi đó không xem xét đến sự tương tác giữa
kết cấu và môi trường. Khi tách cơ hệ gồm kết cấu-môi trường, tải trọng đặt
trên biên của môi trường, lúc này cần quan tâm đến tương tác giữa kết cấu và
môi trường.
Trong [13] tác giả Nguyễn Trí Tá đã xây dựng chương trình tính kết cấu
công sự chịu tác dụng của tải trọng động theo quan điểm tương tác động lực


9

học kết cấu – môi trường, trong đó tải trọng là áp lực sóng nổ di động trên bề
mặt môi trường, môi trường được khảo sát như vật thể đàn dẻo ứng xử theo mô
hình mũ, sơ đồ tính toán là bài toán phẳng 2D, chưa xem xét đến sự tách trượt
giữa kết cấu và môi trường. Tác giả Nguyễn Tương Lai trong công trình [6] đã
xây dựng chương trình giải bài toán động lực học của kết cấu với nền biến dạng
có xét đến tính phi tuyến của vật liệu (đàn hồi phi tuyến, đàn dẻo) và tính phi
tuyến của liên kết (tách và trượt) trên bề mặt tiếp xúc của hệ kết cấu-nền.
Để nghiên cứu ứng xử của CTN theo phương pháp tải trọng động, ngoài
việc xây dựng chương trình tính như [6], [13] có thể dùng các phần mềm phân
tích phần tử hữu hạn như Plaxis, Sap2000, FEA analysic... để tính toán. Trong
công trình [5] tác giả Vũ Công Hoằng đã ứng dụng phần mềm AnSys tính toán
kết cấu công sự dạng tấm đặt nửa nổi nửa chìm trong môi trường nền đàn hồi
tuyến tính và phi tuyến đàn dẻo, tải trọng động đặt vào hệ kết cấu môi trường
được tính bằng các công thức trong [12]. Cũng theo hướng đó, tác giả Nguyễn
Hữu Thế [16] tính toán tải trọng động trên biên do vụ nổ tạo ra, sau đó sử dụng
phần mềm AutoDyn2D để nghiên cứu quá trình truyền sóng trong môi trường
san hô, tác động của sóng đến công trình ngầm dạng vuông và dạng tròn.

Đối với bài toán công trình nằm trong đất vụ nổ xảy ra trong không khí,
khi đó tải trọng được gán trên mặt đất. Tải trọng tác dụng trên mặt đất lúc này
được tính toán theo các công thức thực nghiệm trong [12] hoặc tính theo tiêu
chuẩn UFC 3-340-02 của Mỹ [56], [67].
1.2.2. Phương pháp sử dụng mô hình tương tác đầy đủ
Hướng tiếp cận thứ 2 là xét đến toàn bộ quá trình nổ và dãn nở của sản
phẩm nổ (phương pháp sử dụng mô hình tương tác đầy đủ - fully coupled
method). Trong trường hợp này cơ hệ được xét đến gồm cả môi trường (môi
trường nền, không khí), kết cấu công trình và vật liệu nổ. Mục đích là xây dựng
một cơ hệ mô tả sát nhất với thực tế diễn ra quá trình tương tác của của công


10

trình với các tác động bên ngoài. Đối với bài toán nổ, quá trình vật lý nổ sẽ
được tính toán, mô phỏng như trong thực tế. Phương pháp này mô phỏng đầy
đủ quá trình vật lý nổ, hình thành phễu nổ, lan truyền sóng nổ trong môi trường
và tương tác của sóng nổ với công trình. Quá trình tính toán bắt đầu từ tâm vụ
nổ, năng lượng lan truyền qua các phần tử môi trường theo bước thời gian và
tác dụng vào công trình. Hệ công trình và môi trường (không khí, đất…) cùng
làm việc đồng thời.
Rõ ràng với bài toán biến dạng lớn, môi trường không liên tục và diễn ra
trong thời gian ngắn t ≤ 0,1s thì phương pháp truyền thống tỏ ra kém hiệu quả
[23], nên áp dụng các phương pháp tiên tiến như phương pháp sử dụng mô hình
tương tác đầy đủ để giải quyết. Hiện nay có một số phần mềm tính toán tiêu
biểu để giải bài toán bằng phương pháp sử dụng mô hình tương tác đầy đủ là
AUTODYN, LS-DYNA, ABAQUS [37]….
Vấn đề khó khăn với phương pháp này là phải xây dựng và xác định được
mô hình vật liệu (phương trình trạng thái - equation of state – EOS, mô hình
bền - strength material model và mô hình phá hủy - failure model) cho tất cả

