Một số kết quả nghiên cứu chấn động bề mặt bằng VM 1220E để đánh giá hư hại của các công trình

MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHẤN ĐỘNG BỀ MẶT BẰNG
VM 1220E ĐỂ ĐÁNH GIÁ HƯ HẠI CỦA CÁC CÔNG TRÌNH
NGUYỄN HỒI NAM*

Some results of research on surface vibration caused by means of traffic
Abstract: By the seismic measurement results on the road, using the VM
1220E vibration measuring device from Japan, the article analyzes the
relationship between geological structures and the some vibration
parameters such as amplitude and acceleration. In particular, the
relationship over time of measurement parameters have been described for
clarifying influence of dynamic loads on the structural damage of the
works along the road during construction and use of the road
Keywords: Surface vibrations and damage works
GIỚI THIỆU CHUNG *
Gần đây các tuyến đường cao tốc được khởi
công ở rất nhiều nơi trên lãnh thổ Việt Nam.
Trong đó, rất nhiều tuyên đường đi vào giữa
khu dân cư, thấm trí cắt ngang qua các thị trấn
thị tứ và khu đô thị đã thấy xuất hiện hiện tượng
nứt rạn kết cấu tường cơng trình gần đường.
Hiện tượng hư hại kết cấu cơng trình dưới tác
dụng của tải trọng động đã được nhận thấy từ
lâu không chỉ ở Việt Nam mà cả trên thế giới.
Tuy nhiên, tải trọng động thông qua sự lan
truyền trong nền đất dưới dạng sóng đàn hồi phụ
thuộc vào nhiều yếu tố và ứng xử của kết cấu
cơng trình dưới tác dụng của tải trọng động
cũng vơ cùng đa dạng. Do đó, ảnh hưởng của tải
trọng động mà phổ biến là tải trọng trùng phục
của phương tiện vận chuyển, phần lớn chỉ nhận
ra theo cảm tính mà rất ít có đánh giá định

lượng bằng các số liệu đo cụ thể. Tại những
nước có trình độ khoa học kỹ thuật phát triển
như Mỹ, Tây âu, từ lâu đã ban hành các tiêu
chuẩn để đánh giá sự ảnh hưởng của tải trọng
động đến kết cấu cơng trình. Điển hình như tiêu
chuẩn Din DIN 4150 của Cộng hòa Liên bang
Đức mà sau này Việt Nam trên cơ sở đó đã ban
*

Đại học Kiến Trúc Hà Nội
Km10 Nguyễn Trãi, P. Văn Quán, Hà Đông, Hà Nội

36

hành TCVN 7378: 2004. TCVN 7378: 2004 được
xem là căn cứ để đánh giá đánh giá sự hư hại kết
cấu do tác dụng của tải trọng động. Tuy nhiên, các
thiết bị hiện đo thường sử dụng các geophon với
các phép đo là vận tốc và gia tốc hoặc biên độ tần
số và cho kết quả là các đường biểu diễn các đại
lượng đó theo thời gian nên sử dụng giá trị nào
trong nhiều các giá trị trên đường biểu diễn để
đánh giá là một vấn đề phức tạp.
Bài báo ở đây chỉ đề cập tới ảnh hưởng lan
truyền chấn động trên các dạng cấu trúc nền
khác nhau của tải trọng động có đặc trưng trùng
phục của các phương tiện vận tải di chuyển trên
đường, kế cả các thiết bị thi công. Theo đó, tải
trọng trùng phục được nhìn nhận qua các đặc
tính như sau:

- Nguồn gây chấn động biến đổi cùng với
chiều chuyển động của xe chạy và lăp lại theo
chu kỳ của đồn xe nối tiếp nhau.
- Có sự tham gia của nhiều nguồn chấn động
do nhiều xe chạy đồng thời.
Như vậy, đặc điểm lan truyền có tính chất
động sẽ gây ra chấn động bề mặt và biến dạng
tích lũy cho mặt đường. Nói cách khác, biến
dạng do tác dụng trùng phục gồm chấn động với
biến dạng tích lũy, đó là các biểu hiện mang tính
hai mặt của q trình chuyển hóa năng lượng.
Việc đánh giá dự báo chấn động và biến dạng
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020


tích lũy bằng các bài tốn hiện có là vơ cùng
phức tạp. Do đó, tìm hiểu mối quan hệ cấu trúc
nền đường với chấn động bề mặt đường dưới tác
dụng của tải trọng trùng phục sẽ sáng tỏ nhiều
vấn đề của lan truyền dao động đến nền móng
cơng trình gần đường.
1. CƠ SỞ CỦA PHƢƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
Như đã biết, các phương tiện vận tải khi
chuyển động trên đường, sẽ có lực ngang tác
dụng vào lớp mặt áo đường và lực thẳng đứng
tác dụng xuống cả áo và nền đường. Trong đó,
tác dụng thẳng đứng gồm tác dụng lăn biến đổi
theo tốc độ và mật độ xe chạy và tác dụng xung
đột ngột do sự va chạm của bánh xe với mặt