vật liệu sử dụng trong toàn hệ. Phải thiết lập được các điều kiện biên, pha ban
đầu cho mô hình.
Hiện nay phương pháp sử dụng mô hình tương tác đầy đủ bằng các phần
mềm AutoDyn, LS-Dyna, ABAQUS để nghiên cứu tính toán ứng xử của công
trình chịu tác động của vụ nổ đã được một số nhà khoa học trong nước và trên
thế giới ứng dụng [37], [45], [72], [73], [74], [78]. Trong [37] Darina Fišerová
ứng dụng phần mềm AutoDyn nghiên cứu ứng xử của công trình dưới tác dụng
của vụ nổ, xây dựng mô hình vật liệu đất 3 pha sử dụng trong AutoDyn. Trong
công trình [72], [73], [74] các tác giả sử dụng phần mềm LS-Dyna để nghiên
cứu sự lan truyền sóng trong một số loại đất và ứng xử công trình ngầm sự dưới
tác dụng của tải trọng nổ. Tuy nhiên các nghiên cứu trong nước theo phương


11

pháp này để tính toán áp lực sóng nổ và ứng xử của công trình chịu tác động
của vụ nổ còn hạn chế. Phương pháp này mới được ứng dụng vào một số nghiên
cứu trong lĩnh vực vũ khí.
Từ tổng quan trên, với yêu cầu đặt ra trong vấn đề nghiên cứu là tính toán
công trình ngầm trong môi trường san hô bão hòa nước chịu tải trọng nổ. Tác
giả lựa chọn phương pháp sử dụng mô hình tương tác đầy đủ ứng dụng phần
mềm AutoDyn3D để nghiên cứu tính toán công trình ngầm trong môi trường
san hô bão hòa nước chịu tải trọng nổ. Đây cũng là một trong những nội dung
trọng tâm của luận án.
1.3. Tổng quan về nền san hô và các mô hình nền
Như đã trình bày ở mục trên, khi giải bài toán bằng phương pháp sử dụng
mô hình tương tác đầy đủ cần phải xây dựng được mô hình vật liệu cho tất cả
vật liệu sử dụng trong toàn hệ. Vì thế cần phải nghiên cứu các tính chất cơ lý
của san hô, nền san hô và các mô hình nền điển hình làm cơ sở để xây dựng mô
hình vật liệu cho cát san hô lẫn cành vụn bão hòa nước.

1.3.1. Nền san hô, các tính chất cơ lý của nền san hô
Nghiên cứu về san hô và nền san hô là một hướng nghiên cứu phức tạp và
ít được công bố trên thế giới. Ở Việt nam, nền san hô mới được nghiên cứu
trong những năm gần đây. Các nghiên cứu về cơ chế hình thành rạn san hô, địa
mạo, cấu trúc nền san hô đã được một số tác giả trong nước và ngoài nước công
bố [2], [4], [7], [9], [18]. Các công trình nghiên cứu về san hô và nền san hô
của nước ngoài đều mang tính tổng quan giới thiệu [71], các công bố từ các
công trình nghiên cứu của Việt Nam là khá phong phú, rõ ràng.
Tác giả Nguyễn Hoa Thịnh [18] trong nghiên cứu của mình đã đưa ra được
các giải pháp CTN trên đảo san hô xa bờ, các giải pháp chống xói lở và bảo tồn
các đảo san hô xa bờ, bước đầu đã xây dựng được cơ sở khoa học và quy trình