đường. Dưới các tác dụng lăn, nền đất sẽ đồng
thời có biến dạng thể tích và hình dạng lớn hơn
so với các lớp áo đường. Các biến dạng này, có
thể xem như là biến dạng dưới diện chịu tải của
mặt trụ lăn quanh tâm tức thời. Biến dạng này,
ln có kết quả cuối cùng là làm thay đổi trạng
thái ứng suất biến dạng, trong đó có cả sự thay
đổi độ chặt của đất để đạt sự cân bằng giữa tải
trọng với phản lực nền ở mọi điểm mà trụ lăn
qua. Do đó, năng lượng mà đường tiếp nhận
được từ động năng của các phương tiện chuyển
động sẽ được chuyển hóa dưới 2 dạng, là biến
dạng tích lũy và chuyển động bề mặt. Trong đó,
chuyển động bề mặt chính là biểu hiện lan
truyền sóng bề mặt theo cơ chế lan truyền ứng
suất và biến dạng. Tất cả những điều đó đặt ra
các vấn đề cần phải xem xét là:
- Sự khác nhau về lan truyền chấn động giữa
phương thẳng đứng và các phương song song,
vng góc với tuyến đường.
- Quy luật biến đổi các giá trị biên độ, tần số
dao động theo các dạng cấu trúc nền.
Căn cứ vào những phân tích trên, để tìm hiểu
về chấn động bề mặt cho việc sáng tỏ cơ chế
phá hủy của tải trọng trùng phục, nhóm nghiên
cứu đã sử dụng máy VM của Nhật Bản (ảnh 1).
Máy đo có tính năng tác dụng và thực hiện được
các phép đo như sau:
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020

- Máy có thể đo các thơng số gia tốc và biên
độ dao động theo 3 phương vuông góc X, Y, Z.
- Máy đo liên tục theo thời gian với tốc độ đo
0,05s /1 lần đo
- Kết quả đo được tự động tính tốn thể hiện
dưới dạng logarit, trong đó kết quả là các giá trị
trung bình của phổ biên độ ứng với các khoảng
thời gian

Ảnh1: Thiết bị đo VM1220E
- Kết quả đo được lưu giữ
Trên cơ sở khảo sát tình trạng hoạt động của
các phương tiện vận tải trên đường và tài liệu
địa chất thu thập được ở một số điểm, nhóm
nghiên cứu đã bố trí đo tại 4 điểm trên 2 tuyến
quốc lộ 5 và tuyến cao tốc Hà Nội – Hải Phòng.
Tại mỗi điểm đo đều có cấu trúc địa chất đặc
trưng. Đặc điểm hoạt động của các phương tiện,
địa tầng và các kết quả đo tại các điểm đo
nghiên cứu như sau đây.
2. KẾT QUẢ ĐO TRÊN TUYẾN CAO TỐC
Kết quả đo tại xã Cửu Cao:
-Đặc điểm hoạt động của phương tiện vân
tải: tuyến đường đang trong thời gian thi công
phần nền đường, tốc độ chuyển động của các
phương tiện vận tải thấp biến đổi trong khoảng
15-25 km/h. Mật độ lưu thông của các phương
tiện nhỏ nhưng tải trọng xe lớn, thường tải trọng
trên trục 12 tấn.
37

- Đăc điểm nền và mặt đường: đường được
xử lý bằng cọc cát, nền đường đắp cao 2m đã thi
Thứ tự lớp bề dày, m Ký hiệu
1
1
2
1,4
3
1,2
4

2

5

công phần nền đến cao trình thiết kế.
- Địa tầng tại điểm đo xã Cửu Cao:

Tên đất
Cát lấp
Sét pha nâu hông
Sét xám xanh dẻo mềm

Mô dun Ekpa Cƣờng độ Rkpa

12000
7500
6000

75
140
105

Đất hữu cơ

7000

130

Bùn sét pha

25

50

- Kết quả đo:
Thời gian đo
Chỉ tiêu
đo

Đơn vị
đo

Leq
Lmax
Lmin
L10
L50

L90

dB
dB
dB
dB
dB
dB

Z
29,5
45,8
20,2
42,8
25,6
22,5

9 giờ ngày 29/3/2011
Mức rung Lv
Mức gia tốc rung Lva
Trung
Y
X
Trung Bình
Z
Y
X
Bình
23,9
24

44,9
40
32,3
33
61,1
29
31
62,4
48,3
38,2
39,6
73,2
20,2
20,2
35,0
28,2
27,6
27,9
48,3
27,5
28,3
58,2
45,6
37,2
38,1
70,1
23,7
23,9
42,3
37,2

31,6
32,2
58,5
21,5
22
38,1
30,8
29,4
28,9
51,5

Kết quả đo tại khu vực Bình Giang Gia Lộc:
- Đặc điểm hoạt động của phương tiện vân
tải: tuyến đường đang trong thời gian thi công
phần nền đường, tốc độ chuyển động của các
phương tiện vận tải thấp biến đổi trong khoảng
10-20 km/h. Mật độ lưu thông của các phương

Thứ tự lớp

1
2
3

4

bề dày

1
1,8

3,5

Ký hiệu

tiện nhỏ nhưng tải trọng xe lớn, thường tải trọng
trên trục 12 tấn.
- Đặc điểm nền và mặt đường
Đường được xử lý bằng cọc cát, nền đường
đắp cao 3 m nhưng mới thi công phần nền đến
độ cao 0,5m
- Địa tầng

Tên đất

ModunEKpa cƣờng độ Rkpa

Sét pha nâu hồng
Bùn sét pha xám đen
Cát pha xám đen

8500
3000
6500

120
65
70

Bùn sét pha xám đen

2500

55

- Kết quả đo
38

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020


Thời gian đo
Chỉ tiêu
đo
Leq
Lmax
Lmin
L10
L50
L90

Đơn vị
đo
dB
dB
dB
dB
dB
dB

Z

37,2
51,4
29,1
35,4
32,3
30

11 giờ ngày 29/3/2011
Mức rung Lv
Mức gia tốc rung Lva
Trung
Y
X
Trung Bình
Z
Y
X
Bình
32,8
32,9
59,5
40,3
36
35,3
64,5
39,5
39,4
75,9
61,9
61,7

58,6
105,2
28,3
29,6
50,2
30,3
29,5
30,1
51,9
31,6
31,5
57,0
39,1
35,1
34,5
62,9
31,3
31,8
55,1
32,5
31,8
32,2
55,7
29,7
30,1
51,8
34,6
33,9
32,6
58,4

So sánh, đánh giá giữa 2 điểm đo
Để làm sáng tỏ mối cấu trúc nền đến dao
động bề mặt có một số đánh giá sự giống nhau
và khác nhau giữa 2 điểm đo như sau:
- Hoạt động của các phương tiện vận tải trên
đường giữa hai điểm đo là như nhau
- Cao độ mặt đường hiện tại ở điểm Bình
Giang 0,5m thấp hơn điểm Cửu Cao 2m
- Sự khác nhau về cấu trúc nền giữa 2 điểm
đo có đặc điểm cơ bản là chiều dày lớp đất có
độ bền cao nằm trên ở Cửu Cao lớn hơn điểm
Bình Giang, điểm Cửu Cao theo chiều sâu các
lớp có độ bền giảm.
Nhận xét kết quả đo
● Trên tuyến cao tốc
- Biên độ dao động theo các phương tại điểm
đo Bình Giang ln lớn hơn, trong khi gia tốc
rung thì ngược lại, chứng tỏ tần số rung tại điểm
Cửu Cao lớn hơn.
- Giữa ba phương dao động thì biên độ dao
động phương Z thẳng đứng là lớn nhất, biên độ
Thứ tự lớp
2
3

bề dày
Ký hiệu
1,3
2

5

dao động theo phương Y vuông góc với tuyến là
nhỏ nhất, trong khi gia tốc rung thì ngược lại,
chứng tỏ tần số dao động theo phương Y ngang
tuyến lớn hơn.
● Trên tuyến quốc lộ 5
Tuyến đường đã được sử dụng gần 20 năm,
mật độ lưu thông của các phương tiện lớn với
đủ dạng tải trọng, trong đó có nhiều xe tải
trọng lớn. Để có cơ sở so sánh ảnh hưởng của
đặc điểm tải trọng, thời gian đo được chọn chủ
yếu được quyết định bởi tải trọng lớn đi qua vị
trí đo.
Kết quả đo tại khu vực Phú Thụy - Gia Lâm:
- Đặc điểm hoạt động của phương tiện vận
tải: Tốc độ chuyển động của các phương tiện
vận tải trên đoạn này biến đổi trong khoảng
60-80 km/h.
- Đăc điểm nền và mặt đường: Đường được
xử lý bằng đệm cát, nền đường đắp cao 1,5 m.
- Địa tầng:

Tên đất
Sét pha nâu hông

ModunEKpa cƣờng độ Rkpa

8000

140

Sét xám xanh dẻo mềm

6000

115

Sét nâu vần nâu đỏ dẻo cứng

11000

180

- Kết quả đo:
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020

39


Thời gian đo
Chỉ tiêu
đo
Leq
Lmax
Lmin
L10
L50
L90

Đơn vị
đo
dB
dB
dB
dB
dB
dB

Z
23,4
29,6
20,9
26,6
23,3
21,7

18 h ngày 29/3/2011
Mức rung Lv
Mức gia tốc rung Lva
Trung
Y
X
Trung Bình
Z
Y
X
Bình
23,3

23,5
40,5
28,3
27,9
27,8
48,5
27,5
25,9
48,0
44,5
41,2
42,7
74,2
20,2
20,2
35,4
21,9
25,9
24,8
42,0
25,8
24,2
44,3
40,8
36,2
39,8
67,5
23,3
23,5
40,5

26,9
27,4
27
46,9
21,3
21,4
37,2
23,7
26
25,8
43,6

Kết quả đo tại khu vực Quán Toan
- Đặc điểm hoạt động của phương tiện vận
tải: Tốc độ chuyển động của các phương tiện
vận tải trên đoạn này biến đổi trong khoảng 4060 km/h.
Thứ tự lớp

bề dày

Ký hiệu

- Đăc điểm nền và mặt đường: Nền đường
đắp thấp bằng cốt thiên nhiên, được xử lý bằng
đệm cát kết hợp với bấc thấm.
- Địa tầng.

Tên đất

ModunEKpa Cường độ RKpa

2
3

1,2
1,5

Sét pha nâu xám
Cát pha xám đen

7000
9000

90
110

4

3

Cát mịn xám đen

15000

200

Bùn sét pha xám den lẫn vỏ sò

3000

35

5

- Kết quả đo:
Thời gian đo
chỉ tiêu
đơn vị
đo
đo
Leq
dB
Lmax
dB
Lmin
dB
L10
dB
L50
dB
L90
dB

Z
40,6
54,5
35,2
52,1
39,8
37,7

18 giờ ngày 28/3/2011
Mức rung Lv
Mức gia tốc rung Lva
Y
X
Trung Bình
Z
Y
X
Trung Bình
38,5 38,7
68,0
55,3 51,4
51
91
42,8 41,4
80,7
61,8 62,5 59,4
106
35,2 35,2
61,0
43,5 42,3 42,6
74
40,6 40,3
77,4
58,9
57 56,6
100
38,5 38,7

67,6
54 48,3
57
92
36,6 36,2
63,8
47,4 46,6 45,3
80

So sánh đánh giá giữa 2 điểm đo;
Để làm sáng tỏ mối liên quan giữa cấu trúc nền
đến dao động bề mặt có một số đánh giá sự giống
nhau và khác nhau giữa 2 điểm đo như sau:
40

- Hoạt động của các phương tiện vận tải
trên đường giữa hai điểm đo có tải trọng mật
độ như nhau, nhưng có sự khác nhau về tốc
độ xe chạy.
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020


- Cao độ mặt đường hiện tại ở điểm Quán
Toan thấp hơn điểm Phú Thụy
- Sự khác nhau về cấu trúc nền giữa 2 điểm
đo có đặc điểm cơ bản là chiều dày lớp đất có
độ bền cao nằm trên ở điểm Phú Thụy lớn hơn
điểm Quán Toan, điểm Quán Toan có mặt nhiều
lớp đất có độ bền và tính chất khác nhau nằm
đan xen nhau theo chiều sâu.

Nhận xét chung kết quả đo
- Biên độ dao động và gia tốc theo các
phương tại điểm đo Quán Toan luôn lớn hơn
điểm Phú Thụy
- Giữa ba phương dao động thì biên độ dao

Bánh xe

động phương Z thẳng đứng là lớn nhất, biên độ
dao động theo hai phương cịn lại khác nhau
khơng nhiều.
3. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Các kết quả đo trong các điều kiện về cấu
trúc nền, mặt đường và hoạt tải khác nhau, cùng
với cơ chế biến dạng tức thời của bề mặt đường
dưới tác dụng diện chịu hình trụ minh họa bởi
hình 2a,2b. Có thể đi đến một số kết luận làm cơ
sở xây dụng mơ hình đánh giá và dự báo biến
dạng lún tích lũy nền đường dưới tác dụng của
tải trọng trùng phục như sau:

Bánh xe

mặt đường
2a Biến dạng ngang tuyến

2b biến dạng dọc tuyến

Hình 1 (a, b): Biểu diễn biến dạng tức thời mặt đường theo các phương

- Độ cứng của lớp áo đường quyết định đến
sự khác nhau về biên độ theo các chiều song
song và vng góc với tun đường, trong đó độ
cứng áo càng cao sự khác nhau giữa các phương
càng không đáng kể.
- Sự khác nhau về cấu trúc nền sẽ có sự khác
biệt rõ ràng về biên độ dao động theo phương
thẳng đứng.
- Sự khác nhau về tốc độ xe chạy giữa 4060km/h với 60-80km/h không ảnh hưởng
nhiều đến dao động bằng sự khác nhau về cấu
trúc nền.
- Giữa nền đường đắp cao với nền đường đắp
thấp có sự khác nhau căn bản về dao động bề
mặt, cụ thể sự khác nhau đó là như sau: Với nền
đường đắp thấp ln có xu hướng biên độ dao
động thẳng đứng cao hơn, trong khi đường đắp
cao biên độ dao động theo phương ngang tuyến
lớn hơn.
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020

Một số kiến nghị
Khi đường mới sử dụng bề mặt còn bằng
phẳng, đường chỉ chịu tác dụng lăn của bánh xe.
Sau một thời gian tác dụng lăn làm bề mặt
khơng cịn bằng phẳng, khi đó sẽ xuất hiện tác
dụng va chạm làm nền đường xuống cấp nhanh
chóng. Vì thế làm chậm q trình biến dạng tích
lũy mặt đường do tác dụng lăn của bánh xe là
yêu cầu cơ bản để nâng cao tuổi thọ cơng trình,
trong đó khống chế biến dạng tích lũy nền

đường là khâu quyết định. Từ kết quả nghiên
cứu có một số kiến nghị bổ xung và quy trình
thiết kế để khống chế biến dạng tích lũy nền
đường như sau:
- Đối với đường đắp thấp không phân biệt
nền đất thiên nhiên có độ bền cao hay thấp, ln
cần có lớp đệm đồng nhất đủ dầy nằm dưới lớp
áo đường để đảm bảo biến dạng tích lũy xảy ra
như nhau trên toàn bộ chiều dài tuyến.
41


- Đối với đường đắp cao, chiều rộng nền
đường đủ lớn để không chỉ đảm bảo ổn định
mái ta luy mà cịn phải đủ rộng cho phần vỉa hè
và có phần dành cho các phương tiện giao
thông tải trọng nhỏ để hạn chế những biến
dạng ngang tuyến.
- Đánh giá dự báo biến dạng tích lũy do tác
dụng của tải trọng trùng phục là rất quan trọng
để có biện pháp phịng chống, nhưng cũng vô
cùng phức tạp. Sử dụng các số liệu quan trắc
trên cơ sở kết hợp với tài liệu khảo sát là một
cách giải quyết có hiệu quả.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Trần Đình Bửu, Nguyễn Quang Chiêu,
Nguyễn Quang Toản - Khai thác đánh giá và
sửa chữa đường ôtô tập I và II – NXB Đại học
& THCN - Hà Nội, 1984
[2] Tiêu chuẩn thiết kế nền đường đắp

22TCN 262-2000.

[3] Nguyễn Văn Kháng. 2001. Dao động kỹ
thuật NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2003.
[4] Trần Thương Bình, nghiên cứu mơ hình
dao động đất nền 2005. Tạp chí khoa học kỹ
thuật Mỏ- Địa chất
[5]. Áo đường mềm, các yêu cầu kỹ thuật và
chỉ dẫn thiết kế, 22 TCN 211-06.
[6] Quy chuẩn về đánh giá ô nhiểm môi
trường QCVN 27:2010/BTNMT
[7] Svinkin, MR (1999), Prediction and
calculation
of
construction
vibrations, Proceedings
29th
Annual
Members Conference Deep Foundations
Institute, Dearborn MI: 1-22, Accessed 30
April2008,
[8]
Wiss,
JF
(1981), Construction
vibrations: state-of-the-art, Journal of the
Geotechnical
Engineering
Division,
Proceedings of the American Society of Civil

Engineers 107, no. GT2.

Người phản biện: PGS,TS. ĐẬU VĂN NGỌ

42

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4 - 2020